表面増強ラマン散乱分光法および顕微鏡法による単一ナノ粒子の電気化学の追跡

サマリー

このプロトコルでは、表面増強ラマン散乱分光法とイメージングを使用して、単一ナノ粒子上の電気化学的事象をモニタリングする方法について説明しています。

要約

単一ナノ粒子の電気化学反応を研究することは、個々のナノ粒子の不均一性能を理解するために重要です。このナノスケールの不均一性は、ナノ粒子のアンサンブル平均特性評価中に隠されたままです。電気化学的手法は、単一のナノ粒子からの電流を測定するために開発されていますが、電極表面で反応する分子の構造と同一性に関する情報は提供されていません。表面増強ラマン散乱(SERS)顕微鏡や分光法などの光学技術は、個々のナノ粒子の電気化学的事象を検出すると同時に、電極表面種の振動モードに関する情報を提供することができます。この論文では、SERS顕微鏡と分光法を使用して、単一のAgナノ粒子上のナイルブルー(NB)の電気化学的酸化還元を追跡するプロトコルが示されています。まず、平滑で半透明のAg膜上にAgナノ粒子を作製するための詳細なプロトコルについて説明する。光軸に沿って整列した双極プラズモンモードが、単一のAgナノ粒子とAg膜との間に形成される。ナノ粒子と膜の間に固定されたNBからのSERS発光をプラズモンモードに結合し、高角度発光を顕微鏡対物レンズで収集してドーナツ型の発光パターンを形成します。これらのドーナツ型のSERS発光パターンにより、基板上の単一のナノ粒子を明確に識別でき、そこからSERSスペクトルを収集することができます。この研究では、倒立光学顕微鏡と互換性のある電気化学セルにおける作用電極としてSERS基板を採用するための方法が提供される。最後に、個々のAgナノ粒子上のNB分子の電気化学的酸化還元の追跡が示されている。ここで説明するセットアップとプロトコルを変更して、個々のナノ粒子上のさまざまな電気化学反応を研究することができます。

概要

電気化学は、電荷移動、電荷貯蔵、物質輸送などを研究するための重要な測定科学であり、生物学、化学、物理学、工学など、さまざまな分野で応用されています1,2,3,4,5,6,7 .従来、電気化学には、分子、結晶ドメイン、ナノ粒子、表面サイトなどの単一のエンティティの大規模なコレクションであるアンサンブルを介した測定が含まれます。しかし、このような単一の実体がアンサンブル平均応答にどのように寄与するかを理解することは、複雑な電気化学的環境における電極表面の不均一性のために、化学および関連分野で新しい基本的および機構的理解をもたらすための鍵となります^8,9。例えば、アンサンブル還元は、部位特異的な還元/酸化電位10、中間体およびマイナー触媒生成物¹¹の形成、部位特異的反応速度論12,13、および電荷担体ダイナミクス^14,15を明らかにした。アンサンブル平均化を減らすことは、モデルシステムを超えて、広範な異質性がしばしば見られる生物細胞、電気触媒、電池などの応用システムへの理解を深める上で特に重要です16,17,18,19,20,21,22。

過去10年ほどで、単一エンティティ電気化学1,2,9,10,11,12を研究する技術が登場しました。これらの電気化学的測定は、いくつかのシステムにおいて小さな電気およびイオン電流を測定する能力を提供し、新しい基本的な化学的および物理的特性を明らかにした23、^24、25、²⁶、^27、28。しかしながら、電気化学的測定は、電極表面²⁹、^30、31、32における分子または中間体の同一性または構造に関する情報を提供しない。電極-電解質界面の化学情報は、電気化学反応を理解する上で中心的な役割を果たします。界面化学的知識は、典型的には、電気化学を分光法^31、32と結合させることによって得られる。ラマン散乱などの振動分光法は、水性溶媒³⁰を主として利用する電気化学システムにおける電荷移動および関連事象に関する補完的な化学情報を提供するのに適している。顕微鏡と組み合わせたラマン散乱分光法は、光の回折限界までの空間分解能を提供します^33,34。しかしながら、ナノ粒子および活性表面部位は光学回折限界よりも長さが短いため、回折は限界を提示し、したがって、個々の実体の研究を排除する³⁵。

