Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Observatie en analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing

7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56729

⸱

11 januari 2018

1Department of Chemistry, Kwansei Gakuin University

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft de analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing als gevolg van de toevalsbeweging van een enkel molecuul op een zilveren oppervlak met macht wetten.

Samenvatting

Van een enkel molecuul een zilveren nanoaggregate afslag, wordt blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing (SERS) waargenomen. Hier, een protocol wordt gepresenteerd op het voorbereiden van de SERS-actieve zilveren nanoaggregate, een video opnemen van bepaalde knipperende plekken in de microscopische opname en de knipperende statistieken analyseren. In deze analyse reproduceert een machtswet de kansverdelingen voor heldere evenementen ten opzichte van hun duur. De kansverdelingen voor donkere evenementen zijn voorzien van een vermogen wet met een exponentiële functie. De parameters van de machtswet vertegenwoordigen moleculaire gedrag in zowel de lichte als de donkere Staten. De toevalsbeweging-model en de snelheid van het molecuul over het hele zilver oppervlak kunnen worden geschat. Het is moeilijk in te schatten, zelfs bij het gebruik van gemiddelden, autocorrelatie functies en super resolutie SERS beeldvorming. In de toekomst, is dat de macht wet analyses moeten worden gecombineerd met spectrale imaging, omdat de oorsprong van het knipperen kunnen niet worden bevestigd door deze analysemethode alleen.

Inleiding

Oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing (SERS) is zeer gevoelige Ramanspectroscopie van een oppervlak met edelmetaal. Aangezien de Raman-spectrum vindt u gedetailleerde informatie over moleculaire structuur op basis van de standpunten van de scherpe piek en door de vibrationele modi van functionele groepen in de moleculen, kan de informatie van een enkel molecuul op een metalen oppervlak worden onderzocht. met behulp van SERS1,2,3. Van een zilveren nanoaggregate met een adsorbate op het niveau van de single-molecuul, wordt een knipperende signaal waargenomen1,2,3,4,5,6, 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16en het spectrum fluctueert1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14. Knipperen kan worden opgewekt door een enkel molecuul dat willekeurig in en uit een verbeterde elektromagnetische (EM) veld op een kruispunt van nanometer-gerangschikte zilveren nanoaggregate beweegt. Daarom, knippert wordt beschouwd als eenvoudige aanwijzingen voor de single-molecuul detectie, vergeleken met een techniek met behulp van een Poisson-verdeling van de SERS intensiteiten en een bi-analyt2,3,17. De precieze werking van de knipperende en schommelende spectrum, die sterk van moleculaire gedrag op het oppervlak van de Ag afhangen kan, zijn echter nog steeds controversieel.

In eerdere studies, heeft knipperende SERS zijn geanalyseerd met behulp van de autocorrelatiefunctie, die berekenen van kan de coëfficiënt van de verspreiding en de concentratie van moleculen bewegen in en uit een verbeterde EM veld12,13,14 . Bovendien heeft een genormaliseerde standaard deviatie score, die vertegenwoordigt de instabiliteit in de totale intensiteit, is afgeleid van het profiel van de tijd van de signaal-15. Deze analytische benaderingen kunnen echter worden gebaseerd op het gedrag van een paar moleculen. In tegenstelling, in een super resolutie beeldvorming van knipperen SERS, kunnen single-molecuul gedrag in een verbeterde EM-veld geïdentificeerde16. Deze technieken kunnen echter dergelijke parameters slechts in een verbeterde EM-veld. Het willekeurige gedrag van een enkel molecuul binnen een breed scala (bijvoorbeeld in het knipperende SERS) kan worden weergegeven als een machtswet in plaats van een gemiddelde4,5,6,7,8 ,9,10,11, vergelijkbaar met knipperende fluorescentie van een enkele halfgeleider quantum dot (QD)18,19. Met behulp van een power wet analyse4,5,6,7,8,9,10,11, moleculaire gedrag kan worden geraamd in zowel de lichte staat (in de verbeterde EM-veld) en de donkere staat10; dat wil zeggen kan het gedrag van het molecuul over het gehele oppervlak van de zilveren worden geschat.

