Name: Monitoraggio dellelettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione Raman potenziate dalla superficie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-05-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 59 s
Description: Scopri il monitoraggio elettrochimico su singole nanoparticelle mediante spettroscopia Raman potenziata dalla superficie. Questo metodo consente di correlare processi elettrochimici e trasformazioni molecolari per studiare la catalisi nanometrica.

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Questo lavoro è stato supportato da fondi iniziali dell'Università di Louisville e finanziamenti da Oak Ridge Associated Universities attraverso un Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Gli autori ringraziano il Dr. Ki-Hyun Cho per aver creato l'immagine nella Figura 1. La deposizione di metallo e il SEM sono stati eseguiti presso il Micro/Nano Technology Center dell'Università di Louisville.

Analisi delle prestazioni eterogenee di singole nanoparticelle con metodi elettrochimici

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Il deposito di pellicole metalliche sottili di Cu e Ag su vetrini puliti è fondamentale per garantire che il film finale abbia una rugosità non superiore a due o quattro strati atomici (o una rugosità quadrata media della radice inferiore o uguale a circa 0,7 nm). Polvere, graffi e detriti presenti sul coprislip prima della deposizione del metallo sono problemi comuni che impediscono la fabbricazione del film liscio necessario per produrre modelli di emissione a forma di ciambella. Pertanto, si consiglia di sonicare i ve...

