Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Слежение за электрохимией на одиночных наночастицах с помощью спектроскопии и микроскопии комбинационного рассеяния света с поверхностным усилением

Published: May 12, 2023 doi: 10.3791/65486
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Chemistry, University of Louisville
* These authors contributed equally

Summary

Протокол описывает, как отслеживать электрохимические события на отдельных наночастицах с помощью спектроскопии и визуализации рассеяния комбинационного рассеяния с поверхностным усилением.

Abstract

Изучение электрохимических реакций на отдельных наночастицах важно для понимания гетерогенных характеристик отдельных наночастиц. Эта наноразмерная гетерогенность остается скрытой во время усредненной ансамблевой характеристики наночастиц. Электрохимические методы были разработаны для измерения токов от отдельных наночастиц, но не дают информации о структуре и идентичности молекул, которые подвергаются реакциям на поверхности электрода. Оптические методы, такие как поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS), микроскопия и спектроскопия, могут обнаруживать электрохимические события на отдельных наночастицах, одновременно предоставляя информацию о колебательных модах частиц поверхности электродов. В этой статье продемонстрирован протокол для отслеживания электрохимического окисления-восстановления нильского синего (NB) на одиночных наночастицах Ag с использованием микроскопии и спектроскопии SERS. Во-первых, подробно описан протокол изготовления наночастиц Ag на гладкой и полупрозрачной пленке Ag. Между одной наночастицей Ag и пленкой Ag образуется диполярная плазмонная мода, выровненная вдоль оптической оси. Излучение SERS от NB, закрепленное между наночастицей и пленкой, соединяется в плазмонную моду, а излучение под большим углом собирается объективом микроскопа для формирования картины излучения в форме пончика. Эти образы излучения SERS в форме пончика позволяют однозначно идентифицировать отдельные наночастицы на подложке, из которых могут быть собраны спектры SERS. В данной работе предложен способ использования подложки SERS в качестве рабочего электрода в электрохимической ячейке, совместимой с инвертированным оптическим микроскопом. Наконец, показано отслеживание электрохимического окисления-восстановления молекул NB на отдельной наночастице Ag. Описанная здесь установка и протокол могут быть модифицированы для изучения различных электрохимических реакций на отдельных наночастицах.

Introduction

Электрохимия является важной измерительной наукой для изучения переноса заряда, хранения заряда, переноса массы и т. Д. С приложениями в различных дисциплинах, включая биологию, химию, физику и инженерию 1,2,3,4,5,6,7 . Обычно электрохимия включает в себя измерения ансамбля — большого набора отдельных объектов, таких как молекулы, кристаллические домены, наночастицы и участки поверхности. Однако понимание того, как такие единичные объекты вносят вклад в усредненные по ансамблю отклики, является ключом к появлению новых фундаментальных и механистических представлений в химии и смежных областях из-за неоднородности поверхностей электродов в сложных электрохимических средах 8,9. Например, ансамблевое восстановление выявило сайт-специфические потенциалы восстановления/окисления 10, образование промежуточных продуктов и минорных продуктовкатализа 11, кинетику 12,13 сайт-специфических реакций и динамику носителей заряда 14,15. Снижение усреднения ансамбля особенно важно для улучшения нашего понимания не только модельных систем, но и прикладных систем, таких как биологические клетки, электрокатализ и батареи, в которых часто встречается обширная гетерогенность 16,17,18,19,20,21,22.

В последнее десятилетие или около того появились методы изучения электрохимии одного объекта 1,2,9,10,11,12. Эти электрохимические измерения позволили измерить малые электрические и ионные токи в нескольких системах и выявили новые фундаментальные химические и физические характеристики 23,24,25,26,27,28. Однако электрохимические измерения не дают информации об идентичности или структуре молекул или промежуточных продуктов на поверхности электродов 29,30,31,32. Химическая информация на границе электрод-электролит занимает центральное место в понимании электрохимических реакций. Межфазные химические знания обычно получают путем соединения электрохимии со спектроскопией31,32. Колебательная спектроскопия, такая как комбинационное рассеяние, хорошо подходит для получения дополнительной химической информации о переносе заряда и связанных с ним событиях в электрохимических системах, в которых преимущественно используются, но не ограничиваются ими, водные растворители30. В сочетании с микроскопией спектроскопия комбинационного рассеяния обеспечивает пространственное разрешение вплоть до дифракционного предела света33,34. Однако дифракция представляет собой ограничение, поскольку наночастицы и активные поверхностные сайты имеют меньшую длину, чем оптические дифракционные пределы, что, таким образом, исключает изучение отдельных объектов35.

Было продемонстрировано, что поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS) является мощным инструментом в изучении межфазной химии в электрохимических реакциях 20,30,36,37,38. В дополнение к обеспечению колебательных мод молекул реагентов, молекул растворителя, добавок и поверхностного химического состава электродов, SERS обеспечивает сигнал, который локализован на поверхности материалов, поддерживающих коллективные поверхностные электронные колебания, известные как локализованные поверхностные плазмонные резонансы. Возбуждение плазмонных резонансов приводит к концентрации электромагнитного излучения на поверхности металла, тем самым увеличивая как поток света к поверхностным адсорфатам, так и комбинационное рассеяние от поверхностных адсорбатов. Наноструктурированные благородные металлы, такие как Ag и Au, являются широко используемыми плазмонными материалами, поскольку они поддерживают плазмонные резонансы видимого света, которые желательны для обнаружения излучения с помощью высокочувствительных и эффективных устройств с зарядовой связью. Хотя наибольшие улучшения в SERS происходят от агрегатов наночастиц39,40, была разработана новая подложка SERS, которая позволяет проводить измерения SERS по отдельным наночастицам: подложка SERS в щелевой моде (рис. 1)41,42. На подложках SERS с зазорным режимом изготавливается металлическое зеркало, которое покрывается анализируемым веществом. Далее наночастицы диспергируются по подложке. При облучении циркулярно поляризованным лазерным светом возбуждается диполярный плазмонный резонанс, образованный соединением наночастицы и подложки, что позволяет проводить измерения SERS на отдельных наночастицах. Излучение SERS связано с диполярным плазмонным резонансом43,44,45, который ориентирован вдоль оптической оси. При параллельном выравнивании излучающего электрического диполя и собирательной оптики собирается только высокоугловое излучение, что формирует отчетливые картины излучения в форме пончика46,47,48,49 и позволяет идентифицировать отдельные наночастицы. Агрегаты наночастиц на подложке содержат излучающие диполи, которые не параллельны оптической оси50. В этом последнем случае выбросы под малым и большим углом улавливаются и образуют твердые модели излучения46.

Здесь мы описываем протокол изготовления подложек SERS с зазорным режимом и процедуру их использования в качестве рабочих электродов для мониторинга электрохимических окислительно-восстановительных событий на одиночных наночастицах Ag с использованием SERS. Важно отметить, что протокол, использующий подложки SERS в щелевом режиме, позволяет однозначно идентифицировать отдельные наночастицы с помощью визуализации SERS, что является ключевой проблемой для современных методологий электрохимии одиночных наночастиц. В качестве модельной системы мы демонстрируем использование SERS для обеспечения считывания электрохимического восстановления и окисления нильского синего A (NB) на одной наночастице Ag, управляемой сканирующим или ступенчатым потенциалом (т.е. циклическая вольтамперометрия, хроноамперометрия). NB подвергается многопротонной, многоэлектронной реакции восстановления/окисления, в которой его электронная структура модулируется вне / в резонансе с источником возбуждения, что обеспечивает контраст в соответствующих спектрах SERS 10,51,52. Описанный здесь протокол также применим к нерезонансным окислительно-восстановительным активным молекулам и электрохимическим методам, которые могут иметь отношение к таким приложениям, как электрокатализ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка подложки SERS в режиме зазора

