近些年，基于暗場顯微鏡技術對單個表面等離激元納米粒子的散射光譜研究得到了極大發展。由于納米粒子的最大共振散射峰對粒子的尺寸、形態、電子密度及周圍的介質環境等非常敏感，使得該技術在化學和生物傳感器構建中得到了廣泛應用。同時，散射作為一種基本的光子-電子相互作用，單顆粒的散射光譜在納米等離激元光子學的基礎研究中也發揮了重要作用。目前暗場散射的主要研究模式包括：1）光譜分析：測量散射光譜峰位置與半峰寬，或者是在單色激光照射下散射光斑的強度；2）空間定位和追蹤：通過對單納米顆粒的二維點狀暗場散射成像光斑進行超定位分析，得到成像光斑的中心以用于反映納米粒子的幾何中心或位置，進而實現對單顆粒反應過程（如溶解、生長）的動態監測或者納米粒子在細胞或者溶液中的運動軌跡的追蹤。
在上述研究中，一個隱含的觀點是假定單顆粒散射光斑在圖像上的對稱中心（簡稱光學中心）與其幾何中心重疊。然而，這一假定從未得到嚴格證明。此外，除了納米粒子的幾何形態以外，還有其它的因素影響其光學中心嗎？近日，南京大學的王偉課題組通過對單個金納米棒在充放電過程中散射光斑的光學中心進行超定位追蹤，發現盡管金納米棒在充放電的過程中其幾何大小、形態和位置都沒有發生變化，但是其光學中心卻隨著納米粒子的充放電進行著亞納米尺度的往復運動。作者將這種光學中心的可逆遷移歸因于在非法拉第充放電過程中電子在納米粒子表面的不均勻分布。
當納米粒子的位置和形態都不發生變化時，可以預見的是其光學中心的變化是極其微小的。為了從金納米棒的非法拉第充放電過程中提取出其光學中心的微小變化，該課題組將傅里葉變換方法與光學超定位分析方法相結合，將光學中心位移檢測的靈敏度提高至0.1 nm，較傳統超定位算法提高了至少一個數量級。傅里葉變換是一種在頻域空間的數據分析方法，通過對體系施加一定頻率的周期性信號，可以從體系的響應中提取出該施加頻率的響應，體系中除施加頻率外的其它頻率的噪聲都不會影響該頻率的信號，因此大大提高了檢測的靈敏度。長時間的累積對于提高信號的信噪比具有很大的幫助。金納米粒子的非法拉第充放電是一個可逆過程，因此，該課題組對金納米粒子進行多次周期性循環充放電（0.4Hz，下圖a中黑線），對該過程中連續記錄的散射光斑進行二維高斯擬合（超定位分析），得到在此充放電過程中的光學中心變化曲線（下圖a，紅線為X方向，藍線為Y方向），通過傅里葉變換提取出頻率為0.4 Hz的變化，分別得到了金納米粒子在充放電過程中在X和Y兩個方向的光學中心的位移大小（下圖b，紅線為X方向，藍線為Y方向）。傅里葉變換不僅可以提取出光學中心的變化大小，通過相位分析還可以得到光學中心的變化方向。他們統計發現這種由于非法拉第充放電產生的光學中心變化方向（36°）與金納米棒的取向（102°）沒有相關性。更多的對照實驗進一步證實了實驗中觀察到的光學中心變化的確源于電子的注入注出，如絕緣的聚苯乙烯小球的散射光斑在相同的條件下沒有檢測出散射光斑的光學中心的變化等。相信這種將傅里葉變換和超定位分析相結合的策略能夠應用于更多可逆變化的快速動力學過程的研究中，如光熱、光電化學等。
此項研究成果近期發表在ACS Nano上。王偉教授是該論文的通訊作者，博士研究生劉濤和劉沙沙是論文的共同第一作者。
