Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Sporing af elektrokemi på enkelte nanopartikler med overfladeforstærket Ramanspredningsspektroskopi og 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

Protokollen beskriver, hvordan man overvåger elektrokemiske hændelser på enkelte nanopartikler ved hjælp af overfladeforstærket Raman-spredningsspektroskopi og billeddannelse.

Abstract

Det er vigtigt at studere elektrokemiske reaktioner på enkelte nanopartikler for at forstå den heterogene ydeevne af individuelle nanopartikler. Denne heterogenitet i nanoskala forbliver skjult under den ensemble-gennemsnitlige karakterisering af nanopartikler. Elektrokemiske teknikker er udviklet til at måle strømme fra enkelte nanopartikler, men giver ikke information om strukturen og identiteten af de molekyler, der gennemgår reaktioner på elektrodeoverfladen. Optiske teknikker såsom overfladeforstærket Ramanspredningsmikroskopi (SERS) og spektroskopi kan detektere elektrokemiske hændelser på individuelle nanopartikler og samtidig give information om vibrationstilstande for elektrodeoverfladearter. I dette papir demonstreres en protokol til sporing af den elektrokemiske oxidationsreduktion af Nilblå (NB) på enkelte Ag-nanopartikler ved hjælp af SERS-mikroskopi og spektroskopi. For det første beskrives en detaljeret protokol til fremstilling af Ag-nanopartikler på en glat og halvgennemsigtig Ag-film. En dipolær plasmontilstand justeret langs den optiske akse dannes mellem en enkelt Ag nanopartikel og Ag film. SERS-emissionen fra NB, der er fikseret mellem nanopartiklen og filmen, kobles til plasmontilstanden, og højvinkelemissionen opsamles af et mikroskopmål for at danne et doughnutformet emissionsmønster. Disse doughnutformede SERS-emissionsmønstre muliggør en entydig identifikation af enkelte nanopartikler på substratet, hvorfra SERS-spektrene kan indsamles. I dette arbejde tilvejebringes en metode til anvendelse af SERS-substratet som en arbejdselektrode i en elektrokemisk celle, der er kompatibel med et inverteret optisk mikroskop. Endelig vises sporing af den elektrokemiske oxidationsreduktion af NB-molekyler på en individuel Ag-nanopartikel. Opsætningen og protokollen beskrevet her kan ændres til at studere forskellige elektrokemiske reaktioner på individuelle nanopartikler.

Introduction

Elektrokemi er en vigtig målevidenskab til undersøgelse af ladningsoverførsel, ladningslagring, massetransport osv. med anvendelser inden for forskellige discipliner, herunder biologi, kemi, fysik og teknik 1,2,3,4,5,6,7 . Konventionelt involverer elektrokemi målinger over et ensemble - en stor samling af enkeltenheder såsom molekyler, krystallinske domæner, nanopartikler og overfladesteder. Imidlertid er forståelse af, hvordan sådanne enkeltenheder bidrager til ensemble-gennemsnitlige svar, nøglen til at frembringe nye grundlæggende og mekanistiske forståelser inden for kemi og beslægtede områder på grund af heterogeniteten af elektrodeoverflader i komplekse elektrokemiske miljøer 8,9. For eksempel har ensemblereduktion afsløret stedspecifikke reduktions-/oxidationspotentialer10, dannelsen af mellemprodukter og mindre katalyseprodukter 11, stedspecifik reaktionskinetik 12,13 og ladningsbærerdynamik 14,15. Reduktion af ensemblegennemsnit er især vigtigt for at forbedre vores forståelse ud over modelsystemer til anvendte systemer, såsom biologiske celler, elektrokatalyse og batterier, hvor omfattende heterogenitet ofte findes 16,17,18,19,20,21,22.

I det sidste årti eller deromkring har der været en fremkomst af teknikker til at studere enkeltenhedselektrokemi 1,2,9,10,11,12. Disse elektrokemiske målinger har givet mulighed for at måle små elektriske og ioniske strømme i flere systemer og afsløret nye grundlæggende kemiske og fysiske egenskaber 23,24,25,26,27,28. Elektrokemiske målinger giver imidlertid ikke oplysninger om identiteten eller strukturen af molekyler eller mellemprodukter på elektrodeoverfladen 29,30,31,32. Kemisk information ved elektrode-elektrolytgrænsefladen er central for forståelsen af elektrokemiske reaktioner. Grænsefladekemisk viden opnås typisk ved at koble elektrokemi med spektroskopi31,32. Vibrationsspektroskopi, såsom Ramanspredning, er velegnet til at give komplementær kemisk information om ladningsoverførsel og relaterede hændelser i elektrokemiske systemer, der overvejende anvender, men ikke er begrænset til, vandige opløsningsmidler30. Sammen med mikroskopi giver Raman-spredningsspektroskopi rumlig opløsning ned til diffraktionsgrænsen for lys33,34. Diffraktion udgør imidlertid en begrænsning, fordi nanopartikler og aktive overfladesteder er mindre i længden end optiske diffraktionsgrænser, hvilket således udelukker undersøgelsen af individuelle enheder35.

Overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) har vist sig at være et kraftfuldt værktøj til at studere grænsefladekemi i elektrokemiske reaktioner 20,30,36,37,38. Ud over at tilvejebringe vibrationstilstande af reaktantmolekyler, opløsningsmiddelmolekyler, additiver og overfladekemikalier af elektroder, giver SERS et signal, der er lokaliseret til overfladen af materialer, der understøtter kollektive overfladeelektronoscillationer, kendt som lokaliserede overfladeplasmonresonanser. Excitationen af plasmonresonanser fører til koncentrationen af elektromagnetisk stråling på overfladen af metallet, hvilket øger både lysstrømmen til og Raman-spredningen fra overfladeadsorbater. Nanostrukturerede ædelmetaller som Ag og Au er almindeligt anvendte plasmoniske materialer, fordi de understøtter synlige lysplasmonresonanser, som er ønskelige til detektering af emission med meget følsomme og effektive ladningskoblede enheder. Selvom de største forbedringer i SERS kommer fra aggregater af nanopartikler39,40, er der udviklet et nyt SERS-substrat, der tillader SERS-målinger fra individuelle nanopartikler: gap-mode SERS-substrat (figur 1) 41,42. I gap-mode SERS-substrater fremstilles et metallisk spejl og overtrækkes med en analyt. Dernæst spredes nanopartikler over substratet. Når det bestråles med cirkulært polariseret laserlys, exciteres en dipolær plasmonresonans dannet ved kobling af nanopartikel og substrat, hvilket muliggør SERS-målinger på enkelte nanopartikler. SERS-emission er koblet til den dipolære plasmonresonans43,44,45, som er orienteret langs den optiske akse. Med den parallelle justering af den udstrålende elektriske dipol og opsamlingsoptik indsamles kun højvinkelemission, hvorved der dannes forskellige doughnutformede emissionsmønstre46,47,48,49 og muliggør identifikation af enkelte nanopartikler. Aggregater af nanopartikler på substratet indeholder udstrålende dipoler, der ikke er parallelle med den optiske akse50. I sidstnævnte tilfælde opsamles lavvinkel- og højvinkelemissioner og danner faste emissionsmønstre46.

