Observation et analyse de clignement diffusion Raman exaltée de Surface

Yasutaka Kitahama

doi:10.3791/56729

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Article de méthode

Observation et analyse de clignement diffusion Raman exaltée de Surface

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DOI :

10.3791/56729

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11 janvier 2018

Yasutaka Kitahama¹

¹Department of Chemistry, Kwansei Gakuin University

Dans cet article

Résumé

Ce protocole décrit l’analyse de clignement Raman exaltée de surface en raison de la marche aléatoire d’une molécule unique sur une surface d’argent à l’aide des lois de puissance de diffusion.

Résumé

D’une seule molécule à une jonction d’argent nanoaggregate, clignotant Raman exaltée de surface scattering (SERS) est observée. Ici, un protocole est présenté sur la façon de préparer la SERS-active nanoaggregate d’argent, enregistrer une vidéo de certaines taches clignotants dans l’image microscopique et d’analyser les statistiques de clignotants. Dans cette analyse, une loi de puissance reproduit les distributions de probabilité des événements lumineux par rapport à leur durée. Les distributions de probabilité des événements sombres sont montées par une loi de puissance avec une fonction exponentielle. Les paramètres de la Loi de puissance représentent comportement moléculaire dans les États claires et sombres. On peuvent estimer le modèle de marche aléatoire et la vitesse de la molécule sur toute la surface argentée. Il est difficile d’estimer la même lors de l’utilisation de moyennes, fonctions d’autocorrélation et Super-résolution SERS imagerie. À l’avenir, analyses de loi de puissance devraient être combinées avec l’imagerie spectrale, parce que les origines de clignotement ne peuvent être confirmées par cette méthode d’analyse.

Introduction

Diffusion (SERS) de Raman exaltée de surface est la spectroscopie Raman hautement sensible d’une surface de métal noble. Étant donné que le spectre Raman fournit des informations détaillées sur la structure moléculaire basée sur les positions de pic, à travers les modes vibrationnels de groupes fonctionnels dans les molécules, les informations d’une seule molécule sur une surface métallique peuvent être étudiées à l’aide de « sers »¹^,²^,³. D’un nanoaggregate d’argent avec un adsorbat à l’échelle de la molécule unique, un signal clignotant on observe¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶et le spectre fluctue de¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^, ⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. Clignotement peut être induite par une seule molécule qui se déplace au hasard dans et hors d’un champ électromagnétique amélioré de (EM) à un carrefour de taille nanométrique argent nanoaggregate. Par conséquent, clignotant est considéré comme une preuve simple pour la détection de molécules simples, par rapport à une technique utilisant une distribution de Poisson des intensités SERS et un bi-analyte²^,³^,¹⁷. Cependant, les mécanismes détaillés du spectre clignotant et fluctuant, qui peut dépendre fortement de comportement moléculaire sur la surface de l’Ag, sont encore controversés.

Dans des études antérieures, clignotant SERS a été analysée à l’aide de la fonction d’autocorrélation, qui permet de calculer le coefficient de diffusion et de la concentration des molécules se déplaçant dans et hors l’amélioration EM champ¹²^,¹³^,¹⁴. En outre, un score normalisé écart-type, qui représente l’instabilité dans l’intensité totale, a été dérivé de la courbe de temps du signal¹⁵. Cependant, ces approches analytiques peuvent être basées sur le comportement de quelques molécules. En revanche, dans une imagerie Super-résolution de clignement SERS, comportement de molécules simples dans un champ électromagnétique amélioré peut être identifié¹⁶. Cependant, ces techniques peuvent obtenir des paramètres tels que dans un champ électromagnétique amélioré. Le comportement aléatoire d’une seule molécule dans une large gamme (par exemple, en clignotant « SERS ») peut être représenté comme une loi de puissance plutôt que d’une moyenne de⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸ ^,⁹^,¹⁰^,¹¹, similaire à fluorescence clignotant d’un semi-conducteur simple quantum dot (QD)¹⁸^,¹⁹. En utilisant une alimentation droit analyse⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹, comportement moléculaire peut être estimée dans l’état lumineux (dans le champ EM amélioré) et état foncé¹⁰; autrement dit, on peut estimer le comportement de la molécule sur toute la surface argentée.

