Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Observatie en analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing

Published: January 11, 2018 doi: 10.3791/56729
Automatic Translation
1
1Department of Chemistry, Kwansei Gakuin University

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 (Equation 1) de macht wet exponent αop voor een specifieke plek knipperen afleiden. Als Pop(t) is gemonteerd door Equation 1 , 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 Equation 3 afleiden van de macht wet exponent αaf en de truncatie tijd τ de dezelfde knippert ter plaatse. Als Puit(t) is gemonteerd door Equation 3 , 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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,,9,10. Er zijn twee soorten "negatieve" resultaten: continu resultaten, of resultaten waar geen SERS wordt waargenomen. De voormalige en laatste resultaten kunnen worden veroorzaakt door hoge of lage concentraties van moleculen op het colloïdaal zilver oppervlak, respectievelijk.

De signalen van een enkele zilveren nanoaggregate tonen verschillende intensiteiten op verschillende tijdstippen, zoals weergegeven in Figuur 2B. Dit verschilt van de knipperende fluorescentie van een enkele QD. Histogrammen van de intensiteit van de fluorescentie blijkt twee verschillende bergtoppen, die heldere en donkere Staten18vertegenwoordigen. Het profiel van de tijd over een lange afstand is gelijkaardig aan haar expansie in een kort bereik, zoals in Figuur 34. Dit wordt aangeduid als 'zelf-gelijkenis' of 'fractal'; objecten functies worden namelijk beschouwd als soortgelijk als hun lengte schalen zijn uitgevouwen.

In de grafiek van een logaritme-logaritme, zijn de kansverdelingen voor heldere en donkere evenementen uitgezet tegen hun duur als een lijn- en krommeopdrachten, respectievelijk, zoals weergegeven in Figuur 4 (in tegenstelling tot het knipperen van een enkele QD)19. In de grafiek, de helling van de lijn komt overeen met de macht wet exponent. In tegenstelling, wordt de kortere truncatie tijd afgeleid uit het feit dat de machtswet voor de donkere staat wordt afgekapt op kortere staart. Voor de donkere SERS gebeurtenis, zijn de kansverdelingen af en toe voorzien door een machtswet in plaats van een exponentiële functie. Dat wil zeggen, zijn zeer lange truncatie tijden met grote fouten soms afgeleide9,10. Het is echter niet een "negatieve" resultaat dat een vermogen wet met een exponentiële functie de kansverdelingen voor een donkere SERS evenement kan niet reproduceren.

De macht wet exponenten αaan/uit en afkappen keer τ afgeleid individuele zilveren nanodeeltjes Toon verschillende waarden, zoals weergegeven in Figuur 5. Uit de vele macht wet exponenten, is gemiddeld met een standaardfout afgeleid en in vergelijking met andere waarden in verschillende omstandigheden. In het geval van truncatie tijden, kan de mediaan in plaats van de gemiddelde geschikt zijn voor de vergelijking. Gelukkig, een overvloed aan gegevens kan worden verzameld van verschillende video's van knipperen, omdat ongeveer een dozijn knipperende plekken tegelijkertijd kunnen worden waargenomen in de video.

Figure 1
Figuur 1: representatieve beelden van de knipperende SERS. Veelkleurige knipperende vlekken van zilveren nanoaggregates met poly-L-lysine in acht worden genomen. Schaal bar = 10 µm. Dit is genomen met een omgekeerde Microscoop gekoppeld aan een kleuren CCD-camera via een lange pass filter (Zie de bijbehorende videofilm in Figuur S1 van het aanvullend materiaal). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: (A) representatieve tijd Profiel van signaalsterkte knippert ter plaatse. (B) het profiel van de tijd waarvan basislijn heeft zijn afgevlakt door af te trekken van het profiel van de tijd uit het donkere gebied en/of aan te passen via een polynomiale functie. Overgenomen met toestemming van de Royal Society of Chemistry8. (C) uitbreiding van square in (B), namelijk de basislijn van het profiel van de tijd. (D) Schematische dichtheid van de intensiteiten van de basislijn punten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: vertegenwoordiger tijd Profiel van de signaalsterkte van de knipperende ter plaatse en de drempel voor de definitie van lichte en donkere gebeurtenissen (horizontale lijn). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: vertegenwoordiger kansverdelingen voor knipperende vlekken uitgezet tegen hun duur. ()A) kansverdelingen voor heldere evenementen uitgezet tegen hun duur in de grafiek van een logaritme-logaritme. Solide en gestippelde lijnen passen resultaten met behulp van vergelijkingen als Log10Pop(t) = Log10(Equation 1) en Pop(t) = Equation 1 , respectievelijk. (B) kansverdelingen voor donkere evenementen uitgezet tegen hun duur in de grafiek van een logaritme-logaritme. Zij kunnen worden uitgerust als een curve die is gegeven door een machtswet met een exponentiële functie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: vertegenwoordiger histogrammen van parameters die zijn afgeleid van de machtswet. (A) Histogram van macht wet exponenten voor lichte evenementen. (B) Histogram van macht wet exponenten voor donkere evenementen. ()C) Histogram van afkappen keer in vermogen wet met een exponentiële functie voor de donkere gebeurtenissen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Supplemental Figure 1
Figuur S1: vertegenwoordiger film van knipperen SERS. Veelkleurige knipperende vlekken van zilveren nanoaggregates met poly-L-lysine in acht worden genomen. Dit heeft een oppervlakte van 50 µm × 40 µm en werd genomen met een omgekeerde Microscoop gekoppeld aan een CCD kleurencamera door een lange pass filter. Gelieve Klik hier om deze video te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)

