Name: Elektrochemie volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsspectroscopie en microscopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-05-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 59 s
Description: Leer elektrochemische gebeurtenissen volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsspectroscopie. Deze methode koppelt elektrochemische processen aan moleculaire veranderingen voor nanoschaalkatalyse.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door start-upfondsen van de Universiteit van Louisville en financiering van Oak Ridge Associated Universities via een Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. De auteurs bedanken Dr. Ki-Hyun Cho voor het maken van de afbeelding in figuur 1. De metaalafzetting en SEM werden uitgevoerd in het Micro / Nano Technology Center aan de Universiteit van Louisville.

Analyse van de heterogene prestaties van enkele nanodeeltjes met elektrochemische methoden

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Het afzetten van Cu- en Ag-dunne metaalfilms op schone dekplaten is van vitaal belang om ervoor te zorgen dat de uiteindelijke film een ruwheid heeft die niet groter is dan twee tot vier atomaire lagen (of een wortelgemiddelde vierkante ruwheid kleiner dan of gelijk aan ongeveer 0,7 nm). Stof, krassen en vuil op de dekplaat voorafgaand aan metaalafzetting zijn veelvoorkomende problemen die de fabricage van de gladde film voorkomen die nodig is om donutvormige emissiepatronen te produceren. Daarom wordt aanbevolen om de a...

