Name: Suivi de l’électrochimie sur des nanoparticules uniques avec la spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface et la microscopie (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-05-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 59 s
Description: Découvrez le suivi des événements électrochimiques sur des nanoparticules uniques par spectroscopie Raman exaltée de surface. Cette méthode permet de corréler les processus électrochimiques avec les changements moléculaires à l'échelle nanométrique.

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Ce travail a été soutenu par des fonds de démarrage de l’Université de Louisville et un financement de Oak Ridge Associated Universities par le biais d’un prix Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Les auteurs remercient le Dr Ki-Hyun Cho d’avoir créé l’image de la figure 1. Le dépôt de métal et le MEB ont été effectués au Micro/Nano Technology Center de l’Université de Louisville.

Analyse des performances hétérogènes de nanoparticules uniques à l’aide de méthodes électrochimiques

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Le dépôt de minces films métalliques Cu et Ag sur des lamelles de recouvrement propres est essentiel pour s’assurer que le film final a une rugosité ne dépassant pas deux à quatre couches atomiques (ou une rugosité carrée moyenne de racine inférieure ou égale à environ 0,7 nm). La poussière, les rayures et les débris présents sur la lamelle de couverture avant le dépôt de métal sont des problèmes courants qui empêchent la fabrication du film lisse nécessaire pour produire des motifs d’émission en forme de beignet. Par co...

