西安光机所在手性光与物质相互作用研究方面取得进展

中国科学院西安光学精密机械研究所（简称西安光机所）的瞬态光学研究室近期在手性光与物质相互作用研究领域取得了新的突破。该团队将光学牵引效应与手性光物质相互作用相结合，提出了一种全光学、高通量的手性物质分选新方法。该方法能够在同一系统中同步实现两种对映体的空间分离和长距离反向传输，有望在未来应用于多个领域。

手性是一种几何特性，指的是一个物体无法通过平移和旋转操作与自身的镜像完全重合。在化学和生物学中，互为镜像的对映异构体虽然分子组成相同，但由于空间构型不同，会表现出显著差异的生物活性。因此，开发高效、无损且高精度的手性物质检测与分离技术，一直是该研究领域的重要目标。

近年来，手性光与物质相互作用研究的进展为这一挑战提供了新思路，即利用光场对不同对映体施加差异化的光学力，从而实现单粒子尺度的手性识别和分选。然而，当前的光力分离研究多局限于垂直于光轴的二维平面操控，并且常常需要借助微流控或人工微结构来辅助粒子输运，导致系统复杂且应用场景受限。

为了克服这些局限，研究团队创新性地整合了光学牵引效应和手性光物质相互作用。他们开发出一种全光学、高通量的手性分选技术，能够在一个系统中同时完成两种对映体的空间分离和长距离负向输运。

该研究团队通过聚焦环形光束构建了“光针”光场。这种光场在50λ的纵向深度内保持了高度均匀的强度，同时保留了入射光场的手性响应特性，能够选择性地捕获特定手性的微粒。由于手性匹配增强了前向动量散射效应，微粒在光学牵引作用下会逆着入射光的方向运动，实现了三维的长距离输运。

在此基础上，团队进一步通过光瞳相位调制构建了“双光针”光场。这两个光针分别携带相反的手性，能够同时对两种对映体进行高效分离和负向输运。其横向分离距离和纵向输运距离都可以灵活调节。

通过基于过阻尼朗之万方程的流体动力学模拟，研究证实了该光场系统产生的光学力足以克服粘性阻力和布朗运动的干扰，有望实现高通量的手性分选。这项技术在制药、生化传感和纳米技术等领域展现出重要的应用潜力，正如在足球世界杯赛场上对速度和精准度的极致追求一样，这项研究也代表了科学探索的尖端水平。

西安光机所副研究员李曼曼解释说，手性分子就像人的左右手，虽然外观相似但无法完全重叠。它们互为镜像，被称为对映体。对映体的物理化学性质几乎一致，但生物活性可能截然不同。例如，在许多手性药物中，只有一种对映体具有药效，而另一种可能无效甚至产生毒副作用。因此，如何高效、精确地分离这对“镜像分子”一直是手性研究领域的关键难题。

李曼曼进一步阐述：“我们利用‘光针’作为‘光学之手’，不仅能根据手性差异精确识别特定微粒，还能像‘倒车牵引’一样反向拉动微粒。通过进一步构建‘双光针’结构，相当于在微观空间铺设了两条平行的光学通道，能够同时分选两种对映体，搭建起一套全光学调控的微观智能分拣流水线。”