Elektrochemie is een belangrijke meetwetenschap voor het bestuderen van ladingsoverdracht, ladingsopslag, massatransport, enz., Met toepassingen in verschillende disciplines, waaronder biologie, scheikunde, natuurkunde en engineering 1,2,3,4,5,6,7 . Conventioneel omvat elektrochemie metingen over een ensemble - een grote verzameling afzonderlijke entiteiten zoals moleculen, kristallijne domeinen, nanodeeltjes en oppervlakteplaatsen. Begrijpen hoe dergelijke afzonderlijke entiteiten bijdragen aan ensemble-gemiddelde responsen is echter de sleutel tot het voortbrengen van nieuwe fundamentele en mechanistische inzichten in de chemie en aanverwante gebieden vanwege de heterogeniteit van elektrodeoppervlakken in complexe elektrochemische omgevingen 8,9. Ensemblereductie heeft bijvoorbeeld locatiespecifieke reductie-/oxidatiepotentialen10, de vorming van tussenproducten en kleine katalyseproducten 11, locatiespecifieke reactiekinetiek 12,13 en ladingsdragerdynamiek 14,15 aan het licht gebracht. Het verminderen van ensemblemiddeling is vooral belangrijk bij het verbeteren van ons begrip van modelsystemen naar toegepaste systemen, zoals biologische cellen, elektrokatalyse en batterijen, waarin uitgebreide heterogeniteit vaak wordt gevonden 16,17,18,19,20,21,22.
In de afgelopen tien jaar is er een opkomst geweest van technieken om elektrochemie van één entiteitte bestuderen 1,2,9,10,11,12. Deze elektrochemische metingen hebben de mogelijkheden geboden om kleine elektrische en ionische stromen in verschillende systemen te meten en onthulden nieuwe fundamentele chemische en fysische kenmerken 23,24,25,26,27,28. Elektrochemische metingen geven echter geen informatie over de identiteit of structuur van moleculen of tussenproducten aan het elektrodeoppervlak 29,30,31,32. Chemische informatie op de elektrode-elektrolyt interface staat centraal bij het begrijpen van elektrochemische reacties. Interfaciale chemische kennis wordt meestal verkregen door elektrochemie te koppelen aan spectroscopie31,32. Vibrationele spectroscopie, zoals Raman-verstrooiing, is zeer geschikt om aanvullende chemische informatie te verstrekken over ladingsoverdracht en gerelateerde gebeurtenissen in elektrochemische systemen die voornamelijk gebruik maken van, maar niet beperkt zijn tot, waterige oplosmiddelen30. In combinatie met microscopie biedt Raman-verstrooiingsspectroscopie ruimtelijke resolutie tot de diffractielimiet van licht33,34. Diffractie vormt echter een beperking, omdat nanodeeltjes en actieve oppervlakteplaatsen kleiner zijn in lengte dan optische diffractielimieten, wat dus de studie van individuele entiteiten uitsluit35.
Van oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS) is aangetoond dat het een krachtig hulpmiddel is bij het bestuderen van interfaciale chemie in elektrochemische reacties 20,30,36,37,38. Naast het leveren van de trillingsmodi van reactante moleculen, oplosmiddelmoleculen, additieven en de oppervlaktechemie van elektroden, biedt SERS een signaal dat is gelokaliseerd op het oppervlak van materialen die collectieve oppervlakte-elektronenoscillaties ondersteunen, bekend als gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties. De excitatie van plasmonresonanties leidt tot de concentratie van elektromagnetische straling aan het oppervlak van het metaal, waardoor zowel de lichtstroom als de Raman-verstrooiing van oppervlakteadsorbaten toeneemt. Nanogestructureerde edelmetalen zoals Ag en Au zijn veelgebruikte plasmonische materialen omdat ze plasmonresonanties van zichtbaar licht ondersteunen, die wenselijk zijn voor het detecteren van emissie met zeer gevoelige en efficiënte ladingsgekoppelde apparaten. Hoewel de grootste verbeteringen in SERS afkomstig zijn van aggregaten van nanodeeltjes39,40, is een nieuw SERS-substraat ontwikkeld dat SERS-metingen van individuele nanodeeltjes mogelijk maakt: gap-mode SERS-substraat (figuur 1)41,42. In sators-substraten in gap-mode wordt een metalen spiegel vervaardigd en gecoat met een analyt. Vervolgens worden nanodeeltjes over het substraat verspreid. Bij bestraling met circulair gepolariseerd laserlicht wordt een dipolaire plasmonresonantie gevormd door de koppeling van het nanodeeltje en substraat geëxciteerd, waardoor SERS-metingen aan afzonderlijke nanodeeltjes mogelijk zijn. SERS-emissie is gekoppeld aan de dipolaire plasmonresonantie43,44,45, die langs de optische as is georiënteerd. Met de parallelle uitlijning van de stralende elektrische dipool en verzameloptiek wordt alleen hooghoekemissie verzameld, waardoor verschillende donutvormige emissiepatronen46,47,48,49 worden gevormd en de identificatie van afzonderlijke nanodeeltjes mogelijk is. Aggregaten van nanodeeltjes op het substraat bevatten stralende dipolen die niet evenwijdig zijn aan de optische as50. In dit laatste geval worden emissies met een lage hoek en een hoge hoek verzameld en vormen zij vaste emissiepatronen46.
Hier beschrijven we een protocol voor het fabriceren van gap-mode SERS-substraten en een procedure om ze te gebruiken als werkende elektroden om elektrochemische redoxgebeurtenissen op enkele Ag-nanodeeltjes te monitoren met behulp van SERS. Belangrijk is dat het protocol met behulp van gap-mode SERS-substraten de ondubbelzinnige identificatie van enkele nanodeeltjes door SERS-beeldvorming mogelijk maakt, wat een belangrijke uitdaging is voor de huidige methodologieën in elektrochemie met één nanodeeltje. Als modelsysteem demonstreren we het gebruik van SERS om een uitlezing te geven van de elektrochemische reductie en oxidatie van Nijlblauw A (NB) op een enkel Ag-nanodeeltje aangedreven door een scanning of getrapte potentiaal (d.w.z. cyclische voltammetrie, chronoamperometrie). NB ondergaat een multi-proton, multi-elektronenreductie/oxidatiereactie waarbij de elektronische structuur wordt gemoduleerd uit/in resonantie met de excitatiebron, wat een contrast oplevert in de overeenkomstige SERS-spectra 10,51,52. Het hier beschreven protocol is ook van toepassing op niet-resonerende redox-actieve moleculen en elektrochemische technieken, die relevant kunnen zijn voor toepassingen zoals elektrokatalyse.