表面増強ラマン散乱(SERS)は、電気化学反応における界面化学を研究する上で強力なツールであることが実証されています20,30,36,37,38。SERSは、反応分子、溶媒分子、添加剤、および電極の表面化学の振動モードを提供することに加えて、局在型表面プラズモン共鳴として知られる集団表面電子振動をサポートする材料の表面に局在する信号を提供します。プラズモン共鳴の励起は、金属の表面での電磁放射の濃度をもたらし、したがって、表面吸着物への光束および表面吸着物からのラマン散乱の両方を増加させる。AgやAuなどのナノ構造貴金属は、可視光プラズモン共鳴を支持するため、プラズモニック材料として一般的に用いられており、高感度で効率的な電荷結合素子による発光検出に望ましい。SERSの最大の強化はナノ粒子の凝集体によるものですが^39,40、個々のナノ粒子からのSERS測定を可能にする新しいSERS基板が開発されました:ギャップモードSERS基板(図1)^41,42。ギャップモードSERS基板では、金属ミラーが製造され、分析種でコーティングされています。次に、ナノ粒子を基板上に分散させる。円偏光レーザー光を照射すると、ナノ粒子と基板の結合によって形成される双極プラズモン共鳴が励起され、ナノ粒子単体のSERS測定が可能になります。SERS発光は、光軸に沿って配向された双極プラズモン共鳴⁴³、^44、45に結合される。放射する電気双極子と収集光学系の平行な位置合わせにより、高角度の発光のみが収集され、明確なドーナツ型の発光パターン⁴⁶、^47、48、⁴⁹を形成し^、単一のナノ粒子の識別を可能にします。基板上のナノ粒子の凝集体は、光軸⁵⁰に平行でない放射双極子を含む。この後者の場合、低角および高角度放射が収集され、固体放出パターン⁴⁶を形成する。

ここでは、ギャップモードSERS基板を作製するためのプロトコルと、SERSを使用して単一のAgナノ粒子上の電気化学的酸化還元イベントをモニターするための作用電極として使用する手順について説明します。重要なことに、ギャップモードSERS基質を使用するプロトコルは、単一ナノ粒子電気化学における現在の方法論にとって重要な課題であるSERSイメージングによる単一ナノ粒子の明確な同定を可能にします。モデルシステムとして、SERSを使用して、スキャンまたは段階電位によって駆動される単一のAgナノ粒子上のナイルブルーA(NB)の電気化学的還元と酸化の読み取り値を提供する方法を示します(つまり、サイクリックボルタンメトリー、クロノアンペロメトリー)。NBは、その電子構造が励起源と共鳴して変調される多プロトン、多電子還元/酸化反応を受け、対応するSERSスペクトル10,51,52にコントラストを提供します。ここで説明するプロトコルは、非共鳴酸化還元活性分子および電気化学的手法にも適用可能であり、電気触媒などの用途に関連する可能性があります。

