基于受抑全反射光自旋霍尔效应手性分子鉴别系统及方法

1.本发明涉及材料鉴别领域，具体涉及一种基于受抑全反射光自旋霍尔效应 手性分子鉴别系统及方法。


背景技术：

2.手性是指一个物体无法和其镜像相重合的性质，手性物质和它的镜像被称 为手性对映体。手性分子是指物体与其镜像无法互相重合且具有一定构型或构 象的分子。手性分子广泛存在于自然界和生命体中，在药理学、化学合成以及 生命科学等研究领域发挥着重要作用。由于左手分子以及右手分子有着共同的 化学特性和物理特性，所以对它们的检测具有很大的难度。现有的手性分析技 术主要有：压电和光学气体传感器、化学显微镜、免疫传感器、荧光传感器等。 但这些技术都有各自的局限性，比如只能检测气体物质、无法定量描述、会与 样品发生化学反应从而破坏样品等。随着技术的发展，旋光性成为检测手性分 子构型最有用的工具之一。旋光性是指线偏振光通过手性分子介质时，偏振面 会发生偏转的现象。比旋度是一种物理性质，不同旋光物质的比旋度一般不同， 左旋物质的比旋度为负数，右旋物质的比旋度为正数。光自旋霍尔效应是光束 中左旋和右旋圆偏振光发生分离的现象，若偏振面发生偏转，则光自旋霍尔效 应的自旋横移必将发生改变。所以我们可以将光自旋霍尔效应用于手性分子检 测中。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于受抑全反射光自旋霍 尔效应手性分子鉴别系统及方法。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于受抑全反射光自旋霍尔效应手性分子鉴别系统，依次包括前置选 择光路、增强芯片结构、后置选择光路以及电耦合元件ccd；
6.所述前置选择光路用于调节反射光束光强在所述电耦合元件ccd的接收信 号可承受范围内；
7.所述增强芯片结构用于增强反射光束的光自旋霍尔效应；
8.所述后置选择光路用于放大光束经增强芯片结构反射之后的自旋分裂并对 反射光准直；
9.所述电耦合元件ccd用于定位光斑并读取接收光强的数据；
10.所述前置选择光路和增强芯片结构之间放置标准比色皿，所述标准比色皿 内部盛装待测试样本手性分子溶液。
11.上述方案的有益效果是，增强光自旋霍尔效应，使ccd可以捕捉到光斑， 并能够读取出自旋横移值。
12.进一步的，所述前置选择光路依次包括he-ne激光器、半波片、短焦距平 凸透镜以及第一格兰偏振镜；
13.所述he-ne激光器发射光束和半波片用于调节入射光束光强，确保所述电 耦合元件ccd的接收信号在其承受范围内；
14.所述短焦距平透镜用于对入射光进行缩束；
15.所述第一个格兰偏振片用于对短焦距平透镜的出射光束的偏振态进行选择。
16.进一步的，所述后置选择光路依次包括第二格兰偏振镜和长焦距平凸透镜， 其中，
17.所述第二格兰偏振镜用于对经过所述增强芯片结构反射之后的左右圆偏振 光发声相消干涉，放大光自旋霍尔效应的自旋分裂；
18.所述长焦距平凸透镜用于经过所述第二格兰偏振镜的光束进行准直，并于 所述短焦距平凸透镜形成共焦腔。
19.进一步的，当系统工作时，所述he-ne激光器发射光束，经过半波片调节 入射光强光强，经过短焦距平凸透镜缩束，经过第一格兰偏振镜对光束的偏振 态进行选择，光束穿过所述标准比色皿中手性分子溶液时发生偏振，经过增强 芯片结构反射后发声光束分裂，通过所述第二格兰偏振片使分裂后的左右圆偏 振光发声相消干涉，并通过长焦距平凸透镜准直后照射到所述电耦合元件ccd 上，并由所述电耦合元件定位光斑并读取数据，分析手性分子溶液中的材料成 分。
20.还提出一种基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别方法，包括如 下步骤：
21.s1、构建基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别系统，并读取自 旋横移数据；
22.s2、计算步骤s1读取到的光强数据中的光自旋横移值，并根据光自旋横移 值求解旋光角度；
23.s3、根据步骤s2计算的旋光角度求解手性分子溶液的比旋度，并根据所计 算的手性分子溶液的比旋度得到对应的分子材料的类别。
24.上述方案的有益效果是，通过自旋横移值推算出手性分子的种类。本方法 可以用于所有手性分子溶液的鉴别。
25.进一步的，所述步骤s1具体包括：
26.s11、根据不同材料确定标注比色皿中手性分子溶液浓度及增强芯片结构；
27.s12、由前置选择光路发射激光束，穿过标准比色皿中的手性分子溶液后通 过增强芯片结构反射，经过后置选择光路照射到电耦合元件ccd上；
28.s13、利用电耦合元件ccd定位照射光斑，并读取光强数据。
29.进一步的，所述步骤s2中光自旋横移值表示为：
[0030][0031]
其中，z、δ、k0、w0为常数，a为旋光角度，η为增强芯片结构s波和p波 反射系数的比值，且η的取值范围为50-60。
[0032]
进一步的，所述步骤s3中手性分子溶液的比旋度的计算方式为：
[0033]
a＝as*lc；
[0034]
其中，as为手性分子溶液的比旋度，l是标准比色皿的长度，c是待测样本溶液 的浓度。
[0035]
上述进一步方案的有益效果是，根据手性分子比旋度的大小，可以选择合 适的溶液浓度来测量手性分子溶液，从而提高检测的灵敏度，使检测结果更加 准确。
附图说明
[0036]
图1为本发明基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别结构示意图。
[0037]
