Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Spårning av elektrokemi på enskilda nanopartiklar med ytförbättrad Ramanspridningsspektroskopi och mikroskopi

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

Summary

Protokollet beskriver hur man övervakar elektrokemiska händelser på enskilda nanopartiklar med hjälp av ytförstärkt Raman-spridningsspektroskopi och avbildning.

Abstract

Att studera elektrokemiska reaktioner på enstaka nanopartiklar är viktigt för att förstå den heterogena prestandan hos enskilda nanopartiklar. Denna heterogenitet i nanoskala förblir dold under den ensemble-genomsnittliga karakteriseringen av nanopartiklar. Elektrokemiska tekniker har utvecklats för att mäta strömmar från enskilda nanopartiklar men ger inte information om strukturen och identiteten hos molekylerna som genomgår reaktioner vid elektrodytan. Optiska tekniker som ytförstärkt Ramanspridning, mikroskopi och spektroskopi kan detektera elektrokemiska händelser på enskilda nanopartiklar samtidigt som de ger information om vibrationslägena för elektrodytarter. I detta dokument demonstreras ett protokoll för att spåra den elektrokemiska oxidationsreduktionen av Nile Blue (NB) på enstaka Ag-nanopartiklar med hjälp av SERS-mikroskopi och spektroskopi. Först beskrivs ett detaljerat protokoll för tillverkning av Ag-nanopartiklar på en slät och halvtransparent Ag-film. Ett dipolärt plasmonläge inriktat längs den optiska axeln bildas mellan en enda Ag-nanopartikel och Ag-film. SERS-emissionen från NB fixerad mellan nanopartikeln och filmen kopplas till plasmonläget, och högvinkelemissionen samlas in av ett mikroskopmål för att bilda ett munkformat emissionsmönster. Dessa munkformade SERS-utsläppsmönster möjliggör entydig identifiering av enskilda nanopartiklar på substratet, från vilket SERS-spektra kan samlas in. I detta arbete tillhandahålls en metod för att använda SERS-substratet som en arbetselektrod i en elektrokemisk cell kompatibel med ett inverterat optiskt mikroskop. Slutligen visas spårning av elektrokemisk oxidationsreduktion av NB-molekyler på en enskild Ag-nanopartikel. Upplägget och protokollet som beskrivs här kan modifieras för att studera olika elektrokemiska reaktioner på enskilda nanopartiklar.

Introduction

Elektrokemi är en viktig mätvetenskap för att studera laddningsöverföring, laddningslagring, masstransport etc., med tillämpningar inom olika discipliner, inklusive biologi, kemi, fysik och teknik 1,2,3,4,5,6,7 . Konventionellt involverar elektrokemi mätningar över en ensemble - en stor samling enskilda enheter som molekyler, kristallina domäner, nanopartiklar och ytplatser. Att förstå hur sådana enskilda enheter bidrar till ensemble-genomsnittliga svar är dock nyckeln till att få fram nya grundläggande och mekanistiska förståelser inom kemi och relaterade områden på grund av heterogeniteten hos elektrodytor i komplexa elektrokemiska miljöer 8,9. Till exempel har ensemblereduktion avslöjat platsspecifika reduktions-/oxidationspotentialer10, bildandet av intermediärer och mindre katalysprodukter 11, platsspecifik reaktionskinetik 12,13 och laddningsbärardynamik 14,15. Att minska ensemblemedelvärdet är särskilt viktigt för att förbättra vår förståelse bortom modellsystem till tillämpade system, såsom biologiska celler, elektrokatalys och batterier, där omfattande heterogenitet ofta finns 16,17,18,19,20,21,22.

Under det senaste decenniet eller så har det uppstått tekniker för att studera elektrokemi med en enhet 1,2,9,10,11,12. Dessa elektrokemiska mätningar har gett möjlighet att mäta små elektriska och joniska strömmar i flera system och avslöjade nya grundläggande kemiska och fysiska egenskaper 23,24,25,26,27,28. Elektrokemiska mätningar ger dock inte information om identiteten eller strukturen hos molekyler eller intermediärer vid elektrodytan 29,30,31,32. Kemisk information vid elektrod-elektrolytgränssnittet är central för att förstå elektrokemiska reaktioner. Gränsskiktskemisk kunskap erhålls typiskt genom att koppla elektrokemi med spektroskopi31,32. Vibrationsspektroskopi, såsom Ramanspridning, är väl lämpad för att ge kompletterande kemisk information om laddningsöverföring och relaterade händelser i elektrokemiska system som huvudsakligen använder, men inte är begränsade till, vattenhaltiga lösningsmedel30. Tillsammans med mikroskopi ger Raman-spridningsspektroskopi rumslig upplösning ner till diffraktionsgränsen för ljus33,34. Diffraktion utgör dock en begränsning eftersom nanopartiklar och aktiva ytplatser är mindre långa än optiska diffraktionsgränser, vilket således utesluter studier av enskilda enheter35.

Ytförstärkt Ramanspridning (SERS) har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att studera gränssnittskemi i elektrokemiska reaktioner 20,30,36,37,38. Förutom att tillhandahålla vibrationslägen för reaktantmolekyler, lösningsmedelsmolekyler, tillsatser och ytkemi för elektroder, tillhandahåller SERS en signal som är lokaliserad till ytan av material som stöder kollektiva ytelektronoscillationer, kända som lokaliserade ytplasmonresonanser. Excitationen av plasmonresonanser leder till koncentrationen av elektromagnetisk strålning vid metallens yta, vilket ökar både ljusflödet till och Raman-spridningen från ytadsorbater. Nanostrukturerade ädelmetaller som Ag och Au är vanliga plasmoniska material eftersom de stöder synliga ljusplasmonresonanser, vilket är önskvärt för att detektera emission med mycket känsliga och effektiva laddningskopplade enheter. Även om de största förbättringarna i SERS kommer från aggregat av nanopartiklar39,40, har ett nytt SERS-substrat utvecklats som möjliggör SERS-mätningar från enskilda nanopartiklar: gap-mode SERS-substrat (figur 1) 41,42. I gap-mode SERS-substrat tillverkas en metallspegel och beläggs med en analyt. Därefter sprids nanopartiklar över substratet. Vid bestrålning med cirkulärt polariserat laserljus exciteras en dipol plasmonresonans bildad genom kopplingen av nanopartikeln och substratet, vilket möjliggör SERS-mätningar på enskilda nanopartiklar. SERS-emission är kopplad till den dipolära plasmonresonansen43,44,45, som är orienterad längs den optiska axeln. Med den parallella inriktningen av den utstrålande elektriska dipolen och uppsamlingsoptiken samlas endast högvinkelemission, vilket bildar distinkta munkformade emissionsmönster46,47,48,49 och möjliggör identifiering av enskilda nanopartiklar. Aggregat av nanopartiklar på substratet innehåller strålande dipoler som inte är parallella med den optiska axeln50. I det senare fallet samlas lågvinkel- och högvinkelutsläpp in och bildar fasta emissionsmönster46.