  1. Очистите покровные стекла No 1 (см. Таблицу материалов) с помощью промывки ацетоном и водой, как описано ниже. Выполняйте этот шаг в чистом помещении, чтобы убедиться, что на покровные стекла не оседает мусор или другие нежелательные вещества.
    1. Поместите покровные стекла в поддвижную стойку. Используйте пинцет при перемещении покровных стекол / подложек. Поместите горочную стойку в стеклянную емкость и заполните ее ацетоном.
      ВНИМАНИЕ: Ацетон легко воспламеняется и имеет потенциальные негативные последствия для здоровья. Обращайтесь с ним в хорошо проветриваемом помещении, используя перчатки, защитные очки и маску.
    2. Отрегулируйте управление мощностью ультразвукового генератора до 8 и обработайте стеклянный контейнер ультразвуком с помощью ползунковой стойки в течение 15 минут.
    3. Извлеките направляющую стойку из контейнера и тщательно промойте направляющую стойку и покровные стекла сверхчистой водой (удельное сопротивление 18,2 МОм · см).
    4. Поместите стеллаж с покровными стеклами в стеклянную емкость и залейте ее сверхчистой водой. Обработайте стеклянный контейнер скользящей стойкой еще 15 минут, используя те же настройки.
    5. Извлеките направляющую стойку из контейнера и тщательно промойте направляющую и покровные стекла сверхчистой водой.
    6. С помощью краскопульта высушите покровные стекла струей газа N2 высокой чистоты.
  2. Нанесите Cu и Ag на очищенные покровные стекла. Для этого используйте систему электронно-лучевого тонкопленочного осаждения в соответствии со стандартными процедурами, рекомендованными производителем в официальном руководстве пользователя.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В случае любого другого осаждения просьба следовать инструкциям завода-изготовителя, приведенным на институциональных объектах53.
    1. Установите положение плиты на 180° и выпустите воздух из вакуумной камеры.
    2. Расположите чистые покровные стекла рядом на плите прибора так, чтобы они не перекрывались. Используйте термостойкую клейкую ленту (полиимидную пленку), чтобы прикрепить покровные стекла к валику.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это гарантирует, что покровные стекла не сдвинутся и не упадут во время процедуры.
    3. Заполните графитовый тигель наполовину гранулами Cu и вставьте его в держатель тигля. Сделайте то же самое для Ag во втором тигле. Закройте вакуумную камеру и начните откачку; рекомендуемое давление осаждения порядка 10−7 – 10−6 Торр.
    4. Загрузите свойства Cu в приложение датчика. Включите вращение рабочей поверхности со скоростью 20 об/мин. Установите положение рабочей поверхности на 225°.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При этом зеркало располагается в нижней части валика таким образом, чтобы электронный луч был виден из смотрового окна.
    5. Включите выключатель на электронно-лучевой источник питания и подождите не менее 2 минут. Включите электронный пучок и подождите еще 2 минуты. Откройте затвор подложки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это делает луч и тигель видимыми через зеркало.
    6. Постепенно (примерно на 10 мА/мин) увеличивайте ток излучения до тех пор, пока датчик не покажет скорость осаждения, близкую к 10 Å/с. Закройте затвор и установите положение валика на 0°.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Луч может изменить форму во время этого процесса. Важно регулярно проверять его на этом этапе и корректировать его положение, амплитуду и частоту с помощью соответствующих ручек. Луч должен равномерно нагревать содержимое тигля. Закрытие затвора в этот момент гарантирует, что металл не оседает на образцах, поскольку валик вращается, чтобы расположить покровные стекла на пути испаряющегося металла.
    7. Откройте затвор, чтобы начать осаждение, и следите за толщиной, отображаемой датчиком. Закройте затвор, когда будет достигнута желаемая толщина (1 нм для Cu), определяемая датчиком осаждения.
    8. Постепенно уменьшайте ток электронного пучка до тех пор, пока датчик не покажет близкое к 0 А, но ток будет достаточно высоким, чтобы был виден тигель.
    9. Установите положение валика на 225° и откройте затвор, чтобы увидеть тигель.
    10. Поверните держатель тигля с помощью ручки так, чтобы луч был направлен в сторону тигля с гранулами Ag.
    11. Загрузите свойства Ag в приложение датчика. Повторите шаги 1.2.6 – 1.2.7, но для Ag используйте скорость осаждения 20 Å/с и толщину 25 нм.
    12. Постепенно уменьшайте ток до 0 А и выключайте электронный пучок и выключатель. Установите положение плиты на 180° и выпустите воздух из вакуумной камеры. Откройте вакуумную камеру.
    13. Покровные стекла должны находиться на том же месте, что и раньше, без посторонних предметов или частиц пыли и с видом зеркала. Медленно и аккуратно снимите термостойкую клейкую ленту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Потяните ленту назад, параллельно поверхности валика; Существует риск поломки покровных листов. Пленка должна быть однородной и частично прозрачной (см. рис. 2А).
  3. Инкубируйте тонкую пленку Ag с раствором нильского синего, как описано ниже.
    1. Добавьте 500 мкл раствора NB 50 мкМ на поверхность тонкой пленки Ag.
    2. Через 15 минут тщательно промойте тонкую пленку Ag сверхчистой водой, чтобы удалить слабоадсорбированные молекулы NB. Высушите тонкую пленку Ag газом N2 .
    3. Капля отлитых наночастиц Ag на тонкую пленку Ag, инкубированную NB. Добавьте 500 мкл 100-кратного разбавления коллоида наночастиц Ag в ту же область тонкой пленки Ag, где раствор NB был отлит по каплям и инкубирован.
      ВНИМАНИЕ: Наночастицы металлов токсичны для человеческого организма. Обращайтесь с ними в хорошо проветриваемом помещении, используя перчатки и защитные очки.
    4. Через 20 минут промойте основание (SERS в режиме разрыва) сверхчистой водой. Просушите субстрат газом N2 .

2. Характеристика подложки SERS в режиме зазора

  1. Ультрафиолетово-видимая спектроскопия
    1. Включите прибор, нажав кнопку питания. Запустите программу сканирования, дважды щелкнув ее ярлык на рабочем столе.
    2. Нажмите « Настройка », чтобы открыть окно настройки. В разделе « Режим Y» щелкните раскрывающееся меню « Режим » и выберите % T для измерения коэффициента пропускания. В разделе «Режим X» измените Start на 800 и Stop на 200, чтобы сканировать с 800 нм до 200 нм.
    3. На вкладке « Базовые линии» выберите переключатель «Коррекция базовой линии » и закройте окно настройки. Нажмите « Базовая линия », чтобы выполнить коррекцию фона с атмосферным воздухом.
    4. Откройте отсек для образцов. Приклейте один конец пленки Ag к держателю образца перпендикулярно траектории луча.
    5. Нажмите « Пуск », чтобы получить спектр пропускания из образца.
  2. Измерения атомно-силовой микроскопии (АСМ)
    1. Подключите АСМ к компьютеру (с помощью USB-порта), включите прибор АСМ и запустите Nanosurf Easyscan 2.
    2. Аккуратно извлеките головку АСМ (на нижней стороне которой находится консоль АСМ) из предметного столика для образцов и отложите ее в сторону вверх ногами.
    3. Закрепите тонкопленочную подложку Ag на предмете образца с помощью ленты. Поместите головку АСМ над предметным столиком. Убедитесь, что головка АСМ параллельна предмету отбора проб (монитор с индикатором уровня). Если головка AFM и ступень образца не выровнены, используйте выравнивающие винты для регулировки столика и центрирования выравнивающего пузырька внутри индикатора уровня.
    4. Используя вид сбоку и сверху в программном обеспечении, аккуратно переместите предметный столик как можно ближе к головке АСМ (консоли АСМ), не вступая в контакт. Убедитесь, что столик образца не касается консольного элемента АСМ на головке АСМ.
    5. На вкладке «Сбор» выберите «Фазовый контраст» в качестве режима визуализации и PPP-XYNCHR в качестве консольного типа. Нажмите «Лазерное выравнивание», чтобы убедиться, что лазер сфокусирован на консольном наконечнике, а луч, отраженный от наконечника, попадает в центр детектора фотодиода.
    6. Измерьте резонансную частоту колебаний кантилевера с помощью программного обеспечения AFM, нажав кнопку «Развертка частоты », и убедитесь, что частотная кривая имеет форму колокола. Нажав «Подход», приземлите консольный наконечник на поверхность тонкой пленки Ag.
    7. В мастере обработки изображений выберите размер изображения 10,8 мкм x 10,8 мкм и скорость сканирования 0,5 с/стр. В Z-контроллере используйте заданное значение 50%, P-усиление 2,500 и I-усиление 2,500. В разделе «Свойства режима» используйте амплитуду свободной вибрации 300 мВ.
    8. Нажмите « Пуск », чтобы получить изображение. Сохраните изображение, щелкнув его правой кнопкой мыши, выберите «Копировать» и вставьте его в обработчик изображений.
    9. В программном обеспечении AFM выберите изображение для обработки, щелкнув по нему. На вкладке «Анализ » выполните анализ площади и шероховатости линии, щелкнув «Вычислить шероховатость линии » и «Вычислить площадь» соответственно.
    10. Извлеките консольный наконечник с поверхности тонкой пленки Ag, нажав « Извлечь». Отодвиньте предметный столик от наконечника, наблюдая за движением с помощью бокового и верхнего обзоров. Извлеките образец.
  3. Измерения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)54
    1. Нанесите 30 мкл полученного коллоида наночастиц Ag на пластину Si и дайте ей полностью высохнуть на воздухе. Закрепите пластину Si на заглушке образца с помощью двусторонней токопроводящей ленты.
    2. Проветрите камеру SEM с помощью пользовательского интерфейса прибора. Сдвиньте камеру SEM и установите заглушку на одно из отверстий в сцене.
    3. Закройте камеру SEM и откачайте камеру SEM с помощью пользовательского интерфейса прибора.
    4. Расположите образец примерно на расстоянии 10 мм от электронно-лучевой пушки. Включите электронный луч с помощью пользовательского интерфейса прибора.
    5. Изображение образца с помощью детектора Эверхарта-Торнли с размером пятна 6, током пучка 25 пА и высоким напряжением 5 кВ.
    6. Дважды щелкните область, представляющую интерес для электронной пушки, чтобы автоматически выровнять электронный пучок. Выполните визуализацию с увеличением 3,500x с помощью пользовательского интерфейса прибора (рис. 3A).
    7. После завершения визуализации выключите электронный пучок и отодвиньте образец от электронно-лучевой пушки не менее чем на 20 мм.
    8. Проведите вентиляцию камеры SEM. Сдвиньте камеру SEM и извлеките заглушку образца из предметного столика. Закройте камеру SEM и откачайте ее вниз с помощью пользовательского интерфейса прибора.

