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自然界的許多物理、化學(xué)和生物過程都涉及到納米尺度物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。典型的例子包括利用顆粒物的旋轉(zhuǎn)研究微觀流體力學(xué)、納米馬達(dá)的換能過程和運(yùn)動特性、細(xì)胞器的遷移運(yùn)動與酶分子的生物催化過程等。具有較高時(shí)間和空間分辨率的光學(xué)顯微成像技術(shù)是測量單個(gè)納米顆粒的取向，進(jìn)而研究其旋轉(zhuǎn)動力學(xué)的利器。然而，目前常用的光學(xué)成像技術(shù)（如熒光偏振、微分干涉相差或暗場散射等）往往只能適用于具有熒光或表面等離激元特性的納米材料，大大限制了單顆粒旋轉(zhuǎn)動力學(xué)研究的對象和應(yīng)用領(lǐng)域。因此亟待發(fā)展一種具有廣泛普適性的新型測量技術(shù)，使其既適用于傳統(tǒng)熒光或表面等離激元材料，也能適用于其它各向異性納米顆粒如半導(dǎo)體、生物顆粒（細(xì)胞器、細(xì)菌和病毒等）的研究，以期突破當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，開拓新的研究領(lǐng)域。

    近年來，我院生命分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王偉課題組（http://hysz.nju.edu.cn/wangwei）研制成一種具有優(yōu)異空間分辨率和靈敏度的物鏡型表面等離激元共振顯微鏡（SPRM），實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)納米顆粒介電常數(shù)的測量。由于介電常數(shù)是物質(zhì)的固有屬性，該技術(shù)具有廣泛的普適性，已被證實(shí)適用于包括金屬（氧化物）、有機(jī)聚合物、生物顆粒乃至納米氣泡等廣泛種類的研究對象（Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 2485）。通過測量單個(gè)納米顆?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中伴隨的介電常數(shù)變化，該課題組系統(tǒng)開展了單顆粒水平的化學(xué)反應(yīng)成像研究，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)電活性納米顆粒的循環(huán)伏安曲線（JACS, 2017, 139, 186）和非法拉第電化學(xué)阻抗譜測量（Chem. Sci., 2018, 9, 4424）；進(jìn)一步通過檢測光催化反應(yīng)產(chǎn)生的納米級氫氣氣泡測量了單個(gè)半導(dǎo)體納米顆粒的光催化活性，揭示了光催化過程的間歇機(jī)制（PNAS, 2017, 114, 10566； Chem. Sci., 2018, 9, 1448）。

    在深入研究SPR顯微鏡的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（Anal. Chem., 2018, 90, 9650）基礎(chǔ)上，該課題組提出了一種倒易空間角度譜方法實(shí)現(xiàn)了單個(gè)CdS納米棒空間取向的實(shí)時(shí)、原位測量。研究發(fā)現(xiàn)，與球形納米顆粒具有對稱的光學(xué)圖案不同，納米棒的波紋狀光學(xué)圖案具有不對稱性。對該光學(xué)圖案的二維傅里葉變換可以在倒易空間（k-space）形成特征的角度譜分布，其最大峰位置對應(yīng)于納米棒的空間取向。研究中，通過原位電子顯微鏡表征和電磁計(jì)算分別從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面對該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證（圖1）。

圖1.（A）CdS納米棒原位SEM圖像，顯示其與表面等離激元共振波（SPPs）的傳播方向存在118度的夾角。該CdS納米棒的SPRM圖像（B）和相應(yīng)的倒易空間圖像（C）。（D）該CdS納米棒的實(shí)驗(yàn)（黑色）和理論（紅色）角度譜曲線。理論計(jì)算得到的SPRM圖像（E）和倒易空間圖像（F）。

    隨后，該小組利用上述方法對單個(gè)CdS納米棒在光催化反應(yīng)過程中的旋轉(zhuǎn)動力學(xué)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測和定量分析，發(fā)現(xiàn)催化反應(yīng)能夠增強(qiáng)納米催化劑自身的旋轉(zhuǎn)速率，并將其歸因于納米棒表面活性位點(diǎn)的不對稱分布和光熱效應(yīng)。上世紀(jì)八十年代以來，熒光和散射相關(guān)光譜的研究曾揭示了熒光標(biāo)記的酶分子和金屬納米材料催化反應(yīng)過程中伴隨的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)效應(yīng)。此項(xiàng)研究不僅在理論和實(shí)驗(yàn)上建立了各向異性納米材料的SPRM圖像與取向的關(guān)系，并且以半導(dǎo)體光催化反應(yīng)為例拓展了單顆粒旋轉(zhuǎn)動力學(xué)研究的對象和應(yīng)用領(lǐng)域，為其注入了新的活力。

    此項(xiàng)成果于3月14日以“Tracking the rotation of single CdS nanorods during photocatalysis with surface plasmon resonance microscopy”為題在線發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA，DOI: 10.1073/pnas.1820114116）。文章鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/03/13/1820114116。文章第一作者為我院博士生蔣瑩琰，王偉教授為通訊作者。陳洪淵院士對此項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)和完成進(jìn)行了重要指導(dǎo)和支持。此項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、青年海外高層次人才計(jì)劃和江蘇省雙創(chuàng)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。