L’électrochimie est une science de mesure importante pour étudier le transfert de charge, le stockage de charge, le transport de masse, etc., avec des applications dans diverses disciplines, y compris la biologie, la chimie, la physique et l’ingénierie 1,2,3,4,5,6,7 . Classiquement, l’électrochimie implique des mesures sur un ensemble - une grande collection d’entités uniques telles que des molécules, des domaines cristallins, des nanoparticules et des sites de surface. Cependant, comprendre comment ces entités uniques contribuent aux réponses moyennes d’ensemble est essentiel pour apporter de nouvelles compréhensions fondamentales et mécanistes en chimie et dans les domaines connexes en raison de l’hétérogénéité des surfaces d’électrodes dans des environnements électrochimiques complexes 8,9. Par exemple, la réduction d’ensemble a révélé des potentiels de réduction/oxydation spécifiques au site 10, la formation d’intermédiaires et de produits de catalyse mineurs 11, la cinétique de réaction spécifique au site 12,13 et la dynamique des porteurs de charge 14,15. La réduction de la moyenne d’ensemble est particulièrement importante pour améliorer notre compréhension au-delà des systèmes modèles vers les systèmes appliqués, tels que les cellules biologiques, l’électrocatalyse et les batteries, dans lesquels une grande hétérogénéité est souvent trouvée 16,17,18,19,20,21,22.
Au cours de la dernière décennie, il y a eu une émergence de techniques pour étudier l’électrochimieà entité unique 1,2,9,10,11,12. Ces mesures électrochimiques ont permis de mesurer de petits courants électriques et ioniques dans plusieurs systèmes et ont révélé de nouvelles caractéristiques chimiques et physiques fondamentales 23,24,25,26,27,28. Cependant, les mesures électrochimiques ne fournissent pas d’informations sur l’identité ou la structure des molécules ou des intermédiaires à la surface de l’électrode 29,30,31,32. L’information chimique à l’interface électrode-électrolyte est essentielle pour comprendre les réactions électrochimiques. La connaissance chimique interfaciale est généralement obtenue en couplant l’électrochimie avec la spectroscopie31,32. La spectroscopie vibrationnelle, telle que la diffusion Raman, est bien adaptée pour fournir des informations chimiques complémentaires sur le transfert de charge et les événements connexes dans les systèmes électrochimiques qui utilisent principalement, mais ne sont pas limités à, des solvants aqueux30. Couplée à la microscopie, la spectroscopie de diffusion Raman fournit une résolution spatiale jusqu’à la limite de diffraction de la lumière33,34. La diffraction présente cependant une limitation, car les nanoparticules et les sites de surface actifs sont plus petits que les limites de diffraction optique, ce qui empêche donc l’étude d’entités individuelles35.
La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) s’est avérée être un outil puissant dans l’étude de la chimie interfaciale dans les réactions électrochimiques 20,30,36,37,38. En plus de fournir les modes vibratoires des molécules réactives, des molécules de solvant, des additifs et les chimies de surface des électrodes, le SERS fournit un signal localisé à la surface des matériaux qui supportent les oscillations électroniques de surface collectives, connues sous le nom de résonances plasmoniques de surface localisées. L’excitation des résonances plasmoniques conduit à la concentration du rayonnement électromagnétique à la surface du métal, augmentant ainsi à la fois le flux de lumière vers et la diffusion Raman des adsorbats de surface. Les métaux nobles nanostructurés tels que l’Ag et l’Au sont des matériaux plasmoniques couramment utilisés car ils supportent les résonances plasmoniques de lumière visible, qui sont souhaitables pour détecter les émissions avec des dispositifs à couplage de charge très sensibles et efficaces. Bien que les améliorations les plus importantes du SERS proviennent d’agrégats de nanoparticules39,40, un nouveau substrat SERS a été développé qui permet des mesures SERS à partir de nanoparticules individuelles : substrat SERS en mode gap (Figure 1)41,42. Dans les substrats SERS en mode gap, un miroir métallique est fabriqué et recouvert d’un analyte. Ensuite, les nanoparticules sont dispersées sur le substrat. Lorsqu’elle est irradiée avec une lumière laser polarisée circulairement, une résonance plasmonique dipolaire formée par le couplage de la nanoparticule et du substrat est excitée, ce qui permet des mesures SERS sur des nanoparticules uniques. L’émission SERS est couplée à la résonance plasmonique dipolaire43,44,45, qui est orientée le long de l’axe optique. Avec l’alignement parallèle du dipôle électrique rayonnant et de l’optique de collecte, seule l’émission à angle élevé est collectée, formant ainsi des modèles d’émission distincts en forme de beignet46,47,48,49 et permettant l’identification de nanoparticules uniques. Les agrégats de nanoparticules sur le substrat contiennent des dipôles rayonnants qui ne sont pas parallèles à l’axe optique50. Dans ce dernier cas, les émissions à angle bas et à angle élevé sont collectées et forment des modèles d’émission solides46.
Ici, nous décrivons un protocole pour la fabrication de substrats SERS en mode gap et une procédure pour les utiliser comme électrodes de travail pour surveiller les événements redox électrochimiques sur des nanoparticules Ag simples à l’aide de SERS. Il est important de noter que le protocole utilisant des substrats SERS en mode gap permet l’identification sans ambiguïté de nanoparticules uniques par imagerie SERS, ce qui constitue un défi majeur pour les méthodologies actuelles en électrochimie des nanoparticules uniques. En tant que système modèle, nous démontrons l’utilisation du SERS pour fournir une lecture de la réduction électrochimique et de l’oxydation du bleu du Nil A (NB) sur une seule nanoparticule Ag entraînée par un potentiel de balayage ou d’échelonnement (c.-à-d. voltampérométrie cyclique, chronoampérométrie). NB subit une réaction de réduction/oxydation multi-protons et multi-électrons dans laquelle sa structure électronique est modulée hors / en résonance avec la source d’excitation, ce qui fournit un contraste dans les spectres SERS correspondants 10,51,52. Le protocole décrit ici est également applicable aux molécules rédox non résonantes et aux techniques électrochimiques, qui peuvent être pertinentes pour des applications telles que l’électrocatalyse.

