관찰 및 깜박이 표면 강화 된 라만 산란의 분석

표면 강화 라만 산란 (SERS) 고귀한 금속 표면에서 고감도 라만 분광학 이다. 금속 표면에 단일 분자의 정보를 조사 수 이후 기능적인 그룹 분자에서 진동 모드를 통해 날카로운 피크 위치에 따라 분자 구조에 대 한 자세한 정보를 제공 하는 라만 스펙트럼 관련^1,2,3을 사용 하 여. 단일 분자 수준에서 흡착과 실버 nanoaggregate에서 깜박이 신호 관찰^{1,2,3,,45,6, 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}, 그리고 스펙트럼 변동^{1,2,3,,45,6,7,8}, ^{9,10,11,12,,1314}. 깜박임 무작위로 나노미터 크기의 nanoaggregate 접속점에 향상 된 전자기 (EM) 필드 밖으로 이동 하는 단일 분자에 의해 유도 될 수 있다. 따라서, 점멸 SERS 농도 및 bi 분석^2,,317의 포아송 분포를 사용 하는 기술에 비해 단일 분자 검출에 대 한 간단한 증거를 간주 됩니다. 그러나, 강하게 Ag 표면에 분자 행동에 달려 있습니다, 깜박이 변동 스펙트럼의 상세한 메커니즘은 아직도 논란이 있습니다.

이전 학문에서는, 점멸 관련 분석 된 고 확산 계수는 향상 된 EM 필드^{12,13,14 밖으로 이동 하는 분자의 농도 계산할 수 있습니다 자기 상관 함수를 사용 하 여} . 또한, 불안정 총 강도 나타내는 정규화 된 표준 편차 점수는 신호¹⁵시간 프로필에서 파생 되었습니다. 그러나, 이러한 분석 방법 몇 가지 분자의 동작에 따라 수 있습니다. 반면, 깜박이 SER의 슈퍼 고해상도 이미징, 향상 된 EM 필드에 단일 분자 동작 확인 된¹⁶될 수 있습니다. 그러나, 이러한 기술은 향상 된 EM 필드에만 이러한 매개 변수를 얻을 수 있습니다. (예를 들어, 깜박이 SERS)에서 넓은 범위 내 단일 분자의 임의의 동작 전원 법 보다는 평균^{4,,56,7,8로 대표 될 수 있다 ,,910,11}, 단일 반도체 양자 점 (QD)^18,19의 점멸 형광 비슷합니다. 전원 법 분석^{4,5,6,7,,89,10,11}, 분자 동작을 사용 하 여 (향상 된 EM 필드)에 밝은 상태와 어두운 상태¹⁰;에서 예상할 수 있는 즉, 전체 실버 표면 분자의 행동은 추정 될 수 있습니다.

이 기술에 대 한 실버 콜 로이드 nanoaggregates는 사용된^{4,5,6,7,,89,,1011}. 이러한 nanoaggregates 그들은 특정 한 파장에 흥분 하는 때 강력 하 게 향상 된 전자기 필드를 영향을 미칠 다양 한 지역화 된 표면 플라스몬 공명 (LSPR) 밴드를 표시 합니다. 따라서, 관련 액티브 실버 나노 콜 로이드 서 스 펜 션, 그리고 일부 데이터에 존재 하는 즉시 얻을 수 있습니다. 특정 크기, 모양, 그리고 준비는 간단한 nanostructures의 경우 SER 점멸의 LSPR 의존 다른 의존⁷;을 숨길 수 있는 즉, LSPR에 좋은 소식이 나 나쁜 nanostructure 사용 하는 경우 매개 변수 상수, 되며 다른 의존 따라서 숨겨져 있을 것 이다. 전원 법 분석 실버 콜 로이드 nanoaggregates^4,,56,7,8, 에서 깜박이 관련의 다양 한 종속성을 발견 하는 데 사용 되었습니다. ^{9 , 10 , 11}.

