Śledzenie elektrochemii pojedynczych nanocząstek za pomocą spektroskopii i mikroskopii rozpraszania Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym

Johann V. Hemmer; Padmanabh B. Joshi; Andrew J. Wilson

doi:10.3791/65486

Method Article

Śledzenie elektrochemii pojedynczych nanocząstek za pomocą spektroskopii i mikroskopii rozpraszania Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym

DOI:

10.3791/65486

⸱

May 12th, 2023

Johann V. Hemmer*¹ , Padmanabh B. Joshi*¹ , Andrew J. Wilson¹

¹Department of Chemistry, University of Louisville

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół opisuje, jak monitorować zdarzenia elektrochemiczne na pojedynczych nanocząstkach za pomocą powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii rozpraszania Ramana i obrazowania.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badanie reakcji elektrochemicznych na pojedynczych nanocząstkach jest ważne dla zrozumienia niejednorodności poszczególnych nanocząstek. Ta niejednorodność w nanoskali pozostaje ukryta podczas uśrednionej charakterystyki nanocząstek. Techniki elektrochemiczne zostały opracowane do pomiaru prądów od pojedynczych nanocząstek, ale nie dostarczają informacji o strukturze i tożsamości cząsteczek ulegających reakcjom na powierzchni elektrody. Techniki optyczne, takie jak mikroskopia i spektroskopia rozpraszania Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym (SERS), mogą wykrywać zdarzenia elektrochemiczne na pojedynczych nanocząstkach, jednocześnie dostarczając informacji na temat trybów drgań gatunków powierzchni elektrod. W artykule przedstawiono protokół śledzenia elektrochemicznej oksydacji-redukcji błękitu nilowego (NB) na pojedynczych nanocząstkach Ag za pomocą mikroskopii i spektroskopii SERS. W pierwszej kolejności opisano szczegółowy protokół wytwarzania nanocząstek Ag na gładkiej i półprzezroczystej folii Ag. Dipolarny mod plazmonu ustawiony wzdłuż osi optycznej powstaje między pojedynczą nanocząstką Ag a folią Ag. Emisja SERS z NB utrwalona między nanocząstką a folią jest sprzężona z trybem plazmonowym, a emisja pod wysokim kątem jest zbierana przez obiektyw mikroskopu w celu utworzenia wzoru emisji w kształcie pączka. Te wzorce emisji SERS w kształcie pączków pozwalają na jednoznaczną identyfikację pojedynczych nanocząstek na podłożu, z których można zebrać widma SERS. W niniejszej pracy przedstawiono metodę wykorzystania podłoża SERS jako elektrody roboczej w ogniwie elektrochemicznym kompatybilnym z odwróconym mikroskopem optycznym. Na koniec pokazano śledzenie elektrochemicznej oksydacji-redukcji cząsteczek NB na pojedynczej nanocząstce Ag. Opisana tutaj konfiguracja i protokół mogą być modyfikowane w celu badania różnych reakcji elektrochemicznych na pojedynczych nanocząstkach.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrochemia jest ważną nauką pomiarową do badania transferu ładunków, magazynowania ładunków, transportu masowego, itp., z zastosowaniami w różnych dyscyplinach, w tym biologii, chemii, fizyce i inżynierii^1,²^,3^,⁴^,5^,⁶^,⁷. Konwencjonalnie, elektrochemia obejmuje pomiary na zespole - dużym zbiorze pojedynczych jednostek, takich jak molekuły, domeny krystaliczne, nanocząstki i miejsca na powierzchni. Jednak zrozumienie, w jaki sposób takie p....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie podłoża SERS w trybie przerwy