<table><tbody><tr><td>Acétone, qualité microélectronique</td><td>J. T. Baker</td><td>9005-05</td><td></td></tr><tr><td>Pipette réglable, Eppendorf Référence 2 5000 mL</td> Balance analytique <td>Eppendorf</td><td>4924000100</td><td></td></tr><tr><td>, AB54-S/FACT</td><td>Metter Toledo</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Microscope à force atomique, Easy scan 2</td><td>Nanosurf</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Système de dépôt de couches minces par faisceau d’électrons AXXIS</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Spectrophotomètre UV-Vis Cary 60</td><td>Agilent</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Époxy conducteur, deux parties</td><td>Microscopie électronique Sciences</td><td>12642-14</td><td></td></tr><tr><td>Pastilles de cuivre, 99,99 % pur</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCU40EXE Fil de</td><td></td></tr><tr><td>cuivre, nu, 18 AWG</td><td>VWR</td><td>66248-040</td><td></td></tr><tr><td>Creuset, graphite E-Beam</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVCEB-23</td><td></td></tr><tr><td>Diamant Scriber</td><td>Ted Pella</td><td>54484</td><td></td></tr><tr><td>Caméra EMCCD, ProEM HS : 1024BX3</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Epoxy, Colle</td><td>Gorilla Transparente</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Coupe-tube en verre</td><td>Wheeler-Rex</td><td>69012</td><td></td></tr><tr><td>Tube en verre, borossilicate (OD 0.75 », ID 0.62 », L 12 »)</td><td>McMaster-Carr</td><td>8729K45</td><td></td></tr><tr><td>Huile d’immersion, Type-F</td><td>Olympus</td><td>IMMOIL-F30CC</td><td></td></tr><tr><td>Microscope inversé, IX73</td><td>Olympus</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Laser, Excelsior One 642 nm Espace libre</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>Micro verre de protection (lamelles), 24& fois ; 60 mm n° 1</td><td>VWR</td><td>48404-455</td><td></td></tr><tr><td>Microscope Smartphone Adaptateur</td><td>appareil photo qhma</td><td>QHMC017A-S01</td><td></td></tr><tr><td>Nile Blue A, pur</td><td>Acros Organics</td><td>415690100</td><td></td></tr><tr><td>Azote, Ultra Pur, Gaz spéciaux comprimés</td><td></td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Objectif, UPLanXApo 100&fois ; Immersion dans l’huile</td><td>Olympus</td><td>14-910</td><td></td></tr><tr><td>Film polyimide, Kapton</td><td>3M</td><td>16089-4</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate de potassium monobasique</td><td>VWR</td><td>P285</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat, 660E&nbsp ;</td><td>CH Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Pt wire</td><td>Alfa Aesar</td><td>10956-BS</td><td></td></tr><tr><td>Microscope électronique à balayage, Apreo C SEM</td><td>Thermo Fischer Scientific</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Siwafer Ted</td><td>Pella</td><td>16006</td><td></td></tr><tr><td>Nanoparticules d’argent (nanosphères), NanoXact 0,02 mg/mL dans 2 mM</td> de <td>citrate nanoComposix</td><td>AGCN60</td><td></td></tr><tr><td>Pastilles d’argent, 99,99 % pur</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMAG40EXE-A</td><td></td></tr><tr><td>Slide Rack, Wash-N-Dry</td><td>Diversified Biotech</td><td>WSDR-2000</td><td></td></tr><tr><td>Smartphone, iPhone 13 mini</td><td>Apple</td><td>N.A. </td><td></td></tr><tr><td>Phosphate de sodium dibasique heptahydraté</td><td>Spectromètre VWR</td><td>0348</td><td></td></tr><tr><td>, IsoPlane SCT320</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Essuie-glaces pour tissus légers&nbsp ;</td><td>VWR</td><td>82003-820</td><td></td></tr><tr><td>Pince à épiler, KS-04</td><td>Kaisi Hardware</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Générateur utrasique, balayageSONIK</td><td>Blackstone-NEY Ultrasonics</td><td>809379</td><td></td></tr><tr><td>Ultrapurificateur d’eau, Sartorius Arium mini</td><td>Sartorius</td><td>N.A.</td><td></td></tr></tbody></table>

suivi de l’électrochimie sur des nanoparticules uniques avec la spectroscopie de diffusion raman améliorée en surface et la microscopie

