在光纤消逝场中实现对纳米粒子手性选择性光学输运

为何光和微小颗粒的“扭转”重要

我们体内和药物中的许多分子都有左手性和右手性两种形式，尽管化学式相同，但它们的行为可能截然不同。高效分离这些镜像双子——尤其是在它们极小的时候——是化学与药物开发中长期存在的挑战。本文展示了如何通过一根头发般细的玻璃光纤引导特定形态的光，令左旋和右旋的金属纳米粒子产生不同的受力，从而提供了一种仅用光就能对这类粒子进行分拣的新途径。

让光“感觉”颗粒的扭向

这项工作的核心是手性（chirality），即类似于我们左右手或只能朝一方向旋转的螺丝那样的“左右性”特征。研究者考察的是形状像微小扭曲立方体的金纳米粒子，每个约200纳米的百分之一（即约200亿分之一米）大小。这些粒子有镜像版本，称为对映体（enantiomers），它们对圆偏振光的响应不同——圆偏振光的电场在传播时像螺旋一样旋转。早期实验表明，这类光可以温和地将手性纳米粒子拉向或推离一个焦点。本文更进了一步：研究者不是在开放空间聚焦光束，而是通过纳米光纤导引光，使得只有围绕光纤的一层薄薄“光皮”泄露出来，在那里光可以抓住并沿着玻璃表面滑动粒子。

用玻璃细线操控纳米粒子

团队使用了光学纳米光纤，一种比可见光波长更细的渐细玻璃丝，浸没在含有这些手性金纳米立方体的水中。光在光纤内传播时会产生消逝场——围绕表面的紧密局域光晕。该光既能将纳米粒子束缚在光纤上，也能沿光纤轴向推动它们。关键在于，当光是左旋或右旋圆偏振时，推动力会增加一项依赖于粒子手性的微小额外贡献。通过模拟导模光与实际粒子形状之间的相互作用，作者表明这一手性力将显著地加速或减慢粒子的运动，取决于光的扭向。他们预测在粒子手性响应最强的某一波长附近，力的差异大约可以达到40%左右。

观察单个粒子沿光纤竞速

为检验这些预测，研究者在显微镜下将单个纳米粒子作为散射光的亮点来跟踪其运动。在光纤中仅传输一种圆偏振模式时，他们测量了在翻转光的手性时粒子的运动速度变化。对于在最佳波长下的左手性粒子，右旋圆偏光将它们推动得明显比左旋圆偏光更快，测得的速度差与模拟结果高度一致。对照实验使用非手性的金球体，在切换偏振时未观察到系统性的速度变化，证明该效应确实与手性有关。通过对大量粒子和若干波长重复测量，团队发现力差的强度遵循与标准手性光谱相同的谱形，将这一输运效应直接联系到粒子对左旋与右旋光的吸收差异。

让手性颗粒朝相反方向运动

除了改变速度之外，作者还展示了通过两束光可以反转运动方向。他们将一束圆偏振光沿光纤一个方向发射，同时将第二束线偏振光沿相反方向发出。通过调节这束反向模式的功率，他们可以抵消普通的、与手性无关的推力，使得只有手性贡献残留。在这种平衡状态下，翻转圆偏振光的手性会使被束缚的纳米粒子沿光纤的运动方向互换。团队还演示了当偏振被切换时单个粒子来回摆动的振荡运动，并进一步展示在相同条件下，左旋和右旋的纳米立方体会分别漂移到渐细光纤的两侧。

迈向用光分拣分子镜像

这些实验证明，光学纳米光纤可以将左右手纳米尺度物体之间的微小差异转化为稳健的、有方向性的力。尽管粒子在形状和尺寸上存在一定差异，手性力仍能在这些不完美与水中的热扰动之上清晰显现。借助改进的设计和更高的光功率，同一原理或可推广到更小的目标，潜力包括亚100纳米粒子甚至单个分子。基于光纤的平台未来有望帮助实现对药物及其他手性物质的镜像形式的分拣或操控，提供一种无接触、可调节的光学工具，服务于化学、纳米技术和生物医学领域。

引用: Tkachenko, G., Suda, A., Ahn, HY. et al. Chirality-selective optical transport of nanoparticles in the evanescent field of a nanofibre. Nat Commun 17, 3463 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71585-8

关键词: 手性纳米粒子, 光学纳米光纤, 圆偏振光, 对映体分离, 光学操控