??近期，南京大學化學化工學院生命分析化學國家重點實驗室王偉課題組提出了一種倒易空間角度譜方法實現(xiàn)了單個CdS納米棒空間取向的實時、原位測量。相關研究成果在線發(fā)表于《美國科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA，DOI: 10.1073/pnas.1820114116）。

自然界的許多物理、化學和生物過程都涉及到納米尺度物質的旋轉運動。典型的例子包括利用顆粒物的旋轉研究微觀流體力學、納米馬達的換能過程和運動特性、細胞器的遷移運動與酶分子的生物催化過程等。具有較高時間和空間分辨率的光學顯微成像技術是測量單個納米顆粒的取向，進而研究其旋轉動力學的利器。然而，目前常用的光學成像技術（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動力學研究的對象和應用領域。因此亟待發(fā)展一種具有廣泛普適性的新型測量技術，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體、生物顆粒（細胞器、細菌和病毒等）的研究，以期突破當前的技術瓶頸，開拓新的研究領域。

近年來，南京大學化學化工學院生命分析化學國家重點實驗室王偉課題組研制成一種具有優(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），實現(xiàn)了對單個納米顆粒介電常數(shù)的測量。由于介電常數(shù)是物質的固有屬性，該技術具有廣泛的普適性，已被證實適用于包括金屬（氧化物）、有機聚合物、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）。通過測量單個納米顆?；瘜W反應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反應成像研究，實現(xiàn)了單個電活性納米顆粒的循環(huán)伏安曲線（JACS, 2017, 139, 186）和非法拉第電化學阻抗譜測量（Chem. Sci., 2018, 9, 4424）；進一步通過檢測光催化反應產(chǎn)生的納米級氫氣氣泡測量了單個半導體納米顆粒的光催化活性，揭示了光催化過程的間歇機制（PNAS, 2017, 114, 10566； Chem. Sci., 2018, 9, 1448）。

在深入研究SPR顯微鏡的點擴展函數(shù)（Anal. Chem., 2018, 90, 9650）基礎上，該課題組提出了一種倒易空間角度譜方法實現(xiàn)了單個CdS納米棒空間取向的實時、原位測量。研究發(fā)現(xiàn)，與球形納米顆粒具有對稱的光學圖案不同，納米棒的波紋狀光學圖案具有不對稱性。對該光學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算分別從實驗和理論兩方面對該方法的有效性進行了驗證（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）和相應的倒易空間圖像（C）。（D）該CdS納米棒的實驗（黑色）和理論（紅色）角度譜曲線。理論計算得到的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CdS納米棒在光催化反應過程中的旋轉動力學進行了實時監(jiān)測和定量分析，發(fā)現(xiàn)催化反應能夠增強納米催化劑自身的旋轉速率，并將其歸因于納米棒表面活性位點的不對稱分布和光熱效應。上世紀八十年代以來，熒光和散射相關光譜的研究曾揭示了熒光標記的酶分子和金屬納米材料催化反應過程中伴隨的旋轉增強效應。此項研究不僅在理論和實驗上建立了各向異性納米材料的SPRM圖像與取向的關系，并且以半導體光催化反應為例拓展了單顆粒旋轉動力學研究的對象和應用領域，為其注入了新的活力。

此項成果于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《美國科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA）。文章第一作者為南京大學化學化工學院博士生蔣瑩琰，王偉教授為通訊作者。陳洪淵院士對此項研究的設計和完成進行了重要指導和支持。此項研究得到了國家自然科學基金、青年千人計劃和江蘇省雙創(chuàng)計劃的經(jīng)費支持。

課題組主頁：http://hysz.nju.edu.cn/wangwei

文章鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/03/13/1820114116