Pour cette technique, l’argent colloïdales nanoaggrégats sont utilisés⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Ces nanoaggrégats montrent diverses bandes de résonance (LSPR) plasmon de surface localisées qui affectent fortement améliorée des champs électromagnétiques, lorsqu’ils sont excités à certaines longueurs d’onde. Ainsi, argent de SERS-active nanoparticules existent en suspension colloïdale et certaines données peut immédiatement être obtenue. Dans le cas de simples nanostructures, qui ont des arrangements, des formes et des tailles spécifiques, la dépendance LSPR de SERS clignotant peut cacher des autres dépendances⁷; à savoir, si la nanostructure bonne ou mauvaise à LSPR est utilisée, les paramètres seront constants, et les autres dépendances seront donc cachées. Analyse Loi de puissance a été utilisée pour découvrir les différentes dépendances de la SERS clignotant argent colloïdal nanoaggrégats⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹.

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Protocole

1. préparation de l’échantillon

Préparation de nanoparticules d’argent colloïdales ²⁰
1. Pour fabriquer des nanoparticules d’argent colloïdales, dissoudre 0,030 g de nitrate d’argent et 0,030 g de citrate de sodium dihydraté dans 150 mL d’eau dans un ballon à fond rond de 200 mL.
2. Combiner la fiole avec un réfrigérant à reflux (Dimroth).
3. Agiter la solution dans le ballon d’un agitateur magnétique. Ensuite, faire chauffer la solution en remuant dans la fiole dans un bain d’huile à 150 ° C pendant 60 min.
  Remarque : La solution devient jaune, puis laiteux gris.
4. Laisser refroidir la suspension à la température ambiante et garder la suspension dans le flacon, recouvert de papier d’aluminium dans un réfrigérateur.
  Remarque : Le protocole peut être suspendu à ce stade. Utilisez les nanoparticules colloïdales, après avoir entreposé au réfrigérateur, dans le mois.
Préparation de l’échantillon pour multicolores clignotant d’émission ¹¹
1. Prêt d’une lame de microscope, laver avec du savon, une plaque de verre à la main et rincez-le à l’eau.
2. Ajouter 0,1 % solution aqueuse de poly-L-lysine à la plaque de verre et supprimer la solution avec un ventilateur.
3. Ajouter l’argentée suspension colloïdale à la plaque de verre et supprimer la suspension à l’air comprimé.
4. Délimitent une zone de déposer sur la plaque de verre avec un stylo liquide bloqueur.
5. Laisser tomber de l’eau distillée sur la plaque de verre et couvrir avec une autre plaque de verre pour créer une lame de microscope et empêcher l’eau de s’évaporer.
Préparation de l’échantillon pour SERS clignotant couleur monotone ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰
1. Prêt d’une lame de microscope, laver avec du savon, une plaque de verre à la main et rincez-le à l’eau.
2. Mélanger la suspension colloïdale argentée avec thiacyanine ou thiacarbocyanine du colorant (25 ou 4 µM, respectivement) et une solution aqueuse de NaCl (10 mM) dans un rapport de volume de 2:1:1.
3. Laisser tomber la suspension de l’échantillon sur la plaque de verre et supprimer la suspension à l’air comprimé.
4. Délimitent une zone de déposer sur la plaque de verre avec un stylo liquide bloqueur.
5. Laisser tomber une solution aqueuse de NaCl (1 M) sur la plaque de verre pour immobiliser les nanoparticules d’argent et le couvrir avec une autre plaque de verre pour créer un disque de glissement du microscope et empêcher l’évaporation de la solution.