1. 샘플 준비

1. 실버 콜 로이드 나노 입자의 준비 ²⁰
   1. 조작 실버 콜 로이드 나노 입자, 실버 질산염의 그리고 150 mL 200 mL 둥근 바닥 플라스 크에 물이 수화물 trisodium 시트르산의 0.030 g 0.030 g을 분해.
   2. 플라스 크를 결합 하 여 환류 (Dimroth) 콘덴서와 함께.
   3. 마그네틱 교 반기 및 저 어 바와 플라스 크에 솔루션을 저 어. 그런 다음 60 분 동안 150 ° C에 기름 목욕에서 플라스 크에서 감동적인 솔루션 열.
      참고: 솔루션은 노란색, 다음은 하 회색을 돌 것 이다.
   4. 서 스 펜 션, 실내 온도에 냉각 하 고 냉장고에 알루미늄 호 일로 덮여 플라스 크에 정지를 유지.
      참고: 프로토콜 수 수 일시 중지이 시점에서. 콜 로이드 나노 입자를 사용 하 여 1 개월 이내는 냉장고에 저장 후.
2. 다중 색에 대 한 샘플의 준비 점멸 방출 ¹¹
   1. 현미경 슬라이드를 준비, 유리 접시 비누를 손으로 세척 하 고 물으로 씻어.
   2. 유리 접시에 0.1% 폴 리-L-리 신 수성 솔루션을 추가 하 고 솔루션을 제거 하는 송풍기와.
   3. 유리 접시에 실버 콜 로이드 현 탁 액을 추가 하 고 송풍기와 현 탁 액을 제거.
   4. 액체 차단 펜으로 유리 접시에 드롭 영역을 묶습니다.
   5. 유리 접시에 증류수를 삭제 하 고 다른 유리 접시 현미경 슬라이드를 만들고 증발에서 물을 방지 하기를 다룹니다.
3. 단조로운 색된 점멸 관련에 대 한 샘플의 준비 ^{7 , 8 , 9 , 10}
   1. 현미경 슬라이드를 준비, 유리 접시 비누를 손으로 세척 하 고 물으로 씻어.
   2. Thiacyanine 또는 thiacarbocyanine 염료와 실버 콜 로이드 현 탁 액을 혼합 (25 또는 4 µ M, 각각)와 2의 볼륨 비율로 NaCl (10mm) 용액: 1:1.
   3. 유리 접시에 샘플 중지를 삭제 하 고 송풍기와 현 탁 액을 제거.
   4. 액체 차단 펜으로 유리 접시에 드롭 영역을 묶습니다.
   5. 나노 입자를 고정을 유리 접시에 NaCl (1 M)의 수성 해결책을 삭제 하 고 다른 유리 접시 현미경 슬라이드 플레이트를 만들고 솔루션에서 증발 방지를 커버.

2입니다. 점멸은 나노 입자의 관찰

1. 샘플의 조명
   1. 1.2 또는 1.3 프로토콜을 사용 하 여 거꾸로 현미경의 스테이지 준비 샘플 유리 접시를 놓습니다.
   2. 목표 렌즈 (60 X)를 사용 하 여 유리 접시에 다양 한 색된 반점 (, 녹색, 노란색, 파란색과 빨간색)에 어두운 필드 콘덴서와 통해 하얀 빛을 사용 하 여 샘플 유리 접시 켜.
   3. 밝게 샘플 표면에 상대적으로 30 °의 각도 다이오드 펌프 고체 (DPSS) 연속파 (cw) 레이저 간섭 필터를 통해 전달 감쇠 광속을 사용 하 여 샘플 유리 접시.
   4. 사용 하 여 레이저 조명 같은 색 주변에 단조로운 색된 반점으로 실버 nanoaggregates 관찰, 보기의 센터에 레이저 조명 영역을 이동 하 고 z-방향으로 단계를 조정 하 여 유리 접시에 반점에 초점.
2. 점멸의 관찰
   1. 목표 렌즈 후 긴-패스 필터를 삽입 하 고 간섭 필터를 통해 샘플 표면에 상대적으로 30 °의 각도에서 전달 DPSS cw 레이저 광선을 사용 하 여 샘플 유리 접시를 조명.
   2. 그림 1 에서 보듯이 명소 점멸 찾기 (참고 그림 S1 보충 자료에서) 무대에는 x-및 y-방향으로 이동 하 여.
   3. 거꾸로 현미경, 냉각된 디지털 전 하 결합 소자 (CCD) 카메라, 61-120 ms의 시간 분해능이 20 분에 대 한 결합으로 깜박이 명소의 기록 영상.