3. Подготовка электрохимической ячейки

  1. Получите стеклянную лунку длиной 5 см, разрезав стеклянную трубку резаком для стеклянных трубок, как описано ниже.
    1. Оберните цепи резака для стеклянных трубок вокруг трубки. Прикрепите последний отрезок цепи к другой стороне инструмента.
    2. Одной рукой держите инструмент за ручку. Другой рукой держите стеклянную трубку. Непрерывно вращайте стеклянную трубку, чтобы колеса в цепи начали резать стекло.
    3. Аккуратно сожмите инструмент, постепенно прикладывая большее усилие к ручкам. Когда звук меняется от скольжения к царапанию, именно тогда кусок стекла (колодец) вот-вот отделится от стеклянной трубки.
    4. Хорошо разгладьте сломанный конец стекла наждачной бумагой с зернистостью 120 (или более крупной). Отполируйте наждачной бумагой с зернистостью 220 (или мельче).
  2. Срежьте подложку в режиме зазора алмазным писцом, как описано ниже.
    1. Положите подложку с режимом зазора на ровную поверхность. Перемещайте алмазный писец вверх и вниз в середине подложки в режиме зазора, слегка нажимая на поверхность подложки.
    2. Разбейте подложку на две части вручную, как только будет видна царапина.
  3. Хорошо прикрепите срезанное стекло (из шага 3.1) к поверхности подложки, как описано ниже.
    1. Нанесите эпоксидную смолу, состоящую из двух частей, на небольшой лист алюминиевой фольги. Перемешайте продукт с помощью палочки для перемешивания или наконечника пипетки.
    2. Хорошо нанесите смесь на нижний край стакана. Нанесите минимально возможную смесь, чтобы хорошо покрыть ободок граненого стекла, чтобы свести к минимуму распространение смолы на внутреннюю часть ячейки.
    3. Хорошо приклейте стекло к поверхности подложки с зазором. Оставшийся смешанный продукт нанесите на внешнюю сторону лунки, где он встречается с подложкой, чтобы исключить вероятность утечки раствора, налитого внутрь стеклянного колодца (см. рис. 4А).
    4. Дайте эпоксидной смоле затвердеть в течение 5 минут.
  4. Присоедините электрическое соединение к подложке SERS с зазором, как описано ниже.
    1. Получится медная проволока длиной 5 см. Нанесите двухкомпонентную проводящую эпоксидную смолу на небольшой лист алюминиевой фольги. Смешайте компоненты продукта с помощью медной проволоки.
    2. Прикрепите проволоку к поверхности подложки (снаружи лунки, но прикрепленной к токопроводящей тонкой пленке Ag; см. рис. 4А). Дайте проводящей эпоксидной смоле затвердеть в течение рекомендованного времени.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется дать проводящей эпоксидной смоле затвердеть при комнатной температуре, чтобы свести к минимуму термический отжиг подложки из пленки Ag.

4. Объемные циклические вольтамперометрические измерения

  1. Добавьте 10 мл 0,5 мМ NB и 0,1 М фосфатного буфера (pH = 5) в стакан объемом 20 мл. Вставьте механически отполированный дисковый электрод Ag, проволоку Pt и электрод Ag/AgCl (3 M KCl) в раствор электролита.
  2. Прикрепите каждый электрод к соответствующему зажиму потенциостата (определяется производителем потенциостата). Убедитесь, что электроды не соприкасаются друг с другом.
  3. Выполняют циклическую вольтамперометрию (КВ) от 0 до −0,6 В со скоростью сканирования 50 мВ/с.