Här beskriver vi ett protokoll för tillverkning av gap-mode SERS-substrat och ett förfarande för att använda dem som arbetselektroder för att övervaka elektrokemiska redoxhändelser på enstaka Ag-nanopartiklar med SERS. Viktigt är att protokollet som använder gap-mode SERS-substrat möjliggör entydig identifiering av enskilda nanopartiklar genom SERS-avbildning, vilket är en viktig utmaning för nuvarande metoder inom elektrokemi med en nanopartikel. Som modellsystem demonstrerar vi användningen av SERS för att ge en avläsning av den elektrokemiska reduktionen och oxidationen av Nile Blue A (NB) på en enda Ag-nanopartikel som drivs av en skanning eller stegad potential (dvs. cyklisk voltametri, kronoamperometri). NB genomgår en multiproton, multielektronreduktion/oxidationsreaktion där dess elektroniska struktur moduleras ur/i resonans med excitationskällan, vilket ger en kontrast i motsvarande SERS-spektra 10,51,52. Protokollet som beskrivs här är också tillämpligt på icke-resonanta redoxaktiva molekyler och elektrokemiska tekniker, vilket kan vara relevant för tillämpningar som elektrokatalys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Gap-mode SERS-substratberedning

  1. Rengör täckglas nr 1 (se materialförteckning) med aceton och vattentvätt, enligt beskrivningen nedan. Utför detta steg i ett renrum för att säkerställa att inget skräp eller annat oönskat material deponeras på täckglasen.
    1. Placera täckglasen i ett glidställ. Använd pincett när du flyttar täckglasen/underlagen. Placera glidstället i en glasbehållare och fyll den med aceton.
      VARNING: Aceton är mycket brandfarligt och har potentiella negativa hälsoeffekter. Hantera den i ett väl ventilerat område med handskar, skyddsglasögon och en mask.
    2. Justera effektkontrollen för ultraljudsgeneratorn till 8 och sonikera glasbehållaren med glidstället i 15 minuter.
    3. Ta bort glidstället från behållaren och skölj glidstället och täckglaset noggrant med ultrarent vatten (resistivitet på 18,2 MΩ · cm).
    4. Placera glidstället med täckglas i en glasbehållare och fyll den med ultrarent vatten. Sonicate glasbehållaren med glidstället i ytterligare 15 minuter med samma inställningar.
    5. Ta bort glidstället från behållaren och tvätta glidstället och täckglaset noggrant med ultrarent vatten.
    6. Torka täckglasen med en ström avN2-gas med hög renhet med en sprutpistol.
  2. Sätt Cu och Ag på de rengjorda täckglasen. För att göra detta, använd elektronstrålens tunnfilmsavsättningssystem enligt standardprocedurer, som rekommenderas av tillverkaren i den officiella användarhandboken.
    OBS: För alla andra depositioner, följ tillverkarens instruktioner, som tillhandahålls av institutionella faciliteter53.
    1. Ställ in glasets position på 180° och ventilera vakuumkammaren.
    2. Placera de rena täckglasen sida vid sida i instrumentets platta så att de inte överlappar varandra. Använd värmebeständig tejp (polyimidfilm) för att fästa täckglasen på glaset.
      OBS: Detta säkerställer att täckglasen inte rör sig eller faller under proceduren.
    3. Fyll en grafitdegel halvvägs med Cu-pellets och sätt in den i degelhållaren. Gör samma sak för Ag i en andra degel. Stäng vakuumkammaren och börja pumpa ner; det rekommenderade avsättningstrycket är i storleksordningen 10−7 – 10−6 Torr.
    4. Läs in Cu-egenskaperna i sensorns applikation. Slå på glasets rotation vid 20 varv/min. Ställ in glasets position på 225°.
      OBS: Detta placerar spegeln på undersidan av plattan på ett sådant sätt att elektronstrålen kan ses från visningsporten.
    5. Slå på brytaren till elektronstrålens strömförsörjning och vänta minst 2 minuter. Slå på elektronstrålen och vänta ytterligare 2 minuter. Öppna underlagets slutare.
      OBS: Detta gör strålen och degeln synliga genom spegeln.
    6. Öka emissionsströmmen gradvis (vid cirka 10 mA/min) tills sensorn läser av en deponeringshastighet nära 10 Å/s. Stäng slutaren och ställ in glasets position på 0°.
      OBS: Strålen kan ändra form under denna process. Det är viktigt att kontrollera det regelbundet under detta steg och korrigera dess position, amplitud och frekvens med respektive rattar. Strålen skall värma degeln jämnt. Genom att stänga slutaren vid denna punkt säkerställer du att ingen metall deponeras på proverna när glaset roterar för att placera täckglasen i den förångade metallens väg.
    7. Öppna slutaren för att starta avsättningen och övervaka tjockleken som visas av sensorn. Stäng slutaren när önskad tjocklek uppnås (1 nm för Cu), som bestäms av deponeringssensorn.
    8. Minska gradvis elektronstrålens ström tills sensorn läser nära 0 A men strömmen är tillräckligt hög för att degeln är synlig.
    9. Ställ in glasets position på 225° och öppna slutaren för att kunna se degeln.
    10. Vrid degelhållaren med vredet så att strålen riktas mot degeln med Ag-pellets.
    11. Läs in Ag-egenskaperna i sensorns program. Upprepa steg 1.2.6–1.2.7, men använd en depositionshastighet på 20 Å/s och en tjocklek på 25 nm för Ag.
    12. Minska strömmen gradvis till 0 A och stäng av elektronstrålen och brytaren. Ställ in plattans position på 180° och ventilera vakuumkammaren. Öppna vakuumkammaren.
    13. Täckglasen ska vara på samma plats som tidigare, fria från främmande ämnen eller dammpartiklar, och med utseendet på en spegel. Ta långsamt och försiktigt bort den värmebeständiga tejpen.
      Dra tillbaka tejpen, parallellt med plattans yta. Det finns risk för att täckglasen bryts. Filmen ska vara homogen och delvis transparent (se figur 2A).
  3. Inkubera den Ag-tunna filmen med en Nile Blue-lösning, enligt beskrivningen nedan.
    1. Tillsätt 500 μL 50 μM NB-lösning på ytan av Ag-tunnfilmen.
    2. Efter 15 minuter, skölj Ag tunnfilm noggrant med ultrarent vatten för att avlägsna eventuella svagt adsorberade NB-molekyler. Torka Ag-tunnfilmen medN2-gas .
    3. Droppgjutna Ag-nanopartiklar på den NB-inkuberade Ag-tunna filmen. Tillsätt 500 μL av en 100x utspädning av Ag-nanopartikelkolloiden på samma område av Ag-tunnfilmen där NB-lösningen droppgjutits och inkuberats.
      VARNING: Metallnanopartiklar är giftiga för människokroppen. Hantera dem i ett väl ventilerat område med handskar och skyddsglasögon.
    4. Skölj (gap-mode SERS) substratet med ultrarent vatten efter 20 minuter. Torka substratet medN2-gas .