Voor deze techniek, zilveren colloïdaal nanoaggregates zijn gebruikte4,5,6,7,8,9,10,11. Deze nanoaggregates tonen verschillende gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie (LSPR) bands die sterk verbeterde elektromagnetische velden van invloed op wanneer ze enthousiast bij bepaalde golflengten zijn. SERS-actieve zilver nanodeeltjes in colloïdale suspensie, en sommige gegevens bestaan kan dus onmiddellijk worden verkregen. In het geval van eenvoudige nanostructuren, die specifieke maten, vormen en regelingen hebben, kan de afhankelijkheid van de LSPR van SERS knipperen verbergen andere verslaafdheden7; namelijk als de nanostructuur van het goed of slecht aan LSPR wordt gebruikt, de parameters zullen constant, en de andere verslaafdheden zal daarom worden verborgen. Power wet analyse is gebruikt om te ontdekken van de verschillende verslaafdheden van de knipperende SERS van zilveren colloïdaal nanoaggregates4,5,6,7,8, 9 , 10 , 11.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. de monstervoorbereiding

  1. Voorbereiding van zilveren colloïdale nanodeeltjes 20
    1. Los om zilver colloïdale nanodeeltjes, 0.030 g zilvernitraat en 0.030 g Trinatriumcitraat citraat (dihydraat) p.a. in 150 mL water in een maatkolf van 200 mL ronde bodem.
    2. Combineer de kolf met een terugvloeikoeler (Dimroth).
    3. Roer de oplossing in de kolf met een magnetische roerder en roer bar. Vervolgens Verwarm de roeren oplossing in de kolf in een oliebad bij 150 ° C gedurende 60 min.
      Opmerking: De solutie zal zwenking geel, vervolgens melkachtig grijs.
    4. De schorsing bij kamertemperatuur afkoelen, en houden van de suspensie in de kolf bedekt met aluminiumfolie in de koelkast.
      Opmerking: Het protocol kan worden onderbroken op dit punt. Gebruik de colloïdale nanodeeltjes, na het opslaan in de ijskast bewaard, binnen een maand.
  2. Voorbereiding van monster voor multi-gekleurde knipperen emissie 11
    1. Op een microscoopglaasje klaar, een glazen plaat met zeep met de hand wassen en spoelen met water.
    2. Voeg 0,1% poly-L-lysine waterige oplossing op de glasplaat en verwijder de oplossing met een blower.
    3. De zilveren colloïdale suspensie op de glasplaat toevoegen en verwijderen van de opschorting met een blower.
    4. Omsluiten een neerzetgebied op de glasplaat met een vloeibare blocker pen.
    5. Druppel gedestilleerd water op de glasplaat, en bedek het met een ander glasplaat maken een microscoopglaasje en verhinderen dat water verdampen.
  3. Voorbereiding van monster voor eentonig gekleurde knipperende SERS 7 , 8 , 9 , 10
    1. Op een microscoopglaasje klaar, een glazen plaat met zeep met de hand wassen en spoelen met water.
    2. Meng de zilveren colloïdale suspensie met thiacyanine of thiacarbocyanine kleurstof (25 of 4 µM, respectievelijk) en een waterige oplossing van NaCl (10 mM) met een volumeverhouding van 2:1:1.
    3. De schorsing van het monster op de glasplaat drop, en verwijder de opschorting met een blower.
    4. Omsluiten een neerzetgebied op de glasplaat met een vloeibare blocker pen.
    5. Een waterige oplossing van NaCl (1 M) op de glasplaat te immobiliseren zilveren nanoparticles neerzet, en bedek het met een andere glazen plaat een Microscoop dia plaat maken en voorkomen dat de oplossing verdampen.