5. Электрохимическая микроскопия и спектроскопия SERS с одиночными наночастицами

  1. Поместите электрохимическую ячейку, приготовленную с использованием подложки SERS в щелевом режиме, на столик инвертированного оптического микроскопа.
  2. Приклейте края подложки к предметному столику микроскопа таким образом, чтобы он не двигался во время спектроэлектрохимических измерений из-за натяжения проводов, соединяющих ячейку с потенциостатом (см. рис. 4B).
  3. Поместите электрод сравнения Ag/AgCl (3 M KCl) в самодельную подставку и зафиксируйте его положение, затянув винт на подставке электрододержателя.
  4. Прикрепите электрод сравнения к зажиму аллигатора электрода сравнения потенциостата (белого цвета). Прикрепите проволочный противоэлектрод Pt к зажиму аллигатора противоэлектрода потенциостата (красного цвета). Прикрепите проволоку Cu, прикрепленную к пленке Ag, к зажиму из кожи аллигатора рабочего электрода потенциостата (зеленого цвета).
  5. Вставьте проволоку Pt вместе с зажимом типа «крокодил» в держатель электрода и затяните винт, чтобы зафиксировать его положение.
  6. Поместите держатель электрода над электрохимической ячейкой, чтобы вставить электроды в ячейку. Будьте осторожны, чтобы электроды не касались пленки Ag; Это не только приведет к короткому замыканию, но и повредит пленку.
  7. Включите спектрометр и камеру EMCCD и запустите программное обеспечение «LightField».
  8. Включите лазер с длиной волны 642 нм и настройте лазер на мощность 500 мкВт.
    ВНИМАНИЕ: Воздействие лазерного излучения может привести к необратимому повреждению глаз и кожи. Ознакомьтесь с рекомендациями по технике безопасности соответствующего официального регулирующего органа в вашей стране или регионе и следуйте им.
  9. Добавьте каплю иммерсионного масла на объектив. Переместите ручку фокусировки, чтобы осторожно поднять объектив, пока масло не соприкоснется с нижней частью подложки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку ячейка заклеена скотчем, прижимание объектива к подложке может привести к поломке и/или повреждению объектива.
  10. Сфокусируйте лазер на поверхности подложки SERS с зазорным режимом. Отсканируйте подложку SERS в режиме зазора (покрытую стеклянным колодцем), чтобы найти изолированную диаграмму излучения NB SERS в форме пончика, перемещая столик микроскопа (см. рис. 5A).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чем ниже концентрация NB, тем труднее становится найти модели выбросов в форме пончика, но тем выше вероятность того, что возможная структура выбросов в форме пончика будет изолирована. Кофейные кольца - хорошее место для начала, а затем можно двигаться внутрь по отношению к области инкубации наночастиц NB и Ag на подложке SERS в щелевом режиме. Камеры (см. следующий шаг) полезны в этом процессе, поскольку они более чувствительны к свету, чем человеческий глаз, при сканировании вокруг подложки SERS в режиме зазора.
  11. Подключите телефон к адаптеру телефона микроскопа. Чтобы совместить камеру телефона с объективом адаптера, включите приложение камеры на телефоне и измените положение устройства, чтобы видеть через объектив.
  12. Снимите один из окуляров микроскопа и вставьте адаптер на его место. В приложении камеры измените режим на видео и максимально увеличьте масштаб. Картина выбросов в форме пончика хорошо видна.
  13. После того, как диаграмма направленности в форме пончика четко определена, переместите рычаг светоотвода микроскопа, чтобы направить излучаемый свет на спектрометр.
  14. На вкладке «Эксперимент» в LightField нажмите «Общие настройки съемки» и установите время экспозиции на 0,1 с и кадры для сохранения на 50. В разделе «Экспорт данных» выберите «Экспорт полученных данных» и измените тип файла на CSV (.csv).
  15. В разделе « Области интереса» выберите переключатель «Настраиваемые области интереса ». Нажмите « Изменить рентабельность инвестиций» и в новом окне создайте рентабельность инвестиций размером 25 x 25 пикселей вокруг излучения в форме пончика, изменив значения X, Y, W и H.
  16. В разделе «Спектрометр» выберите ближайшую решетку 600 г/мм с длиной волны 750 нм. Измените центральную длину волны на 642 нм. Нажмите « Приобрести», чтобы начать измерения.
  17. После завершения сбора перейдите на вкладку « Данные ». Откройте последний проведенный эксперимент и нажмите « Процессы », а затем «Комбинация кадров».
  18. В комбинированном спектре обратите внимание на длину волны лазера, при которой наблюдается наибольшая интенсивность.
  19. Вернитесь в « Эксперимент» и в разделе « Спектрометр» нажмите «нм». Во всплывающем окне измените режим измерения на относительные волновые числа и введите измеренную длину волны лазера в поле. Измените положение решетки на 1 000 / см, чтобы обнаружить рамановское рассеяние со смещением Стокса примерно с 400 / см до 1 600 / см.
  20. Соберите и суммируйте не менее 50 кадров спектров NB SERS, используя время экспозиции 0,1 с (см. рис. 5C). Ищите сильный пик на уровне 592 / см, чтобы убедиться, что излучение происходит от NB (см. рис. 5C)52. Возьмем спектр SERS области, прилегающей к картине излучения в форме пончика (область без излучения), чтобы компенсировать фоновый сигнал.
  21. Удерживая лазерный свет сфокусированным на диаграмме направленности излучения в форме пончика, добавьте 3 мл 0,1 М фосфатного буферного раствора (pH = 5) в электрохимическую ячейку с помощью регулируемой пипетки объемом 5 мл.
    ПРИМЕЧАНИЕ: После добавления раствора электролита эмиссионная картина в форме пончика может исчезнуть, и может появиться твердая эмиссионная картина, поскольку дипольные моды одной наночастицы от оптической оси излучают спектры SERS молекул электролита и растворителя.
  22. При необходимости перефокусируйтесь и убедитесь, что лазерный луч по-прежнему сфокусирован на диаграмме направленности.
  23. В программном обеспечении потенциостата подготовьте эксперимент с циклической вольтамперограммой, по крайней мере, с тремя циклами от 0 до -0,6 В по сравнению с Ag / AgCl (3 M KCl) и скоростью сканирования 50 мВ / с. Для синхронизации сбора спектральных и электрохимических данных сконфигурируйте потенциостат, который будет запускаться спектральным приемом спектрометра.
  24. Проведите одновременные эксперименты CV и SERS. Спектры NB SERS должны модулироваться потенциалом, приложенным к подложке SERS в щелевой моде (см. рис. 6B).
  25. Переместите рычаг светоотвода так, чтобы свет был направлен на камеру телефона. Начните запись видео и запустите эксперимент с резюме, как описано. Интенсивность изображения SERS должна модулироваться в соответствии с потенциалом, приложенным к подложке SERS в зазорном режиме (см. вставки на рисунке 6A).

6. Анализ изображений

  1. Обработайте собранные изображения, чтобы повысить резкость и контрастность, как описано ниже.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Обработка изображений была выполнена с помощью библиотеки OpenCV в Python, и скрипт доступен на GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Обрежьте изображение, чтобы удалить большую часть пустого пространства, и расположите его по центру вокруг диаграммы направленности.
    2. Удалите зеленый и синий каналы кадра. Увеличьте резкость, вычитая гауссово размытое маску кадра.
    3. Увеличьте контрастность за счет расширения динамического диапазона с помощью оператора повышения мощности.
  2. Добавьте масштабные линейки к изображениям с помощью ImageJ, как описано ниже.
    1. Используя адаптер камеры телефона, сфотографируйте объект с известными размерами, например калибровочное предметное стекло микроскопа.
    2. Используя ImageJ, загрузите собранное изображение. Нарисуйте сегмент на области изображаемого объекта с известными размерами.
    3. Установите масштаб (т. е. количество пикселей на единицу расстояния) в зависимости от длины нарисованного сегмента с помощью функции «Задать масштаб ». Добавьте масштаб с помощью инструмента «Масштабирование ».

7. Анализ размера наночастиц

  1. Загрузите изображение SEM в ImageJ. Нарисуйте сегмент на масштабной линейке, предоставленной инструментом, и установите его с помощью функции «Установить масштаб».
  2. Перейдите в раздел «Изображение» > введите > 16-разрядную версию. Перейдите в раздел «Изображение» > «Настроить порог авто>». В раскрывающемся меню выберите По умолчанию.
  3. С помощью инструмента « Прямоугольник » выделите и удалите объекты, которые не являются отдельными наночастицами.
  4. Используйте инструмент «Анализ частиц». Рассчитайте диаметр частиц с полученными площадями, приняв круглую форму.

8. Спектроэлектрохимический анализ данных

  1. Выполните коррекцию фона на собранных спектральных данных. Выполнять обработку данных и построение графиков в MATLAB; скрипты доступны в том же репозитории GitHub, что и упоминалось ранее.
  2. Усредните спектральные данные трех различных фоновых экспериментов (спектральные данные, собранные вместе с диаграммой направленности излучения SERS). Вычтите средний фоновый спектр из спектра образца.
  3. Создайте массив времени от 0 до общего времени эксперимента (циклическая вольтамперометрия), в котором интервал представляет собой сумму времени экспозиции, времени считывания EMCCD и времени открытия и закрытия затвора.
  4. Преобразуйте измерения длины волны в рамановский сдвиг с помощью длины волны лазера.
  5. Сгенерируйте каскадный график с помощью функции сетки MATLAB, где X — рамановский сдвиг, Y — время, а Z — интенсивность.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 2А показаны тонкопленочные подложки Ag, приготовленные с использованием электронно-лучевой системы осаждения металла. «Хорошая» подложка, показанная на рисунке 2А , имеет однородное покрытие металла Ag поверх стеклянного покровного стекла, в то время как «плохая» подложка имеет неравномерное покрытие Ag. Ультрафиолетово-видимый спектр «хорошей» тонкой пленки Ag показан на рисунке 2B, который демонстрирует, что пленка частично прозрачна для видимой части электромагнитного спектра. «Хорошая» тонкопленочная подложка Ag имеет оптическую прозрачность 34% для лазерного излучения с длиной волны 642 нм, который используется для спектроэлектрохимических экспериментов в текущем протоколе. На рисунке 2C показано репрезентативное АСМ-изображение площади 10,8 мкм x 10,8 мкм «хорошей» подложки. Среднеквадратичное значение шероховатости репрезентативной области составляет 0.7 нм, что указывает на то, что тонкая пленка Ag атомарно гладкая. Изменение высоты тонкопленочной подложки Ag представлено линейным профилем, показанным на рисунке 2D, что еще раз демонстрирует однородность и гладкость пленки.

