通过结构光实现纯光学方法分离手性物质

分离具有相反手性的物质在化学和生物学，尤其在制药学中有着广泛的应用，与此同时面临着巨大的挑战。对比传统的化学方法，近年来提出的纯光学利用光力来被动分离手性物质的方法具有非侵入、操作简单等优势。近日，新加坡国立大学的仇成伟教授（点击查看介绍）通过使用结构光利用侧向的光力（垂直于光传播方向的非保守力）实现了对手性小颗粒的分离。

手性（Chirality）是指无论如何旋转、移动都无法与其镜像重合的结构或系统，就像我们的左手和右手。大部分生物分子比如DNA/RNA、蛋白质、氨基酸等都是手性的；多数药物分子也具有手性。手性物质根据旋光性可划分为左旋和右旋，分离具有不同旋光性的手性分子在制药学中有着巨大的应用价值：具有单一旋光性手性药物的全球销量从1996年的744亿美元增加到2005年的2250亿美元。传统的化学分离方法需要使用大量的化学试剂并经历复杂的化学反应过程。近年来提出的利用光力实现分离提供了一种操作简单的新思路。一般情况下，光作用于物体上产生的非保守光力沿着光传播的方向。近年来的研究发现，由结构光产生的复杂光场中，非保守力可以同时垂直于光的传播方向与广场的梯度方向，这种力被称为侧向光力（Lateral force）。在某些复杂的光场中，这种侧向光力作用在具有相反旋光性手性物质的方向是相反的，因此它可以用来分离具有相反旋光性的手性物质。

新加坡国立大学的仇成伟教授团队将手性物质（用球形手性材料颗粒模拟）放置于由两束平面波产生的干涉场中计算光场对手性颗粒产生的光力。在这种复杂光场中，颗粒受到光传播方向（z方向）的持续非保守力、场梯度方向（x方向）的保守束缚力和沿y方向的侧向光力。分析颗粒在x方向束缚位置的侧向光力是实现手性物质分离的重要步骤。研究发现，光的偏振状态对作用于手性颗粒的侧向力具有重要影响。仅当两束光波中的一束延对角线方向线偏，而另一束圆偏时，作用在相反旋光性的手性物质的侧向力方向才是相反的。此时，光场才对手性颗粒具有分离效果。作者进一步研究能否在仅使用一束光的简单条件下实现对手性物质的分离。通常情况下，对光力的研究局限在对于光场和被作用物体这两者间进行分析，而被作用物体所处的环境很少得到研究。他们将手性颗粒放置在水和空气的界面上，在这种复杂环境中分析其受到的光力。他们发现在这种情况下同样可以产生侧向的光力，并对手性颗粒进行分离，并对这一现象通过两种不同的机制即干涉波和光子动能进行解释。

这项研究通过复杂的结构光实现了对手性物质的分离。分离对于纳米级别和微米级别的颗粒都具有效果。这项研究对于手性物质的光-物质作用提供了新的视角，可以应用于对手性分子、药品的操控与被动分离。相关成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是新加坡国立大学的博士研究生张天航。

该论文作者为：Tianhang Zhang, Mahdy Rahman Chowdhury Mahdy, Yongmin Liu, Jing Hua Teng, Chwee Teck Lim, Zheng Wang, Cheng-Wei Qiu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

All-Optical Chirality-Sensitive Sorting via Reversible Lateral Forces in Interference Fields

ACS Nano, 2017, 11, 4292, DOI: 10.1021/acsnano.7b01428

仇成伟教授简介

仇成伟，新加坡国立大学电机工程系副教授。仇教授于2003和2007年分别取得本科与博士学位，至2009年底于麻省理工学院物理系从事博士后研究，2009年底于新加坡国立大学担任助理教授，并于2017年1月晋升为副教授（with tenure）。

仇教授曾多次获得学术奖项，包括：SUMMA Graduate Fellowship in Advanced Electromagnetics (2005)、IEEE AP-S Graduate Research Award (2006)、URSI Young Scientist Award (2008)、NUS Young Investigator Award (2011)、MIT TR35@Singapore Award (2012)、Young Scientist Award by Singapore National Academy of Science (2013)、Faculty Young Research Award in NUS (2013)，研究领域包括超颖界面（metasurface）、光与物质作用和纳米光学在内的电磁波理论；曾发表160余篇国际期刊论文，包括1篇Nature Photonics、8篇Nature Communications、10篇Advanced Materials、2篇Adv. Funct. Mater.、4篇PRL、3篇Light: Science & Applications、4篇Nano Lett./ACS Nano、1篇ROPP；担任多个期刊包括EPJ、Scientific Reports的副主编，JOSA B 的论题主编，ACS Photonics、Light: Science & Applications 的客座主编和多次国际会议的主席。

http://www.x-mol.com/university/faculty/44759