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

L’étude des réactions électrochimiques sur des nanoparticules uniques est importante pour comprendre les performances hétérogènes des nanoparticules individuelles. Cette hétérogénéité à l’échelle nanométrique reste cachée lors de la caractérisation moyenne d’ensemble des nanoparticules. Des techniques électrochimiques ont été développées pour mesurer les courants de nanoparticules uniques, mais ne fournissent pas d’informations sur la structure et l’identité des molécules qui subissent des réactions à la surface de l’électrode. Les techniques optiques telles que la microscopie et la spectroscopie à diffusion Raman améliorée par surface (SERS) peuvent détecter des événements électrochimiques sur des nanoparticules individuelles tout en fournissant simultanément des informations sur les modes vibratoires des espèces de surface des électrodes. Dans cet article, un protocole pour suivre l’oxydoréduction électrochimique du bleu du Nil (NB) sur des nanoparticules Ag simples à l’aide de la microscopie et de la spectroscopie SERS est démontré. Tout d’abord, un protocole détaillé pour la fabrication de nanoparticules d’Ag sur un film d’Ag lisse et semi-transparent est décrit. Un mode plasmon dipolaire aligné le long de l’axe optique est formé entre une seule nanoparticule Ag et un film Ag. L’émission SERS de NB fixée entre la nanoparticule et le film est couplée en mode plasmon, et l’émission à angle élevé est recueillie par un objectif au microscope pour former un motif d’émission en forme de beignet. Ces modèles d’émission SERS en forme de beignet permettent l’identification sans ambiguïté de nanoparticules uniques sur le substrat, à partir desquelles les spectres SERS peuvent être collectés. Dans ce travail, une méthode d’utilisation du substrat SERS comme électrode de travail dans une cellule électrochimique compatible avec un microscope optique inversé est fournie. Enfin, le suivi de l’oxydoréduction électrochimique des molécules NB sur une nanoparticule Ag individuelle est montré. La configuration et le protocole décrits ici peuvent être modifiés pour étudier diverses réactions électrochimiques sur des nanoparticules individuelles.

La figure 2A montre des substrats à couche mince Ag préparés à l’aide d’un système de dépôt de métal par faisceau d’électrons. Le « bon » substrat illustré à la figure 2A a une couverture homogène d’Ag métal sur la lamelle de verre, tandis que le « mauvais » substrat a une couverture non uniforme d’Ag. Le spectre ultraviolet-visible du « bon » film mince d’Ag est illustré à la figure 2B, qui démontre que le film est partiellement tr...

Le protocole décrit comment surveiller les événements électrochimiques sur des nanoparticules uniques à l’aide de la spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface et de l’imagerie.

Suivi de l’électrochimie sur des nanoparticules uniques avec la spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface et la microscopie

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This ...

Un thème commun dans notre recherche est l’utilisation des interactions lumière-matière et de l’énergie électrique pour mesurer, conduire et contrôler les transformations chimiques interfaciales à l’échelle nanométrique. En particulier, nous cherchons à comprendre comment les environnements locaux et les intermédiaires de réaction affectent la sélectivité en catalyse électrique. Les transformations catalytiques sont traditionnellement évaluées avec des mesures moyennes d’ensemble des produits et des attributs du catalyseur.Les défis de la production sélective de produits chimiques comprennent la réduction de cette moyenne de mesure tout en maintenant la sensibilité de mesure, afin que nous puissions mieux comprendre les actions des molécules individuelles dans les sites réactifs du catalyseur. Les techniques électrochimiques seules ne fournissent aucune information chimique sur les espèces qui se forment et se transforment à la surface de l’électrode. Notre protocole permet des mesures électrochimiques sur une seule nanoparticule en utilisant la spectroscopie vibrationnelle comme lecture, permettant des corrélations entre les processus électrochimiques et les changements moléculaires.À l’avenir, notre laboratoire continuera de repousser les limites de la résolution des mesures et de l’espace et du temps pour comprendre les processus chimiques et matériels au niveau de la molécule unique et à l’échelle de temps des réactions chimiques.

