综述：手性诱导的自旋选择性效应：材料、机制及应用探索的综述

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Chiral induced spin selectivity effect: A review of materials, mechanisms, and application exploration

　　手性诱导自旋选择效应（CISS）是近年来的重要突破，揭示手性分子通过螺旋对称性破坏电子自旋与轨道运动的对称耦合，实现无外磁场下电子自旋定向筛选。该效应在 chirality 分子识别、不对称合成、电催化等领域具有应用潜力，本文系统总结了其机理、发展现状及未来趋势。

　　

牛晓辉|郑健|张建英|王月伟|李红霞|杨星|王坤杰

兰州理工大学石化技术学院，中国兰州730050

摘要

手性分子的多样性源于它们独特的不对称结构。尽管对映体的物理和化学性质可能相似，但它们的光学和生物活性往往有很大差异，甚至完全相反。从生命活动中手性分子的选择到具有特定手性功能的现代材料的设计，手性一直是一个长期的研究课题。每一次对手性科学的探索都促进了人类对世界的理解以及科学技术的进步。近年来，手性诱导自旋选择性（CISS）效应在手性分子研究领域取得了突破，这一效应从一个独特的角度揭示了手性分子与电子自旋之间的关系。由于CISS效应的存在，手性材料能够选择性地过滤具有特定自旋方向的电子（即实现自旋极化），从而无需外部磁场即可实现自旋调控。因此，CISS效应为手性识别、不对称合成、生命起源、手性电催化和化学反应监测提供了新的研究空间。本文综述了手性材料中CISS效应的基本原理、发展历程、理论基础、研究现状及发展趋势，并展望了其在相关领域的研究前景。

引言

手性化合物在许多科学和技术领域中发挥着重要作用，尤其是在化学、医学和材料科学中[1,2]。手性化学是有机化学的一个重要分支，涉及手性分子的合成、拆分和催化[3,4]。例如，手性有机催化剂和手性配体被用于相应的选择性反应，以控制产物的立体选择性[[5], [6], [7]]。手性是自然界中普遍存在的现象，在微观和宏观世界中都可以找到手性分子存在的各种迹象。在医学领域，许多药物也具有手性，两种对映体的疗效和毒性可能完全不同[[8], [9], [10], [11]]。例如，沙利度胺的一种对映体具有镇静作用，而另一种则具有强烈的致畸作用[12]；布洛芬仅对右旋对映体具有抗炎作用，而左旋对映体则几乎没有效果[13]。近年来，手性材料在液晶显示器（LCD）[14]、圆偏振发光材料（CPL）[15]、手性超分子组装[16]、手性金属有机框架（MOFs）[17]以及其他光学活性、生物传感器和催化分离等领域发挥了重要作用。

目前有许多传统的对映体拆分方法，并被广泛使用[18]，如结晶拆分[19]、手性色谱[20]、选择性酶拆分[21]和手性膜分离[22]。然而，这些方法存在产率低、选择性高成本以及应用范围有限等问题。1999年，电子自旋领域取得了突破——Naaman团队首次通过电子转移实验揭示了手性分子在自旋选择性中的核心作用。他们发现，具有有序表面排列的手性有机分子薄膜能够在室温下无需外部磁场的情况下实现电子自旋的方向性筛选，这一现象被称为手性诱导自旋选择性（CISS）效应[23]。我们可以将其理解为一种量子现象，即手性分子（如DNA、氨基酸等）能够在没有外部磁场的情况下选择性地传输电子（自旋向上或向下），从而导致电流的自旋极化[[24], [25], [26]]。这一效应揭示了分子手性与电子自旋之间的深刻关联，其核心机制是手性分子结构的螺旋对称性破坏了电子自旋与轨道运动之间的对称耦合[[27], [28], [29]]。CISS效应能够诱导电子的自旋极化，从而影响化学反应的对映选择性[30]。因此，我们可以尝试利用手性分子的这一特殊性质来辅助对映体拆分。例如，在磁性基底表面，手性分子会发生电荷极化，进而产生瞬态自旋极化，从而增强对映体分离和选择性合成[31]。这一机制在自旋电子学、生物分子识别和催化领域发挥了重要作用[32]。

自CISS效应提出以来，它已成为学术界关注的焦点，因为它开创了无需外部磁场即可通过手性材料对电子自旋方向进行控制的方法[33,34]。通过电子自旋的影响，手性材料在电催化领域具有广阔的发展前景[35]。因此，本文将阐述CISS效应的历史发展、作用机制和测试方法，讨论不同材料及影响因素下的自旋极化现象，并指出未来能够触发电子自旋极化的手性材料的应用领域，以及基于该效应的研究现状。同时，我们也指出了其在化学领域的应用潜力和前景。

小节摘录

理论假设与改进

CISS效应（Chirality Induced Spin Selectivity）指的是电子在通过手性分子时其自旋状态（向上或向下）被选择性转移的现象[36]。CISS效应的产生与手性分子密切相关。手性分子通常指那些具有不对称结构的分子（如螺旋结构、镜像不重叠的结构），例如氨基酸、蛋白质等DNA[37]。自路易斯·巴斯德时代以来，手性分子及其对称性就一直是研究重点。

探测CISS效应的常用方法

探测CISS效应的方法可分为两类：非接触式和接触式。接触式方法包括磁性导电原子力显微镜（mc-AFM）——适用于单分子/超分子薄膜；自旋阀器件——适用于分子结点及器件集成；自旋霍尔效应器件——适用于二维材料及生物大分子薄膜；磁电化学石英微天平（ME-QCM）——适用于表面吸附。

手性识别

自从法国化学家路易斯·巴斯德使用放大镜和镊子分离对映体晶体以来，人们一直在寻找更有效的方法来制备光学纯度高的化合物，以满足现代医学的巨大需求。手性分子对映体识别的研究取得了显著进展，出现了许多识别方法。传统上认为，手性识别机制主要是基于电荷差异。

总结与展望

总体而言，手性诱导自旋选择性在以往的手性分子研究中并未得到充分研究。它在化学、医学和材料科学等领域具有重要意义。CISS效应使手性分子能够在没有外部磁场的情况下选择性地转移电子自旋，从而实现电流的自旋极化。其核心机制与手性分子的结构密切相关。本文对此进行了综述。

作者贡献声明

牛晓辉：撰写——审稿与编辑、撰写初稿、监督、资金获取。郑健：撰写初稿、软件开发。张建英：软件开发。王月伟：资源准备。李红霞：监督工作。杨星：资金获取。王坤杰：监督工作、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。