近日，瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利團隊在手性對映體的選擇性光學捕獲方面取得重要進展，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于國際著名期刊《Small》（IF13.3）。論文第一作者為2019級博士研究生張亞楠，通信作者為李曼曼副研究員和姚保利研究員。

手性（Chirality）是指物體通過平移和旋轉(zhuǎn)不能與其鏡像重合的一種不對稱的性質(zhì)，手性分子及其鏡像被稱為對映體（Enantiomer）。對映體具有相同的物理化學特性，但其藥效和毒性卻大相徑庭。例如一種手性藥物具有很強的藥效，但其對映體可能無效甚至有劇毒。因此，對映體的識別與分離在生物、醫(yī)藥和農(nóng)藥等領(lǐng)域中具有重要的應用。另一方面，光束也具有手性，即手性光場。不同手性的對映體對手性光場的響應不同，據(jù)此可以實現(xiàn)對映體的光學識別與分離，這種方式具有非接觸和效率高的優(yōu)點手性不同的微粒在手性光場中受到的光力存在差異，可以利用光力的差異來實現(xiàn)對映體的光學識別與分離。尤其是對映體的選擇性捕獲，不但可以將相反對映體分離，還能把相反手性的對映體捕獲在不同的位置。對映體的選擇性捕獲依賴于光場中光學手性密度的分布，如何調(diào)控光場中手性密度的分布是實現(xiàn)對映體選擇性捕獲的關(guān)鍵。

圖1.混合偏振光束焦平面上手性密度的分布。(a1)-(d1)偏振拓撲荷m分別為1、2、3和4；(a2)-(d2)偏振拓撲荷m分別為-1、-2、-3和-4

圖2.手性對映體微粒在焦平面上所受橫向光力的分布。(a)和(c) S對映體(k = 0.5)；(b)和(d) R對映體(k = -0.5)。（黑色虛線圓表示捕獲位置，綠色虛線圓表示排斥位置）

研究團隊提出了一種利用聚焦的混合偏振光束實現(xiàn)多對對映體的選擇性捕獲的方法。該方法采用的混合偏振光束結(jié)合了m階柱對稱矢量光束和圓偏振光束的偏振性質(zhì)，在焦平面上表現(xiàn)出多對符號相反的局部光學手性密度。通過改變偏振拓撲荷m的大小和符號，可以實現(xiàn)焦面上局部手性密度數(shù)量和符號的調(diào)控。根據(jù)光力理論計算發(fā)現(xiàn)，當m = 1和2時，該光束可以分別將兩對和四對對映體選擇性捕獲在不同的位置，實現(xiàn)了多對對映體的同時識別與分離。分析發(fā)現(xiàn)當該光束焦面上的光學手性密度產(chǎn)生的手性梯度力強于光強產(chǎn)生的非手性梯度力時，才能實現(xiàn)對映體的選擇性捕獲。該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一種局部光學手性密度數(shù)量和符號可調(diào)的局部手性光場，為光場手性的靈活調(diào)控提供了一種新思路，而且將對映選擇性捕獲位置由常見的一對增加到多對，提高了對映體識別和分離的效率，在光學傳感、光學操縱和手性材料的檢測中具有潛在的應用前景。 

該項研究得到國家自然科學基金以及中國科學院相關(guān)項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202309395