2. Karakterisering av SERS-substrat i gap-läge

  1. Ultraviolett synlig spektroskopi
    1. Slå på instrumentet genom att trycka på strömbrytaren. Starta skanningsprogrammet genom att dubbelklicka på genvägen på skrivbordet.
    2. Klicka på Setup för att öppna installationsfönstret. Under Y-läge klickar du på rullgardinsmenyn Läge och väljer %T för att mäta transmittansen. Under X-läge ändrar du Start till 800 och Stopp till 200 för att skanna från 800 nm till 200 nm.
    3. På fliken Baslinje väljer du alternativknappen Baslinjekorrigering och stänger inställningsfönstret. Klicka på Baslinje för att utföra en bakgrundskorrigering med atmosfärisk luft.
    4. Öppna provfacket. Tejpa fast ena änden av Ag-filmen på provhållaren, vinkelrätt mot strålens väg.
    5. Klicka på Start för att få ett transmittansspektrum från provet.
  2. Mätningar av atomkraftmikroskopi (AFM)
    1. Anslut AFM till datorn (med en USB-port), slå på AFM-instrumentet och starta Nanosurf Easyscan 2.
    2. Ta försiktigt bort AFM-huvudet (som har AFM-utskjutaren på undersidan) från provsteget och placera det åt sidan upp och ner.
    3. Fäst ett Ag-tunt filmsubstrat på provsteget med tejp. Placera AFM-huvudet ovanför provsteget. Se till att AFM-huvudet är parallellt med provsteget (övervaka med nivåindikatorn). Om AFM-huvudet och provsteget inte är plana, använd nivelleringsskruvarna för att justera scenen och centrera nivelleringsbubblan inuti nivåindikatorn.
    4. Använd sido- och toppvyerna i programvaran och flytta försiktigt provsteget så nära AFM-huvudet (AFM-utskjutaren) som möjligt utan att komma i kontakt. Se till att provsteget inte vidrör AFM-utskjutaren på AFM-huvudet.
    5. Under fliken Förvärv väljer du Faskontrast som bildläge och PPP-XYNCHR som utskjutande typ. Klicka på Laser Align för att säkerställa att lasern är fokuserad på utskjutande spetsen och strålen som reflekteras från spetsen träffar mitten av fotodioddetektorn.
    6. Mät utskjutarens resonansvibrationsfrekvens med AFM-programvaran genom att klicka på knappen Frekvenssvep och se till att frekvenskurvan har en klockform. Genom att klicka på Tillvägagångssätt landar du den fribärande spetsen på Ag-tunnfilmens yta.
    7. I Bildhanteringsguiden väljer du en bildstorlek på 10,8 μm x 10,8 μm och en skanningshastighet på 0,5 s/linje. Under Z-styrenhet använder du ett börvärde på 50 %, en P-förstärkning på 2 500 och en I-förstärkning på 2 500. Under Lägesegenskaper använder du en fri vibrationsamplitud på 300 mV.
    8. Klicka på Start för att hämta en bild. Spara bilden genom att högerklicka på den, välj Kopiera och klistra in den i bildprocessorn.
    9. På AFM-programvaran väljer du bilden som ska bearbetas genom att klicka på den. Under fliken Analys utför du en analys av arean och linjens grovhet genom att klicka på Beräkna radens grovhet respektive Beräkna area.
    10. Dra ut grenspetsen från Ag-tunnfilmsytan genom att klicka på Uttag. Flytta provsteget bort från spetsen genom att övervaka rörelsen med sido- och toppvyerna. Ta bort provet.
  3. Mätningar av svepelektronmikroskopi (SEM)54
    1. Droppgjut 30 μL av den mottagna Ag-nanopartikelkolloiden på en Si-skiva och låt den lufttorka helt. Fäst Si-skivan på en provstubbe med dubbelsidig ledande tejp.
    2. Ventilera SEM-kammaren med hjälp av instrumentets användargränssnitt. Skjut upp SEM-kammaren och montera stubben på ett av hålen i scenen.
    3. Stäng SEM-kammaren och pumpa ner SEM-kammaren med hjälp av instrumentets användargränssnitt.
    4. Placera provet ca 10 mm från elektronstrålepistolen. Slå på elektronstrålen med hjälp av instrumentets användargränssnitt.
    5. Avbilda provet med en Everhart-Thornley-detektor med en spotstorlek på 6, en strålström på 25 pA och en högspänning på 5 kV.
    6. Dubbelklicka på intresseområdet för elektronkanonen för att automatiskt justera elektronstrålen. Utför avbildning med en förstoring på 3 500x med hjälp av instrumentets användargränssnitt (figur 3A).
    7. När avbildningen är klar, stäng av elektronstrålen och flytta provet bort från elektronstrålepistolen minst 20 mm.
    8. Ventilera SEM-kammaren. Skjut upp SEM-kammaren och ta bort provstubben från scenen. Stäng SEM-kammaren och pumpa ner den med hjälp av instrumentets användargränssnitt.