Her beskriver vi en protokol til fremstilling af gap-mode SERS-substrater og en procedure til at anvende dem som arbejdselektroder til overvågning af elektrokemiske redoxhændelser på enkelte Ag-nanopartikler ved hjælp af SERS. Det er vigtigt, at protokollen, der bruger gap-mode SERS-substrater, muliggør entydig identifikation af enkelte nanopartikler ved SERS-billeddannelse, hvilket er en central udfordring for nuværende metoder inden for enkeltnanopartikelelektrokemi. Som et modelsystem demonstrerer vi brugen af SERS til at give en aflæsning af den elektrokemiske reduktion og oxidation af Nilblå A (NB) på en enkelt Ag nanopartikel drevet af en scanning eller trinvist potentiale (dvs. cyklisk voltammetri, kronoamperometri). NB gennemgår en multiproton, multielektronreduktions-/oxidationsreaktion, hvor dens elektroniske struktur moduleres ud af/i resonans med excitationskilden, hvilket giver en kontrast i de tilsvarende SERS-spektre 10,51,52. Den her beskrevne protokol gælder også for ikke-resonante redoxaktive molekyler og elektrokemiske teknikker, som kan være relevante for applikationer såsom elektrokatalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Gap-mode SERS substrat forberedelse

  1. Rengør dæksler nr. 1 (se materialetabellen) med acetone og vandvask som beskrevet nedenfor. Udfør dette trin i et renrum for at sikre, at der ikke aflejres snavs eller andet uønsket materiale på dækslerne.
    1. Anbring dæksedlerne i et glidestativ. Brug en pincet, når du flytter dækslerne/underlagene. Placer diasstativet i en glasbeholder, og fyld det med acetone.
      FORSIGTIG: Acetone er meget brandfarligt og har potentielle negative helbredseffekter. Håndter det i et godt ventileret område ved hjælp af handsker, beskyttelsesbriller og en maske.
    2. Juster ultralydgeneratorens strømstyring til 8, og soniker glasbeholderen med glidestativet i 15 min.
    3. Fjern glidestativet fra beholderen, og skyl glidestativet og dækslerne grundigt med ultrarent vand (resistivitet på 18,2 MΩ·cm).
    4. Placer glidestativet med dæksedler i en glasbeholder, og fyld det med ultrarent vand. Soniker glasbeholderen med glidestativet i yderligere 15 minutter ved hjælp af de samme indstillinger.
    5. Fjern glidestativet fra beholderen, og vask glidestativet og dækslerne grundigt med ultrarent vand.
    6. Brug en sprøjtepistol til at tørre dækslerne med en strømaf N2-gas med høj renhed.
  2. Indsæt Cu og Ag på de rensede dæksedler. For at gøre dette skal du bruge elektronstrålens tyndfilmaflejringssystem efter standardprocedurer, som anbefalet af producenten i den officielle brugervejledning.
    BEMÆRK: Ved enhver anden deponering skal du følge instruktionerne fra producenten, som angivet på institutionsfaciliteterne53.
    1. Indstil pladepositionen til 180°, og udluft vakuumkammeret.
    2. Placer de rene dæksler side om side i instrumentets plade, så de ikke overlapper hinanden. Brug varmebestandig tape (polyimidfilm) til at fastgøre dæksedlerne til pladen.
      BEMÆRK: Dette sikrer, at dæksedlerne ikke bevæger sig eller falder under proceduren.
    3. Fyld en grafitdigel halvvejs med Cu-pellets, og sæt den i digelholderen. Gør det samme for Ag i en anden smeltedigel. Luk vakuumkammeret, og begynd at pumpe ned; det anbefalede aflejringstryk er i størrelsesordenen 10-7 - 10-6 Torr.
    4. Indlæs Cu-egenskaberne i sensorens applikation. Tænd pladerotationen ved 20 omdr./min. Indstil pladepositionen til 225°.
      BEMÆRK: Dette placerer spejlet i bunden af pladen på en sådan måde, at elektronstrålen kan ses fra udsigtsporten.
    5. Tænd afbryderen til elektronstrålens strømforsyning, og vent mindst 2 min. Tænd elektronstrålen, og vent yderligere 2 min. Åbn substratlukkeren.
      BEMÆRK: Dette gør bjælken og diglen synlig gennem spejlet.
    6. Gradvist (ved ca. 10 mA/min) øges emissionsstrømmen, indtil sensoren aflæser en aflejringshastighed tæt på 10 Å/s. Luk lukkeren, og indstil pladepositionen til 0°.
      BEMÆRK: Bjælken kan ændre form under denne proces. Det er vigtigt at kontrollere det regelmæssigt under dette trin og korrigere dets position, amplitude og frekvens ved hjælp af de respektive knapper. Strålen skal opvarme digelens indhold jævnt. Lukning af lukkeren på dette tidspunkt sikrer, at der ikke afsættes metal på prøverne, når pladen roterer for at placere dækslerne i det fordampede metals vej.
    7. Åbn lukkeren for at starte deponeringen, og overvåg tykkelsen, som den vises af sensoren. Luk lukkeren, når den ønskede tykkelse er nået (1 nm for Cu), som bestemt af deponeringssensoren.
    8. Reducer gradvist elektronstrålens strøm, indtil sensoren læser tæt på 0 A, men strømmen er høj nok til, at diglen er synlig.
    9. Indstil pladens position til 225°, og åbn lukkeren for at kunne se diglen.
    10. Drej digelholderen ved hjælp af knappen, så bjælken rettes mod digelen med Ag-pellets.
    11. Indlæs Ag-egenskaberne i sensorens applikation. Gentag trin 1.2.6 – 1.2.7, men brug en deposition på 20 Å/s og en tykkelse på 25 nm for Ag.
    12. Sænk gradvist strømmen til 0 A, og sluk elektronstrålen og afbryderen. Indstil pladens position til 180°, og udluft vakuumkammeret. Åbn vakuumkammeret.
    13. Dæksedlerne skal være på samme sted som før, fri for fremmedlegemer eller støvpartikler og med udseende af et spejl. Fjern langsomt og forsigtigt den varmebestandige tape.
      BEMÆRK: Træk tapen tilbage parallelt med pladens overflade; Der er risiko for at bryde dæksedlerne. Filmen skal være homogen og delvis gennemsigtig (se figur 2A).
  3. Inkuber Ag-tyndfilmen med en Nilblå opløsning som beskrevet nedenfor.
    1. Der tilsættes 500 μL 50 μM NB-opløsning på overfladen af Ag-tyndfilmen.
    2. Efter 15 minutter skylles Ag-tyndfilmen grundigt med ultrarent vand for at fjerne eventuelle svagt adsorberede NB-molekyler. Tør Ag tyndfilmen med N2 gas.
    3. Drop-cast Ag nanopartikler på den NB-inkuberede Ag tyndfilm. Der tilsættes 500 μL af en 100x fortynding af Ag-nanopartikelkolloidet på det samme område af Ag-tyndfilmen, hvor NB-opløsningen blev dropstøbt og inkuberet.
      FORSIGTIG: Metal nanopartikler er giftige for menneskekroppen. Håndter dem i et godt ventileret område ved hjælp af handsker og beskyttelsesbriller.
    4. Efter 20 minutter skylles substratet (gap-mode SERS) med ultrarent vand. Tør substratet medN2-gas .

