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晶体多晶型（Crystal Polymorphism）控制对药物研发等领域至关重要，传统方法调控难。本研究利用连续波（CW）和高重复频率飞秒（HRR fs）激光束，实现 L - 半胱氨酸（L-Cys）多晶型选择性操控，揭示不同激光模式诱导机制，为精准晶体工程提供新路径。
在晶体材料的世界里，不同的 “排列组合” 会造就截然不同的物理化学特性，这便是晶体多晶型现象。在制药领域，药物的多晶型直接影响其溶解度、稳定性和生物利用度，进而关系到药效与安全性；在材料科学中，多晶型则左右着半导体、颜料等材料的性能。然而，有机化合物因分子间作用力较弱，其多晶型的精准控制一直是难题。传统依赖温度、浓度等环境参数的调控方法，往往难以实现对目标晶型的稳定获取，尤其在面对如 L - 半胱氨酸这类重要的氨基酸时，如何按需制备特定晶型成为科学界和工业界的共同挑战。
为攻克这一难题，日本大阪大学（Graduate School of Engineering, Osaka University）的研究人员开展了一项富有创新性的研究。他们将目光投向激光技术，探索利用激光陷阱（Laser Trapping）这一能在纳米至微米尺度无接触操控物质的技术，实现对 L - 半胱氨酸晶体多晶型的选择性调控。研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为晶体工程领域开辟了新的视野。
研究中采用的关键技术方法包括连续波（CW）激光和高重复频率飞秒（HRR fs）激光陷阱技术，结合拉曼光谱（Raman Spectroscopy）实时监测溶液浓度动态变化，以及显微镜观察晶体生长过程。通过精确控制激光参数（如强度、偏振模式）和溶液环境，系统分析不同激光模式对晶型形成的影响。
结果与讨论
连续波激光照射对 L-Cys 结晶的影响
研究发现，波长 1064 nm 的近红外连续波激光聚焦于不饱和 L-Cys/D?O 溶液气液界面时，可诱导亚稳态 α- 晶型（α-form）单晶生长。激光强度影响结晶概率和诱导时间，强度越高，诱导时间越短，但始终生成 α- 晶型。拉曼光谱监测显示，激光陷阱作用下溶液浓度随时间线性增加，达到超饱和状态（SS=2.1）时触发结晶。尽管不同强度下浓度增加速率不同，但结晶时的浓度阈值一致。温度升高对溶解度影响较小，排除温度对晶型的干扰，证实超饱和状态下亚稳态 α- 晶型因表面自由能较低优先成核。
高重复频率飞秒激光对 L-Cys 结晶的影响
使用高重复频率飞秒激光（800 nm，120 fs，80 MHz）时，除激光陷阱效应外，还伴随气泡生成。初期因局部超饱和形成 α- 晶型小晶体，随后气泡生成导致溶质消耗，超饱和度降低，稳定 β- 晶型（β-form）优先成核，最终形成多晶。激光强度影响气泡生成时间和结晶概率，强度越高，气泡生成越快，β- 晶型生成越稳定。
连续波与飞秒激光结合的多晶型选择性调控
通过在晶体生长过程中切换激光模式，实现了动态晶型控制：先使用飞秒激光诱导气泡生成，再切换至连续波激光可促进 α- 晶型单晶生长；反之，在 β- 晶型形成后切换至连续波激光，可抑制多晶化，获得 β- 晶型单晶。这种方法为按需制备特定晶型单晶提供了灵活策略。
研究表明，连续波激光通过诱导高超饱和状态优先生成亚稳态 α- 晶型，而飞秒激光因气泡生成和溶质浓度动态变化倾向于生成稳定 β- 晶型。通过交替使用两种激光模式，成功开辟了新的结晶路径，包括稳定相单晶生长。该技术不仅实现了 L - 半胱氨酸多晶型的精准操控，更展现了激光参数与材料响应协同作用在晶体工程中的巨大潜力。
这项研究突破了传统多晶型调控的局限，为制药行业定制化药物晶型、材料科学设计高性能晶体提供了全新工具。激光陷阱技术的无接触、高精度特性，有望推动晶体工程向智能化、精准化方向发展，在光电材料、生物医学等领域激发更多创新应用。未来，进一步拓展该技术在复杂体系中的适用性，或将解锁更多晶体材料的独特性能，为跨学科研究带来新机遇。