На рисунке 3A показано репрезентативное СЭМ-изображение наночастиц Ag, отлитых по каплям и высушенных на воздухе на пластине кремния. Из анализа 243 наночастиц средний диаметр наночастиц Ag, используемых в этом протоколе, составил 79,2 нм ± 8,4 нм. Следует отметить, что различные размеры наночастиц Au или Ag также могут быть использованы55. Кроме того, в этом протоколе используются высокомонодисперсные наночастицы, но нет требований к дисперсности, поскольку этот протокол позволяет измерять отдельные наночастицы. Чтобы построить подложку SERS с зазорным режимом, в этой работе наночастицы Ag были нанесены на поверхность тонкопленочной подложки Ag, которая ранее была инкубирована с NB (рис. 3B).

Подложка SERS с зазорным режимом была использована в качестве рабочего электрода для построения электрохимической ячейки, как показано на рисунке 4A. Электрохимическую ячейку иммобилизовали на предметном столике микроскопа и соединили с потенциостатом, как показано на рисунке 4B. Когда электрохимическая ячейка была установлена на инвертированном оптическом микроскопе, лазер с длиной волны 642 нм был сфокусирован на рабочем электроде подложки SERS в режиме разрыва в геометрии эпи-освещения. Отдельные наночастицы Ag на тонкой пленке Ag в воздухе могут быть однозначно идентифицированы по схеме излучения в форме пончика, как показано на рисунке 5A. Эти модели излучения в форме пончика могут быть надежно использованы в качестве сигнатуры для идентификации отдельных наночастицAg 49. Если в освещенном объеме присутствует более одной наночастицы (димер, тример или мультимер), наблюдается твердая картина излучения, как показано на рисунке 5B. При введении раствора электролита картина излучения в форме пончика обычно преобразуется в твердую картину излучения. Причина этого заключается в том, что диполярные плазмонные моды внутри одной наночастицы (не выровненные с оптической осью) излучают излучение молекул растворителя и электролита во всех направлениях. Таким образом, картина излучения представляет собой суперпозицию высокоуглового излучения NB SERS из зазора наночастица-подложка и низкоуглового излучения SERS от молекул электролита и растворителя. Удаление электролитического раствора восстанавливает паттерны излучения в форме пончика. В этом протоколе, после идентификации одной наночастицы с помощью визуализации SERS, спектроскопия SERS используется для идентификации молекулы окислительно-восстановительного зонда. Спектр SERS на рисунке 5C соответствует картине излучения в форме пончика, показанной на рисунке 5A. Колебательные моды представляют собой отпечаток пальца для молекул NB.

На рисунке 6А показаны репрезентативные циклические вольтамперограммы NB в фосфатном буфере (pH = 5), полученные с использованием рабочего электрода диска Ag и проволочного счетчика Pt. Циклическая вольтамперограмма получена перед спектроэлектрохимическими измерениями отдельных наночастиц, чтобы понять ансамблевое окислительно-восстановительное поведение молекул зонда — в данном случае NB. В этой работе, когда приложенный потенциал был сметен от 0 до -0,6 В, катодный пик наблюдался при -0,27 В по сравнению с Ag / AgCl (3 M KCl). Когда потенциал был сметен обратно до 0 В, анодный пик наблюдался при -0,21 В. Тот же прикладной диапазон потенциалов использовался для спектроэлектрохимических измерений, как показано на рисунке 6B. После идентификации одной наночастицы Ag, демонстрирующей картину излучения в форме пончика, раствор электролита вводили пипеткой в электрохимическую ячейку. При лазерном освещении спектры SERS затем непрерывно собирались, поскольку приложенный потенциал изменялся в диапазоне от 0 до -0,6 В со скоростью сканирования 50 мВ/с (рис. 6B). Молекулы NB внутри и вокруг зазора между наночастицей Ag и пленкой Ag были электрохимически восстановлены (выключено), а интенсивность SERS уменьшилась, как показано на графике водопада спектров SERS (также вставка на рисунке 6A). По мере изменения приложенного потенциала от −0,6 до 0 В интенсивность SERS увеличивалась, так как молекулы NB электрохимически окислялись (в состоянии). Модуляция в сигналах SERS представляет собой метод определения восстановительных и окислительных потенциалов NB на одной наночастице. Другие электрохимические методы могут быть заменены вольтамперометрией для дальнейшей характеристики окислительно-восстановительных реакций. На рисунке 7A показан отклик SERS от NB при повышении потенциала рабочего электрода до −0,4 В (т.е. хронамперометрия). При ступенчатом усилении электродного потенциала до −0,4 В сигнал SERS затухал из-за снижения NB. Этот спектроэлектрохимический метод позволяет исследовать переходное поведение окислительно-восстановительных реакций на уровне отдельных наночастиц. На рисунке 7B показано, как кинетика восстановления изменялась в зависимости от величины приложенного электрического смещения, о чем свидетельствует распад площади под пиком 592/см. Интересно, что резкие колебания нормализованной области демонстрируют, как стохастические события играют большую роль в этом масштабе. Как показано с помощью обычной вольтамперометрии и хроноамперометрии, протокол, описанный в этой статье, позволяет исследователям отслеживать колебательные моды молекул, когда они электрохимически восстанавливаются или окисляются на одной наночастице. Кроме того, колебательный анализ молекул на поверхности отдельных наночастиц позволяет дифференцировать химические и электрохимические стадии, что полезно при изучении механизмов реакции.

Figure 1
Рисунок 1: Подложка SERS в режиме зазора. Схема щелевой подложки, полученной путем размещения отдельных металлических наночастиц на металлическом зеркале. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Характеристика тонкопленочной подложки Ag. (А) Цифровые фотографии хорошей и плохой тонкопленочной подложки Ag, приготовленной с помощью электронно-лучевой системы испарения металла. (B) Спектр пропускания в ультрафиолетовом диапазоне хорошей подложки. (C) АСМ-изображение репрезентативной площади 10,8 мкм х 10,8 мкм хорошей подложки. (D) Линейный профиль изображения AFM, обозначенный черной пунктирной линией, показанной в пункте (C). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Характеристика наночастиц Ag . (A) СЭМ-изображение водной наночастицы Ag, отлитой коллоидной каплей и высушенной на воздухе на пластине Si. Средний диаметр наночастиц составляет 79,2 нм, со стандартным отклонением 8,4 нм. (B) Принципиальная схема подложки SERS в режиме зазора. Синие звезды представляют собой молекулы NB. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Подготовка спектроэлектрохимической ячейки . (А) Репрезентативная спектроэлектрохимическая ячейка, приготовленная с использованием подложки SERS в щелевом режиме в качестве рабочего электрода. (B) Спектроэлектрохимическая ячейка, иммобилизованная на инвертированном оптическом микроскопе для электрохимической спектроскопии и микроскопии с одной наночастицей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Идентификация одиночной наночастицы Ag на тонкопленочной подложке Ag. (A) Схема излучения NB SERS в форме пончика, указывающая, что сигнал исходит от отдельной наночастицы Ag. (B) Твердая картина излучения NB SERS, указывающая, что сигнал исходит от более чем одной наночастицы. (C) Спектр SERS излучения в форме пончика, показанный в (A), показывающий характерный пик при 592/см от колебательной моды кольцевой деформации NB52. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Электрохимия и спектроэлектрохимия NB. (A) Циклические вольтамперограммы 0,5 мМ NB в 0,1 М фосфатном буфере (pH = 5) с использованием рабочего электрода диска Ag. На врезках показаны электрохимические SERS-изображения NB на отдельной наночастице Ag на подложке SERS в щелевой моде при потенциалах окисления NB (нижнее изображение) и восстановительного (верхнее изображение). Масштабные линейки представляют собой 300 нм. (B) Электрохимическая модуляция спектра NB SERS с помощью циклической вольтамперометрии на одной наночастице Ag на подложке SERS в щелевой моде. В качестве противоэлектродов и электродов сравнения использовались проволока Pt и электрод Ag/AgCl (3 M KCl) соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Потенциальная ступенчатая спектроэлектрохимия NB. (A) Электрохимическая модуляция спектра NB SERS с шагом потенциала от 0 до -0,4 В (по сравнению с Ag/AgCl), применяемая при t = 0 (пунктирная линия). Интенсивность пика при 592/см со временем уменьшается из-за уменьшения молекул NB вблизи наночастицы Ag. (B) Переходный профиль нормализованной площади под пиком 592/см в зависимости от приложенного потенциала: -0,2 В (синяя кривая), -0,4 В (зеленая кривая) и -0,6 В (красная кривая). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Нанесение тонких металлических пленок Cu и Ag на чистые покровные стекла имеет жизненно важное значение для обеспечения того, чтобы конечная пленка имела шероховатость не более двух-четырех атомных слоев (или среднеквадратичную шероховатость, меньшую или равную примерно 0,7 нм). Пыль, царапины и мусор, присутствующие на покровном стекло перед нанесением металла, являются распространенными проблемами, которые препятствуют изготовлению гладкой пленки, необходимой для получения моделей выбросов в форме пончика. Следовательно, рекомендуется обрабатывать ультразвуком покровные стекла в различных растворителях перед осаждением металла и, если возможно, выполнять этот процесс в чистом помещении. Кроме того, следует уделить пристальное внимание процедуре осаждения. Может потребоваться очистка всех поверхностей внутри вакуумной камеры (включая ящик держателя тигля) и тиглей, так как эти детали имеют тенденцию накапливать пыль и мусор.