2. Gap-mode SERS substrat karakterisering

  1. Ultraviolet-synlig spektroskopi
    1. Tænd instrumentet ved at trykke på tænd / sluk-knappen. Start scanningssoftwaren ved at dobbeltklikke på dens genvej på skrivebordet.
    2. Klik på Opsætning for at åbne installationsvinduet. Under Y-tilstand skal du klikke på rullemenuen Mode og vælge %T for at måle transmissionen. Under X-tilstand skal du ændre Start til 800 og Stop til 200 for at scanne fra 800 nm til 200 nm.
    3. Under fanen Grundlinje skal du vælge alternativknappen Korrektion af grundlinje og lukke opsætningsvinduet. Klik på Baseline for at udføre en baggrundskorrektion med atmosfærisk luft.
    4. Åbn prøverummet. Tape den ene ende af Ag-filmen fast på prøveholderen vinkelret på strålens bane.
    5. Klik på Start for at få et transmissionsspektrum fra prøven.
  2. Målinger af atomkraftmikroskopi (AFM)
    1. Tilslut AFM til computeren (ved hjælp af en USB-port), tænd AFM-instrumentet, og start Nanosurf Easyscan 2.
    2. Fjern forsigtigt AFM-hovedet (som har AFM-udkragningen på undersiden) fra prøvetrinnet, og læg det til side på hovedet.
    3. Fastgør et Ag tyndfilmsubstrat på prøvetrinnet ved hjælp af tape. Afrundingsenhedens hoved placeres over prøvetrinnet. Sørg for, at AFM-hovedet er parallelt med prøvetrinnet (skærm med niveauindikatoren). Hvis AFM-hovedet og prøvetrinnet ikke er i niveau, skal du bruge nivelleringsskruerne til at justere trinnet og centrere nivelleringsboblen inde i niveauindikatoren.
    4. Brug side- og topvisningerne i softwaren til forsigtigt at flytte prøvetrinnet så tæt på AFM-hovedet (AFM-udkragning) som muligt uden at komme i kontakt. Sørg for, at prøvetrinnet ikke berører AFM-udkragningen på AFM-hovedet.
    5. Under fanen Anskaffelse skal du vælge Fasekontrast som billedbehandlingstilstand og PPP-XYNCHR som udkragningstype. Klik på Laser Align for at sikre, at laseren er fokuseret på udkragningsspidsen, og strålen, der reflekteres fra spidsen, rammer midten af fotodiodedetektoren.
    6. Mål cantileverens resonansvibrationsfrekvens med AFM-softwaren ved at klikke på knappen Frequency Sweep , og sørg for, at frekvenskurven har en klokkeform. Ved at klikke på Approach skal du lande udkragningsspidsen på Ag-tyndfilmens overflade.
    7. I guiden Billedbehandling skal du vælge en billedstørrelse på 10,8 μm x 10,8 μm og en scanningshastighed på 0,5 s/linje. Under Z-controller skal du bruge et sætpunkt på 50%, en P-forstærkning på 2.500 og en I-forstærkning på 2.500. Under Egenskaber for tilstand skal du bruge en fri vibrationsamplitude på 300 mV.
    8. Klik på Start for at hente et billede. Gem billedet ved at højreklikke på det, vælg Kopier, og indsæt det i billedprocessoren.
    9. På AFM-softwaren skal du vælge det billede, der skal behandles, ved at klikke på det. Under fanen Analyse skal du udføre en areal- og linjeruhedsanalyse ved at klikke på henholdsvis Beregn linjens ruhed og Beregn areal.
    10. Træk udkragningsspidsen ud af Ag-tyndfilmsoverfladen ved at klikke på Træk ud. Flyt prøvetrinnet væk fra spidsen ved at overvåge bevægelsen ved hjælp af side- og topvisningen. Fjern prøven.
  3. Scanning elektronmikroskopi (SEM) målinger54
    1. Drop-cast 30 μL af den modtagne Ag nanopartikel kolloid på en Si-wafer, og lad den lufttørre helt. Fastgør Si-skiven på en prøvestub ved hjælp af dobbeltsidet ledende tape.
    2. Udluft SEM-kammeret ved hjælp af instrumentets brugergrænseflade. Skub SEM-kammeret op, og monter stubben på et af hullerne i scenen.
    3. Luk SEM-kammeret, og pump SEM-kammeret ned ved hjælp af instrumentets brugergrænseflade.
    4. Prøveemnet anbringes ca. 10 mm fra elektronstrålepistolen. Tænd elektronstrålen ved hjælp af instrumentets brugergrænseflade.
    5. Tag billeder af prøven ved hjælp af en Everhart-Thornley-detektor med en spotstørrelse på 6, en strålestrøm på 25 pA og en højspænding på 5 kV.
    6. Dobbeltklik på området af interesse for elektronpistolen for automatisk at justere elektronstrålen. Udfør billeddannelse ved en forstørrelse på 3.500x ved hjælp af instrumentets brugergrænseflade (figur 3A).
    7. Når billeddannelsen er færdig, skal du slukke for elektronstrålen og flytte prøven væk fra elektronstrålepistolen mindst 20 mm.
    8. Udluft SEM-kammeret. Skub SEM-kammeret op, og fjern prøvestubben fra scenen. Luk SEM-kammeret, og pump det ned ved hjælp af instrumentets brugergrænseflade.