2. waarneming van zilveren nanodeeltjes knipperen

  1. Verlichting van monster
    1. Plaats de monster glasplaat opgesteld in overeenstemming met protocol 1.2 of 1.3 in het werkgebied van een omgekeerde Microscoop.
    2. De glasplaat van de monster met behulp van wit licht door een donker veld condensor, en focus op verschillende gekleurde vlekken (blauw, groen, geel en rood) op de glasplaat met behulp van een objectief (60 X) te verlichten.
    3. Verlicht de glasplaat van de monster met behulp van een verzwakte lichtbundel, onder een hoek van 30° ten opzichte van de oppervlakte van het monster, verlost van een diodelaser van de verpompte vaste toestand (DPSS) continuous-wave (cw) via een interferentie filter.
    4. Als u laser verlichting wilt observeren de zilveren nanoaggregates als eentonig gekleurde vlekken in een dezelfde-gekleurde omgeving, de laser verlichting gebied verplaatsen naar het midden van de weergave, en focus op de vlekken op de glasplaat door aanpassing van het werkgebied in de z-richting.
  2. Observatie van het knipperen
    1. Een long pass filter invoegen na de objectief en verlichten van de glasplaat van de monster met behulp van een laserstraal DPSS cw is geleverd onder een hoek van 30° ten opzichte van de oppervlakte van het monster door een interferentie filter.
    2. Vinden de knipperende plekken zoals in Figuur 1 (Zie ook Figuur S1 in de aanvullend materiaal) door de fase in de x - en y-richting te verplaatsen.
    3. Record video van de knipperende spots met de omgekeerde Microscoop, gekoppeld aan een gekoelde digitale charge - coupled apparaat (CCD) camera, die een resolutie van de tijd van 61-120 ms heeft, voor 20 min.