图2为本发明基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别方法流程示 意图。
[0038]
图3为本发明实施例光束自旋横移随η的变化关系示意图
[0039]
图4为本发明实施例不同入射角对不同手性分子的光束自旋横移随η的变 化关系，其中
[0040]
(a)为入射角为60
°
时，不同手性分子的光束自旋横移随η的变化关系；
[0041]
(b)为入射角为70
°
时，不同手性分子的光束自旋横移随η的变化关系；
[0042]
(c)为入射角为60
°
时，不同手性分子的光束自旋横移随η的变化关系；
[0043]
(d)为入射角为70
°
时，不同手性分子的光束自旋横移随η的变化关系；
[0044]
图5(a)为本发明实施例tio2(si al2o3si)4tio2的芯片结构示意图，图 5(b)为本发明实施例tio2(si al2o3si)4tio2的芯片结构中s波和p波的反 射系数随入射角的变化关系示意图。
[0045]
图6(a)为本发明实施例al2o3(sio
2 tio
2 sio2)7al2o3芯片结构示意图， 图6(b)为al2o3(sio
2 tio
2 sio2)7al2o3芯片结构中s波和p波的反射系数随 入射角的变化关系示意图。
[0046]
图7(a)为本发明实施例sf
11
(mgf
2 tio2mgf2)6sf
11
芯片结构示意图， 图7(b)为sf
11
(mgf
2 tio2mgf2)6sf
11
芯片结构中s波和p波的反射系数随 入射角的变化关系示意图。
[0047]
图8为本发明实施例入射角为60
°
时，不同浓度的手性溶液自旋横移随着 物质比旋度变化的曲线。
具体实施方式
[0048]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。
[0049]
实施例1
[0050]
一种基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别系统，其光学路径上 依次包括前置选择光路、增强芯片结构、后置选择光路以及电耦合元件ccd；
[0051]
所述前置选择光路用于调节反射光束光强在所述电耦合元件ccd的接收信 号可承受范围内；
[0052]
所述增强芯片结构用于增强反射光束的光自旋霍尔效应；
[0053]
所述后置选择光路用于放大光束经增强芯片结构反射之后的自旋分裂并对 反射光准直；
[0054]
所述电耦合元件ccd用于定位光斑并读取接收光强的数据；
[0055]
所述前置选择光路和增强芯片结构之间放置标准比色皿，所述标准比色皿 内部盛装待测试样本手性分子溶液。
[0056]
具体而言，如图1所示，he-ne激光器发射光束，hwp是半波片，置于前 选择光路中，目的是调节反射光束光强，确保ccd的接收信号在可承受范围内。 而后光束通过100mm的短焦距平凸透镜l1对入射光进行缩束，使用第一格兰 偏振镜p1对光束的偏振态进行选择，即弱测量光路中的前选择装置部分。cs 是标准比色皿，用来盛装手性分子溶液，选取标准比色皿的折射率为1，与空气 的折射率相一致。光束经过手性分子溶液之后，光束的偏振面就会发生偏转。 增强芯片结构中光子晶体产生反射光自旋霍尔效应，此时系统与测量仪器发生 耦合作用。后选择装置部分包含两个个光学元件：第二格兰偏振镜、250mm长 焦平凸透镜。第二格兰偏振镜p2的作用是使分裂后的左右圆偏振光发生相消干 涉，显著的放大自旋分裂。长焦平凸透镜l2的作用是为了准直实验光路，与透 镜l1要形成一个共焦腔。电荷耦合元件ccd的作用是定位光斑、接收光强并 读取数据。
[0057]
实施例2
[0058]
一种基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别方法，如图2所示， 包括如下步骤：
[0059]
s1、构建基于受抑全反射的光自旋霍尔效应手性分子鉴别系统，并读取光 强数据；
[0060]
本实施例中采用实施例1中构建的鉴别系统，具体方法为：
[0061]
s11、根据不同材料确定标注比色皿中手性分子溶液浓度及增强芯片结构；
[0062]
如图3所示，光束自旋横移随增强芯片结构s波和p波反射系数的比值η 的变化关系，从上至下的曲线表示不同物质的比旋度a，其取值范围从10
°‑
90
°
， 呈等差数列排列，从图3中可知，η的取值从0到2000时，自旋横移并不是线 性关系，η越大，不同物质的自旋横移间隔越小，灵敏度自然也越低。η的值在 0-200之间时，不同物质的光束自旋横移之间的间隔较大，可以认为，此时的传 感灵敏度较高。所以我们选择η在0-200为横坐标，进一步绘制自旋横移随η 变化的曲线，以便确定最优参数。
[0063]
如图4所示，其中，图4a-图d中，从上至下的曲线表示不同的比旋度a， 取值范围依次从10
°‑
90
°
，等差为10
°
，从图4(a)-(d)可知，入射角为70
°ꢀ
时，比旋度大于60
°
的物质自旋横移曲线分布过于紧密，不利于传感设计。而 入射角度为60
°
时，从图4(a)、(c)可以看出，无论是左手的手性分子还是右 手的手性分子，自旋横移的曲线分布相对较均匀，更有利于传感。根据仿真计 算，曲线分布从均匀到密集是一个渐变的过程，并且考虑到实验的容错性，我 们最终确定入射角度的范围在60
°
到70
°
之间。从图4(a)、(c)可知，30《η《200 时，比旋度的绝对值小于60
°
的物质，自旋横移曲线基本成一条直线，而比旋 度的绝对值较大的物质，自旋横移曲线随着η的增大呈减小的趋势。考虑到所 选择η的普适性，我们最终确定η的取值范围在50到60之间。