3. Fremstilling af den elektrokemiske celle

  1. Få fat i en 5 cm lang glasbrønd ved at skære et glasrør med en glasrørsskærer som beskrevet nedenfor.
    1. Sæt kæderne på glasrørskæreren rundt om røret. Fastgør det sidste segment af kæden til den anden side af værktøjet.
    2. Brug den ene hånd til at holde værktøjet i håndtaget. Hold glasrøret med den anden hånd. Drej glasrøret kontinuerligt, så hjulene i kæden begynder at skære glasset.
    3. Klem forsigtigt på værktøjet ved gradvist at påføre håndtagene mere kraft. Når lyden skifter fra glidning til ridser, er det, når glasstykket (brønden) er ved at adskille sig fra glasrøret.
    4. Glat den ødelagte ende af glasset godt med 120 korn (eller grovere) sandpapir. Polsk med sandpapir med 220 korn (eller finere).
  2. Skær mellemrumstilstandssubstratet ned med en diamantskriver som beskrevet nedenfor.
    1. Placer gap-mode substratet på en plan overflade. Flyt diamantskriveren op og ned i midten af gap-mode-underlaget, mens du påfører let tryk på underlagets overflade.
    2. Bryd underlaget i to stykker manuelt, når en ridse er synlig.
  3. Fastgør det skårne glasbrønd (fra trin 3.1) til overfladen af underlaget som beskrevet nedenfor.
    1. Dispenser todelt epoxyharpiks på et lille ark aluminiumsfolie. Bland produktet med en rørepind eller en pipettespids.
    2. Påfør blandingen på glasbrøndens nederste kant. Påfør den mindst mulige blanding for at dække kanten af det skårne glas godt for at minimere spredningen af harpiksen til den indre del af cellen.
    3. Lim glasset godt på overfladen af gap-mode substratet. Påfør det resterende blandede produkt på ydersiden af brønden, hvor det møder substratet, for at eliminere risikoen for lækage af opløsningen hældt inde i glasbrønden (se figur 4A).
    4. Lad epoxyen hærde uforstyrret i 5 min.
  4. Fastgør den elektriske forbindelse til gap-mode SERS-substratet som beskrevet nedenfor.
    1. Få en 5 cm lang kobbertråd. Dispenser todelt ledende epoxyharpiks på et lille ark aluminiumsfolie. Bland produktkomponenterne ved hjælp af kobbertråden.
    2. Fastgør ledningen på overfladen af underlaget (uden for brønden, men fastgjort til den ledende Ag-tyndfilm; se figur 4A). Lad den ledende epoxy hærde uforstyrret i den anbefalede tid.
      BEMÆRK: Det anbefales at lade den ledende epoxy hærde ved stuetemperatur for at minimere den termiske glødning af Ag-filmsubstratet.

4. Bulk cykliske voltammetri målinger

  1. Der tilsættes 10 ml 0,5 mM NB og 0,1 M fosfatbuffer (pH = 5) til et 20 ml bægerglas. Indsæt en mekanisk poleret Ag-skiveelektrode, en Pt-ledning og en Ag/AgCl-elektrode (3 M KCl) i elektrolytopløsningen.
  2. Fastgør hver elektrode til dens respektive potentiostatklip (bestemt af potentiostatens producent). Sørg for, at elektroderne ikke er i kontakt med hinanden.
  3. Udfør cyklisk voltammetri (CV) fra 0 til -0,6 V med en scanningshastighed på 50 mV / s.