プロトコル

1. ギャップモードSERS基板作製

1. No.1カバースリップ( 材料表を参照)は、以下に説明するように、アセトンと水洗浄を使用して清掃します。クリーンルームでこの手順を実行して、破片やその他の不要な物質がカバーガラスに堆積しないようにします。
   1. カバーガラスをスライドラックに置きます。カバーガラス/基板を移動するときはピンセットを使用してください。スライドラックをガラス容器に入れ、アセトンで満たします。
      注意: アセトンは非常に可燃性であり、健康に悪影響を与える可能性があります。手袋、ゴーグル、マスクを使用して換気の良い場所で取り扱ってください。
   2. 超音波発生器の電力制御を8に調整し、スライドラックでガラス容器を15分間超音波処理します。
   3. スライドラックを容器から取り出し、スライドラックとカバーガラスを超純水(抵抗率18.2MΩ・cm)で十分にすすいでください。
   4. カバーガラス付きのスライドラックをガラス容器に入れ、超純水を入れます。同じ設定を使用して、スライドラックでガラス容器をさらに15分間超音波処理します。
   5. スライドラックを容器から取り出し、スライドラックとカバーガラスを超純水で十分に洗浄します。
   6. スプレーガンを使用して、高純度のN₂ ガスの流れでカバーガラスを乾燥させます。
2. クリーニングしたカバーガラスにCuとAgを堆積させます。これを行うには、公式のユーザーマニュアルで製造元が推奨しているように、標準的な手順に従って電子ビーム薄膜堆積システムを使用します。
   注意: その他の寄託については、施設⁵³で提供されているように、製造元の指示に従ってください。
   1. プラテンの位置を180°に設定し、真空チャンバーを通気します。
   2. きれいなカバースリップを機器のプラテンに並べて配置し、重ならないようにします。耐熱粘着テープ(ポリイミドフィルム)を使用して、カバーガラスをプラテンに貼り付けます。
      注意: これにより、手順中にカバーガラスが移動したり落下したりすることがなくなります。
   3. 黒鉛るつぼの半分にCuペレットを充填し、るつぼホルダーに挿入します。2番目のるつぼのAgについても同じことを行います。真空チャンバーを閉じて、ポンプダウンを開始します。推奨される堆積圧力は10−⁷〜10^−6Torr のオーダーです。
   4. Cu特性をセンサーのアプリケーションにロードします。プラテンの回転を20RPMでオンにします。プラテンの位置を225°に設定します。
      注意: これにより、電子ビームがビューポートから見えるようにミラーがプラテンの底に配置されます。
   5. 電子ビーム電源へのブレーカーをオンにし、少なくとも2分間待ちます。電子ビームをオンにして、さらに2分間待ちます。基板シャッターを開きます。
      注意: これにより、ビームとるつぼが鏡を通して見えるようになります。
   6. センサーが10 Å/sに近い堆積速度を読み取るまで、徐々に(約10 mA/minで)放射電流を増やします。シャッターを閉じ、プラテン位置を0°に設定します。
      注意: このプロセス中にビームの形状が変わる場合があります。このステップでは定期的にチェックし、それぞれのノブを使用して位置、振幅、周波数を修正することが重要です。ビームはるつぼの内容物を均一に加熱していなければなりません。この時点でシャッターを閉じると、プラテンが回転してカバースリップが蒸発した金属の経路に配置されるときに、サンプルに金属が堆積することはありません。
   7. シャッターを開いて堆積を開始し、センサーに表示される厚さを監視します。蒸着センサーによって決定されたように、所望の厚さ(Cuの場合は1nm)に達したらシャッターを閉じます。
   8. センサーが0 A近くを読み取るまで電子ビームの電流を徐々に減らしますが、電流はるつぼが見えるほど十分に高くなります。
   9. プラテンの位置を225°に設定し、シャッターを開いてるつぼが見えるようにします。
   10. ノブを使用してるつぼホルダーを回転させ、ビームがAgペレットでるつぼに向けられるようにします。
   11. Ag プロパティをセンサーのアプリケーションに読み込みます。手順1.2.6〜1.2.7を繰り返しますが、Agには20 Å / sの堆積速度と25nmの厚さを使用します。
   12. 電流を徐々に0Aに減らし、電子ビームとブレーカーをオフにします。プラテンの位置を180°に設定し、真空チャンバーを通気します。真空チャンバーを開きます。
   13. カバーガラスは、以前と同じ場所に、異物やほこりの粒子がなく、鏡の外観である必要があります。耐熱粘着テープをゆっくりと慎重にはがします。
       注意: プラテンの表面と平行にテープを引き戻します。カバーガラスを壊す危険があります。フィルムは均質で部分的に透明でなければなりません( 図2Aを参照)。
3. 以下に説明するように、Ag薄膜をナイルブルー溶液でインキュベートします。
   1. 500 μLの50 μM NB溶液をAg薄膜の表面に加えます。
   2. 15分後、Ag薄膜を超純水で十分にすすぎ、弱く吸着したNB分子を除去します。Ag薄膜を_N2 ガスで乾燥させる。
   3. NBインキュベートしたAg薄膜上にAgナノ粒子をドロップキャストします。NB溶液をドロップキャストしてインキュベートしたAg薄膜の同じ領域に、Agナノ粒子コロイドの100倍希釈液500 μLを加えます。
      注意: 金属ナノ粒子は人体に有毒です。手袋とゴーグルを使用して、換気の良い場所で取り扱ってください。
   4. 20分後、(ギャップモードSERS)基板を超純水ですすいでください。基板をN₂ ガスで乾燥させます。