Szkiełka nakrywkowe nr 1 należy oczyścić (patrz tabela materiałów) za pomocą płukania acetonem i wodą, jak opisano poniżej. Wykonaj ten krok w pomieszczeniu czystym, aby upewnić się, że na szkiełkach nakrywkowych nie osadzają się żadne zanieczyszczenia ani inne niepożądane substancje.
1. Umieść szkiełka nakrywkowe w stojaku na slajdy. Użyj pęsety podczas przesuwania szkiełek nakrywkowych/podłoży. Umieść stojak na szkiełka w szklanym pojemniku i napełnij go acetonem.
  UWAGA: Aceton jest wysoce łatwopalny i ma potencjalne negatywne skutki zdrowotne. Trzymaj się g....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 2A przedstawia cienkowarstwowe podłoża Ag przygotowane przy użyciu systemu osadzania metalu wiązką elektronów. "Dobre" podłoże pokazane w Rysunek 2A ma jednorodne pokrycie metalu Ag na szklanym szkiełku nakrywkowym, podczas gdy "złe" podłoże ma nierównomierne pokrycie Ag. Widmo ultrafioletowo-widzialne "dobrej" cienkiej warstwy Ag jest pokazane na Rysunek 2B, który pokazuje, że film jest częściowo przezroczysty dla widzialnej części w.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Osadzanie cienkich warstw metalowych Cu i Ag na czystych szkiełkach nakrywkowych jest niezbędne do zapewnienia, że końcowa warstwa ma chropowatość nie większą niż dwie do czterech warstw atomowych (lub chropowatość średniej kwadratowej mniejszą lub równą około 0,7 nm). Kurz, zadrapania i zanieczyszczenia obecne na szkiełku nakrywkowym przed osadzaniem metalu są częstymi problemami, które uniemożliwiają wytworzenie gładkiej folii wymaganej do wytworzenia wzorów emisji w kształcie pączka. W związku z tym zaleca się sonikac.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez fundusze start-upowe z University of Louisville oraz fundusze z Oak Ridge Associated Universities poprzez Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Autorzy dziękują dr Ki-Hyun Cho za stworzenie obrazu na rysunku 1. Osadzanie metalu i SEM przeprowadzono w Centrum Technologii Mikro/Nano na Uniwersytecie w Louisville.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number
Aceton, klasa mikroelektroniczna	J. T. Baker	9005-05
Pipeta regulowana, Eppendorf Reference 2 5000 mL	Eppendorf	4924000100
Analytical Balance, AB54-S/FACT	Metter Toledo	N.A.
Mikroskop sił atomowych, łatwe skanowanie 2	Nanosurf	N.A.
System osadzania cienkowarstwowego AXXIS wiązką elektronów	Kurt J. Lesker	N.A.
Spektrofotometr Cary 60 UV-Vis	Agilent	N.A.
Przewodząca żywica epoksydowa, dwuczęściowa	Mikroskopia elektronowa Sciences	12642-14
Granulki miedzi, czystość 99,99%	Kurt J. Lesker	EVMCU40EXE
Drut miedziany, goły, 18 AWG	VWR	66248-040
Tygiel, grafitowa wiązka elektronowa	Kurt J. Lesker	EVCEB-23
Diamentowy rysik	Ted Pella	54484
Kamera EMCCD, ProEM HS: 1024BX3	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
Epoksydowy, bezbarwny	klej Gorilla Glue	N.A.
Nóż do rur szklanych	Wheeler-Rex	69012
Rurka szklana, borokrzemian (OD 0.75", ID 0.62", L 12")	McMaster-Carr	8729K45
Olejek immersyjny, Type-F	Olympus	IMMOIL-F30CC
, IX73	Olympus	N.A.
Laser, Excelsior One 642 nm Wolna przestrzeń	Spectra-Physics	N.A.
LightField	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
MATLAB 2022b	MathWorks	N.A.
Szkło nakrywkowe z mikro (szkiełka nakrywkowe), 24 i razy; 60 mm nr 1	VWR	48404-455
Adapter do smartfona do mikroskopu	qhma	QHMC017A-S01
Nil Blue A, czysty	Acros Organics	415690100
azot, ultra czysty, sprężone	gazy specjalne	nie dotyczy
Obiektyw, UPLanXApo 100 razy; Immersion	Olympus	14-910
Folia poliimidowa, Kapton	3M	16089-4
Fosforan potasu Monobasic	VWR	P285
Potencjostat, 660E	CH Instruments	N.A.
Drut Pt Skaningowy	Alfa Aesar	10956-BS
, Apreo C SEM	Thermo Fischer Scientific	N.A.
Si wafel	Ted Pella	16006
Nanocząsteczki srebra (nanosfery), NanoXact 0,02 mg/ml w 2 mM cytrynianie	nanoComposix	AGCN60
Srebro w granulkach, czystość 99,99%	Kurt J. Lesker	EVMAG40EXE-A
Stojak na slajdy, Wash-N-Dry	Zróżnicowany smartfon biotech	WSDR-2000
, iPhone 13 mini	Apple	N.A.
Spektrometr wodorofosforanu sodu dwuzasadowego heptahydratu	VWR	0348
, IsoPlane SCT320	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
Wycieraczki do chusteczek higienicznych, lekkie	Pęseta VWR	82003-820
, KS-04	Kaisi Hardware	N.A.
Generator Utrason, sweepSONIK	Blackstone-NEY Ultrasonics	809379
Ultraoczyszczacz wody, Sartorius Arium mini	Sartorius	N.A.

Mikroskop odwrócony olejowy mikroskop elektronowy

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O'Mari, O., Vullev, V. I. Electrochemical analysis in charge-transfer science: The devil in the details. Current Opinion in Electrochemistry. 31, 100862(2022).
Forster, R. J. Microelectrodes: New dimensions in electrochemistry. Chemical Socie....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Śledzenie elektrochemii pojedynczych nanocząstek za pomocą spektroskopii i mikroskopii rozpraszania Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles