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Verfolgung der Elektrochemie an einzelnen Nanopartikeln mit oberflächenverstärkter Raman-Streuspektroskopie und -Mikroskopie

DOI:

10.3791/65486

⸱

May 12th, 2023

 ,  , 
1Department of Chemistry, University of Louisville

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das Protokoll beschreibt, wie elektrochemische Ereignisse an einzelnen Nanopartikeln mit Hilfe von oberflächenverstärkter Raman-Streuspektroskopie und Bildgebung überwacht werden können.

Abstract

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Die Untersuchung elektrochemischer Reaktionen an einzelnen Nanopartikeln ist wichtig, um die heterogene Leistung einzelner Nanopartikel zu verstehen. Diese nanoskalige Heterogenität bleibt bei der ensemblegemittelten Charakterisierung von Nanopartikeln verborgen. Elektrochemische Techniken wurden entwickelt, um Ströme von einzelnen Nanopartikeln zu messen, liefern aber keine Informationen über die Struktur und Identität der Moleküle, die an der Elektrodenoberfläche reagieren. Optische Techniken wie die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS), Mikroskopie und Spektroskopie können elektrochemische Ereignisse an einzelnen Nanopartikeln detektieren und gleichzeitig Informationen über die Schwingungsmoden von Elektrodenoberflächenspezies liefern. In dieser Arbeit wird ein Protokoll zur Verfolgung der elektrochemischen Oxidationsreduktion von Nilblau (NB) an einzelnen Ag-Nanopartikeln mit Hilfe von SERS-Mikroskopie und -Spektroskopie demonstriert. Zunächst wird ein detailliertes Protokoll zur Herstellung von Ag-Nanopartikeln auf einer glatten und semitransparenten Ag-Schicht beschrieben. Eine dipolare Plasmonenmode, die entlang der optischen Achse ausgerichtet ist, wird zwischen einem einzelnen Ag-Nanopartikel und einem Ag-Film gebildet. Die SERS-Emission von NB, die zwischen dem Nanopartikel und dem Film fixiert ist, wird in den Plasmonenmodus eingekoppelt, und die Hochwinkelemission wird von einem Mikroskopobjektiv gesammelt, um ein Donut-förmiges Emissionsmuster zu bilden. Diese donutförmigen SERS-Emissionsmuster ermöglichen die eindeutige Identifizierung einzelner Nanopartikel auf dem Substrat, aus denen die SERS-Spektren gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Verwendung des SERS-Substrats als Arbeitselektrode in einer elektrochemischen Zelle, die mit einem inversen Lichtmikroskop kompatibel ist, vorgestellt. Schließlich wird gezeigt, wie die elektrochemische Oxidationsreduktion von NB-Molekülen an einem einzelnen Ag-Nanopartikel verfolgt wird. Der hier beschriebene Aufbau und das Protokoll können modifiziert werden, um verschiedene elektrochemische Reaktionen an einzelnen Nanopartikeln zu untersuchen.

Introduction

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Die Elektrochemie ist eine wichtige Messwissenschaft zur Untersuchung von Ladungstransfer, Ladungsspeicherung, Stofftransport usw. mit Anwendungen in verschiedenen Disziplinen, darunterBiologie, Chemie, Physik und Ingenieurwesen 1,2,3,4,5,6,7 . Herkömmlicherweise umfasst die Elektrochemie Messungen über ein Ensemble – eine große Ansammlung von Einzeleinheiten wie Molekülen, kristallinen Domänen, Nanopartikeln und Oberflächenstellen. Das V....

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Protocol

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1. Gap-Mode-SERS-Substratvorbereitung

  1. Reinigen Sie die Deckgläser Nr. 1 (siehe Materialtabelle) mit einer Aceton- und Wasserwäsche, wie unten beschrieben. Führen Sie diesen Schritt in einem Reinraum durch, um sicherzustellen, dass sich kein Schmutz oder andere unerwünschte Stoffe auf den Deckgläsern ablagern.
    1. Legen Sie die Deckgläser in ein Objektträgergestell. Verwenden Sie eine Pinzette, wenn Sie die Deckgläser/Substrate bewegen. Legen Sie das Objektträgergestell in einen Glasbehälter und füllen Sie ihn mit Aceton.
      ACHTUNG: Aceton ist leicht entzündlich und hat potenziell negative Auswirkungen auf die Gesundheit.....

