Name: 用表面增强拉曼散射光谱和显微镜跟踪单个纳米颗粒的电化学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-05-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 59 s
Description: 了解如何利用表面增强拉曼散射光谱和显微镜技术追踪单个纳米颗粒的电化学过程。该方法将电化学测量与分子层面的变化相关联，为纳米尺度催化转化研究提供新视角。

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本工作得到了路易斯维尔大学启动资金以及橡树岭联合大学通过Ralph E. Powe青年教师提升奖提供的资助。作者感谢Ki-Hyun Cho博士协助制作图1中的图像。金属沉积和扫描电子显微镜（SEM）实验在路易斯维尔大学微/纳米技术中心完成。

﻿Analyzing the Heterogeneous Performance of Single Nanoparticles with Electrochemical Methods

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

在洁净的盖玻片上沉积铜（Cu）和银（Ag）薄膜至关重要，以确保最终薄膜的粗糙度不超过两到四个原子层（或均方根粗糙度小于或等于约0.7 nm）。在金属沉积前，盖玻片表面存在的灰尘、划痕和碎屑是常见问题，会阻碍形成产生环形发射图案所需的光滑薄膜。因此，建议在金属沉积前使用不同溶剂对盖玻片进行超声清洗，并尽可能在洁净室环境中进行该操作。此外，应仔细关注沉积过程。有必要清洁真空腔室内的所有表面（包括坩埚支架抽屉）以及坩埚本身，因为这些部件容易积聚灰尘和碎屑。
在金属沉积过程中使用的高沉积速率可使沉积薄膜达到原子级平整，但也可能更难控制。若薄膜厚度传感器读数不准确，可能导致薄膜不均匀、过厚或过薄。若金属膜过薄，可能形成材料岛状结构，而非连续的表面。若薄膜过厚，则会使基底不透明，阻碍激发光有效激发纳米棒（NB）分子，并影响发射光的收集；这将降低方法的整体灵敏度，导致表面增强拉曼散射（SERS）图像和光谱质量较差，信噪比较低。在沉积银（Ag）之前先沉积铜（Cu）对后者金属的附着力至关重要，但若铜沉积过量，会降低基底的光学透明性，而铜量不足则会导致银从玻璃盖玻片上剥离。此外，若样品托盘的尺寸大于快...

电化学是一门重要的测量科学，用于研究电荷转移、电荷存储、物质传输等过程，在生物学、化学、物理学和工程学等多个学科中具有广泛应用。1,2,3,4,5,6,7通常，电化学涉及对整体集合的测量——&#160;大量单个实体（如分子、晶畴、纳米粒子和表面位点）的集合。然而，由于复杂电化学环境中电极表面的异质性，理解这些单个实体如何贡献于系综平均响应，对于推动化学及相关领域新的基础性和机理性认识至关重要。8,9例如，系综还原法揭示了特定位点的还原/氧化电位10中间体的形成与次要催化作用&#160;产物11，位点特异性反应动力学12,13以及载流子动力学14,15减少系综平均对于提升我们对实际应用体系（如生物细胞、电催化和电池）的理解尤为重要，因为在这些体系中通常存在显著的异质性。16,17,18,19,20,21,22.
在过去十年左右，出现了一系列用于研究单实体电化学的技术1,2,9,10,11,12这些电化学测量方法使得在多个系统中测量微小的电学和离子电流成为可能，并揭示了新的基本化学与物理特性23,24,25,26,27,28然而，电化学测量无法提供电极表面分子或中间体的身份或结构信息29,30,31,32电极-电解质界面的化学信息对于理解电化学反应至关重要。通常通过将电化学与光谱学联用来获取界面化学信息。31,32振动光谱技术，例如拉曼散射，非常适用于提供&#160;电化学系统中电荷转移及相关过程的补充化学信息，此类系统主要（但不限于）使用水性溶剂30结合显微技术，拉曼散射光谱可实现接近光的衍射极限的空间分辨率33,34衍射存在局限性，因为纳米颗粒和活性表面位点的尺寸小于光学衍射极限，因而无法对单个实体进行研究35.
表面增强拉曼散射（SERS）已被证明是研究电化学反应中界面化学的有力工具20,30,36,37,38。SERS不仅能提供反应物分子、溶剂分子、添加剂以及电极表面化学的振动模式信息，还能产生一种局限于支持集体表面电子振荡（即局域表面等离激元共振）材料表面的信号。等离激元共振的激发会导致电磁辐射在金属表面聚集，从而增强入射光通量以及表面吸附物的拉曼散射。纳米结构的贵金属（如 Ag 和 Au）通常被用作等离激元材料，因为它们支持可见光范围内的等离激元共振，这有利于利用高灵敏度和高效率的电荷耦合器件检测发射信号。尽管SERS中最大的增强效应通常来自纳米粒子的聚集体39,40，但目前已开发出一种新型SERS基底，可实现对单个纳米粒子的SERS测量：间隙模式SERS基底&#160;（图1）41,42。在间隙模式SERS基底中，首先制备金属镜面并涂覆待分析物，随后将纳米粒子分散在基底上。当使用圆偏振激光照射时，纳米粒子与基底耦合形成的偶极等离激元共振被激发，从而实现对单个纳米粒子的SERS测量。SERS发射与沿光轴方向取向的偶极等离激元共振相耦合43,44,45。由于辐射电偶极子与收集光学系统的平行对准，仅收集高角度发射光，因而形成明显的环形（甜甜圈状）发射图案46,47,48,49，并可用于识别单个纳米粒子。基底上纳米粒子的聚集体包含不平行于光轴的辐射偶极子50。在这种情况下，低角度和高角度发射光均被收集，形成实心发射图案46。
本文介绍了一种制备间隙模式表面增强拉曼散射（SERS）基底的方案，以及将其用作工作电极以通过SERS监测单个银纳米颗粒上电化学氧化还原过程的操作步骤。重要的是，利用间隙模式SERS基底的该方案能够通过SERS成像明确识别单个纳米颗粒，这正是当前单纳米颗粒电化学研究方法中的一个关键挑战。作为模型体系，我们展示了SERS在单个银纳米颗粒上对尼罗蓝A（NB）的电化学还原与氧化进行检测的应用，该过程由扫描或阶跃电位（即循环伏安法、计时电流法）驱动。NB经历多质子、多电子的还原/氧化反应，其电子结构在反应过程中被调制至偏离或进入与激发光源的共振状态，从而在相应的SERS光谱中产生明显的信号对比10,51,52。本文所述方案同样适用于非共振型氧化还原活性分子及各类电化学技术，因此可能在电催化等应用中具有重要意义。

<table><tbody><tr><td>丙酮，微电子级</td><td>J. T. Baker</td><td>9005-05</td><td></td></tr><tr><td>可调移液器，Eppendorf Reference 2 5000 mL</td><td>Eppendorf</td><td>4924000100</td><td></td></tr><tr><td>分析天平，AB54-S/FACT</td><td>Metter Toledo</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>原子力显微镜，Easy scan 2</td><td>Nanosurf</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>AXXIS 电子束薄膜沉积系统</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Cary 60 紫外-可见分光光度计</td><td>安捷伦</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>导电环氧树脂，双组分</td><td>电子显微镜科学公司</td><td>12642-14</td><td></td></tr><tr><td>铜粒，纯度99.99%</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCU40EXE</td><td></td></tr><tr><td>铜线，裸线，18 AWG</td><td>VWR</td><td>66248-040</td><td></td></tr><tr><td>石墨电子束坩埚</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVCEB-23</td><td></td></tr><tr><td>金刚石刻划器</td><td>Ted Pella</td><td>54484</td><td></td></tr><tr><td>EMCCD相机，ProEM HS：1024BX3</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>环氧树脂，透明</td><td>Gorilla Glue</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>玻璃管切割器</td><td>Wheeler-Rex</td><td>69012</td><td></td></tr><tr><td>玻璃管，硼硅酸盐（外径 0.75&quot;，ID 0.62&quot;，L 12&quot;)</td><td>McMaster-Carr</td><td>8729K45</td><td></td></tr><tr><td>浸油，F型</td><td>Olympus</td><td>IMMOIL-F30CC</td><td></td></tr><tr><td>倒置显微镜，IX73</td><td>Olympus</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>激光器，Excelsior One 642 nm 自由空间</td><td>Spectra-Physics</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>LightField</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 2022b</td><td>MathWorks</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>微型盖玻片（盖玻片），24&amp;times;60 mm No. 1</td><td>VWR</td><td>48404-455</td><td></td></tr><tr><td>显微镜智能手机相机适配器</td><td>qhma</td><td>QHMC017A-S01</td><td></td></tr><tr><td>尼罗蓝A，纯品</td><td>Acros Organics</td><td>415690100</td><td></td></tr><tr><td>氮气，超纯，压缩</td><td>特种气体</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>目标，UPLanXApo 100&amp;times; 油镜 immersion</td><td>Olympus</td><td>14-910</td><td></td></tr><tr><td>聚酰亚胺薄膜，Kapton</td><td>3M</td><td>16089-4</td><td></td></tr><tr><td>磷酸二氢钾</td><td>VWR</td><td>P285</td><td></td></tr><tr><td>恒电位仪，660E&amp;nbsp;</td><td>CH Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>铂丝</td><td>Alfa Aesar</td><td>10956-BS</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜，Apreo C SEM</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>硅片</td><td>Ted Pella</td><td>16006</td><td></td></tr><tr><td>银纳米颗粒（纳米球），NanoXact 0.02 mg/mL，溶于 2 mM 柠檬酸盐</td><td>nanoComposix</td><td>AGCN60</td><td></td></tr><tr><td>银颗粒，纯度99.99%</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMAG40EXE-A</td><td></td></tr><tr><td>载玻片架，洗干两用</td><td>Diversified Biotech</td><td>WSDR-2000</td><td></td></tr><tr><td>智能手机，iPhone 13 mini</td><td>苹果</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>磷酸氢二钠七水合物</td><td>VWR</td><td>0348</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪，IsoPlane SCT320</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>轻型组织擦拭纸&amp;nbsp;</td><td>VWR</td><td>82003-820</td><td></td></tr><tr><td>镊子，KS-04</td><td>凯思硬件</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>超声波发生器，sweepSONIK</td><td>Blackstone-NEY 超声设备</td><td>809379</td><td></td></tr><tr><td>水超纯化系统，Sartorius Arium mini</td><td>赛多利斯</td><td>N.A.</td><td></td></tr></tbody></table>

利用表面增强拉曼散射光谱与显微技术在单个纳米颗粒上追踪电化学过程

Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy

研究单个纳米颗粒上的电化学反应对于理解单个纳米颗粒的非均一性性能至关重要。这种纳米尺度的异质性在纳米颗粒的系综平均表征中往往被掩盖。虽然已开发出一些电化学技术用于测量单个纳米颗粒的电流，但这些技术无法提供在电极表面发生反应的分子结构和身份信息。光学技术（如表面增强拉曼散射（SERS）显微镜和光谱学）能够在单个纳米颗粒上检测电化学事件，同时提供电极表面物种振动模式的信息。本文展示了一种利用SERS显微镜和光谱学追踪单个银（Ag）纳米颗粒上尼罗蓝（Nile Blue, NB）电化学氧化还原反应的实验方案。首先，详细描述了在光滑且半透明的银薄膜上制备银纳米颗粒的实验步骤。单个银纳米颗粒与银膜之间会形成一个沿光轴方向对齐的偶极等离激元模式。固定在纳米颗粒与薄膜之间的NB分子产生的SERS发射会耦合进入该等离激元模式，并通过显微镜物镜收集高角度发射光，形成环形（甜甜圈状）发射图案。这种环形SERS发射图案可明确识别基底上的单个纳米颗粒，从而实现对单个纳米颗粒SERS光谱的采集。本研究提供了一种将SERS基底用作工作电极的方法，该电化学池与倒置光学显微镜兼容。最后，展示了在单个银纳米颗粒上追踪NB分子电化学氧化还原过程的实验结果。本文所述的装置与实验方案可经适当修改，用于研究各类单个纳米颗粒上的电化学反应。

图2A 显示了使用电子束金属沉积系统制备的银薄膜基底。“良好”的基底如图2A所示，在玻璃盖玻片表面具有均匀的银金属覆盖层，而“不良”基底的银覆盖则不均匀。良好银薄膜的紫外-可见光谱如图2B所示，表明该薄膜对电磁波谱的可见光部分具有部分透光性。在本实验方案中用于光谱电化学实验的642 nm激光光，良好银薄膜基底对其的光学透过率为34%。图2C展示了良好基底上10.8 µm × 10.8 µm区域的典型原子力显微镜（AFM）图像。该区域的均方根粗糙度为0.7 nm，表明银薄膜在原子级别上是光滑的。银薄膜基底高度变化由图2D所示的线轮廓表示，进一步证明了薄膜的均匀性和光滑性。
图3A 展示了滴加并风干在硅片上的银纳米颗粒的典型扫描电镜...

该方案描述了如何利用表面增强拉曼散射光谱和成像技术监测单个纳米颗粒上的电化学事件。

在单个纳米颗粒上研究电化学反应对于理解单个纳米颗粒的非均相性能至关重要。这……

我们研究中的一个共同主题是利用光与物质的相互作用以及电能，在纳米尺度上测量、驱动和控制界面化学转化过程。特别是，我们致力于探究局部环境和反应中间体如何影响选择性及电催化过程。传统的催化转化评估通常依赖于对产物和催化剂特性的系综平均测量。选择性制备化学产品的前沿挑战包括在保持测量灵敏度的同时降低这种测量平均效应，以便我们能够更深入地理解催化剂反应位点中单个分子的行为。仅靠电化学技术无法提供在电极表面形成和转化的物种的任何化学信息。我们的方案利用振动光谱作为读出手段，实现对单个纳米颗粒的电化学测量，从而建立起电化学过程与分子变化之间的关联。未来，我们的实验室将继续推动空间和时间测量分辨率的极限，以在单分子水平和化学反应的时间尺度上理解化学与材料过程。首先，使用电子束薄膜沉积系统，按照制造商推荐的标准操作流程，将铜和银沉积到已清洁的盖玻片上。进行铜沉积时，以每分钟10毫安的速率逐步增加发射电流，直至传感器显示沉积速率接近每秒10埃。当达到所需的沉积速率后，关闭快门并将铂的位置设为零度。打开快门以开始沉积过程，并在沉积传感器的显示屏上监测厚度。当铜的沉积厚度达到预定值时，关闭快门。然后使用旋钮旋转坩埚架，使光束对准装有银颗粒的坩埚，并按演示进行沉积。接着，将500微升浓度为50微摩尔的尼罗蓝溶液滴加到银薄膜表面。15分钟后，用超纯水彻底冲洗银薄膜，以去除弱吸附的尼罗蓝分子。最后，用氮气吹干银薄膜。将500微升稀释100倍的银纳米粒子胶体溶液滴加到银薄膜的同一区域（该区域先前已滴加过尼罗蓝溶液）。20分钟后，用超纯水冲洗间隙模式表面增强拉曼散射（SERS）基底。然后使用氮气干燥基底。良好的银薄膜的紫外-可见光谱表明，该薄膜在电磁波谱的可见光区域具有部分透明性。此处展示了良好基底的典型原子力显微镜（AFM）图像。银薄膜基底高度的变化通过线轮廓图表示，展示了薄膜的均匀性和光滑性。将银纳米颗粒滴涂并风干在硅片上后，其扫描电镜图像显示平均直径约为79.2纳米。为获得一个5厘米长的玻璃槽，用一只手牢固握住玻璃管切割工具的手柄。另一方面，握住玻璃管并持续旋转，使链条上的轮齿开始切割玻璃。逐渐增加手柄上的压力，轻轻挤压工具。使用120目的砂纸将玻璃管断裂端打磨平整，然后用220目的砂纸进行抛光。