5. Enkelt-nanopartikel elektrokemiske SERS mikroskopi og spektroskopi målinger

  1. Placer den elektrokemiske celle, der er fremstillet ved hjælp af gap-mode SERS-substratet, på scenen af et omvendt optisk mikroskop.
  2. Substratets kanter tapes på mikroskoptrinnet, så det ikke bevæger sig under de spektroelektrokemiske målinger på grund af spændingen af ledningerne, der forbinder cellen med potentiostaten (se figur 4B).
  3. Placer Ag/AgCl (3 M KCl)-referenceelektroden i det hjemmebyggede stativ, og fastgør dens position ved at stramme skruen på elektrodeholderstativet.
  4. Klip referenceelektroden til potentiostatens referenceelektrodealligatorklip (hvid farve). Klip Pt-trådtællerelektroden fast på potentiostatens modelektrodealligatorklemme (rød farve). Klip Cu-ledningen, der er fastgjort til Ag-filmen, til potentiostatens arbejdselektrodealligatorklips (grøn farve).
  5. Indsæt Pt-ledningen sammen med alligatorklemmen i elektrodeholderen, og stram skruen for at fastgøre dens position.
  6. Placer elektrodeholderen over den elektrokemiske celle for at indsætte elektroderne i cellen. Pas på ikke at lade elektroderne røre ved Ag-filmen; Dette vil ikke kun danne en kortslutning, men det vil også beskadige filmen.
  7. Tænd spektrometeret og EMCCD-kameraet, og start softwaren "LightField".
  8. Tænd for 642 nm-laseren, og juster laseren til en effekt på 500 μW.
    FORSIGTIG: Eksponering for laserlys kan forårsage permanent skade på øjne og hud. Se og følg sikkerhedsretningslinjerne fra det relevante officielle tilsynsorgan i dit land/område.
  9. Tilsæt en dråbe nedsænkningsolie på målet. Flyt fokusknappen for forsigtigt at hæve målet, indtil olien kommer i kontakt med bunden af underlaget.
    BEMÆRK: Da cellen er tapet ned, kan det at tvinge målet op mod substratet bryde cellen og / eller beskadige målet.
  10. Fokuser laseren på overfladen af gap-mode SERS-substratet. Scan gap-mode SERS-substratet (dækket af glasbrønden) for at søge efter et isoleret doughnutformet NB SERS-emissionsmønster ved at flytte mikroskoptrinnet (se figur 5A).
    BEMÆRK: Jo lavere koncentrationen af NB er, jo sværere bliver det at finde doughnutformede emissionsmønstre, men jo større er sandsynligheden for, at det eventuelle doughnutformede emissionsmønster isoleres. Kafferinge er et godt sted at starte, og så kan man bevæge sig indad med hensyn til NB og Ag nanopartikelinkubationsområdet på gap-mode SERS-substratet. Kameraer (se næste trin) er nyttige i denne proces, da de er mere følsomme over for lys end det menneskelige øje, når de scanner omkring SERS-substratet i gap-mode.
  11. Tilslut en telefon til mikroskopets telefonadapter. Hvis du vil justere telefonens kamera med adapterens objektiv, skal du tænde kameraprogrammet på telefonen og ændre enhedens position for at se gennem objektivet.
  12. Fjern et af mikroskopets okularer, og sæt adapteren på plads. På kameraapplikationen skal du ændre tilstanden til video og zoome ind så meget som muligt. Det doughnutformede emissionsmønster kan ses tydeligt.
  13. Når det doughnutformede emissionsmønster er tydeligt placeret, skal du flytte mikroskopets lysafledningshåndtag for at lede det udsendte lys til spektrometeret.
  14. På fanen Eksperiment i LightField skal du klikke på Almindelige anskaffelsesindstillinger og justere eksponeringstiden til 0,1 s og de rammer, der skal gemmes, til 50. Vælg Eksportér hentede data under Eksportér data, og skift filtypen til CSV (.csv).
  15. Under Områder af interesse skal du vælge alternativknappen Brugerdefinerede områder af interesse . Klik på Rediger ROI'er, og opret i det nye vindue et investeringsafkast på 25 pixel x 25 pixel omkring den doughnutformede emission ved at ændre værdierne X, Y, W og H.
  16. Under Spektrometer skal du vælge 600 g / mm, 750 nm flammegitter. Skift centerbølgelængden til 642 nm. Klik på Hent for at starte målingerne.
  17. Når anskaffelsen er afsluttet, skal du gå til fanen Data . Åbn det sidst udførte eksperiment, og klik på Processer og derefter Rammekombination.
  18. I det kombinerede spektrum skal du notere laserbølgelængden, hvor den højeste intensitet observeres.
  19. Gå tilbage til Eksperiment, og klik på nm under Spektrometer. I popup-vinduet skal du ændre måletilstanden til relative bølgetal og indtaste den målte laserbølgelængde i feltet. Skift gitterpositionen til 1.000 / cm for at registrere Stokes-forskudt Raman-spredning fra omkring 400 / cm til 1.600 / cm.
  20. Der indsamles og summeres mindst 50 billeder af NB SERS-spektre ved hjælp af en eksponeringstid på 0,1 sek. (se figur 5C). Se efter en stærk top ved 592/cm for at bekræfte, at emissionen er fra NB (se figur 5C)52. Tag et SERS-spektrum i regionen, der støder op til det doughnutformede emissionsmønster (et område uden emission) for at kompensere for baggrundssignalet.
  21. Hold laserlyset fokuseret på det doughnutformede emissionsmønster, og tilsæt 3 ml af 0,1 M fosfatbufferopløsningen (pH = 5) i den elektrokemiske celle ved hjælp af en 5 ml justerbar pipette.
    BEMÆRK: Når elektrolytopløsningen er tilsat, kan det doughnutformede emissionsmønster forsvinde, og der kan forekomme et fast emissionsmønster, da dipoltilstandene for den enkelte nanopartikel fra den optiske akse udstråler SERS-spektre af elektrolyt- og opløsningsmiddelmolekylerne.
  22. Fokuser om nødvendigt, og sørg for, at laserlyset stadig er fokuseret på emissionsmønsteret.
  23. I potentiostatens software skal du forberede et cyklisk voltammogrameksperiment med mindst tre cyklusser fra 0 til -0,6 V versus Ag / AgCl (3 M KCl) og en scanningshastighed på 50 mV / s. Til synkronisering af spektral og elektrokemisk dataindsamling konfigureres potentiostat, der skal udløses af spektralerhvervelsen af spektrometeret.
  24. Kør de samtidige CV- og SERS-eksperimenter. NB SERS-spektrene bør moduleres efter det potentiale, der anvendes på gap-mode SERS-substratet (se figur 6B).
  25. Flyt lysomledningshåndtaget, så lyset rettes mod telefonens kamera. Start optagelsen af en video, og kør CV-eksperimentet som beskrevet. SERS-billedintensiteten skal moduleres i henhold til det potentiale, der anvendes på gap-mode SERS-substratet (se indsatserne i figur 6A).

6. Billedanalyse

  1. Behandl de indsamlede billeder for at forbedre skarpheden og kontrasten, som beskrevet nedenfor.
    BEMÆRK: Billedbehandling blev udført med OpenCV-biblioteket i Python, og scriptet er tilgængeligt på GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Beskær billedet for at fjerne det meste af den tomme plads, og centrer det omkring emissionsmønsteret.
    2. Slet rammens grønne og blå kanaler. Forøg skarpheden ved at trække en gaussisk-sløret maske af rammen.
    3. Forøg kontrasten ved at udvide det dynamiske område med en hæve-til-strøm-operatør.
  2. Tilføj skalabjælker på billederne ved hjælp af ImageJ, som beskrevet nedenfor.
    1. Brug telefonens kameraadapter til at afbilde et objekt med kendte dimensioner, f.eks. et mikroskopkalibreringsdias.
    2. Brug ImageJ til at indlæse det indsamlede billede. Tegn et segment på et område af det afbildede objekt med kendte dimensioner.
    3. Indstil skalaen (dvs. pixels pr. afstandsenhed) baseret på længden af det tegnede segment ved hjælp af funktionen Indstil skala . Tilføj vægten ved hjælp af skaleringsværktøjet .

7. Analyse af nanopartikelstørrelse

  1. Indlæs SEM-billedet i ImageJ. Tegn et segment på den instrumentleverede skalabjælke, og indstil det ved hjælp af funktionen Indstil skala .
  2. Gå til Billede > skriv > 16-bit. Gå til Billede > Juster > Automatisk tærskel. Fra rullemenuen skal du vælge Standard.
  3. Brug rektangelværktøjet til at vælge og slette de funktioner, der ikke er enkelte nanopartikler.
  4. Brug værktøjet Analysér partikler . Beregn partiklernes diameter med de opnåede områder ved at antage en cirkulær form.