3. analyse van het knipperen SERS

  1. Afleiding van tijd Profiel van video
    1. Open het videobestand in de software die de CCD-camera regelt.
    2. Sleep om te selecteren de knipperende plekken en donkere gebied, gebieden die afzonderlijk betrekking hebben op regio's met en zonder vlekken in het videobeeld.
    3. Om het signaal intensiteit tijd profielen ontlenen op de knipperende plekken en donkere gebieden in de video, selecteer Tijdelijke Analysis in analyseen klikt u op de berekenen in het venster Temporele analyse .
    4. De prestatiegegevens opslaat als een tekstbestand.
  2. Analyse van het tijd-profiel
    1. Een basislijn van de tijd-profiel afvlakken door af te trekken van het profiel van de tijd van de donkere omgeving en/of montage met een polynomiale functie, zoals in figuren 2A en 2B.
    2. Evalueren van een gemiddelde basislijn intensiteit die uit ongeveer 2000 punten, ikbasisen een standaarddeviatie van basislijn intensiteiten, σ, bestaat zoals wordt weergegeven in 2Den cijfers 2C .
    3. Heldere gebeurtenissen onderscheiden donkere gebeurtenissen met behulp van grotere intensiteit dan een drempel van ikbasis + 3σ en opnemen van de duur van elk evenement. In Figuur 3, bijvoorbeeld het vastleggen van de gebeurtenis van 0 3.5476 s als de donkere evenement (met een duur van t = 3.5476 s), en het opnemen van de gebeurtenis van 3.5476 4.0981 s als de heldere evenement (met een duur van t = 0.5505 s). Herhaal de procedure zoals aangegeven in tabel 1.
    4. Het aantal heldere en donkere gebeurtenissen voor elk duur, zoals verwoord in de eerste en tweede regel van tabel 2.
    5. Som van het aantal gebeurtenissen voor elk duur, met uitzondering van evenementen korter dan duur t. Zoals verwoord in de tweede en derde regel van tabel 2, bijvoorbeeld het aantal gebeurtenissen voor elk duur optellen (met uitzondering van de gebeurtenissen voor t = 0.0612 s) als 41 + 18 + 9 +...; het resultaat is gelijk aan de sommatie voor t = 0.1223 s, d.w.z. 103.
    6. De optellingen delen door elke duur, en hen te normaliseren. Zoals verwoord in tabel 2, bijvoorbeeld, verdelen de sommatie voor duur t = 0.0612 s door de duur 0.0612 s. Het resultaat is 3,351.5791. Vervolgens, het resultaat wordt gedeeld door het totaal van de resultaten in de vierde regel in tabel 2. De kansverdeling is afgeleid te 0.64494.
    7. Uitzetten van de kansverdelingen voor de heldere gebeurtenissen Pop(t) tegen hun duur t in de grafiek van een logaritme-logaritme, en Log10Ppastop(t) door Log10 (figure-protocol-1) de macht wet exponent αop voor een specifieke plek knipperen afleiden. Als Pop(t) is gemonteerd door figure-protocol-2 , de ingerichte regel wijkt af van de percelen op kleine waarden van Pop(t), zoals aangegeven door de gestippelde lijn in Figuur 4A.
    8. Uitzetten van de kansverdelingen voor donkere gebeurtenissen Puit(t) tegen hun duur t in de grafiek van een logaritme-logaritme, en passen Log10Puit(t) door (10) Log figure-protocol-3 afleiden van de macht wet exponent αaf en de truncatie tijd τ de dezelfde knippert ter plaatse. Als Puit(t) is gemonteerd door figure-protocol-4 , de ingerichte curve afwijkt van de percelen op kleine waarden van Puit(t).
    9. 3.2.1 aan 3.2.8 Herhaal voor de andere knipperende plekken in de video.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Van de zilveren nanoaggregates met poly-L-lysine bereid door protocol 1.2, veelkleurige knipperende vlekken uit SERS en oppervlakte-enhanced fluorescentie in acht worden genomen, zoals in Figuur 111. In tegenstelling, werden eentonig gekleurde knipperende vlekken van SERS waargenomen voor de zilveren nanoaggregates met de moleculen van de kleurstof bereid door protocol 1.37,,8<...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Vanaf de samenvloeiing van de zilveren nanoaggregate, wordt SERS uitgestoten. We moeten dus nanoaggregates in plaats van colloïdale nanodeeltjes, die zijn bedekt met citraat anionen bereiden. Zilveren aggregaten worden gevormd door de zouten uit effect gecreëerd door toevoeging van poly-L-lysine, die heeft -NH3+ en de oorsprong van de SERS, of nb+ caties van NaCl, zoals weergegeven in Figuur S2 van het aanvullend materiaal. Bovendien, om te verlichten van de vele plekken ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteur heeft niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteur dankt Prof. Y. Ozaki (Kwansei Gakuin University) en Dr. T. Itoh (nationale Instituut van geavanceerde industriële wetenschap en technologie) voor hun vruchtbare discussie van dit werk. Dit werk werd gesteund door KAKENHI (Grant-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek-C) van het ministerie van onderwijs, cultuur, sport, wetenschap en technologie (nr. 16K 05671).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Zilvernitraat, 99,8%Wako194-00832
Trinatriumcitraatdihydraat, 99%Wako191-01785
Poly-L-lysine waterige oplossing, 0,1%Sigma-AldrichP8920
3,3'-disulfopropylthiacyanine triethylamineHayashibara Biochemical LaboratoriesNK-2703een soort thiacyanine kleurstoffen
3,3'-diethyl-5,5'-dichlooor-9-methylthiacarbocyanine jodiumzoutHayashibara Biochemical LaboratoriesSMP-9een soort thiacarobocyanine kleurstoffen
Natriumchloride, 99,5%Wako191-01665
Dimroth-condensatorIwaki61-9722-22gekocht bij AS ONE
MagneetschedeCorningDC-420D
OliebadAdvantechOS-220
Glazen plaatMatsunamiS-1112Microscoopglaasje
BlowerHozanZ-288Luchtduster
Vloeistofblocker penDaido SangyoLIQUID BLOCKER (Super Pap Pen). Klaar-voor-gebruik hydrofobe barrièrepen ontworpen voor immunohistochemie toepassingen
Omgekeerd microscoopOlympusIX-70
ObjectieflensOlympusLCPlanFl 60×NA 0,7
Donkerveld condensorOlympusU-DCDNA 0,8-0,92
Gekoelde digitale CCD-cameraHamamatsuORCA-AGgestuurd door software Aqua Cosmos
Software voor de gekoelde digitale CCD-cameraHamamatsuAquaCosmosgebruikt voor ook afgeleide van de tijdsprofielen van de knipperende punten in de video 
Kleur CCD-cameraELMOTNC-C920niet gebruikt voor analyse
DPSS-laserRGB-lasersysteemNovaPro532-75λ = 532 nm;
60 mW (komt overeen met een vermogensdichtheid van 600 W/cm2)
InterferentiefilterSemrockLL01-532-12.5
LongpassfilterSemrockBLP01-532R-25
Software voor het onderscheid en het tellen van de heldere/donkere gebeurtenissenzelfgemaaktgeprogrammeerd in C++
Software voor het passen door een machtswetLightStoneOrigin6.1