为了将切割好的玻璃小室固定在基底表面，将双组分环氧树脂滴加到一小片铝箔上。使用搅拌棒或移液器吸头混合均匀，然后将混合物涂抹在玻璃小室的底缘。 将玻璃小室粘接到间隙模式基底的表面。然后将剩余的混合物涂在小室外侧与基底接触的部位。为了将电连接附着到间隙模式表面增强拉曼散射（SERS）基底上，使用一根长5厘米的铜线，将双组分导电环氧树脂混合后涂在一小片铝箔上。将导线连接到基底表面。取10毫升含有0.5毫摩尔尼罗蓝和pH为5的0.1摩尔磷酸盐缓冲液，加入20毫升烧杯中。将一根机械抛光的银盘电极、一根铂丝以及一根银/氯化银电极插入电解液溶液中。根据制造商的说明，将每个电极连接到相应的恒电位仪夹上。确保电极之间互不接触。然后进行循环伏安法扫描，电压范围为 0 至 0.6 伏，扫描速率为 50 毫伏每秒。将使用间隙模式表面增强拉曼散射（SERS）基底制备的电化学池放置在倒置光学显微镜的载物台上。用胶带固定基底边缘，防止电化学池与恒电位仪连接的导线张力导致基底在显微镜载物台上移动，从而避免在光谱电化学测量过程中发生位移。将银/氯化银参比电极插入自制支架中，并通过拧紧电极支架上的螺丝来固定其位置。将参比电极连接到电化学工作站的参比电极鳄鱼夹上。然后将铂丝对电极连接到电化学工作站的对电极鳄鱼夹上。最后，将连接在银膜上的铜导线夹到电化学工作站的工作电极鳄鱼夹上。将铂丝和鳄鱼夹插入电极架中，并拧紧螺丝以固定其位置。将电极架置于电化学池上方，插入电极。然后打开642纳米激光器，并将功率调节至500微瓦。接下来，向物镜上滴加一滴浸油。然后调节焦距旋钮，使物镜上升直至油与基底的底部接触。将激光聚焦到间隙模式SERS基底的表面。从显微镜上取下其中一个目镜，并将适配器插入其位置。将相机应用程序的模式切换为视频模式，并尽可能放大。通过移动显微镜载物台扫描间隙模式SERS基底，寻找孤立的环形SERS发射图案。找到环形发射光模式后，移动显微镜的光路分流杆，将进入的光引导至光谱仪。将光栅位置设置为1000波数，以检测400至1600波数范围内的斯托克斯位移拉曼散射信号。保持激光聚焦在环形发射光模式上，向电化学池中加入3毫升pH为5的0.1摩尔磷酸缓冲液。在恒电位仪的软件中，设置一个循环伏安图实验，至少进行三个从 0 到 0.6 伏（相对于银/氯化银电极）的循环，扫描速率为 50 毫伏每秒。然后同时运行循环伏安法和表面增强拉曼光谱（SERS）实验。最后，移动光路分流杆，使光线导向手机摄像头，并在运行循环伏安法实验的同时开始录制视频。单个银纳米颗粒在银薄膜上可通过环形（面包圈状）发射图案明确识别，而纳米颗粒二聚体、三聚体或多聚体则产生实心发射图案。对单个纳米颗粒进行了表面增强拉曼散射（SERS）循环伏安法测量，并在电化学上还原了银纳米颗粒与银薄膜间隙内及周围的尼罗蓝分子。光谱电化学测量在相同的施加电位范围内进行。通过步进电位对尼罗蓝的表面增强拉曼光谱（SERS）进行电化学调控，会导致波数为592 cm⁻¹区域的峰强度随时间降低，这是由于尼罗蓝分子被还原所致。外加电场强度的大小改变了还原动力学过程，这从592 cm⁻¹区域峰下面积的衰减速率变化中得以证实。