2. ギャップモードSERS基板の特性評価

1. 紫外可視分光法
   1. 電源ボタンを押して機器の電源を入れます。デスクトップ上のショートカットをダブルクリックして、スキャンソフトウェアを起動します。
   2. [セットアップ]をクリックして、 セットアップ ウィンドウを開きます。 Yモードで、 モード ドロップダウンメニューをクリックし、 %T を選択して透過率を測定します。 X モードで、 800 nm から 200 nm までスキャンするために 開始 を 800 に そして 停止 を 200 に変更して下さい。
   3. [ベースライン ] タブで、[ ベースライン補正 ]ラジオボタンを選択し、設定ウィンドウを閉じます。[ ベースライン ]をクリックして、大気でバックグラウンド補正を実行します。
   4. サンプル・コンパートメントを開きます。Agフィルムの一端を、ビームの経路に垂直にサンプルホルダーにテープで留めます。
   5. 開始をクリックして、サンプルから透過率スペクトルを取得します。
2. 原子間力顕微鏡(AFM)測定
   1. AFMをコンピュータに接続し(USBポートを使用)、AFM機器の電源を入れて、Nanosurf Easyscan 2を起動します。
   2. AFMヘッド(AFMカンチレバーが下側に付いている)をサンプルステージからそっと取り外し、逆さまに置きます。
   3. Ag薄膜基板をテープで試料ステージに固定します。AFMヘッドをサンプルステージの上に置きます。AFMヘッドがサンプルステージと平行であることを確認してください(レベルインジケーター付きのモニター)。AFMヘッドとサンプルステージが水平でない場合は、レベリングネジを使用してステージを調整し、レベリングバブルをレベルインジケーターの中央に配置します。
   4. ソフトウェアの側面図と上面図を使用して、サンプルステージをAFMヘッド(AFMカンチレバー)にできるだけ近づけて、接触しないように静かに動かします。サンプルステージがAFMヘッドのAFMカンチレバーに触れていないことを確認してください。
   5. [ 取り込み ]タブで、イメージングモードとして [位相コントラスト ]を選択し、カンチレバータイプとして [PPP-XYNCHR ]を選択します。 Laser Align をクリックして、レーザーがカンチレバー先端に集束され、先端から反射されたビームがフォトダイオード検出器の中心に当たるようにします。
   6. 周波数 スイープ ボタンをクリックしてAFMソフトウェアでカンチレバーの共振振動周波数を測定し、周波数曲線がベル型であることを確認します。 アプローチをクリックして、カンチレバーの先端をAg薄膜の表面に着地させます。
   7. イメージングウィザードで、 イメージングサイズ を10.8 μm x 10.8 μm、スキャン速度を0.5 s/ラインに選択します。Zコントローラで、 50 %のセットポイント、2,500の Pゲイン 、および2,500の Iゲイン を使用します。 [モード プロパティ]で、300 mV の自由振動振幅 を使用します。
   8. [ 開始 ]をクリックして画像を取得します。画像を右クリックして保存し、[ コピー]を選択して、画像プロセッサに貼り付けます。
   9. AFMソフトウェアで、処理する画像をクリックして選択します。[解析]タブで、[線の粗さを計算]と[面積を計算]をクリックして、面積解析と線粗さ解析を実行します。
   10. Withdrawをクリックして、カンチレバーチップをAg薄膜表面から引き出します。側面図と上面図を使用して動きを監視し、サンプルステージを先端から離します。サンプルを削除します。
3. 走査型電子顕微鏡(SEM)測定⁵⁴
   1. 受け取った状態のAgナノ粒子コロイド30 μLをSiウェーハ上にドロップキャストし、完全に風乾させます。Siウェーハを両面導電性テープでサンプルスタブに固定します。
   2. 機器のユーザーインターフェイスを使用してSEMチャンバーを通気します。SEMチャンバーをスライドさせて開き、ステージの穴の1つにスタブを取り付けます。
   3. SEMチャンバーを閉じ、機器のユーザーインターフェイスを使用してSEMチャンバーをポンプダウンします。
   4. サンプルを電子ビームガンから約10mm離して配置します。機器のユーザーインターフェイスを使用して電子ビームをオンにします。
   5. スポットサイズ6、ビーム電流25pA、高電圧5kVのエバーハートソーンリー検出器を使用してサンプルを画像化します。
   6. 電子銃の関心領域をダブルクリックすると、電子ビームが自動的に位置合わせされます。機器のユーザーインターフェースを使用して、3,500倍の倍率でイメージングを実行します(図3A)。
   7. イメージングが完了したら、電子ビームをオフにし、サンプルを電子ビームガンから少なくとも20 mm離します。
   8. SEMチャンバーを通気します。SEMチャンバーをスライドさせて開き、サンプルスタブをステージから取り出します。SEMチャンバーを閉じ、機器のユーザーインターフェイスを使用してポンプダウンします。