Referenties

  1. Qian, X. M., Nie, S. M. Single-molecule and single-nanoparticle SERS: from fundamental mechanisms to biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 37, 912-920 (2008).
  2. Pieczonka, N. P. W., Aroca, R. F. Single molecule analysis by surfaced-enhanced Raman scattering. Chem. Soc. Rev. 37, 946-954 (2008).
  3. Kneipp, J., Kneipp, H., Kneipp, K. SERS -a single-molecule and nanoscale tool for bioanalytics. Chem. Soc. Rev. 37, 1052-1060 (2008).
  4. Kitahama, Y., Ozaki, Y. Analysis of blinking SERS by a power law with an exponential function. Frontiers of Surface-Enhanced Raman Scattering: Single-Nanoparticles and Single Cells. , Wiley. Chichester. Chapter 6 (2014).
  5. Kitahama, Y. Truncated Power Law Analysis of Blinking SERS. Frontiers of Plasmon Enhanced Spectroscopy Volume 1 (ACS Symposium series Vol. 1245). , American Chemical Society. Washington DC. Chapter 4 (2016).
  6. Bizzarri, A. R., Cannistraro, S. Lévy Statistics of Vibrational Mode Fluctuations of Single Molecules from Surface-Enhanced Raman Scattering. Phys. Rev. Lett. 94, 068303(2005).
  7. Kitahama, Y., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Power-law analysis of surface-plasmon-enhanced electromagnetic field dependence of blinking SERS of thiacyanine or thiacarbocyanine adsorbed on single silver nanoaggregates. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7439-7448 (2011).
  8. Kitahama, Y., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Analysis of excitation laser intensity dependence of blinking SERRS of thiacarbocyanine adsorbed on single silver nanoaggregates by using a power law with an exponential function. Chem. Commun. 47, 3888-3890 (2011).
  9. Kitahama, Y., Enogaki, A., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Truncated power law analysis of blinking SERS of thiacyanine molecules adsorbed on single silver nanoaggregates by excitation at various wavelengths. J. Phys. Chem. C. 117, 9397-9403 (2013).
  10. Kitahama, Y., Araki, D., Yamamoto, Y. S., Itoh, T., Ozaki, Y. Different behaviour of molecules in dark SERS state on colloidal Ag nanoparticles estimated by truncated power law analysis of blinking SERS. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 21204-21210 (2015).
  11. Kitahama, Y., Nagahiro, T., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Analysis of blinking from multicoloured SERS-active Ag colloidal nanoaggregates with poly-L-lysine via truncated power law. J. Raman. Spectrosc. 48, 570-577 (2017).
  12. Habuchi, S., et al. Single-Molecule Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy of the Enhanced Green Fluorescent Protein. J. Am. Chem. Soc. 125, 8446-8447 (2003).
  13. Weiss, A., Haran, G. Time-Dependent Single-Molecule Raman Scattering as a Probe of Surface Dynamics. J. Phys. Chem. B. 105, 12348-12354 (2001).
  14. Emory, S. R., Jensen, R. A., Wenda, T., Han, M., Nie, S. Re-examining the origins of spectral blinking in single-molecule and single-nanoparticle SERS. Faraday Discuss. 132, 249-259 (2006).
  15. Itoh, T., Iga, M., Tamaru, H., Yoshida, K., Biju, V., Ishikawa, M. Quantitative evaluation of blinking in surface enhanced resonance Raman scattering and fluorescence by electromagnetic mechanism. J. Chem. Phys. 136, 024703(2012).
  16. Willets, K. A. Super-resolution imaging of SERS hot spots. Chem. Soc. Rev. 43, 3854-3864 (2014).
  17. Dieringer, J. A., Lettan, R. B., Scheidt, K. A., Van Duyne, R. P. A Frequency Domain Existence Proof of Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 129, 16249-16256 (2007).
  18. Cichos, F., von Borczyskowski, C., Orrit, M. Power-law intermittency of single emitters. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 12, 272-284 (2007).
  19. Tang, J., Marcus, R. A. Mechanisms of fluorescence blinking in semiconductor nanocrystal quantum dots. J. Chem. Phys. 123, 054704(2005).
  20. Lee, P. C., Meisel, D. Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols. J. Phys. Chem. 86, 3391-3395 (1982).
  21. Krichevsky, O., Bonnet, G. Fluorescence correlation spectroscopy: the technique and its applications. Rep. Prog. Phys. 65, 251-297 (2002).
  22. Hess, S. T., Huang, S., Heikal, A. A., Webb, W. W. Biological and Chemical Applications of Fluorescence Correlation Spectroscopy: A Review. Biochemistry. 41, 697-705 (2002).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Knipperende SERSzilver nanoaggregatenmachtswetanalyserandom walk modelgebeurtenisduuranalysefluorescentiemicroscopieCCD camera beeldvorminglaserbelichtingpoly l lysine coating
Observatie en analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.