3입니다. 깜박이 SER의 분석

1. 비디오에서 시간 프로필의 유래
   1. CCD 카메라를 제어 하는 소프트웨어에서 비디오 파일을 엽니다.
   2. 깜박이 관광 명소 및 어두운 영역을 선택 하려면 별도로 지역 명소 비디오 이미지 없이 커버 하는 영역을 드래그 합니다.
   3. 깜박이 관광 명소와 비디오에서 어두운 영역에서 신호 강도 시간 프로필 파생, 분석, 임시 분석 을 선택 하 고 임시 분석 창에서 계산 을 클릭 합니다.
   4. 텍스트 파일로 데이터를 저장.
2. 시간 프로 파일의 분석
   1. 어두운 영역 또는 그림 2A 와 2B와 같이 다항식 함수과 시간 프로필을 빼서 시간 프로필의 기준선을 평평.
   2. 약 2000 포인트, 난_기본, 그리고 초기 농도의 표준 편차 σ, 그림 2C 및 2D에서 같이 구성 된 평균된 초기 강도 평가 합니다.
   3. 내가_기본 + 3σ의 임계값 보다 큰 농도 사용 하 여 어두운 이벤트에서 밝은 이벤트를 구별 하 고 각 이벤트의 기간을 기록 합니다. 그림 3에서 예를 들어 0에서 3.5476 이벤트 기록 어두운 이벤트로 s ( t 기간 = 3.5476 s), 4.0981 3.5476에서 이벤트를 기록 하 고 밝은 이벤트로 s (기간 t = 0.5505 s). 표 1에 표시 된 것 처럼 절차를 반복 합니다.
   4. 표 2의 첫 번째 및 두 번째 라인에 표현 각 기간에 대 한 밝고 어두운 이벤트 수를 계산.
   5. 이벤트 기간 t보다 짧은 제외한 각 기간에 대 한 이벤트 수를 합계 하십시오. 표 2의 두 번째 및 세 번째 라인에 표현, 예를 들어 각 기간에 대 한 이벤트 수를 합계 ( t 에 대 한 이벤트를 제외 하 고 0.0612 = s) 41 + 18 + 9 +...; 결과 t 에 대 한 합계 = 0.1223 s, 즉, 103.
   6. 각 기간별로 합계를 분할 하 고 그들을 정상화. 표 2에 표현, 예를 들면, 기간 t 에 대 한 변론 분할 0.0612 = s 기간 0.0612 s. 결과 3,351.5791입니다. 그런 다음 표 2에 네 번째 줄에서 결과의 총 결과 나눕니다. 확률 분포는 0.64494 것 파생 됩니다.
   7. 밝은 이벤트 P(t)에 대 한 그들의 기간 t 로그-로그 그래프에 대 한 확률 분포를 플롯 및 로그₁₀P_에(t) 로그_{10에 의해} ()는 전원 법 지 수 α에_에 깜박이 자리 특정 추론할. P_에(t)는으로 장착 하는 경우 , 그림 4A에 점선으로 표시 된 것 처럼 장착된 라인 P(t)의 값이 작은 플롯에서 일탈.
   8. 어두운 이벤트 P_오프(t) 로그-로그 그래프에 그들의 시간 t 에 대 한 확률 분포를 플롯 및 로그₁₀(로그₁₀P_오프(t) 맞는 는 전원 법 지 수 α_오프 와는 잘림 시간 τ 동일한 점멸에서 자리를 추론할. P_오프(t)는으로 장착 하는 경우 , 맞춤된 곡선 P_오프(t)의 값이 작은 플롯에서 성적이 상자.
   9. 3.2.1 3.2.8 비디오에서 다른 깜박이 관광 명소에 대 한 반복 합니다.

그림 111에서 같이 폴 리-L-리 신 1.2 프로토콜에 의해 준비와 함께 실버 nanoaggregates에서 관련 및 표면 강화 된 형광 색된 점멸 명소 관찰 된다. 반면에, SERS에서 단조로운 색된 점멸 명소 프로토콜 1.37,8,,910에 의해 준비 된 염료 분자와 실버 nanoaggregates에 대 한 관찰 되었다. "부정적인" 결과의 두 가지 유형이 있다: 지속적인 결과, 또는 아무 관련은 관찰 결과. 전 고 후자의 결과 각각 콜 로이드 실버 표면에 분자의 높은 또는 낮은 농도 의해 발생할 수 있습니다.

단일은 nanoaggregate에서 신호는 그림 2B와 같이 다양 한 시간에 다양 한 농도 보여줍니다. 이것은 단일 QD의 점멸 형광에서 다른입니다. 형광 강도의 히스토그램 표시 밝고 어두운 상태18를 대표 하는 두 가지 봉우리. 긴 범위 시간 프로필 그림 34처럼 짧은 범위에 그것의 확장와 비슷합니다. 이 라고 ' 자기 유사성 ' 또는 '프랙탈'; 즉, 개체의 특징은 그들의 길이 스케일 확장 되 면 비슷한 간주 됩니다.

로그-로그 그래프에서 밝고 어두운 이벤트에 대 한 확률 분포가 그려집니다 그들의 기간에 대 한 선 및 곡선, 각각, 그림 4 (단일 QD에서 깜박이) 반대19참조. 그래프에서 선의 기울기는 전원 법 지 수에 해당합니다. 반면, 짧은 자르기 시간 짧은 꼬리에 어두운 상태에 대 한 전원 법 잘린다는 사실에서 추론 이다. 어두운 관련 이벤트에 대 한 확률 분포는 때때로 전원 법 보다는 지 수 함수에 의해 적합 하다. 즉, 큰 오류가 매우 긴 잘림 번은 파생된9,10. 그러나, 그건 "부정적인" 결과 지 수 함수 전원 법 어두운 관련 이벤트에 대 한 확률 분포를 재현할 수 없습니다.

전원 법 지 수 α온/오프 및 잘림 시간 τ  그림 5에 표시 된 대로 개별 실버 나노 쇼에서 다양 한 값을 추론. 많은 전원 법 지 수에서 표준 오차와 평균 파생 이며 다양 한 조건에서 다른 값과 비교 합니다. 자르기 번의 경우 평균 보다는 중앙값 비교에 적합 수 있습니다. 다행히도, 약 12 깜박이 관광 명소 비디오에서 동시에 관찰 될 수 있기 때문에 데이터의 과다 점멸의 여러 동영상에서 얻을 수 있습니다.

그림 1: 깜박이 SERS의 대표 이미지. 여러 가지 빛깔된 깜박이 명소와 폴 리-L-리 신 실버 nanoaggregates에서 관찰 된다. 눈금 막대 = 10 µ m. 이것은 긴 패스를 통해 컬러 CCD 카메라 결합 거꾸로 현미경으로 찍은 필터 (보충 자료의 그림 S1 에서 해당 비디오 동영상 참조). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2: 신호 강도에서 깜박이 자리. 의 (A) 대표 시간 프로필 (B) 그 기준선은 빼서 어두운 영역에서 시간 프로필 및/또는 다항식 함수를 통해 피팅 평평 하 게 되어 시간 프로필. 화학의 왕 사회8에서 허가로 재현. (C) 확대의 광장 (B), 즉, 시간 프로필의 기준선. (D) 기준 포인트의 농도의 도식 밀도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 3: 자리에서 점멸 신호 강도 및 밝고 어두운 이벤트 (수평 라인)의 정의 대 한 임계값의 대표적인 시간 프로필. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 4: 깜박이 반점 그들의 기간에 대 한 플롯에 대 한 대표적인 확률 분포. (A) 밝은 이벤트에 대 한 확률 분포는 로그-로그 그래프에 그들의 기간에 대 한 플롯. 견고 하 고 점선 라인 로그10P(t)으로 방정식을 사용 하 여 결과 적합 = 로그10()와 P에(t) = , 각각. (B) 어두운 이벤트에 대 한 확률 분포는 로그-로그 그래프에 그들의 기간에 대 한 플롯. 그들은 지 수 함수 전원 법률에 의해 주어진 곡선으로 장착 될 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 5: 전원 법에서 파생 된 매개 변수의 대표적인 히스토그램. (A) 히스토그램 밝은 이벤트에 대 한 전원 법 지 수. 어두운 이벤트에 대 한 전원 법 지 수 (B) 히스토그램. (C) 자르기의 히스토그램 어두운 이벤트에 대 한 전력 지 수 함수 법 회. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 S1: 깜박이 SER의 대표적인 영화. 여러 가지 빛깔된 깜박이 명소와 폴 리-L-리 신 실버 nanoaggregates에서 관찰 된다. 이 50 µ m × 40 µ m의 영역을 커버 하 고 긴 패스 필터를 통해 컬러 CCD 카메라 결합 거꾸로 현미경으로 찍은. 이 비디오를 보려면 여기 클릭 하십시오 (다운로드 오른쪽 클릭.)

그림 S2: 폴 리-L-리 신 또는 NaCl의 추가 의해 형성 된은 nanoaggregate의 대표 스캐닝 전자 현미경 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 S3: thiacarbocyanine 분말에 대 한 기존의 라만 스펙트럼 및 thiacarbocyanine와 단일 실버 nanoaggregate에서 대표 임시 요동 SERS 스펙트럼. 화학의 왕 사회8에서 허가로 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

표 1: 어둡거나 밝은 이벤트, 이벤트 시작 시간, 종료 시간 이벤트 및 이벤트 기간 대표 테이블. 이 그림 3에서 파생 되었다.

표 2: 기간, 이벤트 각 기간, 긴 기간에 대 한 이벤트의 수의 합계에 대 한 합계를 각 기간 및 그들의 표준화 된 확률 분포를 나눈 수의 대표적인 테이블.

저자는 공개 상관이 있다.