电荷作为物质的一种基本物理性质,在分子识别、细胞信号、酶反应和蛋白质聚集等微纳尺度下的分子过程及电化学反应中都发挥了重要的作用。运用简单且灵敏的测量手段对表界面电荷进行定量分析有助于加深研究者对于相关化学及生物过程的认知。同时,局域电荷分布的研究可以解释界面反应的动态过程及内在机制,进一步拓展其在生物分子结合动力学研究领域的应用。目前可对表界面电荷直接进行成像分析和测定的技术相对较少,而且存在一定的不足。在这一背景下,本论文基于透射式明场以及全内反射等光学显微技术对单纳米颗粒、氧化铟锡（Indium Tin Oxide,ITO）、金片和二维材料的表面电荷及其动态变化进行了成像分析和定量研究,主要内容如下:1、单颗粒表面电荷的明场成像研究及应用对电荷的精确测量在单颗粒甚至单分子的研究中有着重要作用,并有助于我们加深对涉及电荷变化的化学和生物过程的理解。我们提出了一种基于明场光学显微镜结合傅里叶变换成像处理算法对单个纳米颗粒表面电荷的测定方法。我们通过一条聚合物链将纳米颗粒固定在ITO玻璃片的表面,该纳米颗粒在交变电场的驱动下会在ITO表面上下振荡,通过明场光学显微镜和相机可以对该动态过程进行记录。利用傅里叶变换滤波器可以将弱散射光从较强的背景中分离出来,通过图像对比度的变化得到纳米振子表面的有效电荷,其精度可达数个基元电荷量。这一高灵敏度的电荷检测方法可以对单纳米颗粒的表面电荷量进行实时测定和研究。利用该方法,我们还比较了不同粒径的纳米颗粒的表面电荷,并进一步将该方法延伸至DNA分子与纳米颗粒的结合过程研究中,为单分子成像分析提供了一种新的思路。2、单颗粒表面电荷的全内反射成像研究反射型全内反射显微镜（Reflection mode total internal reflection microscope）是在结合了全内反射荧光显微镜、全内反射暗场显微镜以及表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）显微镜等多种显微技术的特点发展而来。我们构建了单个二氧化硅@金核壳结构（SiO2@Au）纳米振子,利用反射型全内反射显微镜对其振荡过程进行成像,并结合二维傅里叶变换算法对单个SiO2@Au纳米颗粒的表面电荷进行了测定。同时,我们还比较了金膜、ITO以及石墨烯基底的背景噪声,并通过在石墨烯基底上构建类似的纳米振子揭示了石墨烯作为透明电极在该成像模式下的潜在应用。3、氧化铟锡及金片表面电荷分布的光学成像研究电极表面的电荷分布是对其表面电学信息的直观反映,可以使我们更好地了解其表面发生的电化学反应过程。通过电化学栅电压的调制作用,我们首先对金片表面的电荷进行了SPR和明场的同步成像,分别研究了两种成像技术获得的电荷分布随调制电压振幅、频率以及栅电压的变化结果,并验证了SPR成像和明场成像这两种方法对局域电荷变化的光电信号转换机制。我们还利用明场对ITO玻璃片的表面电荷分布进行了成像,并研究了该技术对电极表面电荷变化的灵敏度。实验结果显示金片的SPR信号、金片的明场光学信号以及ITO玻璃片的明场光学信号对电荷响应的灵敏度依次下降。上述研究为进一步开展微观层面上的表界面电荷分布及动态变化的可视化分析奠定了基础。4、单层二硫化钼表面电荷分布的光学成像研究对纳米材料表界面局域电荷分布的成像分析加深了研究者们对电荷参与的动态反应过程和内在机理的理解,同时还可以用于检测生物分子的结合过程。单层二硫化钼（MoS2）的吸光度对电荷变化具有非常高的灵敏度,我们利用这一特性对其局域电荷分布及变化进行了成像分析。首先,我们验证了在电化学栅电压控制下,单层MoS2的光学响应,并通过改变电化学栅电压的大小来获得单层MoS2对电荷响应的灵敏度。实验结果证明,光学衍射极限成像区域内的电荷检测限为数十个基元电荷量,而在散粒噪声下的检测限可达数个基元电荷量。我们运用电化学栅电压的调控作用和对图像进行的二维傅里叶变换得到了该材料表面高分辨率的电荷分布结果,同时可以反映其表面带电杂质的分布情况。当单层MoS2表面结合带电分子后,会引起较大的光学变化,从而可以对表面结合分子所带电荷量进行测定。该方法可以用来表征二维材料中杂质和缺陷的分布情况,同时也为带电分子的免标记成像分析提供了一种新的手段。