3.電気化学セルの準備

1. 以下に説明するように、ガラス管カッターでガラス管を切断することにより、長さ5cmのガラスウェルを得る。
   1. ガラス管カッターのチェーンを管に巻き付けます。チェーンの最後のセグメントをツールの反対側に取り付けます。
   2. 片手でツールのハンドルを持ちます。もう一方の手で、ガラス管を持ちます。チェーン内のホイールがガラスの切断を開始するように、ガラス管を連続的に回転させます。
   3. ハンドルに徐々に力を加えて、ツールをそっと握ります。音が滑りから引っかき傷に変わるとき、それはガラス片(井戸)がガラス管から分離しようとしているときです。
   4. ガラスの壊れた端を120グリット(または粗い)のサンドペーパーでよく滑らかにします。220グリット(またはより細かい)のサンドペーパーで磨きます。
2. 以下に説明するように、ダイヤモンドスクライブでギャップモード基板を切り取ります。
   1. ギャップモード基板を平らな面に置きます。ダイヤモンドスクライブをギャップモード基板の中央で上下に動かし、基板の表面に軽い圧力をかけます。
   2. 傷が見えたら、手動で素材を2つに分割します。
3. 以下に説明するように、カットしたガラスウェル(手順3.1から)を基板の表面に取り付けます。
   1. 2液性エポキシ樹脂をアルミホイルの小さなシートにディスペンスします。攪拌スティックまたはピペットチップを使用して製品を混合します。
   2. 混合物をガラスの底縁によく塗ります。セルの内側への樹脂の広がりを最小限に抑えるために、カットガラスの縁をよく覆うために、可能な限り最小限の混合物を塗布します。
   3. ガラスをギャップモード基板の表面にしっかりと接着します。残りの混合生成物をウェルの外側、それが基板と出会う場所に塗布して、ガラスウェルの内側に注がれた溶液の漏れの可能性を排除します( 図4Aを参照)。
   4. エポキシを5分間邪魔されずに硬化させます。
4. 以下に説明するように、電気接続をギャップモードSERS基板に取り付けます。
   1. 長さ5 cmの銅線を入手してください。2液性導電性エポキシ樹脂をアルミホイルの小さなシートに塗布します。銅線を使用して製品成分を混合します。
   2. ワイヤを基板の表面に取り付けます(ウェルの外側ですが、導電性Ag薄膜に取り付けられています; 図4Aを参照)。導電性エポキシを推奨時間邪魔されずに硬化させます。
      注:Agフィルム基板の熱アニールを最小限に抑えるために、導電性エポキシを室温で硬化させることをお勧めします。

4. バルクサイクリックボルタンメトリー測定

1. 10 mLの0.5 mM NBおよび0.1 Mリン酸バッファー(pH = 5)を20 mLビーカーに加えます。機械的に研磨されたAgディスク電極、Ptワイヤ、およびAg/AgCl(3 M KCl)電極を電解液に挿入します。
2. 各電極をそれぞれのポテンショスタットクリップ(ポテンショスタットの製造元が決定)に取り付けます。電極が互いに接触していないことを確認してください。
3. 0〜−0.6Vのサイクリックボルタンメトリー(CV)を50mV/sのスキャンレートで実行します。