[0064]
如何实现η的取值范围在50到60之间就是我们接下来要解决的问题。
[0065][0066]
其中r
ssm
、r
ppm
分别表示s波和p波的反射系数，r
ssm
≤1,r
ppm
≤1。若要满 足η的取值ky
表示横向的波矢分量。光束通过手性分子溶液后在芯片上会发生反射，通过 适当的调节，光束中的左旋和右旋圆偏振光就会彼此背离，从而产生光自旋霍 尔效应。onoda认为光束在不均匀折射率介质中存在berry相位，这会导致波包 的质心在垂直于折射率梯度的方向产生分离，这是光自旋霍尔效应产生的原因。 berry相位表示为δ表示自旋横移的大小。出了berry相位，还存在与 横向自旋无关的角位移δ(δ是h偏振态和v偏振态的夹角)。因此，整个系统 的状态演变为
[0080][0081]
式中，表示一个二阶矩阵，用来描述光在反射时，由于h偏振分量和v 偏振分量的反射率不同而产生的偏振态的变化。rs、r
p
表示s波和p波的反射系 数。
[0082][0083]
系统的前选择态为水平偏振态，后选择态为垂直偏振态，系统的自由演化 相为z为光束的自由传输距离，k＝2π/λ表示光束的中心波矢。
[0084]
整个系统的最终状态可以表示为：
[0085][0086]
式中，我们可以计算的所有阶，不需要近似，如式 (6)
[0087][0088]
式中结合式(5)和(6)可以得到
[0089][0090]
弱值可以表示为：
[0091][0092]
式中η＝rs/r
p
。p表示前选择的概率，弱值的 大小和后选择的概率成反比。
[0093]
s13、利用电耦合元件ccd定位照射光斑，并读取光强数据。
[0094]
s2、计算步骤s1读取到的光强数据中的光自旋横移值，并根据光自旋横移 值求解旋光角度，具体方式为：
[0095]
通过几何光学预测弱测量得到的自旋横移值可以表示为：
[0096][0097]
式中r0＝kw
02
/2,r0是瑞利距离，w0是束腰半径。
[0098]
δ＝(δh+η2a2δv)/(η2a2+1)
ꢀꢀ
(10)
[0099]
式中，δh、δv分别表示h偏振光和v偏振光的自旋横移，
[0100]
δh＝(1+η)cotθi/k，δv＝(1+1/η)cotθi/k。
[0101]
综合上述公式化简式(9)，则通过手性分子溶液的光自旋霍尔效应自旋横 移表达式为：
[0102][0103]
其中，z、δ、k0、w0为常数，a为旋光角度，η为增强芯片结构s波和p波 反射系数的比值，且η的取值范围为50-60。
[0104]
s3、根据步骤s2计算的旋光角度求解手性分子溶液的比旋度，并根据所计 算的手性分子溶液的比旋度得到对应的分子材料的类别。
[0105]
具体方式为：
[0106]
a＝as*lc；
[0107]
其中，as为手性分子溶液的比旋度，l是标准比色皿的长度，c是待测样本 溶液的浓度。由于光自旋霍尔效应是一种弱相互作用，只有在光自旋霍尔效应 的自旋横移值比较大的情况下才可以通过仪器测量得到。根据得到的手性分子 溶液的比旋度，查表可得其中手性分子的类别。
[0108]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的 流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框 图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。 可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他 可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程 数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程 和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0109]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0110]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理， 从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程 或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0111]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上 实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领 域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有 改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0112]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理 解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和 实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种 不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明 的保护范围内。