Высокая скорость осаждения, используемая в процессе осаждения металла, позволяет наплавляемой пленке быть атомарно гладкой, но ее также может быть труднее контролировать. Неправильное считывание показаний датчиков толщины пленки может привести к образованию неоднородных, чрезмерно толстых или чрезмерно тонких пленок. Если металлические пленки слишком тонкие, вместо сплошной поверхности могут образоваться островки материала. Слишком толстые пленки приведут к тому, что подложки станут непрозрачными, что не позволит возбуждающему свету эффективно возбуждать молекулы NB и будет препятствовать сбору излучающего света; это, в свою очередь, снизит общую чувствительность метода и даст некачественные изображения и спектры SERS с низким отношением сигнал/шум. Осаждение Cu до Ag имеет решающее значение для адгезии последнего металла, но осаждение избытка Cu снизит оптическую прозрачность подложки, в то время как недостаточное количество Cu приведет к расслоению Ag от стеклянных покровных стекол. Кроме того, если размеры плиты образца больше, чем у затвора, испарившийся металл может оседать на покровных стеклах, когда затвор закрыт, что приводит к неоднородности подложки, как показано на рисунке 2А.

Концентрации и время инкубации растворов NB и суспензий наночастиц Ag играют ключевую роль в производстве высококачественной подложки SERS в щелевом режиме. Использование растворов NB с концентрациями, превышающими рекомендуемые в протоколе, или использование более длительного времени инкубации может привести к высоким фоновым сигналам и, таким образом, создать проблемы для обнаружения отдельных наночастиц Ag. С другой стороны, низкая концентрация раствора NB и короткое время инкубации приведут к низкому покрытию молекул NB тонкой пленкой Ag, что сделает идентификацию отдельных наночастиц Ag трудоемким процессом. Аналогичным образом, использование суспензии наночастиц Ag с концентрацией выше, чем рекомендовано в протоколе, или использование более длительного времени инкубации приведет к агломерации наночастиц Ag на тонкой пленке Ag; таким образом, эта агломерация приведет к получению субстратов SERS, которые производят высокий процент твердых паттернов излучения и уменьшат количество участков подложек, которые могут быть идентифицированы как отдельные наночастицы. Напротив, использование суспензии наночастиц Ag с более низкой концентрацией или более короткое время инкубации приведет к низкому охвату наночастиц Ag. В этом случае большая часть паттернов излучения SERS будет происходить из отдельных наночастиц Ag, но пропускная способность эксперимента будет снижена.

Для успешной реализации метода электрохимической визуализации и спектроскопии SERS с одной наночастицей, описанного в этой статье, необходимо уделить особое внимание спектроэлектрохимической экспериментальной установке. Во-первых, идентификация одиночных наночастиц Ag на подложке SERS с щелевым режимом с использованием моделей излучения в форме пончика имеет центральное значение для успешного использования описанного метода. Для наблюдения за картинами излучения в форме пончика обычно требуется более чем 100-кратное увеличение оптического изображения и объектив микроскопа с высокой числовой апертурой (например, 1,45). Высокая числовая апертура особенно важна для сбора излучения под большим углом. Во-вторых, важно синхронизировать сбор спектров SERS с электрохимической программой. В этом протоколе транзисторно-транзисторный логический импульс посылается от детектора спектрометра к потенциостату, чтобы инициировать одновременный сбор спектров SERS и электрохимических данных. Кроме того, необходимо учитывать время считывания детектора, чтобы точно коррелировать приложенные потенциалы со спектрами SERS в вольтамперометрии.

Интерпретация колебательных мод является важным компонентом спектроскопии SERS. Ag склонен к образованию оксидов, которые могут влиять на исследуемый электрохимический процесс56. В этом протоколе SERS не обнаружил оксидных слоев, но длительное воздействие на воздух или окислительные потенциалы вызывают образование оксидов на зеркале Ag и/или наночастицах. Оксидные слои могут изменять адсорбцию окислительно-восстановительных активных молекул, тем самым вызывая сдвиги в колебательных режимах. В текущем протоколе мы не наблюдали каких-либо сдвигов колебательных мод между молекулами NB, адсорбированными на Si, пленке Ag или наночастицами Ag. Отметим также, что возбуждение плазмонных резонансов, таких как резонансы щелевой подложки, приводит к генерации неравновесных горячих электронов и горячих дырок, которые могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях57,58,59,60. Чтобы свести к минимуму помехи от индуцированных светом носителей горячего заряда, рекомендуется использовать низкие световые флюенсы.