<table><tbody><tr><td>Acetone, microelectronic grade</td><td>J. T. Baker</td><td>9005-05</td><td></td></tr><tr><td>Instelbare pipet, Eppendorf Reference 2 5000 mL</td><td>Eppendorf</td><td>4924000100</td><td></td></tr><tr><td>Analytische Weegschaal, AB54-S/FACT</td><td>Metter Toledo</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Atomaire Krachtmicroscoop, Easy scan 2</td><td>Nanosurf</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>AXXIS Electron Beam Thin Film Deposition System</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Cary 60 UV-Vis Spectrofotometer</td><td>Agilent</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Leidbare epoxy, twee onderdelen</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>12642-14</td><td></td></tr><tr><td>Koperen pellets, 99,99% zuiver</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMCU40EXE</td><td></td></tr><tr><td>Koperen draad, kaal, 18 AWG</td><td>VWR</td><td>66248-040</td><td></td></tr><tr><td>Smeltkroes, Grafiet E-Beam</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVCEB-23</td><td></td></tr><tr><td>Diamant Schrijver</td><td>Ted Pella</td><td>54484</td><td></td></tr><tr><td>EMCCD Camera, ProEM HS: 1024BX3</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Epoxy, Helder</td><td>Gorilla Glue</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Glasbuis Snijder</td><td>Wheeler-Rex</td><td>69012</td><td></td></tr><tr><td>Glasbuis, Borossilicaat (OD 0,75", ID 0,62", L 12")</td><td>McMaster-Carr</td><td>8729K45</td><td></td></tr><tr><td>Dompelolie, Type-F</td><td>Olympus</td><td>IMMOIL-F30CC</td><td></td></tr><tr><td>Omgekeerd Microscoop, IX73</td><td>Olympus</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Laser, Excelsior One 642 nm Vrije ruimte</td><td>Spectra-Physics</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>LightField</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 2022b</td><td>MathWorks</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Micro dekglas (dekslipjes), 24&times;60 mm No. 1</td><td>VWR</td><td>48404-455</td><td></td></tr><tr><td>Microscoop Smartphone Camera Adapter</td><td>qhma</td><td>QHMC017A-S01</td><td></td></tr><tr><td>Nile Blauw A, puur</td><td>Acros Organics</td><td>415690100</td><td></td></tr><tr><td>Stikstof, Ultra Zuiver, Gecomprimeerd</td><td>Specialty Gases</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Objectief, UPLanXApo 100&times; Olie Immersie</td><td>Olympus</td><td>14-910</td><td></td></tr><tr><td>Polyimide Film, Kapton</td><td>3M</td><td>16089-4</td><td></td></tr><tr><td>Kalium Fosfaat Monobasisch</td><td>VWR</td><td>P285</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat, 660E</td><td>CH Instruments</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Pt draad</td><td>Alfa Aesar</td><td>10956-BS</td><td></td></tr><tr><td>Scanning Electron Microscope, Apreo C SEM</td><td>Thermo Fischer Scientific</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Si wafer</td><td>Ted Pella</td><td>16006</td><td></td></tr><tr><td>Zilveren nanodeeltjes (nanosferen), NanoXact 0,02 mg/mL in 2 mM citraat</td><td>nanoComposix</td><td>AGCN60</td><td></td></tr><tr><td>Zilveren pellets, 99,99% zuiver</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.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Natrium Fosfaat Dibasisch Heptahydraat</td><td>VWR</td><td>0348</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer, IsoPlane SCT320</td><td>Teledyne Princeton Instruments</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Weefsel Wipers, Licht-duty</td><td>VWR</td><td>82003-820</td><td></td></tr><tr><td>Pincet, KS-04</td><td>Kaisi Hardware</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasoon Generator, sweepSONIK</td><td>Blackstone-NEY Ultrasonics</td><td>809379</td><td></td></tr><tr><td>Water Ultrapurifier, Sartorius Arium mini</td><td>Sartorius</td><td>N.V.T.</td><td></td></tr></tbody></table>

elektrochemie volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde raman-verstrooiingsspectroscopie en microscopie