5. 単一ナノ粒子電気化学SERS顕微鏡および分光測定

1. ギャップモードSERS基板を用いて作製した電気化学セルを倒立光学顕微鏡のステージ上に置く。
2. 基板の端を顕微鏡ステージにテープで固定して、セルをポテンショスタットに接続するワイヤの張力によって分光電気化学測定中に動かないようにします( 図4Bを参照)。
3. Ag/AgCl(3 M KCl)参照電極を自作スタンドに入れ、電極ホルダースタンドのネジを締めてその位置を固定します。
4. 参照電極をポテンショスタットの参照電極ワニ口クリップ(白色)にクリップします。Ptワイヤーの対電極をポテンショスタットの対電極ワニ口クリップ(赤色)にクリップします。Agフィルムに取り付けられたCu線をポテンショスタットの作用電極ワニ口クリップ(緑色)にクリップします。
5. ワニ口クリップと一緒にPtワイヤーを電極ホルダーに挿入し、ネジを締めてその位置を固定します。
6. 電極ホルダーを電気化学セルの上に置き、電極をセルに挿入します。電極がAg膜に触れないように注意してください。これは短絡を形成するだけでなく、フィルムを損傷します。
7. 分光器とEMCCDカメラの電源を入れ、「ライトフィールド」ソフトウェアを起動します。
8. 642 nmレーザーをオンにし、レーザーを500 μWの出力に調整します。
   注意: レーザー光にさらされると、目や皮膚に永久的な損傷を与える可能性があります。お住まいの国/地域の関連する公式規制機関の安全ガイドラインを参照し、それに従ってください。
9. 対物レンズに液浸オイルを一滴加えます。フォーカスノブを動かして、オイルが基板の底部に接触するまで対物レンズを慎重に持ち上げます。
   注意: セルはテープで固定されているため、対物レンズを基板に押し付けると、セルが破損したり、対物レンズが損傷したりする可能性があります。
10. レーザーをギャップモードSERS基板の表面に集束させます。ギャップモードSERS基板(ガラスウェルで覆われている)をスキャンし、顕微鏡ステージを移動して孤立したドーナツ型のNB SERS発光パターンを検索します( 図5Aを参照)。
    注:NBの濃度が低いほど、ドーナツ型の発光パターンを見つけるのは難しくなりますが、最終的にドーナツ型の発光パターンが分離される可能性が高くなります。コーヒーリングは開始するのに適した場所であり、ギャップモードSERS基板上のNBおよびAgナノ粒子インキュベーション領域に対して内側に移動することができます。カメラ(次のステップを参照)は、ギャップモードSERS基板の周囲をスキャンするときに人間の目よりも光に敏感であるため、このプロセスに役立ちます。
11. 顕微鏡の電話アダプターに電話を取り付けます。電話のカメラをアダプターのレンズに合わせるには、電話のカメラ アプリケーションをオンにし、レンズが透けて見えるようにデバイスの位置を変更します。
12. 顕微鏡の接眼レンズの1つを取り外し、アダプターをその場所に挿入します。カメラアプリケーションで、モードをビデオに変更し、可能な限りズームインします。ドーナツ型の発光パターンがはっきりと見えます。
13. ドーナツ型の発光パターンがはっきりと特定されたら、顕微鏡の光ダイバータレバーを動かして、放出された光を分光器に向けます。
14. LightField の [実験] タブで、[一般的な取り込み設定] をクリックし、[露出時間] を 0.1 秒に、[保存するフレーム] を 50 秒に調整します。[データのエクスポート]で[集録データのエクスポート]を選択し、[ファイルの種類]を[CSV(.csv)]に変更します。
15. [ 関心領域] で、[ カスタム関心領域] ラジオ ボタンを選択します。[ ROIの編集]をクリックし、新しいウィンドウで、X、Y、W、Hの値を変更して、ドーナツ型の放出の周りに25ピクセルx25ピクセルのROIを作成します。
16. 分光計で、600 g/mm、750 nmのブレイズグレーティングを選択します。[中心波長] を 642 nm に変更します。[取得]をクリックして測定を開始します。
17. 取得が完了したら、[データ] タブに移動します。最後に実行した実験を開き、[プロセス]、[フレームの組み合わせ] の順にクリックします。
18. 複合スペクトルで、最高強度が観測されるレーザー波長に注意してください。
19. 実験に戻り、[分光計] で [nm] をクリックします。ポップアップウィンドウで、測定モードを相対波数に変更し、測定されたレーザー波長をボックスに入力します。ストークスシフトしたラマン散乱を約400/cmから1,600/cmに検出するには、グレーティングの位置を1,000/cmに変更します。
20. 0.1秒の露光時間を使用して、少なくとも50フレームのNB SERSスペクトルを収集して合計します( 図5Cを参照)。592/cmに強いピークを探して、NBからの放出であることを確認します( 図5Cを参照)⁵²。ドーナツ型の発光パターンに隣接する領域(発光のない領域)のSERSスペクトルを取り、バックグラウンド信号を補正します。
21. レーザー光をドーナツ型の発光パターンに合わせたまま、5 mLの調整可能なピペットを使用して、3 mLの0.1 Mリン酸緩衝溶液(pH = 5)を電気化学セルに追加します。
    注:電解質溶液を添加すると、光軸から外れた単一ナノ粒子の双極子モードが電解質分子と溶媒分子のSERSスペクトルを放射するため、ドーナツ型の発光パターンが消え、固体の発光パターンが現れることがあります。
22. 必要に応じて焦点を合わせ直し、レーザー光がまだ発光パターンに焦点を合わせていることを確認します。
23. ポテンショスタットのソフトウェアで、Ag/AgCl(3 M KCl)に対して0〜-0.6 Vの少なくとも3サイクル、スキャンレート50 mV/sのサイクリックボルタモグラム実験を準備します。スペクトルと電気化学のデータ収集を同期させるには、分光器のスペクトル取得によってトリガーされるようにポテンショスタットを構成します。
24. CV と SERS の実験を同時に実行します。NB SERSスペクトルは、ギャップモードSERS基板に印加される電位によって変調する必要があります ( 図6Bを参照)。
25. ライトが電話のカメラに向けられるようにライトダイバータレバーを動かします。ビデオの録画を開始し、説明に従って CV 実験を実行します。SERS画像強度は、ギャップモードSERS基板に印加される電位に従って変調する必要があります(図 6Aの挿入図を参照)。

6. イメージング解析

1. 収集した画像を処理して、以下で説明するようにシャープネスとコントラストを向上させます。
   注: 画像処理は Python の OpenCV ライブラリを使用して実行され、スクリプトは GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers) で入手できます。
   1. 画像をトリミングして空白の大部分を削除し、発光パターンを中心に配置します。
   2. フレームの緑と青のチャンネルを削除します。フレームのガウスぼかしマスクを差し引いてシャープネスを上げます。
   3. 昇電演算子によるダイナミックレンジの拡大によりコントラストを高めます。
2. 以下で説明するように、ImageJ を使用して画像に縮尺記号を追加します。
   1. 電話のカメラ アダプターを使用して、顕微鏡キャリブレーション スライドなど、既知の寸法のオブジェクトを画像化します。
   2. ImageJ を使用して、収集した画像を読み込みます。既知の寸法でイメージされたオブジェクトの領域にセグメントを描画します。
   3. スケール設定機能を使用して、描画されたセグメントの長さに基づいてスケール(つまり、単位距離あたりのピクセル数)を設定します。[縮尺] ツールを使用して縮尺を追加します。

7. ナノ粒子サイズ分析

1. SEM画像をイメージJに読み込みます。計器付属のスケールバーにセグメントを描画し、 スケールを設定機能を使用して 設定します。
2. [16 ビット] > [画像] > [タイプ] に移動します。画像>自動しきい値>調整に移動します。ドロップダウン メニューから [既定] を選択します。
3. [矩形] ツールを使用して、単一のナノ粒子ではないフィーチャを選択して削除します。
4. パーティクルの分析ツールを使用します。円形を仮定して、得られた面積で粒子の直径を計算します。

8. 分光電気化学データ解析

1. 収集したスペクトルデータに対してバックグラウンド補正を実行します。MATLABでデータ処理とプロットを実行します。スクリプトは、前述のものと同じ GitHub リポジトリで入手できます。
2. 3つの異なるバックグラウンド実験からのスペクトルデータ(SERS発光パターンと一緒に収集されたスペクトルデータ)を平均します。サンプルのスペクトルから平均バックグラウンドスペクトルを引きます。
3. 0から実験の合計時間(サイクリックボルタンメトリー)までの時間配列を作成し、間隔は露光時間、EMCCD読み出し時間、シャッター開閉時間の合計です。
4. レーザー波長を使用して波長測定値をラマンシフトに変換します。
5. MATLAB のメッシュ関数を使用してウォーターフォールプロットを生成します (X はラマンシフト、Y は時間、Z は強度)。

結果

図2A は、電子線金属蒸着システムを用いて作製したAg薄膜基板を示す。 図2A に示す「良好な」基板は、ガラスカバーガラス上のAg金属の均一な被覆率を有するが、「不良」基板はAgの不均一な被覆を有する。「良好な」Ag薄膜の紫外可視スペクトルを 図2Bに示しており、これは膜が電磁スペクトルの可視部分に対して部分的に透明であることを示しています。「良好な」Ag薄膜基板は、現在のプロトコルで分光電気化学実験に使用される642nmのレーザー光に対して34%の光透過性を有する。 図2C は、「良好な」基板の10.8 μm x 10.8 μmの領域の代表的なAFM画像を示しています。代表領域の二乗平均平方根粗さ値は0.7nmであり、Ag薄膜が原子レベルで平滑であることを示している。Ag薄膜基板の高さの変化は、 図2Dに示すラインプロファイルによって表され...