3. Framställning av den elektrokemiska cellen

  1. Skaffa en 5 cm lång glasbrunn genom att skära ett glasrör med en glasrörskärare, enligt beskrivningen nedan.
    1. Linda kedjorna på glasrörskäraren runt röret. Fäst det sista segmentet av kedjan på andra sidan av verktyget.
    2. Håll verktyget i handtaget med ena handen. Håll glasröret med den andra handen. Vrid glasröret kontinuerligt så att hjulen i kedjan börjar skära glaset.
    3. Pressa försiktigt verktyget genom att gradvis applicera mer kraft på handtagen. När ljudet ändras från glidning till repor, det är när glasstycket (brunnen) håller på att separera från glasröret.
    4. Släta ut den trasiga änden av glaset väl med 120-kornigt (eller grovare) sandpapper. Polera med 220-korns (eller finare) sandpapper.
  2. Skär ner gap-mode-substratet med en diamantskrivare, enligt beskrivningen nedan.
    1. Placera gap-mode-substratet på en plan yta. Flytta diamantskrivaren upp och ner i mitten av gap-mode-substratet medan du applicerar lätt tryck på ytan av substratet.
    2. Bryt underlaget i två delar manuellt när en repa är synlig.
  3. Fäst den skurna glasbrunnen (från steg 3.1) på ytan av substratet, enligt beskrivningen nedan.
    1. Fördela tvådelat epoxiharts på ett litet ark aluminiumfolie. Blanda produkten med en omrörningspinne eller en pipettspets.
    2. Applicera blandningen på glasbrunnens bottenkant. Applicera minsta möjliga blandning för att täcka kanten på det skurna glaset väl för att minimera spridningen av hartset till den inre delen av cellen.
    3. Limma glaset väl på ytan av gap-mode-substratet. Applicera den återstående blandade produkten på utsidan av brunnen, där den möter substratet, för att eliminera risken för läckage av lösningen som hälls inuti glasbrunnen (se figur 4A).
    4. Låt epoxin härda ostört i 5 min.
  4. Anslut den elektriska anslutningen till SERS-substratet i gapläge enligt beskrivningen nedan.
    1. Skaffa en 5 cm lång koppartråd. Fördela tvådelat ledande epoxiharts på ett litet ark aluminiumfolie. Blanda produktkomponenterna med koppartråden.
    2. Fäst tråden på ytan av substratet (utanför brunnen, men fäst vid den ledande Ag-tunnfilmen, se figur 4A). Låt den ledande epoxin härda ostört under den rekommenderade tiden.
      OBS: Det rekommenderas att låta den ledande epoxin härda vid rumstemperatur för att minimera den termiska glödgningen av Ag-filmsubstratet.

4. Mätningar av cyklisk voltametri i bulk

  1. Tillsätt 10 ml 0,5 mM NB och 0,1 M fosfatbuffert (pH = 5) till en 20 ml bägare. Sätt in en mekaniskt polerad Ag-skivelektrod, en Pt-tråd och en Ag / AgCl (3 M KCl) elektrod i elektrolytlösningen.
  2. Fäst varje elektrod på respektive potentiostatklämma (bestämd av potentiostatens tillverkare). Se till att elektroderna inte är i kontakt med varandra.
  3. Utför cyklisk voltametri (CV) från 0 till -0,6 V med en skanningshastighet på 50 mV / s.