8. Spektroelektrokemisk dataanalyse

  1. Udfør baggrundskorrektion på de indsamlede spektraldata. Udføre databehandling og plotning i MATLAB; scripts er tilgængelige på det samme GitHub-lager som tidligere nævnt.
  2. Gennemsnittet af spektraldata fra tre forskellige baggrundseksperimenter (spektraldata indsamlet sammen med SERS-emissionsmønsteret). Træk det gennemsnitlige baggrundsspektrum fra prøvens spektrum.
  3. Opret et tidsarray fra 0 til eksperimentets samlede tid (cyklisk voltammetri), hvor intervallet er summen af eksponeringstiden, EMCCD-udlæsningstiden og lukkeråbnings- og lukketider.
  4. Konverter bølgelængdemålingerne til Raman-skift ved hjælp af laserbølgelængden.
  5. Generer et vandfaldsplot ved hjælp af maskefunktionen i MATLAB, hvor X er Raman-skiftet, Y er tid, og Z er intensiteten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2A viser Ag tyndfilmsubstrater fremstillet ved hjælp af et elektronstrålemetalaflejringssystem. Det "gode" substrat vist i figur 2A har en homogen dækning af Ag-metal over glasdækslet, mens det "dårlige" substrat har en uensartet dækning af Ag. Det ultraviolette spektrum af den "gode" Ag-tynde film er vist i figur 2B, hvilket viser, at filmen er delvist gennemsigtig for den synlige del af det elektromagnetiske spektrum. Det "gode" Ag tyndfilmsubstrat har en optisk gennemsigtighed på 34% for det 642 nm laserlys, der bruges til spektroelektrokemiske eksperimenter i den nuværende protokol. Figur 2C viser et repræsentativt AFM-billede af et område på 10,8 μm x 10,8 μm af det "gode" substrat. Roden gennemsnitlige kvadratiske ruhedsværdi for det repræsentative område er 0,7 nm, hvilket indikerer, at Ag-tyndfilmen er atomisk glat. Variationen i højden af Ag-tyndfilmsubstratet er repræsenteret af linjeprofilen vist i figur 2D, hvilket yderligere demonstrerer filmens ensartethed og glathed.

Figur 3A viser et repræsentativt SEM-billede af Ag-nanopartikler, der er faldet støbt og lufttørret på en Si-wafer. Fra en analyse af 243 nanopartikler var den gennemsnitlige diameter af Ag-nanopartiklerne, der blev anvendt i denne protokol, 79,2 nm ± 8,4 nm. Det skal bemærkes, at forskellige størrelser af Au- eller Ag-nanopartikler også kan anvendes55. Derudover bruger denne protokol meget monodisperse nanopartikler, men der er ikke noget dispersitetskrav, da denne protokol muliggør måling af enkelte nanopartikler. For at konstruere et gap-mode SERS-substrat blev Ag-nanopartiklerne i dette arbejde deponeret på overfladen af et Ag-tyndfilmsubstrat, der tidligere var blevet inkuberet med NB (figur 3B).

Et gap-mode SERS-substrat blev brugt som arbejdselektrode til at konstruere en elektrokemisk celle, som vist i figur 4A. Den elektrokemiske celle blev immobiliseret på et mikroskopstadium og forbundet til en potentiostat, som vist i figur 4B. Med den elektrokemiske celle monteret på et omvendt optisk mikroskop blev en 642 nm laser fokuseret på gap-mode SERS-substratets arbejdselektrode i en epi-belysningsgeometri. Individuelle Ag-nanopartikler på Ag-tyndfilmen i luft kan entydigt identificeres ved et doughnutformet emissionsmønster, som vist i figur 5A. Disse doughnutformede emissionsmønstre kan pålideligt bruges som signatur til at identificere individuelle Ag-nanopartikler49. Hvis der er mere end en enkelt nanopartikel (dimer, trimer eller multimer) til stede i belysningsvolumenet, observeres et fast emissionsmønster som vist i figur 5B. Ved introduktionen af elektrolytopløsningen omdannes det doughnutformede emissionsmønster typisk til et fast emissionsmønster. Årsagen til dette er, at de dipolære plasmontilstande inden for den enkelte nanopartikel (ikke justeret med den optiske akse) udstråler emission fra opløsningsmiddel- og elektrolytmolekylerne i alle retninger. Derfor er emissionsmønsteret en superposition af højvinkel NB SERS-emission fra nanopartikel-substratgabet og lavvinkel SERS-emission fra elektrolyt- og opløsningsmiddelmolekylerne. Fjernelsen af den elektrolytiske opløsning genvinder de doughnutformede emissionsmønstre. I denne protokol, efter identifikation af en enkelt nanopartikel ved SERS-billeddannelse, anvendes SERS-spektroskopi til at identificere redoxsondemolekylet. SERS-spektret i figur 5C svarer til det doughnutformede emissionsmønster vist i figur 5A. Vibrationstilstandene repræsenterer et fingeraftryk for NB-molekylerne.