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Results

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Abbildung 2A zeigt Ag-Dünnschichtsubstrate, die mit einem Elektronenstrahl-Metallabscheidungssystem hergestellt wurden. Das in Abbildung 2A gezeigte "gute" Substrat weist eine homogene Bedeckung mit Ag-Metall über dem Glasdeckglas auf, während das "schlechte" Substrat eine ungleichmäßige Bedeckung mit Ag aufweist. Das ultraviolett-sichtbare Spektrum der "guten" Ag-Dünnschicht ist in Abbildung 2B dargestellt, die zeigt, dass die Schi.......

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Discussion

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Das Abscheiden von dünnen Cu- und Ag-Metallfilmen auf sauberen Deckgläsern ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die endgültige Folie eine Rauheit von nicht mehr als zwei bis vier Atomlagen aufweist (oder eine mittlere quadratische Rauheit von weniger als oder gleich etwa 0,7 nm). Staub, Kratzer und Schmutz auf dem Deckglas vor der Metallabscheidung sind häufige Probleme, die die Herstellung der glatten Folie verhindern, die zur Erzeugung donutförmiger Emissionsmuster erforderlich ist. Daher empfiehl.......

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Disclosures

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde durch Anschubfinanzierungen der University of Louisville und durch Mittel der Oak Ridge Associated Universities durch einen Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award unterstützt. Die Autoren danken Dr. Ki-Hyun Cho für die Erstellung des Bildes in Abbildung 1. Die Metallabscheidung und das REM wurden am Micro/Nano Technology Center der University of Louisville durchgeführt.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Aceton, mikroelektronischeQualität J. T. Baker9005-05
Einstellbare Pipette, Eppendorf Referenz 2 5000 mLEppendorf4924000100
Analysenwaage, AB54-S/FACTMetter ToledoN.A.
Rasterkraftmikroskop, Easy scan 2NanosurfN.A.
AXXIS Elektronenstrahl-DünnschichtabscheidungssystemKurt J. LeskerN.A.
Cary 60 UV-Vis SpektralphotometerAgilentN.A.
Leitfähiges Epoxidharz, zweiteiligElektronenmikroskopie Sciences12642-14
Kupferpellets, 99,99 % reinKurt J. LeskerEVMCU40EXE
Kupferdraht, blank, 18 AWGVWR66248-040
Tiegel, Graphit E-BeamKurt J. LeskerEVCEB-23
Diamond ScriberTed Pella54484
EMCCD-Kamera, ProEM HS: 1024BX3Teledyne Princeton InstrumentsN.A.
Epoxidharz, klarerGorilla-KleberN.A.
GlasrohrschneiderWheeler-Rex69012
Glasrohr, Borossilikatglas (OD 0.75", ID 0.62", L 12")McMaster-Carr8729K45
Immersionsöl, Typ-FOlympusIMMOIL-F30CC
Inverses Mikroskop, IX73OlympusN.A.
Laser, Excelsior One 642 nm FreiraumSpectra-PhysicsN.A.
LightFieldTeledyne Princeton InstrumentsN.A.
MATLAB 2022bMathWorksN.A.
Micro Deckglas (Deckgläser), 24&fach; 60 mm Nr. 1VWR48404-455
Mikroskop Smartphone Kamera AdapterqhmaQHMC017A-S01
Nilblau A, reinAcros Organische415690100
Stickstoff, ultrareine, komprimierteSpezialgaseN.A.
Ziel, UPLanXApo 100 mal; Öl ImmersionOlympus14-910
Polyimidfolie, Kapton3M16089-4
Kaliumphosphat monobasischVWRP285
Potentiostat, 660E  CH InstrumentsN.A.
Pt-DrahtAlfa Aesar10956-BS
Rasterelektronenmikroskop, Apreo C REMThermo Fischer ScientificN.A.
Si-WaferTed Pella16006
Silber-Nanopartikel (Nanosphären), NanoXact 0,02 mg/mL in 2 mM CitratnanoComposixAGCN60
Silberpellets, 99,99% reinKurt J. LeskerEVMAG40EXE-A
Slide Rack, Wash-N-DryDiversified BiotechWSDR-2000
Smartphone, iPhone 13 miniAppleN.A.
Natriumphosphat Dibasisches HeptahydratVWR0348
Spektrometer, IsoPlane SCT320Teledyne Princeton InstrumentsN.A.
Tissuewischer, leichte Ausführung VWR82003-820
Pinzette, KS-04Kaisi HardwareN.A.
Ultraschall-Generator, sweepSONIKBlackstone-NEY Ultraschall-809379
Wasser-Ultrareiniger, Sartorius Arium miniSartoriusN.A.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 Socie....

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