近日，37000cm威尼斯夏可宇教授与陆延青教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授合作，发表手性分子表征领域的最新研究成果。

手性是指一个物体不能与其镜像相重合的现象，如我们的双手，左手与右手互为镜像，但是不能重合。它是自然界普遍存在的现象，从无机材料到有机材料，从经典材料到量子材料都离不开手性相关的研究。例如，某些手性药物（如沙利度胺、氧氟沙星等）可能具有两种互为镜像的对映异构体，它们拥有相同的化学式，却表现出不同甚至相反的性质和功能。又比如饮料上经常添加的一种甜味剂（阿斯巴甜），只有当它是左旋构型时，才是具有甜味的，而另一种构型却是苦味的。因此，在手性产品的制造过程中，有必要确定其分子的构型并检测其手性纯度。

目前，分子的手性可以利用ORD和CD来进行表征。前者表示手性材料对线偏振光的偏振面的旋转程度，后者反映了手性材料对左旋和右旋圆偏振（LCP and RCP）光的不同吸收。ORD和CD可以对手性分子样本进行非破坏性测量，在医药、食品、化工工业、生命安全、科研等许多领域有着广阔的应用前景。（1）可以在医院临床中测定尿中的含糖量及蛋白质含量，或者在制糖工业中检验生产过程中糖溶液的浓度。（2）可以用于评估手性药物的纯度、构型以及与靶标分子的相互作用，确保药物的有效性和安全性，理解药物的作用机制。（3）一些疾病状态会导致生物体内特定蛋白质分子的手性发生变化，因此可以用于疾病诊断和监测，以解析疾病发生发展的分子机制。（4）监测有机分子在化学反应过程中的手性诱导反应，对于研究手性催化剂和手性合成具有重要意义。

然而，现有的手性测量技术都面临着两大挑战：（1）无法检测极弱手性和极高灵敏度的ORD和CD；（2）无法同时测量ORD和CD信号。

该工作提出了一种精确分析分子手性的新方法，称之为 “腔增强手性本征模（CECEM）光谱法”。该系统在无需施加磁场和频率锁定的情况下，同时测量了手性材料的旋光色散（ORD）和圆二色性（CD），并且在毫秒级的测量时间内达到了约0.04 pm的极高的光谱分辨率，如图1所示，它比以前的工作高了大约两个数量级。该研究工作展示了一种全新的手性光学测量技术，它以更少的条件要求，在谱分辨率等指标上超越了现有技术，这将改变手性光学分析技术的现状。

图1. 不同的设计方案下，ORD和CD测量灵敏度与谱分辨率的结果。红色圆圈代表本工作的实验结果。

图2显示了CECEM光谱法的实现原理。研究人员将一束线偏振光耦合进蝶形腔内，同时激发起腔内LCP和RCP本征模式。然后，扫描输入激光的频率并分别测量LCP和RCP本征模式的透射光谱。在没有手性材料的情况下，这两种模式在共振频率和线宽上将是简并的。如果有手性材料存在，共振频率和线宽的简并现象就会消失。手性材料的ORD会引起腔内LCP和RCP产生不同的相移，导致它们共振频率不同，即ORD与LCP和RCP本征模之间的频率分裂成正比。手性材料的CD会引起腔内LCP和RCP产生不同的损耗，导致它们透射峰不同，即CD与两个本征光谱的透射峰的比值成正比。此外，由于LCP和RCP本征模式的透射谱分别由两个不同光路的探测器探测，所以该方法也可以同时探测到极弱的ORD和CD信号，且灵敏度极高。

图2. CECEM光谱法的实验装置示意图。

该工作成功地在各种手性材料（包括石英晶体、蔗糖溶液和丝蛋白溶液）上演示了CECEM光谱，如图3所示。实验结果证明了在几毫秒的测量时间内，ORD和CD都具有超高的灵敏度。并且，手性测量的光谱分辨率高达0.04 pm，相当于20 MHz，这为感知生物过程中"活跃"物质的动态和化学特性提供了一个特别重要的工具。综上，该技术能够快速、准确、高谱分辨率地测量手性，它为化学、生物学、药理学等领域进行快速手性光学分析提供了一条新的道路。

图3. 三种不同的手性材料的透射光谱: (a)左旋石英晶体，(b)浓度20%的蔗糖溶液, (c)浓度6.7%的丝蛋白溶液。

该成果以“Magnetic-free chiral eigenmode spectroscopy for simultaneous sensitive measurement of optical rotary dispersion and circular dichroism”为题发表在在卓越计划高起点新刊eLight封面上。37000cm威尼斯博士生周文鹏，研究员阮亚平，博士生吴浩东和张涵副教授为论文的共同第一作者，夏可宇教授、陆延青教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。37000cm威尼斯博士后唐江山，四川师范大学助理研究员唐磊，研究生季月娥，博士生贾琨鹏为该研究的重要合作者。该研究工作还得到37000cm威尼斯谢臻达教授及王瑜副教授的指导与帮助。该工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委、江苏省“双创人才”和“双创团队”计划及37000cm威尼斯卓越研究计划项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00068-4