Figur 6A viser repræsentative cykliske voltammogrammer af NB i fosfatbuffer (pH = 5) opnået ved anvendelse af en Ag-skivearbejdselektrode og en Pt-trådtællerelektrode. Et cyklisk voltammogram opnås før spektroelektrokemiske målinger af enkelte nanopartikler for at forstå sondemolekylernes ensemble-redoxopførsel - NB i dette tilfælde. I dette arbejde, da det anvendte potentiale blev fejet fra 0 til -0,6 V, blev der observeret en katodisk top ved -0,27 V versus Ag / AgCl (3 M KCl). Da potentialet blev fejet tilbage til 0 V, blev der observeret en anodisk top ved -0,21 V. Det samme anvendte potentialeområde blev anvendt til de spektroelektrokemiske målinger, som vist i figur 6B. Efter identifikation af en enkelt Ag-nanopartikel, der udviser et doughnutformet emissionsmønster, blev elektrolytopløsningen pipetteret ind i den elektrokemiske celle. Under laserbelysning blev SERS-spektrene derefter kontinuerligt opsamlet, da det påførte potentiale blev fejet mellem 0 og -0,6 V ved en scanningshastighed på 50 mV / s (figur 6B). NB-molekylerne i og omkring mellemrummet mellem Ag-nanopartiklen og Ag-filmen blev elektrokemisk reduceret (off state), og SERS-intensiteten faldt, som vist i vandfaldsplottet af SERS-spektrene (også en indsats i figur 6A). Da det påførte potentiale blev fejet fra -0,6 til 0 V, steg SERS-intensiteten, da NB-molekylerne blev elektrokemisk oxideret (i tilstand). Modulationen i SERS-signaler repræsenterer en metode til bestemmelse af reduktions- og oxidationspotentialerne for NB på en enkelt nanopartikel. Andre elektrokemiske teknikker kan erstattes af voltammetri for yderligere at karakterisere redoxreaktioner. Figur 7A viser SERS-responsen fra NB, når arbejdselektrodens potentiale blev trinvist til -0,4 V (dvs. kronoamperometri). Når elektrodepotentialet blev trinnet til -0,4 V, henfaldt SERS-signalet på grund af reduktionen af NB. Denne spektroelektrokemiske teknik gør det muligt at undersøge den forbigående opførsel af redoxreaktioner på enkelt-nanopartikelniveau. Figur 7B viser, hvordan reduktionskinetikken blev ændret af størrelsen af den anvendte elektriske bias, som det fremgår af henfaldet af området under 592/cm toppen. Interessant nok viser de skarpe variationer i det normaliserede område, hvordan stokastiske begivenheder spiller en større rolle i denne skala. Som demonstreret med konventionel voltammetri og kronoamperometri giver protokollen beskrevet i denne artikel forskere mulighed for at spore molekylernes vibrationsformer, da de elektrokemisk reduceres eller oxideres på en enkelt nanopartikel. Desuden giver vibrationsanalyser af molekyler på overfladen af enkelte nanopartikler mulighed for differentiering mellem kemiske og elektrokemiske trin, hvilket er nyttigt til at studere reaktionsmekanismer.

Figure 1
Figur 1: Gap-mode SERS-substrat. Skematisk af et gap-mode substrat fremstillet ved at placere individuelle metal nanopartikler på et metalspejl. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Ag tyndfilm substrat karakterisering. (A) Digitale fotografier af et godt og et dårligt Ag tyndfilmsubstrat fremstillet af et elektronstrålemetalfordampningssystem. (B) Et ultraviolet-synligt transmissionsspektrum af et godt substrat. (C) Et AFM-billede af et repræsentativt areal på 10,8 μm x 10,8 μm af et godt substrat. D) Et linjeprofil af AFM-billedet angivet med den sorte stiplede linje vist i (C). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Ag nanopartikel karakterisering. (A) SEM-billede af en vandig Ag nanopartikel kolloid drop cast og luft tørret på en Si wafer. Den gennemsnitlige diameter af nanopartiklerne er 79,2 nm, med en standardafvigelse på 8,4 nm. B) Skematisk diagram over gap-mode SERS-substratet. De blå stjerner repræsenterer NB-molekyler. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Fremstilling af den spektroelektrokemiske celle. (A) En repræsentativ spektroelektrokemisk celle fremstillet ved hjælp af et gap-mode SERS-substrat som arbejdselektrode. (B) En spektroelektrokemisk celle immobiliseret på et omvendt optisk mikroskopstadium til enkeltnanopartikel elektrokemisk spektroskopi og mikroskopi eksperimenter. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Identifikation af en enkelt Ag-nanopartikel på Ag-tyndfilmssubstratet. A) Et doughnutformet NB SERS-emissionsmønster, der angiver, at signalet stammer fra en individuel Ag-nanopartikel. B) Et solidt NB SERS-emissionsmønster, der angiver, at signalet stammer fra mere end en enkelt nanopartikel. C) SERS-spektret for den doughnutformede emission vist i litra A), der viser den karakteristiske top ved 592/cm fra vibrationstilstanden for ringdeformation i NB52. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: NB's elektrokemi og spektroelektrokemi. (A) Cykliske voltammogram på 0,5 mM NB i 0,1 M fosfatbuffer (pH = 5) ved anvendelse af en Ag-skivearbejdselektrode. Indsatserne viser elektrokemiske SERS-billeder af NB på en individuel Ag-nanopartikel på gap-mode SERS-substratet ved NB-oxidations- (bundbillede) og reduktionspotentialer (øverste billede). Skalastængerne repræsenterer 300 nm. B) Elektrokemisk modulering af NB SERS-spektret ved cyklisk voltammetri på en enkelt Ag-nanopartikel på gap-mode SERS-substratet. En Pt-ledning og en Ag/AgCl-elektrode (3 M KCl) blev anvendt som henholdsvis tæller- og referenceelektroder. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Potentiel trinspektroelektrokemi af NB. (A) Elektrokemisk modulering af NB SERS-spektret med et potentielt trin fra 0 til -0,4 V (vs. Ag/AgCl) anvendt ved t = 0 (stiplet linje). Intensiteten af toppen ved 592/cm falder med tiden på grund af reduktionen af NB-molekylerne nær Ag-nanopartiklen. (B) Transientprofil af det normaliserede område under 592/cm toppen som funktion af det anvendte potentiale: -0,2 V (blå kurve), -0,4 V (grøn kurve) og -0,6 V (rød kurve). Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Aflejring af Cu og Ag tynde metalfilm på rene dæksedler er afgørende for at sikre, at den endelige film har en ruhed, der ikke er større end to til fire atomlag (eller en rodgennemsnitlig kvadratisk ruhed mindre end eller lig med omkring 0,7 nm). Støv, ridser og snavs, der findes på dækslet før metalaflejring, er almindelige problemer, der forhindrer fremstilling af den glatte film, der kræves for at producere doughnutformede emissionsmønstre. Derfor anbefales det at sonikere dækslerne i forskellige opløsningsmidler før metalaflejringen og om muligt at udføre denne proces i et renrum. Endvidere bør der lægges stor vægt på deponeringsproceduren. Det kan være nødvendigt at rengøre alle overflader inde i vakuumkammeret (inklusive digelholderskuffen) og diglerne, da disse dele har tendens til at akkumulere støv og snavs.