L'elettrochimica è un'importante scienza di misurazione per studiare il trasferimento di carica, l'accumulo di carica, il trasporto di massa, ecc., Con applicazioni in diverse discipline, tra cui biologia, chimica, fisica e ingegneria 1,2,3,4,5,6,7 . Convenzionalmente, l'elettrochimica comporta misurazioni su un insieme - una vasta collezione di singole entità come molecole, domini cristallini, nanoparticelle e siti superficiali. Tuttavia, comprendere come tali singole entità contribuiscano alle risposte mediate dall'insieme è la chiave per portare avanti nuove comprensioni fondamentali e meccanicistiche in chimica e campi correlati a causa dell'eterogeneità delle superfici degli elettrodi in ambienti elettrochimici complessi 8,9. Ad esempio, la riduzione dell'insieme ha rivelato potenziali di riduzione/ossidazione sito-specifici 10, la formazione di intermedi e prodotti di catalisi minori 11, cinetica di reazione sito-specifica 12,13 e dinamica del portatore di carica 14,15. Ridurre la media degli ensemble è particolarmente importante per migliorare la nostra comprensione oltre i sistemi modello ai sistemi applicati, come le celle biologiche, l'elettrocatalisi e le batterie, in cui si trova spesso un'ampia eterogeneità 16,17,18,19,20,21,22.
Nell'ultimo decennio circa, c'è stato un emergere di tecniche per studiare l'elettrochimica a singola entità 1,2,9,10,11,12. Queste misure elettrochimiche hanno fornito la capacità di misurare piccole correnti elettriche e ioniche in diversi sistemi e hanno rivelato nuove caratteristiche chimiche e fisiche fondamentali 23,24,25,26,27,28. Tuttavia, le misurazioni elettrochimiche non forniscono informazioni sull'identità o sulla struttura di molecole o intermedi sulla superficie dell'elettrodo 29,30,31,32. Le informazioni chimiche all'interfaccia elettrodo-elettrolita sono fondamentali per comprendere le reazioni elettrochimiche. La conoscenza chimica interfacciale è tipicamente ottenuta accoppiando l'elettrochimica con la spettroscopia31,32. La spettroscopia vibrazionale, come lo scattering Raman, è adatta a fornire informazioni chimiche complementari sul trasferimento di carica e sugli eventi correlati nei sistemi elettrochimici che utilizzano prevalentemente, ma non sono limitati a, solventi acquosi30. Accoppiata con la microscopia, la spettroscopia di scattering Raman fornisce una risoluzione spaziale fino al limite di diffrazione della luce33,34. La diffrazione presenta tuttavia una limitazione, poiché le nanoparticelle e i siti superficiali attivi sono di lunghezza inferiore rispetto ai limiti di diffrazione ottica, il che, quindi, preclude lo studio delle singole entità35.
Lo scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) ha dimostrato di essere un potente strumento nello studio della chimica interfacciale nelle reazioni elettrochimiche 20,30,36,37,38. Oltre a fornire le modalità vibrazionali delle molecole dei reagenti, delle molecole di solvente, degli additivi e della chimica superficiale degli elettrodi, SERS fornisce un segnale localizzato sulla superficie dei materiali che supportano le oscillazioni collettive degli elettroni di superficie, note come risonanze plasmoniche di superficie localizzate. L'eccitazione delle risonanze plasmoniche porta alla concentrazione di radiazione elettromagnetica sulla superficie del metallo, aumentando così sia il flusso di luce verso che la dispersione Raman dagli adsorbati superficiali. I metalli nobili nanostrutturati come Ag e Au sono materiali plasmonici comunemente usati perché supportano le risonanze plasmoniche a luce visibile, che sono desiderabili per rilevare l'emissione con dispositivi ad accoppiamento di carica altamente sensibili ed efficienti. Sebbene i maggiori miglioramenti in SERS provengano da aggregati di nanoparticelle39,40, è stato sviluppato un nuovo substrato SERS che consente misurazioni SERS da singole nanoparticelle: substrato SERS gap-mode (Figura 1)41,42. Nei substrati SERS gap-mode, uno specchio metallico viene fabbricato e rivestito con un analita. Successivamente, le nanoparticelle vengono disperse sul substrato. Quando irradiato con luce laser polarizzata circolarmente, viene eccitata una risonanza plasmonica dipolare formata dall'accoppiamento della nanoparticella e del substrato, che consente misurazioni SERS su singole nanoparticelle. L'emissione SERS è accoppiata alla risonanza plasmonica dipolare43,44,45, che è orientata lungo l'asse ottico. Con l'allineamento parallelo del dipolo elettrico radiante e dell'ottica di raccolta, viene raccolta solo l'emissione ad alto angolo, formando così distinti modelli di emissione a forma di ciambella46,47,48,49 e consentendo l'identificazione di singole nanoparticelle. Gli aggregati di nanoparticelle sul substrato contengono dipoli radianti che non sono paralleli all'asse ottico50. In quest'ultimo caso, le emissioni a basso e alto angolo sono raccolte e formano modelli di emissione solidi46.
Qui, descriviamo un protocollo per la fabbricazione di substrati SERS gap-mode e una procedura per impiegarli come elettrodi di lavoro per monitorare eventi redox elettrochimici su singole nanoparticelle Ag usando SERS. È importante sottolineare che il protocollo che utilizza substrati SERS gap-mode consente l'identificazione univoca di singole nanoparticelle mediante imaging SERS, che è una sfida chiave per le attuali metodologie nell'elettrochimica delle singole nanoparticelle. Come sistema modello, dimostriamo l'uso di SERS per fornire una lettura della riduzione elettrochimica e dell'ossidazione del Nile Blue A (NB) su una singola nanoparticella Ag guidata da un potenziale di scansione o a gradini (cioè voltammetria ciclica, cronoamperometria). NB subisce una reazione di riduzione/ossidazione multi-protone e multi-elettroni in cui la sua struttura elettronica è modulata fuori / in risonanza con la sorgente di eccitazione, che fornisce un contrasto nei corrispondenti spettri SERS 10,51,52. Il protocollo qui descritto è applicabile anche alle molecole redox-attive non risonanti e alle tecniche elettrochimiche, che possono essere pertinenti ad applicazioni come l'elettrocatalisi.

