近日，中国科学院西安光机所瞬态光学研究室在手性光与物质相互作用研究方面取得新进展，研究成果发表于Nanophotonics。论文第一作者为西安光机所李曼曼副研究员，通讯作者为陈徐副研究员和姚保利研究员。
手性，即物体无法通过平移和旋转与其镜像完全重合，是生命与材料体系的固有几何特征。互为镜像的对映异构体虽分子式相同，却因空间构型差异而呈现截然不同的生物活性。因此，发展高效、无损、高精度的手性检测与分离方法，一直是手性研究领域的核心目标。
近年来，手性光与物质相互作用领域的前沿进展为此提供了新思路：光场可对不同对映体施加差异化光学力，实现单粒子尺度的手性识别与分选。但现有光力分离研究大多局限于垂直光轴的二维平面操控，且常需借助微流控或人工微结构辅助粒子输运，系统复杂、场景受限。
为解决上述问题，研究团队创新性地将光学牵引效应与手性光与物质相互作用相结合，提出了一种全光的高通量的手性分选方法，可在单一系统中同时实现两种对映体的空间分离与长距离负向输运。
研究团队利用环形光束紧聚焦构建“光针”光场：该光场在50λ纵深内保持强度高度均匀，同时保留入射光场的手性响应特性，可选择性捕获特定手性的微粒；得益于手性匹配带来的前向动量散射增强效应，微粒在光学牵引下逆光入射方向运动，实现三维长距离输运。
图1 单光针光场中手性微粒(a, c)和非手性微粒(b)所受光力分布及相应光力(d-f)的位置依赖性。
在此基础上，团队通过光瞳相位调制进一步构建“双光针”光场，两束光针分别携带相反手性，可同时对两种对映体实施高效分离与负向输运，且横向分离距离与纵向输运距离均可灵活调控。
基于过阻尼朗之万方程开展流体环境下的粒子动力学模拟证实：该光场体系产生的光学力足以克服黏性阻力与布朗扰动，有望实现高通量手性分选，在制药、生化传感及纳米技术等领域具备重要应用价值。
李曼曼介绍，“手性分子如同人的左右手，外形相似却无法重合。二者互为镜像，称作对映体。对映体的理化性质几乎一致，生物活性却天差地别：不少手性药物中，仅一种对映体有疗效，另一种没有药效甚至有毒副作用。如何高效精准分离这对‘镜像分子’，一直是手性研究领域的核心挑战。我们利用‘光针’充当‘光学之手’，既能根据手性差异精准识别特定微粒，还能像‘倒车牵引’般逆向拉动微粒。我们进一步构建‘双光针’结构，如同在微观空间铺设两条并行光学通道，可同时分选两种对映体，搭建出一套全光调控的微观智能分拣流水线。”
图2 双光针光场中不同起始位置、不同手性参数的左右手对映体的运动轨迹(a, b)，以及500粒子的初始随机位置和0.1s后最终位置情况(c)。
研究得到了国家自然科学基金、陕西省重点项目、中国科学院西部之光等项目的支持。
姚保利研究员团队在光场调控和光学微操纵方面开展了长期的理论和实验研究并取得了系列重要成果，相关工作发表于PNAS、PRL、Small等期刊，授权多项国家发明专利，曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖和陕西省重点科技创新团队等奖励和荣誉。