5. Elektrokemiska SERS-mikroskopi- och spektroskopimätningar med en nanopartikel

  1. Placera den elektrokemiska cellen beredd med användning av gap-mode SERS-substratet på scenen i ett inverterat optiskt mikroskop.
  2. Tejpa kanterna på substratet på mikroskopsteget så att det inte rör sig under spektroelektrokemiska mätningar på grund av spänningen hos ledningarna som förbinder cellen med potentiostaten (se figur 4B).
  3. Placera Ag/AgCl (3 M KCl) referenselektroden i det hemmabyggda stativet och fixera dess position genom att dra åt skruven på elektrodhållarens stativ.
  4. Fäst referenselektroden på potentiostatens referenselektrodaligatorklämma (vit färg). Fäst Pt-trådräknarelektroden på potentiostatens räknarelektrodaligatorklämma (röd färg). Klipp Cu-tråden som är fäst vid Ag-filmen till potentiostatens arbetselektrodaligatorklämma (grön färg).
  5. Sätt in Pt-tråden tillsammans med alligatorklämman i elektrodhållaren och dra åt skruven för att fixera dess position.
  6. Placera elektrodhållaren över den elektrokemiska cellen för att sätta in elektroderna i cellen. Var försiktig så att elektroderna inte vidrör Ag-filmen; Detta kommer inte bara att bilda en kortslutning, men det kommer också att skada filmen.
  7. Slå på spektrometern och EMCCD-kameran och starta programvaran "LightField".
  8. Slå på 642 nm-lasern och justera lasern till en effekt på 500 μW.
    VARNING: Exponering för laserljus kan orsaka permanent skada på ögon och hud. Konsultera och följ säkerhetsriktlinjerna från relevant officiellt tillsynsorgan i ditt land/din region.
  9. Tillsätt en droppe nedsänkningsolja på målet. Flytta fokusratten för att försiktigt höja målet tills oljan kommer i kontakt med underlagets botten.
    OBS: Eftersom cellen är tejpad kan tvinga upp målet mot substratet bryta cellen och / eller skada målet.
  10. Fokusera lasern på ytan av SERS-substratet i gapläge. Skanna SERS-substratet i gapläge (täckt av glasbrunnen) för att söka efter ett isolerat munkformat NB SERS-emissionsmönster genom att flytta mikroskopsteget (se figur 5A).
    OBS: Ju lägre koncentrationen av NB, desto svårare blir det att hitta munkformade utsläppsmönster men desto högre är sannolikheten för att det eventuella munkformade utsläppsmönstret isoleras. Kafferingar är ett bra ställe att börja, och då kan man röra sig inåt med avseende på NB- och Ag-nanopartikelinkubationsområdet på gap-mode SERS-substratet. Kameror (se nästa steg) är användbara i denna process eftersom de är känsligare för ljus än det mänskliga ögat när de skannar runt SAVERS-substratet i gap-läge.
  11. Anslut en telefon till mikroskoptelefonadaptern. Om du vill justera telefonens kamera mot adapterns objektiv aktiverar du kameraprogrammet på telefonen och ändrar enhetens position så att den ser genom objektivet.
  12. Ta bort ett av mikroskopets okular och sätt in adaptern på plats. I kameraprogrammet ändrar du läget till video och zoomar in så mycket som möjligt. Det munkformade emissionsmönstret kan ses tydligt.
  13. När det munkformade emissionsmönstret är tydligt placerat, flytta mikroskopets ljusavledningsspak för att rikta det utsända ljuset till spektrometern.
  14. På fliken Experiment i LightField klickar du på Vanliga förvärvsinställningar och justerar exponeringstiden till 0,1 s och ramarna som ska sparas till 50. Under Exportera data väljer du Exportera inhämtade data och ändrar Filtyp till CSV (.csv).
  15. Under Intressanta regioner väljer du alternativknappen Anpassade regioner av intresse . Klicka på Redigera avkastning på investeringen och skapa en ROI på 25 x 25 pixlar runt den munkformade emissionen genom att ändra X-, Y-, W- och H-värdena.
  16. Under Spektrometer väljer du 600 g/mm, 750 nm brandgaller. Ändra mittvåglängden till 642 nm. Klicka på Skaffa för att starta mätningarna.
  17. När förvärvet är klart går du till fliken Data . Öppna det senast utförda experimentet och klicka på Processer och sedan Ramkombination.
  18. I det kombinerade spektrumet, notera laservåglängden vid vilken den högsta intensiteten observeras.
  19. Gå tillbaka till Experiment, och under Spektrometer, klicka på nm. I popup-fönstret ändrar du mätläget till relativa vågtal och anger den uppmätta laservåglängden i rutan. Ändra gallerställningen till 1 000/cm för att detektera Stokes-förskjuten Raman-spridning från cirka 400/cm till 1 600/cm.
  20. Samla in och summera minst 50 bilder av NB SERS-spektra med en exponeringstid på 0,1 s (se figur 5C). Leta efter en stark topp vid 592/cm för att bekräfta att utsläppet kommer från NB (se figur 5C)52. Ta ett SERS-spektrum av regionen intill det munkformade emissionsmönstret (ett område utan utsläpp) för att kompensera för bakgrundssignalen.
  21. Håll laserljuset fokuserat på det munkformade emissionsmönstret, tillsätt 3 ml av 0,1 M fosfatbuffertlösning (pH = 5) i den elektrokemiska cellen med en 5 ml justerbar pipett.
    OBS: När elektrolytlösningen har tillsatts kan det munkformade emissionsmönstret försvinna och ett fast emissionsmönster kan uppträda, eftersom dipollägena för den enda nanopartikeln utanför den optiska axeln utstrålar SERS-spektra för elektrolyt- och lösningsmedelsmolekylerna.
  22. Fokusera om vid behov och se till att laserljuset fortfarande är fokuserat på emissionsmönstret.
  23. I potentiostatens programvara förbereder du ett cykliskt voltammogramexperiment med minst tre cykler från 0 till −0,6 V kontra Ag / AgCl (3 M KCl) och en skanningshastighet på 50 mV / s. För synkronisering av spektral och elektrokemisk datainsamling, konfigurera potentiostaten som ska utlösas av spektralförvärvet av spektrometern.
  24. Kör simultana CV- och SERS-experiment. NB SERS-spektra bör moduleras av den potential som appliceras på SERS-substratet för gapläge (se figur 6B).
  25. Flytta ljusavledningsspaken så att ljuset riktas mot telefonens kamera. Börja spela in en video och kör CV-experimentet enligt beskrivningen. SERS-bildintensiteten bör moduleras enligt den potential som appliceras på SERS-substratet i gapläge (se infällningarna i figur 6A).

6. Bildanalys

  1. Bearbeta de insamlade bilderna för att förbättra skärpan och kontrasten, enligt beskrivningen nedan.
    Bildbearbetningen utfördes med OpenCV-biblioteket i Python och skriptet är tillgängligt på GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Beskär bilden för att ta bort det mesta av det tomma utrymmet och centrera den runt emissionsmönstret.
    2. Ta bort ramens gröna och blå kanaler. Öka skärpan genom att subtrahera en Gaussisk-suddig mask av ramen.
    3. Öka kontrasten genom att utöka det dynamiska omfånget med en höj-till-effekt-operatör.
  2. Lägg till skalningsstaplar på bilderna med ImageJ, enligt beskrivningen nedan.
    1. Använd telefonens kameraadapter för att avbilda ett objekt med kända dimensioner, till exempel en mikroskopkalibreringsbild.
    2. Använd ImageJ och läs in den insamlade bilden. Rita ett segment på ett område av det avbildade objektet med kända dimensioner.
    3. Ställ in skalan (dvs. pixlar per avståndsenhet) baserat på längden på det ritade segmentet med funktionen Ange skala . Lägg till skalan med skalförändringsverktyget .

7. Analys av nanopartikelstorlek

  1. Läs in SEM-avbildningen i ImageJ. Rita ett segment på den skalningslist som tillhandahålls av instrumentet och ställ in det med funktionen Ange skala .
  2. Gå till Bild > skriv > 16-bitars. Gå till Bild > Justera > automatiska tröskeln. I listrutan väljer du Standard.
  3. Använd rektangelverktyget och markera och ta bort de funktioner som inte är enskilda nanopartiklar.
  4. Använd verktyget Analysera partiklar . Beräkna partiklarnas diameter med de erhållna områdena genom att anta en cirkulär form.