ディスカッション

CuおよびAg薄膜の金属膜をきれいなカバーガラスに堆積させることは、最終的な膜の粗さが2〜4原子層以下(または約0.7nm以下の二乗平均平方根粗さ)であることを保証するために不可欠です。金属蒸着前のカバーガラスに存在するほこり、引っかき傷、破片は、ドーナツ型の発光パターンを生成するために必要な滑らかなフィルムの製造を妨げる一般的な問題です。したがって、金属堆積の前に異なる溶媒でカバーガラスを超音波処理し、可能であれば、クリーンルームでこのプロセスを実行することをお勧めします。さらに、堆積手順には細心の注意を払う必要があります。真空チャンバー内のすべての表面(るつぼホルダー引き出しを含む)とるつぼは、ほこりや破片が蓄積する傾向があるため、これらの表面を清掃する必要がある場合があります。

金属堆積プロセス中に使用される高い堆積速度は、堆積膜を原子的に滑らかにすることを可能にするが、制御がより困難であり得る。膜厚センサーの読み取りを誤ると、不均一、過度に厚い、または過度に薄いフィルムが発生する可能性があります。金属膜が薄すぎると、連続面の代わりに材料の島が堆積する可能性があります。膜が厚...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アセトン、マイクロエレクトロニクスグレード	J. T. Baker	9005-05
Adjustable pipette, Eppendorf Reference 2 5000 mL	Eppendorf	4924000100
Analytical Balance, AB54-S/FACT	Metter Toledo	N.A.
原子間力顕微鏡 イージースキャン 2	Nanosurf	N.A.
AXXIS電子ビーム薄膜形成装置	Kurt J. Lesker	N.A.
Cary 60 UV-Vis分光光度計	Agilent	N.A.
導電性エポキシ、2つの部分	からなる電子顕微鏡科学	12642-14
銅ペレット、純度99.99%	Kurt J. Lesker	EVMCU40EXE
銅線、裸、18 AWG	VWR	66248-040
つぼ、グラファイトEビームKurt	J. Lesker	EVCEB-23
ダイヤモンドスクライバー	テッドペラ	54484
EMCCDカメラ、ProEM HS:1024BX3	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
エポキシ、クリア	ゴリラ接着剤	N.A.
ガラス管カッター	Wheeler-REX	69012
ガラス管、ホウケイ酸塩 (OD 0.75"、ID 0.62"、L 12")	McMaster-Carr	8729K45
液浸油、Type-F	オリンパス	IMMOIL-F30CC
倒立顕微鏡、IX73	オリンパス	N.A.
Laser, Excelsior One 642 nm 自由空間	Spectra-Physics	N.A.
LightField	Teledyne、プリンストン・インスツルメンツ	、N.A.
MATLAB 2022b	MathWorks	N.A.
マイクロカバーガラス(カバースリップ)、24回。60 mm No. 1	VWR	48404-455
顕微鏡スマートフォン カメラ アダプター	qhma	QHMC017A-S01
ナイル ブルー A、純粋な	Acros 有機物	415690100
窒素、超高純度、圧縮	特殊ガス	N.A.
客観的、UPLanXApo 100×油浸	オリンパス	14-910
ポリイミドフィルム、カプトン	3M	16089-4
リン酸カリウム一塩基性	VWR	P285
ポテンショスタット、660E	CHインスツルメンツ	N.A.
Pt wire	Alfa Aesar	10956-BS
走査型電子顕微鏡、Apreo C SEM	Thermo Fischer Scientific	N.A.
Si ウェーハ	Ted Pella	16006
銀ナノ粒子 (ナノスフィア)、NanoXact 0.02 mg/mL in 2 mM citrate	nanoComposix	AGCN60
銀ペレット、純度 99.99%	Kurt J. Lesker	EVMAG40EXE-A
スライドラック、Wash-N-Dry	Diversified Biotech	WSDR-2000
スマートフォン、iPhone 13 mini	Apple	N.A.
リン酸ナトリウム二塩基性七水和物	VWR	0348
分光計、IsoPlane SCT320	Teledyne、Princeton Instruments	N.A.
ティッシュワイパー、軽量	VWR	82003-820
セット、KS-04	Kaisi Hardware	N.A.
Utrasonic Generator, sweepSONIK	Blackstone-NEY Ultrasonics 809379
Water, Ultrasonics, Sartorius Arium mini	Sartorius	N.A.