Описанный здесь метод может устранить ограничения других методов с одиночными наночастицами, таких как электрохимияна основе столкновений 61,62,63, сканирующая электрохимическая микроскопия 64,65,66 и сканирующая электрохимическая микроскопия67,68,69. С помощью этих электрохимических методов можно измерить электрохимическую реакцию отдельных наночастиц; Однако невозможно напрямую получить идентификацию и структурную информацию об реагентах, промежуточных продуктах и продуктах. Метод, описанный в этом протоколе, позволяет отслеживать электрохимические реакции на отдельных наночастицах и получать химическую информацию с помощью колебательной спектроскопии. Однако этот электрохимический метод SERS в щелевом режиме дает наилучшие результаты, когда подложки SERS готовятся с использованием наиболее активных металлов SERS при возбуждении видимого света: Ag и Au. Это может ограничить выбор металлов, которые могут быть использованы в технике. Кроме того, в то время как SERS в щелевом режиме предоставляет химическую информацию об электрохимических процессах, происходящих на отдельных наночастицах, он дает только усредненную по ансамблю электрохимическую информацию, поскольку текущая реакция измеряется по всей подложке. Тем не менее, методика, продемонстрированная в данной работе, является мощным инструментом, который может быть использован для получения фундаментальных механистических знаний в различных областях электрохимии, в том числе в области электрокаталитических реакций, которые важны для хранения энергии 70,71, химического синтезасырья 72,73 и сенсоров 74,75.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана стартовыми фондами Университета Луисвилля и финансированием ассоциированных университетов Ок-Риджа через премию Ральфа Э. Пау за повышение квалификации младших преподавателей. Авторы благодарят доктора Ки-Хён Чо за создание изображения на рисунке 1. Осаждение металлов и СЭМ были выполнены в Центре микро / нанотехнологий в Университете Луисвилля.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone, microelectronic grade J. T. Baker 9005-05
Adjustable pipette, Eppendorf Reference 2 5000 mL Eppendorf 4924000100
Analytical Balance, AB54-S/FACT Metter Toledo N.A.
Atomic Force Microscope, Easy scan 2 Nanosurf N.A.
AXXIS Electron Beam Thin Film Deposition System Kurt J. Lesker N.A.
Cary 60 UV-Vis Spectrophotometer Agilent N.A.
Conductive epoxy, two part Electron Microscopy Sciences 12642-14
Copper pellets, 99.99% pure Kurt J. Lesker EVMCU40EXE
Copper wire, bare, 18 AWG VWR 66248-040
Crucible, Graphite E-Beam Kurt J. Lesker EVCEB-23
Diamond Scriber Ted Pella 54484
EMCCD Camera, ProEM HS: 1024BX3 Teledyne Princeton Instruments N.A.
Epoxy, Clear Gorilla Glue N.A.
Glass Tube Cutter Wheeler-Rex 69012
Glass Tube, Borossilicate (OD 0.75", ID 0.62", L 12") McMaster-Carr 8729K45
Immersion oil, Type-F Olympus IMMOIL-F30CC
Inverted Microscope, IX73 Olympus N.A.
Laser, Excelsior One 642 nm Free space Spectra-Physics N.A.
LightField Teledyne Princeton Instruments N.A.
MATLAB 2022b MathWorks N.A.
Micro cover glass (coverslips), 24×60 mm No. 1 VWR 48404-455
Microscope Smartphone Camera Adapter qhma QHMC017A-S01
Nile Blue A, pure Acros Organics 415690100
Nitrogen, Ultra Pure, Compressed Specialty Gases N.A.
Objective, UPLanXApo 100× Oil Immersion Olympus 14-910
Polyimide Film, Kapton 3M 16089-4
Potassium Phosphate Monobasic VWR P285
Potentiostat, 660E  CH Instruments N.A.
Pt wire Alfa Aesar 10956-BS
Scanning Electron Microscope, Apreo C SEM Thermo Fischer Scientific N.A.
Si wafer Ted Pella 16006
Silver nanoparticles (nanospheres), NanoXact 0.02 mg/mL in 2 mM citrate nanoComposix AGCN60
Silver pellets, 99.99% pure Kurt J. Lesker EVMAG40EXE-A
Slide Rack, Wash-N-Dry Diversified Biotech WSDR-2000
Smartphone, iPhone 13 mini Apple N.A.
Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate VWR 0348
Spectrometer, IsoPlane SCT320 Teledyne Princeton Instruments N.A.
Tissue Wipers, Light-duty  VWR 82003-820
Tweezers, KS-04 Kaisi Hardware N.A.
Utrasonic Generator, sweepSONIK Blackstone-NEY Ultrasonics 809379
Water Ultrapurifier, Sartorius Arium mini Sartorius N.A.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. O'Mari, O., Vullev, V. I. Electrochemical analysis in charge-transfer science: The devil in the details. Current Opinion in Electrochemistry. 31, 100862 (2022).
  2. Forster, R. J. Microelectrodes: New dimensions in electrochemistry. Chemical Society Reviews. 23 (4), 289-297 (1994).
  3. Frackowiak, E., Béguin, F. Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors. Carbon. 39 (6), 937-950 (2001).
  4. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. Hoboken, NJ. (2001).
  5. Gerischer, H. The impact of semiconductors on the concepts of electrochemistry. Electrochimica Acta. 35 (11), 1677-1699 (1990).
  6. Savéant, J. -M. Molecular catalysis of electrochemical reactions. Mechanistic aspects. Chemical Reviews. 108 (7), 2348-2378 (2008).
  7. Maduraiveeran, G., Sasidharan, M., Ganesan, V. Electrochemical sensor and biosensor platforms based on advanced nanomaterials for biological and biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics. 103, 113-129 (2018).
  8. Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
  9. Wang, Y., Shan, X., Tao, N. Emerging tools for studying single entity electrochemistry. Faraday Discussions. 193, 9-39 (2016).
  10. Wilson, A. J., Willets, K. A. Visualizing site-specific redox potentials on the surface of plasmonic nanoparticle aggregates with superlocalization SERS microscopy. Nano Letters. 14 (2), 939-945 (2014).
  11. Devasia, D., Wilson, A. J., Heo, J., Mohan, V., Jain, P. K. A rich catalog of C-C bonded species formed in CO2 reduction on a plasmonic photocatalyst. Nature Communications. 12 (1), 2612 (2021).
  12. Sambur, J. B., et al. Sub-particle reaction and photocurrent mapping to optimize catalyst-modified photoanodes. Nature. 530 (7588), 77-80 (2016).
  13. Sambur, J. B., Chen, P. Approaches to single-nanoparticle catalysis. Annual Review of Physical Chemistry. 65 (1), 395-422 (2014).
  14. Sambur, J. B., Chen, P. Distinguishing direct and indirect photoelectrocatalytic oxidation mechanisms using quantitative single-molecule reaction imaging and photocurrent measurements. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 20668-20676 (2016).
  15. Wang, L., Tahir, M., Chen, H., Sambur, J. B. Probing charge carrier transport and recombination pathways in monolayer MoS2/WS2 heterojunction photoelectrodes. Nano Letters. 19 (12), 9084-9094 (2019).
  16. Rubin, H. The significance of biological heterogeneity. Cancer and Metastasis Reviews. 9 (1), 1-20 (1990).
  17. Altschuler, S. J., Wu, L. F. Cellular heterogeneity: Do differences make a difference. Cell. 141 (4), 559-563 (2010).
  18. Guerrette, J. P., Percival, S. J., Zhang, B. Fluorescence coupling for direct imaging of electrocatalytic heterogeneity. Journal of the American Chemical Society. 135 (2), 855-861 (2013).
  19. Chen, Y., et al. In situ imaging facet-induced spatial heterogeneity of electrocatalytic reaction activity at the subparticle level via electrochemiluminescence microscopy. Analytical Chemistry. 91 (10), 6829-6835 (2019).
  20. Zaleski, S., et al. Investigating nanoscale electrochemistry with surface- and tip-enhanced Raman spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 2023-2030 (2016).
  21. Xu, R., et al. Heterogeneous damage in Li-ion batteries: Experimental analysis and theoretical modeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 129, 160-183 (2019).
  22. Liu, H., et al. Quantifying reaction and rate heterogeneity in battery electrodes in 3D through operando X-ray diffraction computed tomography. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (20), 18386-18394 (2019).
  23. Heinze, J. Ultramicroelectrodes in electrochemistry. Angewandte Chemie International Edition in English. 32 (9), 1268-1288 (1993).
  24. Arrigan, D. W. M. Nanoelectrodes, nanoelectrode arrays and their applications. Analyst. 129 (12), 1157-1165 (2004).
  25. Grall, S., et al. Attoampere nanoelectrochemistry. Small. 17 (29), 2101253 (2021).
  26. Sa, N., Lan, W. -J., Shi, W., Baker, L. A. Rectification of ion current in nanopipettes by external substrates. ACS Nano. 7 (12), 11272-11282 (2013).
  27. Zhu, C., Huang, K., Siepser, N. P., Baker, L. A. Scanning ion conductance microscopy. Chemical Reviews. 121 (19), 11726-11768 (2021).
  28. Fu, K., Kwon, S. -R., Han, D., Bohn, P. W. Single entity electrochemistry in nanopore electrode arrays: Ion transport meets electron transfer in confined geometries. Accounts of Chemical Research. 53 (4), 719-728 (2020).
  29. Iwasita, T., Nart, F. C., Rodes, A., Pastor, E., Weber, M. Vibrational spectroscopy at the electrochemical interface. Surface Structure and Electrochemical Reactivity. 40 (1), 53-59 (1995).