8. Spektroelektrokemisk dataanalys

  1. Utför bakgrundskorrigering på insamlade spektraldata. Utföra databehandling och plottning i MATLAB; skripten är tillgängliga på samma GitHub-lagringsplats som tidigare nämnts.
  2. Medelvärde av spektraldata från tre olika bakgrundsexperiment (spektraldata som samlats in tillsammans med SERS-emissionsmönstret). Subtrahera det genomsnittliga bakgrundsspektrumet från provets spektrum.
  3. Skapa en tidsmatris från 0 till experimentets totala tid (cyklisk voltametri), där intervallet är summan av exponeringstiden, EMCCD-avläsningstid och slutar- och stängningstider.
  4. Konvertera våglängdsmätningarna till Raman-skift med hjälp av laservåglängden.
  5. Generera ett vattenfallsdiagram med hjälp av MATLAB: s nätfunktion, där X är Raman-skiftet, Y är tid och Z är intensiteten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2A visar Ag-tunnfilmssubstrat framställda med användning av ett elektronstrålemetallavsättningssystem. Det "goda" substratet som visas i figur 2A har en homogen täckning av Ag-metall över glastäcket, medan det "dåliga" substratet har en ojämn täckning av Ag. Det ultravioletta synliga spektrumet för den "goda" Ag-tunnfilmen visas i figur 2B, vilket visar att filmen är delvis transparent för den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet. Det "goda" Ag-tunnfilmssubstratet har en optisk transparens på 34% för 642 nm laserljus som används för spektroelektrokemiexperimenten i det nuvarande protokollet. Figur 2C visar en representativ AFM-bild av ett område på 10,8 μm x 10,8 μm av det "bra" substratet. Rotmedelvärdet för kvadratisk grovhet för det representativa området är 0,7 nm, vilket indikerar att Ag-tunnfilmen är atomiskt slät. Variationen i höjden på Ag-tunnfilmssubstratet representeras av linjeprofilen som visas i figur 2D, vilket ytterligare visar filmens enhetlighet och jämnhet.

Figur 3A visar en representativ SEM-bild av Ag-nanopartiklar droppgjutna och lufttorkade på en Si-skiva. Från en analys av 243 nanopartiklar var medeldiametern för Ag-nanopartiklarna som användes i detta protokoll 79,2 nm ± 8,4 nm. Det bör noteras att olika storlekar av Au eller Ag nanopartiklar också kan användas55. Dessutom använder detta protokoll mycket monodispersa nanopartiklar, men det finns inget spridningskrav, eftersom detta protokoll möjliggör mätning av enskilda nanopartiklar. För att konstruera ett gap-mode SERS-substrat deponerades Ag-nanopartiklarna i detta arbete på ytan av ett Ag-tunnfilmssubstrat som tidigare hade inkuberats med NB (figur 3B).

Ett gap-mode SERS-substrat användes som arbetselektrod för att konstruera en elektrokemisk cell, som visas i figur 4A. Den elektrokemiska cellen immobiliserades på ett mikroskopsteg och anslöts till en potentiostat, som visas i figur 4B. Med den elektrokemiska cellen monterad på ett inverterat optiskt mikroskop fokuserades en 642 nm laser på SERS-substratets arbetselektrod i gap-mode i en epibelysningsgeometri. Enskilda Ag-nanopartiklar på Ag-tunnfilmen i luft kan entydigt identifieras genom ett munkformat emissionsmönster, som visas i figur 5A. Dessa munkformade emissionsmönster kan på ett tillförlitligt sätt användas som signatur för att identifiera enskilda Ag-nanopartiklar49. Om mer än en enda nanopartikel (dimer, trimer eller multimer) finns i belysningsvolymen observeras ett fast emissionsmönster som visas i figur 5B. Vid införandet av elektrolytlösningen omvandlas det munkformade emissionsmönstret typiskt till ett fast emissionsmönster. Anledningen till detta är att de dipolära plasmonlägena inom den enda nanopartikeln (inte i linje med den optiska axeln) utstrålar emission från lösningsmedels- och elektrolytmolekylerna i alla riktningar. Därför är emissionsmönstret en superposition av NB SERS-emission med hög vinkel från nanopartikel-substratgapet och lågvinkligt SERS-utsläpp från elektrolyt- och lösningsmedelsmolekylerna. Avlägsnandet av den elektrolytiska lösningen återställer de munkformade utsläppsmönstren. I detta protokoll, efter identifiering av en enda nanopartikel genom SERS-avbildning, används SERS-spektroskopi för att identifiera redoxsondmolekylen. SERS-spektrumet i figur 5C motsvarar det munkformade emissionsmönstret som visas i figur 5A. Vibrationslägena representerar ett fingeravtryck för NB-molekylerna.

Figur 6A visar representativa cykliska voltammogram av NB i fosfatbuffert (pH = 5) erhållna med användning av en Ag-skivans arbetselektrod och en Pt-trådräknarelektrod. Ett cykliskt voltammogram erhålls före spektroelektrokemiska mätningar av enskilda nanopartiklar för att förstå sondmolekylernas redoxbeteende - OBS i detta fall. I detta arbete, när den applicerade potentialen sveptes från 0 till −0,6 V, observerades en katodisk topp vid −0,27 V jämfört med Ag / AgCl (3 M KCl). När potentialen sveptes tillbaka till 0 V observerades en anodisk topp vid -0,21 V. Samma tillämpade potentialområde användes för de spektroelektrokemiska mätningarna, som visas i figur 6B. Efter identifieringen av en enda Ag-nanopartikel som uppvisar ett munkformat emissionsmönster pipetterades elektrolytlösningen in i den elektrokemiska cellen. Under laserbelysning samlades sedan SERS-spektra kontinuerligt in när den applicerade potentialen sveptes mellan 0 och −0,6 V vid en skanningshastighet på 50 mV / s (figur 6B). NB-molekylerna i och runt gapet mellan Ag-nanopartikeln och Ag-filmen reducerades elektrokemiskt (off state) och SERS-intensiteten minskade, vilket visas i vattenfallsdiagrammet för SERS-spektra (även en insats i figur 6A). När den applicerade potentialen sveptes från -0,6 till 0 V ökade SERS-intensiteten, eftersom NB-molekylerna elektrokemiskt oxiderades (i tillstånd). Moduleringen i SERS-signaler representerar en metod för att bestämma reduktions- och oxidationspotentialerna för NB på en enda nanopartikel. Andra elektrokemiska tekniker kan ersättas med voltametri för att ytterligare karakterisera redoxreaktioner. Figur 7A visar SERS-svaret från NB när arbetselektrodens potential stegades till −0,4 V (dvs. kronoamperometri). När elektrodpotentialen stegs till -0,4 V försämrades SERS-signalen på grund av minskningen av NB. Denna spektroelektrokemiska teknik gör det möjligt att undersöka det övergående beteendet hos redoxreaktioner på en-nanopartikelnivå. Figur 7B visar hur reduktionskinetiken förändrades av storleken på den applicerade elektriska förspänningen, vilket framgår av sönderfallet av området under toppen 592/cm. Intressant nog visar de skarpa variationerna i det normaliserade området hur stokastiska händelser spelar en större roll i denna skala. Som demonstrerats med konventionell voltametri och kronoamperometri tillåter protokollet som beskrivs i denna artikel forskare att spåra molekylernas vibrationslägen när de elektrokemiskt reduceras eller oxideras på en enda nanopartikel. Vidare möjliggör vibrationsanalyser av molekyler på ytan av enskilda nanopartiklar differentiering mellan kemiska och elektrokemiska steg, vilket är användbart för att studera reaktionsmekanismer.