<table><tbody><tr><td>Acetone, grado microelettronico</td><td>J. T. Baker</td><td>9005-05</td><td></td></tr><tr><td>Pipetta regolabile, Eppendorf Reference 2 5000 mL</td><td>Eppendorf</td><td>4924000100</td><td></td></tr><tr><td>Bilancia analitica, AB54-S/FACT</td><td>Metter Toledo</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio a forza atomica, Easy scan 2</td><td>Nanosurf</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>AXXIS Sistema di deposizione di film sottili a fascio di elettroni</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Spettrofotometro UV-Vis Cary 60</td><td>Agilent</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Resina epossidica conduttiva, in due parti</td><td>Microscopia elettronica Sciences</td><td>12642-14</td><td></td></tr><tr><td>Pellet di rame, puro al 99,99%</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCU40EXE</td><td></td></tr><tr><td>Filo di rame, nudo, 18 AWG</td><td>VWR</td><td>66248-040</td><td></td></tr><tr><td>Crogiolo, grafite E-Beam</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVCEB-23</td><td></td></tr><tr><td>Graffiatore a diamante</td><td>Ted Pella</td><td>54484</td><td></td></tr><tr><td>Telecamera EMCCD, ProEM HS: 1024BX3</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Epossidica, Colla</td><td>Gorilla Trasparente</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Tagliatubi in vetro</td><td>Wheeler-Rex</td><td>69012</td><td></td></tr><tr><td>Tubo in vetro, borosilicato (OD 0,75", ID 0,62", L 12")</td><td>McMaster-Carr</td><td>8729K45</td><td></td></tr><tr><td>Olio da immersione, tipo F</td><td>Olympus</td><td>IMMOIL-F30CC</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio invertito, IX73</td><td>Olympus</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Laser, Excelsior One 642 nm Spazio libero</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 vetro di copertura (vetrini coprioggetti), 24& 60 mm No. 1</td><td>VWR</td><td>48404-455</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio Smartphone Fotocamera Adattatore</td><td>qhma</td><td>QHMC017A-S01</td><td></td></tr><tr><td>Nile Blue A,</td><td>Acros Organics</td> puro <td>415690100</td><td></td></tr><tr><td>Azoto, Ultra puro, Gas</td><td>speciali</td> compressi <td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Obiettivo, UPLanXApo 100&times; </td> Film di poliimmide <td>Olympus</td><td>14-910</td><td></td>ad immersione in olio</tr><tr><td>, potenziostato Kapton</td><td>3M</td><td>16089-4</td><td></td></tr><tr><td>Fosfato di potassio monobasico</td><td>VWR</td><td>P285</td><td></td></tr><tr><td>, 660E&nbsp;</td><td>CH Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Filo Pt</td><td>Alfa Aesar</td><td>10956-BS</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio elettronico a scansione, Apreo C SEM</td><td>Thermo Fischer Scientific</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Si wafer</td><td>Ted Pella</td><td>16006</td><td></td></tr><tr><td>Nanoparticelle d'argento (nanosfere), NanoXact 0,02 mg/mL in 2 mM citrato</td><td>nanoComposix</td><td>AGCN60</td><td></td></tr><tr><td>Pellet d'argento, Kurt</td><td>J. Lesker</td> puro al 99,99% <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>Spettrometro <td>VWR</td><td>0348</td><td></td> <td>di fosfato di sodio eptaidrato bibasico</td></tr><tr><td>, IsoPlane SCT320</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Tergicristalli per fazzoletti leggeri</td><td>VWR</td><td>82003-820</td><td></td></tr><tr><td>Pinzette, KS-04</td><td>Kaisi Hardware</td><td>N.A.</td><td></td></tr><tr><td>Generatore Utrasonic, sweepSONIK</td><td>Blackstone-NEY Ultrasonics</td><td>809379</td><td></td></tr><tr><td>Ultrapurificatore d'acqua, Sartorius Arium mini</td><td>Sartorius</td><td>N.A.</td><td></td></tr></tbody></table>

monitoraggio dell'elettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione raman potenziate dalla superficie