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

Het bestuderen van elektrochemische reacties op enkele nanodeeltjes is belangrijk om de heterogene prestaties van individuele nanodeeltjes te begrijpen. Deze heterogeniteit op nanoschaal blijft verborgen tijdens de ensemblegemiddelde karakterisering van nanodeeltjes. Elektrochemische technieken zijn ontwikkeld om stromen van enkele nanodeeltjes te meten, maar geven geen informatie over de structuur en identiteit van de moleculen die reacties ondergaan aan het elektrodeoppervlak. Optische technieken zoals oppervlakte-versterkte Raman scattering (SERS) microscopie en spectroscopie kunnen elektrochemische gebeurtenissen op individuele nanodeeltjes detecteren en tegelijkertijd informatie verschaffen over de trillingsmodi van elektrode-oppervlaktesoorten. In dit artikel wordt een protocol gedemonstreerd om de elektrochemische oxidatie-reductie van Nile Blue (NB) op enkele Ag-nanodeeltjes te volgen met behulp van SERS-microscopie en spectroscopie. Eerst wordt een gedetailleerd protocol beschreven voor het fabriceren van Ag-nanodeeltjes op een gladde en semi-transparante Ag-film. Een dipolaire plasmonmodus uitgelijnd langs de optische as wordt gevormd tussen een enkel Ag-nanodeeltje en Ag-film. De SERS-emissie van NB die tussen het nanodeeltje en de film is gefixeerd, wordt gekoppeld aan de plasmonmodus en de hogehoekemissie wordt verzameld door een microscoopobjectief om een donutvormig emissiepatroon te vormen. Deze donutvormige SERS-emissiepatronen maken de eenduidige identificatie van enkele nanodeeltjes op het substraat mogelijk, waaruit de SERS-spectra kunnen worden verzameld. In dit werk wordt een methode gegeven voor het gebruik van het SERS-substraat als een werkende elektrode in een elektrochemische cel die compatibel is met een omgekeerde optische microscoop. Ten slotte wordt het volgen van de elektrochemische oxidatie-reductie van NB-moleculen op een individueel Ag-nanodeeltje getoond. De opstelling en het hier beschreven protocol kunnen worden aangepast om verschillende elektrochemische reacties op individuele nanodeeltjes te bestuderen.

Figuur 2A toont Ag dunne film substraten bereid met behulp van een elektronenbundel metaalafzettingssysteem. Het "goede" substraat in figuur 2A heeft een homogene dekking van Ag-metaal over de glazen dekplaat, terwijl het "slechte" substraat een niet-uniforme dekking van Ag heeft. Het ultraviolet-zichtbare spectrum van de "goede" Ag dunne film is weergegeven in figuur 2B, die aantoont dat de film gedeeltelijk transparant is voor het...

Het protocol beschrijft hoe elektrochemische gebeurtenissen op enkele nanodeeltjes kunnen worden gevolgd met behulp van oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiingsspectroscopie en beeldvorming.

Elektrochemie volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsspectroscopie en microscopie

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

Een gemeenschappelijk thema in ons onderzoek is het gebruik van lichtmaterie-interacties en elektrische energie om interfaciale chemische transformaties op nanoschaal te meten, aan te sturen en te beheersen. In het bijzonder proberen we te begrijpen hoe lokale omgevingen en reactietussenproducten de selectiviteit in elektrische katalyse beïnvloeden. Katalytische transformaties worden traditioneel geëvalueerd met ensemblegemiddelde metingen van de producten en de katalysatorattributen.De grensuitdagingen om selectief chemische producten te produceren, omvatten het verminderen van deze meetgemiddelde met behoud van de meetgevoeligheid, zodat we de acties van individuele moleculen op de reactieve plaatsen van de katalysator beter kunnen begrijpen. Elektrochemische technieken alleen geven geen chemische informatie over soorten die zich vormen en transformeren aan het elektrodeoppervlak. Ons protocol maakt elektrochemische metingen aan een enkel nanodeeltje mogelijk met behulp van trillingsspectroscopie als uitlezing, waardoor correlaties tussen elektrochemische processen en moleculaire veranderingen mogelijk worden.In de toekomst zal ons laboratorium de grenzen van meetresolutie en ruimte en tijd blijven verleggen om chemische en materiële processen op het niveau van één molecuul en op de tijdschaal van chemische reacties te begrijpen.