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用表面增强拉曼散射光谱和显微镜跟踪单个纳米颗粒的电化学

我们描述了纳米生物系统的制备与表征，该系统将纳米结构基底与固定化的蛋白质和适配体进行界面结合。文中报道了涉及纳米结构基底的光刻制备、生物功能化以及表面增强拉曼光谱（SERS）表征等相关实验步骤。展示了对表面固定化蛋白质的SERS检测，以及对蛋白质-配体和适配体-配体结合相互作用的探测。...

利用电子束光刻制备的纳米结构基底通过表面增强拉曼光谱检测生物分子

一种基于滤膜的表面增强拉曼光谱（SERS）检测化学污染物的制备与检测方法即，...

基于滤膜的表面增强拉曼光谱法快速检测化学污染物

本方案描述了一种将光镊技术与表面增强拉曼光谱（SERS）相结合的便捷方法，用于操控等离激元纳米粒子以实现对分子的高灵敏度检测。在无需聚集剂的情况下，利用捕获激光将等离激元纳米粒子组装起来，从而增强目标分析物的SERS信号 原位...

等离子体纳米粒子的光镊捕获 原位 表面增强拉曼光谱表征

本方案展示了利用DNA折纸纳米天线（DONA）结合共定位原子力显微镜（AFM）与拉曼测量技术进行单分子表面增强拉曼散射（SERS）测量的方法。...

由等离激元DNA折纸纳米天线实现的单分子表面增强拉曼散射测量

本研究开发了一种低成本、生物相容性良好的基于表面增强拉曼散射（SERS）的指纹纳米探针，可用于无标记活细胞生物成像并检测两种细菌菌株，详细展示了如何以非破坏性方法获取活细胞的SERS光谱。...

基于金@碳点纳米探针的无标记表面增强拉曼散射生物分析

一种用于表征掺硼金刚石（BDD）电极关键电化学参数的方案及其后续应用 原位 pH...

评估硼掺杂金刚石电极的质量及其应用 原位 通过水电解调节局部pH值

本文介绍了一种利用小角中子散射进行结构表征，对碳纳米管进行具有结构可调聚合物封装层的功能化方法。...

单壁碳纳米管与热可逆嵌段共聚物的功能化及其小角中子散射表征

本文介绍了利用液体池透射电子显微镜实时观察自组装过程的实验方案。...

液相透射电子显微技术用于追踪纳米颗粒的自组装过程

本方案描述了利用幂律分析单个分子在银表面上随机移动所导致的闪烁表面增强拉曼散射现象。...

表面增强拉曼散射闪烁现象的观察与分析

本文介绍了一种在原子尺度上研究界面水结构与动力学的实验方案，内容包括亚分子分辨率成像、分子操纵以及单键振动光谱学。...

利用扫描隧道显微镜与谱学技术研究界面水的结构与动力学

了解如何利用表面增强拉曼散射光谱和显微镜技术追踪单个纳米颗粒的电化学过程。该方法将电化学测量与分子层面的变化相关联，为纳米尺度催化转化研究提供新视角。

利用表面增强拉曼散射光谱与显微技术在单个纳米颗粒上追踪电化学过程

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