Figure 1
Figur 1: SERS-substrat för gapläge. Schematisk bild av ett gap-mode-substrat framställt genom att placera enskilda metallnanopartiklar på en metallspegel. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Ag tunnfilmssubstratkarakterisering. (A) Digitala fotografier av ett bra och ett dåligt Ag-tunnfilmssubstrat framställt av ett elektronstrålemetallindunstningssystem. (B) Ett ultraviolett synligt transmittansspektrum av ett bra substrat. (C) En AFM-bild av en representativ yta på 10,8 μm x 10,8 μm av ett bra substrat. (D) En linjeprofil för AFM-bilden som indikeras av den svarta streckade linjen som visas i (C). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Karakterisering av Ag-nanopartiklar. (A) SEM-bild av en vattenhaltig Ag-nanopartikelkolloiddroppgjutning och lufttorkad på en Si-skiva. Nanopartiklarnas medeldiameter är 79,2 nm, med en standardavvikelse på 8,4 nm. (B) Schematiskt diagram över SERS-substratet för gap-mode. De blå stjärnorna representerar NB-molekyler. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Beredning av den spektroelektrokemiska cellen . (A) En representativ spektroelektrokemisk cell beredd med användning av ett SERS-substrat i gapläge som arbetselektrod. (B) En spektroelektrokemisk cell immobiliserad på ett inverterat optiskt mikroskopsteg för elektrokemisk spektroskopi och mikroskopiexperiment med en nanopartikel. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: Identifiering av en enda Ag-nanopartikel på Ag-tunnfilmssubstratet. (A) Ett munkformat NB SERS-emissionsmönster som indikerar att signalen kommer från en enskild Ag-nanopartikel. (B) Ett fast NB SERS-emissionsmönster som indikerar att signalen kommer från mer än en enda nanopartikel. (C) SERS-spektrumet för den munkformade emission som visas i (A), som visar den karakteristiska toppen vid 592/cm från ringdeformationens vibrationsläge för NB52. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Elektrokemi och spektroelektrokemi av NB. (A) Cykliska voltammogram på 0,5 mM NB i 0,1 M fosfatbuffert (pH = 5) med användning av en Ag-skivans arbetselektrod. Insatserna visar elektrokemiska SERS-bilder av NB på en enskild Ag-nanopartikel på gap-mode SERS-substratet vid NB-oxidations- (nedre bilden) och reduktionspotentialen (översta bilden). Skalstängerna representerar 300 nm. (B) Elektrokemisk modulering av NB SERS-spektrumet genom cyklisk voltametri på en enda Ag-nanopartikel på gap-mode SERS-substratet. En Pt-tråd och en Ag / AgCl (3 M KCl) elektrod användes som räknare respektive referenselektroder. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Potentialstegspektroelektrokemi för NB. (A) Elektrokemisk modulering av NB SERS-spektrumet med ett potentiellt steg från 0 till −0,4 V (jämfört med Ag / AgCl) applicerat vid t = 0 (streckad linje). Intensiteten hos toppen vid 592 / cm minskar med tiden på grund av minskningen av NB-molekylerna nära Ag-nanopartikeln. (B) Övergående profil för det normaliserade området under toppen 592/cm som en funktion av den applicerade potentialen: −0,2 V (blå kurva), −0,4 V (grön kurva) och −0,6 V (röd kurva). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Att deponera Cu- och Ag-tunna metallfilmer på rena täckglas är avgörande för att säkerställa att den slutliga filmen har en grovhet som inte är större än två till fyra atomlager (eller en rotmedelkvadratisk grovhet mindre än eller lika med cirka 0,7 nm). Damm, repor och skräp som finns på täckglaset före metallavsättning är vanliga problem som förhindrar tillverkning av den släta filmen som krävs för att producera munkformade emissionsmönster. Därför rekommenderas det att sonikera täckglasen i olika lösningsmedel före metallavsättningen och, om möjligt, att utföra denna process i ett renrum. Vidare bör noggrann uppmärksamhet ägnas åt deponeringsförfarandet. Det kan vara nödvändigt att rengöra alla ytor inuti vakuumkammaren (inklusive degelhållarlådan) och deglarna, eftersom dessa delar tenderar att ackumulera damm och skräp.

De höga avsättningshastigheterna som används under metallavsättningsprocessen gör att den deponerade filmen kan vara atomiskt slät men kan också vara svårare att kontrollera. Felaktig avläsning av filmtjocklekssensorerna kan leda till inhomogena, alltför tjocka eller alltför tunna filmer. Om metallfilmerna är för tunna kan öar av material deponeras istället för en kontinuerlig yta. Filmer som är för tjocka kommer att resultera i substrat som är ogenomskinliga, vilket förhindrar excitationsljuset från att effektivt spänna NB-molekylerna och hindra insamlingen av emissionsljus; Detta kommer i sin tur att minska metodens totala känslighet och ge SERS-bilder och spektra av dålig kvalitet med låga signal-brusförhållanden. Avsättningen av Cu före Ag är avgörande för vidhäftningen av den senare metallen, men avsättning av överskott Cu kommer att minska substratets optiska transparens, medan en otillräcklig mängd Cu kommer att leda till delaminering av Ag från glastäcken. Vidare, om provplattans dimensioner är större än slutarens, kan förångad metall avsättas på täckglasen medan slutaren är stängd, vilket resulterar i inhomogenitet hos substratet, som visas i figur 2A.