2. observation de clignotement des nanoparticules d’argent

Illumination de l’échantillon
1. Placer la plaque de verre échantillon préparée en utilisant le protocole 1.2 ou 1.3 sur la scène d’un microscope inversé.
2. Éclairer la plaque de verre d’échantillon à l’aide de la lumière blanche à travers un condenseur de champ sombre et de se concentrer sur différents spots de couleurs (bleus, verts, jaunes et rouges) sur la plaque de verre à l’aide d’une lentille d’objectif (60 X).
3. Éclairer la plaque de verre d’échantillon à l’aide d’un faisceau atténué, livré à un angle de 30° par rapport à la surface de l’échantillon, d’un laser à diode pompé à l’état solide (DPSS) onde continue (cw) à travers un filtre d’interférence.
4. Pour l’illumination laser permet d’observer l’argent nanoaggrégats comme des taches de couleur monotones dans un entourage de même couleur, déplacer la zone d’illumination laser vers le centre de la vue et se concentrer sur les taches sur la plaque de verre en ajustant la scène dans la direction z.
Observation de clignotement
1. Insérer un filtre passe-longue après la lentille de l’objectif et éclairer la plaque de verre d’échantillon à l’aide d’un faisceau de cw-laser DPSS envoyée à un angle de 30° par rapport à la surface de l’échantillon à travers un filtre d’interférence.
2. Trouver le clignotement taches tel qu’illustré à la Figure 1 (voir aussi Figure S1 dans les documents supplémentaires) en déplaçant la scène dans les directions x et y.
3. Enregistrer des vidéos des taches clignotantes avec le microscope inversé, couplé à une caméra refroidie numérique couplé dispositif de charge (CCD), qui a une résolution temporelle de 61 à 120 ms, pendant 20 min.

3. analyse de clignement SERS

Dérivation de courbe de temps de vidéo
1. Dans le logiciel qui contrôle la caméra CCD, ouvrez le fichier vidéo.
2. Pour sélectionner les taches clignotants et la zone sombre, faites glisser les zones qui couvrent séparément des régions avec et sans taches dans l’image vidéo.
3. Pour calculer les signaux intensité en fonction du temps des taches clignotantes et des zones sombres dans la vidéo, sélectionnez Analyse temporelle dans l’analyse, puis cliquez sur le calcul dans la fenêtre d’Analyse temporelle .
4. Enregistrer les données dans un fichier texte.
Analyse de la courbe de temps
1. Aplatir une ligne de base de la courbe de temps en soustrayant le profil temporel de la zone sombre et/ou de montage avec une fonction polynomiale, tel qu’illustré dans les Figures 2 a et 2 b.
2. Évaluer une intensité moyenne de base se compose d’environ 2000 points, j’ai_baseet un écart-type des intensités de base, σ, comme illustré dans les Figures 2 et 2D.
3. Distinguer les événements lumineux de sombres événements à l’aide de grandes intensités à un seuil de j’ai_base + 3σ et enregistrer la durée de chaque épreuve. Dans la Figure 3, par exemple, enregistrer l’événement de 0 à 3.5476 s que l’événement sombre (avec une durée t = 3.5476 s) et d’enregistrer l’événement de 3.5476 à 4.0981 s que l’événement lumineux (avec une durée t = 0.5505 s). Répétez la procédure comme indiqué dans le tableau 1.
4. Compter le nombre d’événements claires et foncées pour chaque durée, telle qu’exprimée dans les première et deuxième lignes du tableau 2.
5. Additionner le nombre d’événements pour chaque durée, à l’exception des événements plus courtes que la durée t. Tel qu’exprimé dans les deuxième et troisième lignes du tableau 2, par exemple, additionner le nombre d’événements pour chaque durée (à l’exception des événements pour t = 0,0612 s) sous la forme 41 + 18 + 9 +... ; le résultat est égal à la somme pour t = 0.1223 s, c'est-à-dire 103.
6. Diviser les sommations par chaque durée et normaliser. Comme indiqué dans le tableau 2, par exemple, diviser la somme pour la durée t = 0,0612 s par la durée 0,0612 s. Le résultat est 3,351.5791. Ensuite, divisez le résultat par le nombre total des résultats à la quatrième ligne du tableau 2. La distribution de probabilité est dérivée pour être 0.64494.
7. Tracer les distributions de probabilité pour les événements lumineux P_sur(t) contre leur durée t dans un graphe de logarithme-logarithme et fit Log₁₀P_sur(t) Journal des₁₀() pour déduire la puissance Loi exposant α_sur un particulier clignotant spot. Si P_sur(t) est monté par , la ligne équipée écarte les parcelles de petites valeurs de P_sur(t), comme indiqué par la ligne pointillée en Figure 4A.
8. Tracer les distributions de probabilité pour les sombres événements P_off(t) contre leur durée t dans un graphe de logarithme-logarithme et fit Log₁₀P_off(t) par (₁₀) Journal d’en déduire la loi exposant α_off et la troncature temps τ du clignotement même spot. Si P_off(t) est monté par , la courbe ajustée écarte les parcelles de petites valeurs de P_off(t).
9. Répétez 3.2.1 à 3.2.8 pour les autres taches clignotants dans la vidéo.