De høje aflejringshastigheder, der anvendes under metalaflejringsprocessen, gør det muligt for den aflejrede film at være atomisk glat, men kan også være vanskeligere at kontrollere. Den forkerte aflæsning af filmtykkelsessensorerne kan føre til inhomogene, for tykke eller for tynde film. Hvis metalfilmene er for tynde, kan der afsættes øer af materiale i stedet for en kontinuerlig overflade. Film, der er for tykke, vil resultere i substrater, der er uigennemsigtige, hvilket forhindrer excitationslyset i effektivt at ophidse NB-molekylerne og hindre indsamlingen af emissionslys; dette vil igen reducere metodens samlede følsomhed og give SERS-billeder og spektre af dårlig kvalitet med lave signal-støj-forhold. Aflejringen af Cu før Ag er afgørende for vedhæftningen af sidstnævnte metal, men deponering af overskydende Cu vil reducere substratets optiske gennemsigtighed, mens en utilstrækkelig mængde Cu vil føre til delaminering af Ag fra glasdækslerne. Hvis prøvepladens dimensioner er større end lukkerens, kan fordampet metal desuden aflejres på dæksedlerne, mens lukkeren er lukket, hvilket resulterer i substratets inhomogenitet, som vist i figur 2A.

Koncentrationerne og inkubationstiderne for NB-opløsningerne og Ag-nanopartikelsuspensionerne spiller en central rolle i fremstillingen af et SERS-substrat af god kvalitet. Anvendelse af NB-opløsninger med højere koncentrationer end anbefalet i protokollen eller anvendelse af længere inkubationstider kan føre til høje baggrundssignaler og dermed udgøre udfordringer for lokalisering af individuelle Ag-nanopartikler. På den anden side vil en lav koncentration af NB-opløsning og en kort inkubationstid føre til lav dækning af NB-molekylerne på Ag-tyndfilmen, hvilket vil gøre identifikation af enkelte Ag-nanopartikler til en tidskrævende proces. På samme måde vil anvendelsen af en Ag-nanopartikelsuspension med en koncentration, der er højere end anbefalet i protokollen, eller anvendelsen af længere inkubationstider føre til agglomerering af Ag-nanopartiklerne på Ag-tyndfilmen; Denne agglomerering vil således føre til SERS-substrater, der producerer en høj procentdel af faste emissionsmønstre og et fald i antallet af substratsteder, der kan identificeres som enkelte nanopartikler. I modsætning hertil vil brugen af en Ag-nanopartikelsuspension med lavere koncentration eller en kortere inkubationstid føre til en lav dækning af Ag-nanopartikler. I dette tilfælde vil en større del af SERS-emissionsmønstrene stamme fra enkelte Ag-nanopartikler, men eksperimentets gennemstrømning vil blive reduceret.

For en vellykket implementering af enkelt-nanopartikel elektrokemisk SERS billeddannelse og spektroskopi teknik beskrevet i dette papir, skal der lægges særlig vægt på den spektroelektrokemiske eksperimentelle opsætning. For det første er identifikationen af enkelte Ag-nanopartikler på gap-mode SERS-substratet ved hjælp af doughnutformede emissionsmønstre central for en vellykket anvendelse af den beskrevne metode. Større end 100x forstørrelse af det optiske billede og et mikroskopmål med en høj numerisk blænde (f.eks. 1,45) kræves typisk for at observere de doughnutformede emissionsmønstre. Den høje numeriske blænde er særlig vigtig for indsamling af højvinkelemissioner. For det andet er det vigtigt at synkronisere indsamlingen af SERS-spektrene med det elektrokemiske program. I denne protokol sendes en transistor-transistor logisk puls fra spektrometerdetektoren til potentiostaten for at udløse samtidig indsamling af SERS-spektre og elektrokemiske data. Derudover skal detektorens udlæsningstid overvejes for nøjagtigt at korrelere de anvendte potentialer med SERS-spektrene i voltammetri.

Fortolkningen af vibrationstilstande er en vigtig komponent i SERS-spektroskopi. Ag er tilbøjelig til at danne oxider, hvilket kan påvirke den elektrokemiske proces under undersøgelse56. Ingen oxidlag blev påvist af SERS i denne protokol, men langvarig lufteksponering eller oxidationspotentialer forårsager dannelse af oxider på Ag-spejlet og / eller nanopartikler. Oxidlagene kan ændre adsorptionen af redoxaktive molekyler og dermed fremkalde skift i vibrationstilstandene. I den nuværende protokol observerede vi ingen skift i vibrationstilstande mellem NB-molekylerne adsorberet på Si, Ag-filmen eller Ag-nanopartiklerne. Vi bemærker også, at excitationen af plasmonresonanser, såsom gap-mode-substratet, resulterer i dannelsen af ikke-ligevægtsvarme elektroner og varme huller, der kan deltage i redoxreaktioner57,58,59,60. For at minimere interferens fra lysinducerede varmeladningsbærere tilskyndes der til lav lysfluens.

Teknikken beskrevet her kan løse begrænsningerne ved andre enkeltnanopartikelteknikker såsom kollisionsbaseret elektrokemi 61,62,63, scanning elektrokemisk mikroskopi 64,65,66 og scanning elektrokemisk cellemikroskopi67,68,69. Det er muligt at måle den elektrokemiske respons af enkelte nanopartikler ved hjælp af disse elektrokemiske teknikker; Det er imidlertid ikke muligt direkte at få identiteten af og strukturelle oplysninger om reaktanterne, mellemprodukterne og produkterne. Teknikken beskrevet i denne protokol gør det muligt at spore elektrokemiske reaktioner på enkelte nanopartikler og opnå kemisk information gennem vibrationsspektroskopi. Denne gap-mode SERS elektrokemiske metode giver imidlertid de bedste resultater, når SERS-substraterne fremstilles ved hjælp af de mest SERS-aktive metaller under synlig lysexcitation: Ag og Au. Dette kan begrænse valget af metaller, der kan anvendes i teknikken. Mens gap-mode SERS giver kemisk information om elektrokemiske processer, der forekommer på enkelte nanopartikler, giver den kun ensemble-gennemsnitlig elektrokemisk information, da det aktuelle respons måles over hele substratet. Ikke desto mindre er teknikken demonstreret i dette papir et kraftfuldt værktøj, der kan bruges til at få grundlæggende mekanistisk viden inden for forskellige områder af elektrokemi, herunder inden for elektrokatalytiske reaktioner, som er vigtige for energilagring 70,71, kemisk råmaterialesyntese 72,73 og sensorer 74,75.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende økonomiske interesser.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af opstartsmidler fra University of Louisville og finansiering fra Oak Ridge Associated Universities gennem en Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Forfatterne takker Dr. Ki-Hyun Cho for at skabe billedet i figur 1. Metalaflejringen og SEM blev udført på Micro / Nano Technology Center ved 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 nr. 195
Sporing af elektrokemi på enkelte nanopartikler med overfladeforstærket Ramanspredningsspektroskopi og 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