  30. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Understanding electrocatalysis at nanoscale electrodes and single atoms with operando vibrational spectroscopy. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 38, 100682 (2022).
  31. Kaim, W., Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The best of two worlds. Chemical Society Reviews. 38 (12), 3373-3382 (2009).
  32. Zhai, Y., Zhu, Z., Zhou, S., Zhu, C., Dong, S. Recent advances in spectroelectrochemistry. Nanoscale. 10 (7), 3089-3111 (2018).
  33. Zheng, X., Zong, C., Xu, M., Wang, X., Ren, B. Raman imaging from microscopy to nanoscopy, and to macroscopy. Small. 11 (28), 3395-3406 (2015).
  34. Opilik, L., Schmid, T., Zenobi, R. Modern Raman imaging: Vibrational spectroscopy on the micrometer and nanometer scales. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 379-398 (2013).
  35. Wilson, A. J., Devasia, D., Jain, P. K. Nanoscale optical imaging in chemistry. Chemical Society Reviews. 49 (16), 6087-6112 (2020).
  36. Willets, K. A. Probing nanoscale interfaces with electrochemical surface-enhanced Raman scattering. Current Opinion in Electrochemistry. 13, 18-24 (2019).
  37. Tian, Z. -Q., Ren, B. Adsorption and reaction at electrochemical interfaces as probed by surface-enhanced Raman spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 55 (1), 197-229 (2004).
  38. Wu, D. -Y., Li, J. -F., Ren, B., Tian, Z. -Q. Electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy of nanostructures. Chemical Society Reviews. 37 (5), 1025-1041 (2008).
  39. Bosnick Jiang, K., Maillard, M., Brus, L. Single molecule Raman spectroscopy at the junctions of large Ag nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (37), 9964-9972 (2003).
  40. Camden, J. P., et al. Probing the structure of single-molecule surface-enhanced Raman scattering hot spots. Journal of the American Chemical Society. 130 (38), 12616-12617 (2008).
  41. Daniels, J. K., Chumanov, G. Nanoparticle−mirror sandwich substrates for surface-enhanced Raman scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 109 (38), 17936-17942 (2005).
  42. Ciracì, C., et al. Probing the ultimate limits of plasmonic enhancement. Science. 337 (6098), 1072-1074 (2012).
  43. Ausman, L. K., Schatz, G. C. On the importance of incorporating dipole reradiation in the modeling of surface enhanced Raman scattering from spheres. The Journal of Chemical Physics. 131 (8), 084708 (2009).
  44. Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution optical imaging of single-molecule SERS hot spots. Nano Letters. 10 (9), 3777-3784 (2010).
  45. Titus, E. J., Weber, M. L., Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution SERS imaging beyond the single-molecule limit: An isotope-edited approach. Nano Letters. 12 (10), 5103-5110 (2012).
  46. Bartko, A. P., Dickson, R. M. Imaging three-dimensional single molecule orientations. The Journal of Physical Chemistry B. 103 (51), 11237-11241 (1999).
  47. Chen, S. -Y., et al. Gold nanoparticles on polarizable surfaces as Raman scattering antennas. ACS Nano. 4 (11), 6535-6546 (2010).
  48. Du, L., Tang, D., Yuan, G., Wei, S., Yuan, X. Emission pattern of surface-enhanced Raman scattering from single nanoparticle-film junction. Applied Physics Letters. 102 (8), 081117 (2013).
  49. Joshi, P. B., Anthony, T. P., Wilson, A. J., Willets, K. A. Imaging out-of-plane polarized emission patterns on gap mode SERS substrates: From high molecular coverage to the single molecule regime. Faraday Discussions. 205, 245-259 (2017).
  50. Stranahan, S. M., Titus, E. J., Willets, K. A. SERS orientational imaging of silver nanoparticle dimers. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2 (21), 2711-2715 (2011).
  51. Cortés, E., et al. Monitoring the electrochemistry of single molecules by surface-enhanced Raman spectroscopy. Journal of the American Chemical Society. 132 (51), 18034-18037 (2010).
  52. Wilson, A. J., Molina, N. Y., Willets, K. A. Modification of the electrochemical properties of Nile Blue through covalent attachment to gold as revealed by electrochemistry and SERS. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 21091-21098 (2016).
  53. Lesker, K. J. E-beam evaporator SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville. , Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/Ebaeam_SOP.pdf (2020).
  54. FEI Apreo C SEM SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville. , Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/ApreoSEMSOPn.pdf (2023).
  55. Benz, F., et al. SERS of individual nanoparticles on a mirror: Size does matter, but so does shape. The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (12), 2264-2269 (2016).
  56. Sundaresan, V., Monaghan, J. W., Willets, K. A. Visualizing the effect of partial oxide formation on single silver nanoparticle electrodissolution. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (5), 3138-3145 (2018).
  57. Wilson, A. J., Mohan, V., Jain, P. K. Mechanistic understanding of plasmon-enhanced electrochemistry. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (48), 29360-29369 (2019).
  58. Wilson, A. J., Jain, P. K. Light-induced voltages in catalysis by plasmonic nanostructures. Accounts of Chemical Research. 53 (9), 1773-1781 (2020).
  59. Wang, J., Heo, J., Chen, C., Wilson, A. J., Jain, P. K. Ammonia oxidation enhanced by photopotential generated by plasmonic excitation of a bimetallic electrocatalyst. Angewandte Chemie International Edition. 59 (42), 18430-18434 (2020).
  60. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Plasmonically enhanced electrochemistry boosted by nonaqueous solvent. The Journal of Chemical Physics. 156 (24), 241101 (2022).
  61. Xiao, X., Fan, F. -R. F., Zhou, J., Bard, A. J. Current transients in single nanoparticle collision events. Journal of the American Chemical Society. 130 (49), 16669-16677 (2008).
  62. Kwon, S. J., et al. Stochastic electrochemistry with electrocatalytic nanoparticles at inert ultramicroelectrodes-theory and experiments. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (12), 5394-5402 (2011).
  63. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  64. Sun, T., Yu, Y., Zacher, B. J., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of individual catalytic nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 53 (51), 14120-14123 (2014).
  65. Yu, Y., Sun, T., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of single spherical nanoparticles: Theory and particle size evaluation. Analytical Chemistry. 87 (14), 7446-7453 (2015).
  66. Yu, Y., et al. Electrochemistry and electrocatalysis at single gold nanoparticles attached to carbon nanoelectrodes. ChemElectroChem. 2 (1), 58-63 (2015).
  67. Bentley, C. L., Kang, M., Unwin, P. R. Nanoscale structure dynamics within electrocatalytic materials. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16813-16821 (2017).
  68. Wahab, O. J., Kang, M., Unwin, P. R. Scanning electrochemical cell microscopy: A natural technique for single entity electrochemistry. Current Opinion in Electrochemistry. 22, 120-128 (2020).
  69. Bentley, C. L., et al. Local surface structure and composition control the hydrogen evolution reaction on iron nickel sulfides. Angewandte Chemie International Edition. 57 (15), 4093-4097 (2018).
  70. Wright, D., et al. Mechanistic study of an immobilized molecular electrocatalyst by in situ gap-plasmon-assisted spectro-electrochemistry. Nature Catalysis. 4 (2), 157-163 (2021).
  71. Peng, J., et al. In-situ spectro-electrochemistry of conductive polymers using plasmonics to reveal doping mechanisms. ACS Nano. 16 (12), 21120-21128 (2022).
  72. Yan, M., Kawamata, Y., Baran, P. S. Synthetic organic electrochemical methods since 2000: On the verge of a renaissance. Chemical Reviews. 117 (21), 13230-13319 (2017).
  73. Kingston, C., et al. A survival guide for the "electro-curious.". Accounts of Chemical Research. 53 (1), 72-83 (2020).
  74. Patrice, F. T., Qiu, K., Ying, Y. -L., Long, Y. -T. Single nanoparticle electrochemistry. Annual Review of Analytical Chemistry. 12 (1), 347-370 (2019).
  75. Sekretareva, A. Single-entity electrochemistry of collision in sensing applications. Sensors and Actuators Reports. 3, 100037 (2021).

Tags

Химия выпуск 195
Слежение за электрохимией на одиночных наночастицах с помощью спектроскопии и микроскопии комбинационного рассеяния света с поверхностным усилением
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hemmer, J. V., Joshi, P. B., Wilson, … More

Hemmer, J. V., Joshi, P. B., Wilson, A. J. Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy. J. Vis. Exp. (195), e65486, doi:10.3791/65486 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter