La capacidad de distinguir dos enantiómeros quirales es una capacidad analítica esencial para las industrias químicas, incluidas las empresas farmacéuticas, la ingeniería de sabores/olores y la ciencia forense. Una nueva ola de métodos ópticos quirales ha mostrado mejoras significativas en la sensibilidad quiral, en comparación con sus predecesores, lo que genera posibles ventajas analíticas para la discriminación quiral. Los investigadores del Instituto Fritz Haber han integrado uno de estos métodos modernos con el estudio de los aniones en fase gaseosa, que permiten la selección de masas y el uso de un láser de mesa simple para la observación del efecto quiral. Por lo tanto, da un paso más hacia la realización de una herramienta analítica robusta capaz de discriminación quiral de mezclas quirales diluidas y complejas.
Desde la diferencia en el sabor de la menta verde y el hinojo, hasta las consecuencias de un fármaco que cura las náuseas matutinas o causa deformidades en el nacimiento, se sabe que la quiralidad y las propiedades de los enantiómeros, que desencadenan estas diferencias, son un aspecto crucial de los procesos biológicos. A pesar del comportamiento biológico distinto de un par de enantiómeros, sus estructuras químicas similares hacen que sea difícil distinguirlos mediante métodos analíticos o espectroscópicos. Se ha realizado un gran esfuerzo para encontrar técnicas de discriminación quiral que puedan igualar la capacidad de la naturaleza para diferenciar entre muestras cada vez más pequeñas de dos enantiómeros.
En las últimas dos décadas, ha surgido una nueva ola de técnicas de discriminación quiral, que exhiben sensibilidades quirales de magnitudes mayores que sus predecesoras. Esta mayor sensibilidad permite el estudio de moléculas quirales aisladas en fase gaseosa, a concentraciones muy bajas de la muestra inicial. Una de estas técnicas contemporáneas, que ofrece una gran promesa analítica, se conoce como espectroscopia de dicroísmo circular de fotoelectrones (PECD). PECD es un efecto óptico quiral que surge en la fotoemisión de electrones de una muestra de moléculas quirales, cuando se ilumina con luz quiral (es decir, luz polarizada circularmente). El efecto es una diferencia en la dirección promedio en que los electrones salen de la muestra molecular (ya sea hacia adelante o hacia atrás). Esta dirección es una función de la direccionalidad de la luz y del enantiómero que se está probando. Este efecto es increíblemente sensible a muchas características de una molécula quiral que conduce a un efecto que es excepcionalmente perceptivo al potencial quiral de una molécula.
Aunque históricamente los estudios de PECD se han llevado a cabo en moléculas neutras, los investigadores del Instituto Fritz Haber han explorado este efecto en aniones. El uso de aniones para la espectroscopia PECD tiene algunas ventajas analíticas importantes: en primer lugar, dado que los aniones son partículas cargadas, la óptica de iones se puede utilizar para la selección de masas. A menudo, se sabe que las muestras quirales industriales tienen varios componentes. La adición de capacidades de masa selectiva permitiría el aislamiento de moléculas diana antes del proceso de fotoemisión, simplificando así el análisis final. Además, como este efecto se manifiesta a través de la eliminación de un electrón de una molécula quiral, se prefieren energías más bajas para el desprendimiento de electrones, ya que permiten el uso de láseres de mesa disponibles en el mercado. La ionización de un electrón de una molécula neutra de capa cerrada requiere radiación de sincrotrón de alta energía o un proceso multifotónico mediante láseres visibles o de UV cercano. Las energías de fotones más pequeñas requeridas para el desprendimiento del electrón extra en aniones son accesibles por láseres de mesa comunes a través de procesos de desprendimiento de fotones individuales.
El equipo de investigación del departamento de Física Molecular ha registrado por primera vez una señal PECD resuelta en energía para un anión seleccionado en masa. Este no solo es un punto de referencia importante para las posibilidades analíticas de esta técnica, sino que también abre la puerta a la comprensión de las diferencias en la dinámica de electrones entre la fotoionización de neutros y el fotodesprendimiento de aniones. Como la observación de este efecto en los aniones se ha retrasado dos décadas con respecto a su observación en su contraparte neutra, las comparaciones de estos procesos de fotoemisión podrían desbloquear la comprensión de la dinámica universal que rige el efecto PECD. En sus hallazgos iniciales, el equipo de investigación ha demostrado un efecto PECD sorprendentemente similar en magnitud a su contraparte neutra, y un efecto que persiste a energías cinéticas de electrones mucho más altas de lo esperado, al considerar las descripciones teóricas convencionales del fotodesprendimiento de electrones. Estos resultados revelan una brecha actual en el conocimiento de este efecto, que requiere una mayor investigación.