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

Lo studio delle reazioni elettrochimiche su singole nanoparticelle è importante per comprendere le prestazioni eterogenee delle singole nanoparticelle. Questa eterogeneità su scala nanometrica rimane nascosta durante la caratterizzazione mediata dell'insieme delle nanoparticelle. Sono state sviluppate tecniche elettrochimiche per misurare le correnti da singole nanoparticelle, ma non forniscono informazioni sulla struttura e l'identità delle molecole che subiscono reazioni sulla superficie dell'elettrodo. Le tecniche ottiche come la microscopia e la spettroscopia SERS (surface-enhanced Raman scattering) possono rilevare eventi elettrochimici su singole nanoparticelle fornendo contemporaneamente informazioni sulle modalità vibrazionali delle specie di superficie degli elettrodi. In questo articolo, viene dimostrato un protocollo per tracciare la riduzione elettrochimica dell'ossidazione del blu del Nilo (NB) su singole nanoparticelle Ag utilizzando la microscopia e la spettroscopia SERS. In primo luogo, viene descritto un protocollo dettagliato per la fabbricazione di nanoparticelle di Ag su un film Ag liscio e semitrasparente. Un modo plasmone dipolare allineato lungo l'asse ottico è formato tra una singola nanoparticella Ag e un film Ag. L'emissione SERS da NB fissata tra la nanoparticella e il film è accoppiata nella modalità plasmone e l'emissione ad alto angolo viene raccolta da un obiettivo al microscopio per formare un modello di emissione a forma di ciambella. Questi modelli di emissione SERS a forma di ciambella consentono l'identificazione univoca di singole nanoparticelle sul substrato, da cui è possibile raccogliere gli spettri SERS. In questo lavoro, viene fornito un metodo per impiegare il substrato SERS come elettrodo di lavoro in una cella elettrochimica compatibile con un microscopio ottico invertito. Infine, viene mostrato il monitoraggio della riduzione elettrochimica dell'ossidazione delle molecole NB su una singola nanoparticella Ag. La configurazione e il protocollo qui descritti possono essere modificati per studiare varie reazioni elettrochimiche su singole nanoparticelle.

La figura 2A mostra i substrati a film sottile di Ag preparati utilizzando un sistema di deposizione di metallo a fascio di elettroni. Il substrato "buono" mostrato in Figura 2A ha una copertura omogenea di metallo Ag sopra il vetrino, mentre il substrato "cattivo" ha una copertura non uniforme di Ag. Lo spettro ultravioletto-visibile del film sottile Ag "buono" è mostrato nella Figura 2B, che dimostra che il film è parzialmente tra...

Il protocollo descrive come monitorare gli eventi elettrochimici su singole nanoparticelle utilizzando la spettroscopia e l'imaging di scattering Raman potenziati dalla superficie.

Monitoraggio dell'elettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione Raman potenziate dalla superficie

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

Un tema comune nella nostra ricerca è l'utilizzo delle interazioni della materia leggera e dell'energia elettrica per misurare, guidare e controllare le trasformazioni chimiche interfacciali su scala nanometrica. In particolare, cerchiamo di capire come gli ambienti locali e gli intermedi di reazione influenzano la selettività nella catalisi elettrica. Le trasformazioni catalitiche sono tradizionalmente valutate con misurazioni medie complessive dei prodotti e degli attributi del catalizzatore.Le sfide di frontiera per produrre prodotti chimici in modo selettivo includono la riduzione di questa media di misurazione mantenendo la sensibilità di misurazione, in modo da poter comprendere meglio le azioni delle singole molecole nei siti reattivi del catalizzatore. Le tecniche elettrochimiche da sole non forniscono alcuna informazione chimica sulle specie che si formano e si trasformano sulla superficie dell'elettrodo. Il nostro protocollo consente misurazioni elettrochimiche su una singola nanoparticella utilizzando la spettroscopia vibrazionale come lettura, consentendo correlazioni tra processi elettrochimici e cambiamenti molecolari.Andando avanti, il nostro laboratorio continuerà a spingere i confini della risoluzione delle misure e dello spazio e del tempo per comprendere i processi chimici e materiali a livello di singola molecola e alla scala temporale delle reazioni chimiche.