tracking-electrochemistry-on-single-nanoparticles-with-surface

Research

JoVE Journal

Chemistry

Scheikunde

We beschrijven de fabricage en karakterisering van nanobiologische systemen die geïnterfacede nanogestructureerde substraten met geïmmobiliseerde eiwitten en aptameren. De relevante experimentele stappen met betrekking tot lithographische fabricage van nanogestructureerde substraten, bio-functionalisering en karakterisering met behulp van oppervlakte-versterkte Raman-spectroscopie (SERS) worden gerapporteerd. SERS-detectie van op het oppervlak geïmmobiliseerde eiwitten en het onderzoek van...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detectie van biomoleculen met behulp van EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Een werkwijze voor de productie en het uitvoeren van het filter gebaseerde Raman spectroscopische (SERS) assay voor de detectie van chemische verontreinigingen (bijvoorbeeld pesticiden ferbam en antibioticum ampicilline) behandeld.

A-filter op basis Surface Enhanced Raman spectroscopische test voor snelle opsporing van chemische verontreinigingen

Het huidige protocol beschrijft een handige benadering voor het integreren van optische vangmethoden en oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (SERS) om plasmonische nanodeeltjes te manipuleren voor gevoelige moleculaire detectie. Zonder aggregeringsmiddelen assembleert de vanglaser plasmonische nanodeeltjes om de SERS-signalen van doelanalyten te verbeteren voor in situ spectroscopische metingen.

Optische overvulling van plasmonische nanodeeltjes voor in situ oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopiekarakteriseringen

Dit protocol demonstreert single-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS) metingen met behulp van een DNA origami nanoantenna (DONA) in combinatie met colocalized atomic force microscopy (AFM) en Raman metingen.

Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering Measurements mogelijk gemaakt door Plasmonic DNA Origami Nanoantennas

In deze studie ontwikkelden we een goedkope oppervlakte-verbeterde Raman scattering (SERS) -gebaseerde vingerafdruk nanoprobe met gunstige biocompatibiliteit om labelvrije levende celbioimaging te tonen en twee bacteriestammen te detecteren, die in detail laten zien hoe SERS-spectra van levende cellen kunnen worden verkregen in een niet-destructieve methode.

Labelvrije oppervlakte-verbeterde Raman Scattering Bioanalyse op basis van Au@Carbon Dot Nanoprobes

Een protocol beschreven voor de karakterisering van de belangrijkste elektrochemische parameters van een borium gedoteerd diamant (BDD) elektrode en volgend verzoek om in situ pH generatie experimenten.

Beoordeling van borongedopeerd diamant elektrode Kwaliteit en Toepassing op<em&gt; In Situ</em&gt; Wijziging van lokale pH by Water elektrolyse

Een methode voor de functionele bewerking van koolstofnanobuisjes met structureel aanpasbare polymere inkapselinglagen en structurele karakterisering met behulp van kleinhoekige neutronenscattering wordt gepresenteerd.

Functionalisering van Enkelwandige koolstof nanobuisjes met Thermo-omkeerbare Block copolymeren en karakterisering door Small-angle Neutron Scattering

Hier introduceren we een experimentele protocollen voor het real-time opvolgen van een zelf-assemblage proces met behulp van vloeistof-cel transmissie-elektronenmicroscopie.

Vloeistof-cel transmissie-elektronenmicroscopie voor Tracking zelf-assemblage van nanodeeltjes

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.

Observatie en analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing

Hier presenteren we een protocol voor het onderzoek naar de structuur en de dynamiek van Interfaciale water op de atoomschaal, in termen van submolecular resolutie beeldvorming, moleculaire manipulatie en enkele-binding Vibrationele spectroscopie.

Sonderen de structuur en de dynamiek van Interfaciale Water met Scanning Tunneling microscopie en spectroscopie

Leer elektrochemische gebeurtenissen volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsspectroscopie. Deze methode koppelt elektrochemische processen aan moleculaire veranderingen voor nanoschaalkatalyse.

Elektrochemie volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsspectroscopie en microscopie

Meer video's verkennen