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Résultats

De l’argent nanoaggrégats avec poly-L-lysine, établie par le protocole 1.2, des taches clignotantes multicolores de SERS et fluorescence exaltée de surface sont observés, comme illustré à la Figure 1¹¹. En revanche, des taches de clignotants couleur monotones du SERS ont été observées pour l’argent nanoaggrégats avec les molécules de colorant préparés par protocole 1,3⁷^,⁸^,...

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Discussion

De la jonction nanoaggregate argent, SERS est émis. Par conséquent, nous devons préparer les nanoaggrégats plutôt que des nanoparticules colloïdales, qui sont couverts avec les anions de citrate. Agrégats argent sont formés à partir de l’effet créé par l’ajout de la poly-L-lysine, qui a -NH₃⁺ et est à l’origine de la SERS, le salage ou Na⁺ cation de NaCl, tel qu’illustré dans Figure S2 du matériel supplémentaire. Par ailleurs, pour éclairer les nombreux spots dans la vast...

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Déclarations de divulgation

L’auteur n’a rien à divulguer.

Remerciements

L’auteur remercie le Prof. Y. Ozaki (Kwansei Gakuin University) et Dr T. Itoh (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) pour leur discussion fructueuse de ce travail. Ce travail a été soutenu par KAKENHI (subvention pour la recherche scientifique C) depuis le ministère de l’éducation, Culture, Sports, Science et technologie (no 16K 05671).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Nitrate d’argent, 99,8	Wako	194-00832
Citrate trisodique dihydraté, 99. %	Wako	191-01785
Solution aqueuse de poly-L-lysine, 0,1 %	Sigma-Aldrich	P8920
3,3'-disulfopropylthiacyanine triethylamine	Hayashibara Biochemical Laboratories	NK-2703	une sorte de colorants à base de thiacyanine
Sel iodé iodé 3,3'-diéthyl-5,5'-dichloro-9-méthylthiacarbocyanine	Laboratoires biochimiques Hayashibara	SMP-9	une sorte de colorants à base de thiacarobocyanine Chlorure de
sodium, 99,5 %	Wako	191-01665
Condenseur Dimroth	Iwaki	61-9722-22	perché de AS ONE
Agitateur magnétique	Corning	DC-420D
Bain	d’huileAdvantech	OS-220
Plaque de verre	Matsunami	S-1112	Lame de microscope
Souffleur	Hozan	Z-288	Plumeau à air
Stylo bloqueur de liquide	Daido Sangyo		BLOQUEUR de LIQUIDE (Super Pap Pen). Stylo barrière hydrophobe prêt à l’emploi conçu pour les applications d’immunohistochimie
Microscope inversé	Olympus	IX-70
Objectif Olympus		LCPlanFl 60× ;	NA 0,7
Condenseur à fond noir	Olympus	U-DCD	NA 0.8&ndash ; 0.92
Caméra CCD numérique refroidie	Hamamatsu	ORCA-AG	contrôlée par logiciel Aqua Cosmos
Logiciel pour la caméra CCD numérique refroidie	Hamamatsu	AquaCosmos	utilisé également pour la dérivation des profils temporels à partir des points clignotants dans la vidéo ;
Caméra CCD couleur	ELMO	TNC-C920	non utilisée pour l’analyse
DPSS laser	RGB système	NovaPro532-75	&lambda ; = 532 nm ; 60 mW (correspond à une densité de puissance de 600 W/cm2)
Filtre interférentiel	Semrock	LL01-532-12.5
Filtre passe-long	Semrock	BLP01-532R-25
Logiciel pour la distinction et le comptage des événements			ménage programmé par C++
Logiciel pour l’ajustement par une loi de puissance	LightStone	Origin6.1

% clairs/sombres

Références

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