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Descriviamo la fabbricazione e la caratterizzazione di sistemi nanobiologici che interfacciano substrati nanostrutturati con proteine immobilizzate e aptameri. Vengono riportate le fasi sperimentali rilevanti che coinvolgono la fabbricazione litografica di substrati nanostrutturati, la biofunzionalizzazione e la caratterizzazione della spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS). È stata dimostrata la rilevazione SERS di proteine immobilizzate in superficie e il sondaggio del legame...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Rilevamento di Biomolecole Utilizzando EBL manufatti nanostrutturati Substrati

Procedimento per la fabbricazione ed eseguendo la superficie filtro Enhanced Raman spettroscopiche (SERS) Test per l'individuazione dei contaminanti chimici (cioè, ferbam pesticidi e ampicillina) è presentata.

Una Superficie-filtro basato avanzata Raman spettroscopica Assay per Rapid individuazione dei contaminanti chimici

Il presente protocollo descrive un approccio conveniente per integrare l'intrappolamento ottico e la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS) per manipolare nanoparticelle plasmoniche per il rilevamento molecolare sensibile. Senza agenti aggreganti, il laser trappola assembla nanoparticelle plasmoniche per migliorare i segnali SERS degli analiti target per misurazioni spettroscopiche in situ .

Intrappolamento ottico di nanoparticelle plasmoniche per la caratterizzazione della spettroscopia Raman potenziata dalla superficie in situ

Questo protocollo dimostra misurazioni di scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) a singola molecola utilizzando una nanoantenna origami di DNA (DONA) combinata con microscopia a forza atomica colocalizzata (AFM) e misurazioni Raman.

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In questo studio, abbiamo sviluppato una nanosonda di impronte digitali basata su diffusione Raman potenziata dalla superficie (SERS) a basso costo con biocompatibilità favorevole per mostrare il bioimaging delle cellule vive senza etichetta e rilevare due ceppi batterici, mostrando in dettaglio come ottenere spettri SERS di cellule viventi in un metodo non distruttivo.

Bioanalisi dello scattering Raman senza etichetta potenziata dalla superficie basata su nanosonde a Au@Carbon punti

Un protocollo è descritto per la caratterizzazione dei parametri chiave elettrochimici di boro diamante drogato (BDD) elettrodo e la successiva domanda di esperimenti in situ generazione pH.

Valutazione del Boro Doped Diamante elettrodi Qualità e applicazioni per<em&gt; In Situ</em&gt; Modifica del pH locale da acqua Elettrolisi

Viene presentato un metodo per la funzionalizzazione di nanotubi di carbonio con strati di incapsulamento polimerico regolabili con struttura e caratterizzazione strutturale utilizzando la diffusione di neutroni a piccolo angolo.

Funzionalizzazione di single-walled nanotubi di carbonio con termo-reversibili Block Copolimeri e caratterizzazione da piccolo angolo Neutron Scattering

Qui introduciamo protocolli sperimentali per l'osservazione in tempo reale di un processo auto-assemblaggio mediante microscopia elettronica a trasmissione di liquido-cella.

Microscopia elettronica in trasmissione di liquidi-cellula per l'inseguimento auto-assemblaggio delle nanoparticelle

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Osservazione e analisi del lampeggiante superficie-enhanced Raman Scattering

Qui, presentiamo un protocollo per studiare la struttura e la dinamica di acqua interfaccia su scala atomica, in termini di risoluzione submolecular imaging, manipolazione molecolare e spettroscopia vibrazionale singolo-legame.

La struttura e la dinamica di acqua interfaccia con Tunneling di microscopia e spettroscopia di sondaggio

Scopri il monitoraggio elettrochimico su singole nanoparticelle mediante spettroscopia Raman potenziata dalla superficie. Questo metodo consente di correlare processi elettrochimici e trasformazioni molecolari per studiare la catalisi nanometrica.

Monitoraggio dellelettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione Raman potenziate dalla superficie (Video) | JoVE Journal

Monitoraggio dell'elettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione Raman potenziate dalla superficie

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