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Recherche

JoVE Journal

Chemistry

Chimie

Nous décrivons la fabrication et la caractérisation de systèmes nano-biologiques intercalant des substrats nanostructurés avec des protéines immobilisées et des aptamères. Les étapes expérimentales pertinentes impliquant la fabrication lithographique de substrats nanostructurés, la biofonctionnalisation et la caractérisation par spectroscopie Raman améliorée de surface (SERS) sont rapportées. La détection SERS des protéines immobilisées en surface, et le sondage de la liaison protéine-ligand et...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Détection de biomolécules Utilisation EBL fabrication des substrats nanostructurés

Un procédé pour la fabrication et la réalisation de la surface de filtrage du type spectroscopique Raman améliorée (SERS) essai pour la détection de contaminants chimiques (par exemple, un pesticide et ferbame antibiotique ampicilline) est présentée.

Une surface à base de filtre-Enhanced Raman spectroscopique test pour la détection rapide des contaminants chimiques

Le présent protocole décrit une approche pratique pour intégrer le piégeage optique et la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS) pour manipuler des nanoparticules plasmoniques pour la détection moléculaire sensible. Sans agents d’agrégation, le laser de piégeage assemble des nanoparticules plasmoniques pour améliorer les signaux SERS des analytes cibles pour des mesures spectroscopiques in situ .

Piégeage optique de nanoparticules plasmoniques pour la caractérisation in situ de la spectroscopie Raman améliorée en surface

Ce protocole démontre des mesures SERS (surface-enhanced Raman scattering) à molécule unique à l’aide d’une nanoantenne d’origami d’ADN (DONA) combinée à la microscopie à force atomique colocalisée (AFM) et aux mesures Raman.

Mesures de diffusion Raman améliorées en surface à molécule unique rendues possibles par des nanoantennes d’origami d’ADN plasmonique

Dans cette étude, nous avons développé une nanosonde d’empreintes digitales basée sur la diffusion Raman améliorée en surface (SERS) à faible coût avec une biocompatibilité favorable pour montrer la bioimagerie de cellules vivantes sans marquage et détecter deux souches bactériennes, montrant en détail comment obtenir des spectres SERS de cellules vivantes dans une méthode non destructive.

Bioanalyse de diffusion Raman sans marquage à surface améliorée basée sur des nanosondes à Au@Carbon points

Un protocole est décrit pour la caractérisation des paramètres électrochimiques clés d’une électrode en diamant dopé au bore (BDD) et l’application ultérieure pour des expériences de génération de pH in situ.

Évaluation des dopé au bore Diamant électrode qualité et l&#39;application de<em&gt; In Situ</em&gt; Modification du pH local par électrolyse de l&#39;eau

Une méthode de fonctionnalisation de nanotubes de carbone avec des couches d’encapsulation polymérique réglables à la structure et de caractérisation structurale à l’aide de la diffusion de neutrons aux petits angles est présentée.

Fonctionnalisation de Simple paroi Carbon Nanotubes avec Thermo-réversibles Copolymères blocs et Caractérisation par petits angles de diffusion neutronique

Ici, nous introduisons des protocoles expérimentaux pour l’observation en temps réel d’un processus d’auto-assemblage à l’aide de la microscopie électronique à transmission liquide-cellule.

Microscopie électronique à Transmission liquide-cellule suivi auto-assemblage des nanoparticules

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.

Observation et analyse de clignement diffusion Raman exaltée de Surface

Nous présentons ici un protocole visant à étudier la structure et la dynamique de l’eau interfaciale à l’échelle atomique, en ce qui concerne l’imagerie de résolution submolecular, la manipulation moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle-liaison simple.

Sonder la Structure et la dynamique de l’eau interfaciale avec Scanning Tunneling microscope et spectroscopie

Découvrez le suivi des événements électrochimiques sur des nanoparticules uniques par spectroscopie Raman exaltée de surface. Cette méthode permet de corréler les processus électrochimiques avec les changements moléculaires à l'échelle nanométrique.

Suivi de l’électrochimie sur des nanoparticules uniques avec la spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface et la microscopie (Vidéo) | JoVE Journal

Suivi de l’électrochimie sur des nanoparticules uniques avec la spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface et la microscopie

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