Koncentrationerna och inkubationstiderna för NB-lösningarna och Ag-nanopartikelsuspensionerna spelar en nyckelroll för att producera ett SERS-substrat av god kvalitet. Användningen av NB-lösningar med högre koncentrationer än vad som rekommenderas i protokollet eller användningen av längre inkubationstider kan leda till höga bakgrundssignaler och därmed utgöra utmaningar för att lokalisera enskilda Ag-nanopartiklar. Å andra sidan kommer en låg NB-lösningskoncentration och en kort inkubationstid att leda till låg täckning av NB-molekylerna på Ag-tunnfilmen, vilket gör identifiering av enstaka Ag-nanopartiklar till en tidskrävande process. På liknande sätt kommer användningen av en Ag-nanopartikelsuspension med en koncentration högre än vad som rekommenderas i protokollet eller användningen av längre inkubationstider att leda till agglomerering av Ag-nanopartiklarna på Ag-tunnfilmen; Denna agglomeration kommer således att leda till SERS-substrat som producerar en hög andel fasta utsläppsmönster och en minskning av antalet substratplatser som kan identifieras som enskilda nanopartiklar. Däremot kommer användningen av en lägre koncentration Ag nanopartikelsuspension eller en kortare inkubationstid att leda till en låg täckning av Ag-nanopartiklar. I detta fall kommer en större del av SERS-utsläppsmönstren att härröra från enstaka Ag-nanopartiklar, men experimentets genomströmning kommer att minska.

För en framgångsrik implementering av den elektrokemiska SERS-avbildnings- och spektroskopitekniken med en nanopartikel som beskrivs i detta dokument måste särskild uppmärksamhet ägnas åt den spektroelektrokemiska experimentella installationen. För det första är identifieringen av enskilda Ag-nanopartiklar på gap-mode SERS-substratet med hjälp av munkformade emissionsmönster centralt för framgångsrik användning av den beskrivna metoden. Större än 100x förstoring av den optiska bilden och ett mikroskopmål med hög numerisk bländare (t.ex. 1,45) krävs vanligtvis för att observera de munkformade emissionsmönstren. Den höga numeriska öppningen är särskilt viktig för att samla in högvinkelemissioner. För det andra är det viktigt att synkronisera insamlingen av SERS-spektra med det elektrokemiska programmet. I detta protokoll skickas en transistor-transistorlogisk puls från spektrometerns detektor till potentiostaten för att utlösa samtidig insamling av SERS-spektra och elektrokemiska data. Dessutom måste detektorns avläsningstid beaktas för att exakt korrelera de applicerade potentialerna med SERS-spektra i voltametri.

Tolkningen av vibrationslägen är en viktig komponent i SERS-spektroskopi. Ag är benägen att bilda oxider, vilket kan påverka den elektrokemiska processen som studeras56. Inga oxidskikt detekterades av SERS i detta protokoll, men långvarig luftexponering eller oxiderande potentialer orsakar bildandet av oxider på Ag-spegeln och / eller nanopartiklarna. Oxidskikten kan förändra adsorptionen av redoxaktiva molekyler och därmed inducera förskjutningar i vibrationslägena. I det nuvarande protokollet observerade vi inga förskjutningar i vibrationslägen mellan NB-molekylerna adsorberade på Si, Ag-filmen eller Ag-nanopartiklarna. Vi noterar också att excitationen av plasmonresonanser, såsom de hos gap-mode-substratet, resulterar i generering av icke-jämviktsheta elektroner och heta hål som kan delta i redoxreaktioner57,58,59,60. För att minimera störningar från ljusinducerade heta laddningsbärare uppmuntras låga ljusfluenser.

Tekniken som beskrivs här kan adressera begränsningarna hos andra ennanopartikeltekniker såsom kollisionsbaserad elektrokemi 61,62,63, svepelektrokemisk mikroskopi 64,65,66 och svepande elektrokemisk cellmikroskopi67,68,69. Det är möjligt att mäta det elektrokemiska svaret hos enskilda nanopartiklar med hjälp av dessa elektrokemiska tekniker; Det är emellertid inte möjligt att direkt erhålla identiteten och strukturell information om reaktanter, intermediärer och produkter. Tekniken som beskrivs i detta protokoll gör det möjligt att spåra elektrokemiska reaktioner på enskilda nanopartiklar och erhålla kemisk information genom vibrationsspektroskopi. Denna elektrokemiska metod för gap-mode SERS ger dock de bästa resultaten när SERS-substraten framställs med användning av de mest SERS-aktiva metallerna under excitation av synligt ljus: Ag och Au. Detta kan begränsa valet av metaller som kan användas i tekniken. Vidare, medan gap-mode SERS ger kemisk information om elektrokemiska processer som förekommer på enskilda nanopartiklar, ger den bara ensemble-genomsnittlig elektrokemisk information, eftersom det aktuella svaret mäts över hela substratet. Ändå är tekniken som demonstreras i detta dokument ett kraftfullt verktyg som kan användas för att få grundläggande mekanistisk kunskap inom olika områden av elektrokemi, inklusive inom elektrokatalytiska reaktioner, som är viktiga för energilagring 70,71, kemisk råvarusyntes 72,73 och sensorer 74,75.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av startfonder från University of Louisville och finansiering från Oak Ridge Associated Universities genom en Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Författarna tackar Dr. Ki-Hyun Cho för att ha skapat bilden i figur 1. Metallavsättningen och SEM utfördes vid Micro/Nano Technology Center vid University of Louisville.

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

Kemi nummer 195
Spårning av elektrokemi på enskilda nanopartiklar med ytförbättrad Ramanspridningsspektroskopi och mikroskopi
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