Supplemental Figure 2
Figuur S2: vertegenwoordiger Scannende Elektronen Microscoop beeld van zilveren nanoaggregate gevormd door toevoeging van poly-L-lysine of NaCl. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Supplemental Figure 3
Figuur S3: conventionele Raman spectrum voor thiacarbocyanine poeder en representatieve tijdelijke-schommelde SERS spectra van een enkele zilveren nanoaggregate met thiacarbocyanine. Overgenomen met toestemming van de Royal Society of Chemistry8. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Evenement Start tijd/s Eind tijd/s Duur/s
donker 0.0000 3.5476 3.5476
helder 3.5476 4.0981 0.5505
donker 4.0981 5.8720 1.7738
helder 5.8720 5.9331 0.0612
donker 5.9331 6.3613 0.4282
helder 6.3613 6.4836 0.1223
donker 6.4836 6.6671 0.1835
helder 6.6671 6.7895 0.1223
donker 6.7895 7.0341 0.2447
helder 7.0341 7.0953 0.0612
donker 7.0953 8.3798 1.2845
helder 8.3798 8.4409 0.0612
donker 8.4409 8.6856 0.2447
helder 8.6856 8.7468 0.0612
donker 8.7468 9.6643 0.9175
helder 9.6643 9.9089 0.2447
donker 9.9089 9.9701 0.0612
helder 9.9701 10.3371 0.3670
donker 10.3371 10.3983 0.0612

Tabel 1: vertegenwoordiger inhoudsopgave donker of licht gebeurtenis, evenement starttijd, eindtijd gebeurtenis en gebeurtenis duur. Deze waren afgeleid van Figuur 3.

Duur/s Nr. van evenement Sommatie (Summation)/(Duration) Probability distribution/s-1
0.0612 102 205 3351.5791 0.64494
0.1223 41 103 841.9821 0.16202
0.1835 18 62 337.8828 0.06502
0.2447 9 44 179.8408 0.03461
0.3058 4 35 114.4442 0.02202
0.3670 3 31 84.4707 0.01626
0.4282 3 28 65.3967 0.01258
0.4893 4 25 51.0911 0.00983
0.5505 1 21 38.1481 0.00734
0.6117 1 20 32.6983 0.00629
0.6728 5 19 28.2395 0.00543
0.7340 2 14 19.0740 0.00367
0.9786 1 12 12.2619 0.00236
1.0398 1 11 10.5789 0.00204
1.1621 2 10 8.6048 0.00166
1.3456 1 8 5.9452 0.00114
1.4068 1 7 4.9758 0.00096
1.9573 1 6 3.0655 0.00059
2.0796 1 5 2.4043 0.00046
2.2631 1 4 1.7675 0.00034
2.4466 1 3 1.2262 0.00024
2.8136 1 2 0.7108 0.00014
2.9359 1 1 0.3406 0.00007

Tabel 2: Vertegenwoordiger inhoudsopgave duur, aantal evenementen gedurende elke, sommatie van het aantal gebeurtenissen voor de langere duur, sommaties gedeeld door elke duur en hun genormaliseerde kansverdelingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 op het brede gebied, de ongericht laserstraal wordt geleverd onder een hoek van 30° ten opzichte van de oppervlakte van de steekproef, door middel van een lens die niet is gekoppeld aan de Microscoop. Er is een mogelijkheid dat de opmerking gebied niet brandt. Wij passen en verplaats het gebied van de laser voor het verlichten van het gebied van de observatie met hoge vergroting. Na deze optimalisatie zijn eentonig gekleurde vlekken zichtbaar in de omgeving van dezelfde kleur. Dit zijn essentiële stappen voor blinking SERS observatie.

Hier, de zaken die aandacht voor de macht wet analyse vragen worden besproken. Ten eerste, de drempel voor de definitie van lichte en donkere gebeurtenissen beïnvloedt de knipperende analyse. Wanneer de drempel wordt verhoogd, de macht wet exponenten en afkappen tijden hebben de neiging te verhogen evenals4,5,9. Wanneer de exponenten (αop en αaf) en afkappen tijden verschillende trends vertonen, kan de afhankelijkheid van de knipperende SERS worden ontdekt. Ten tweede, de kleinere macht wet exponent vertegenwoordigt de steilere helling van de lijn gegeven door de machtswet in de logaritme-logaritme grafiek, vertegenwoordigen de lagere waarschijnlijkheid van lange duur voor de lichte of donkere gebeurtenis7. Omdat de heldere gebeurtenissen kunnen niet worden voortgezet voor een lange duur, worden minder punten voor de heldere gebeurtenissen uitgezet in de grafiek dan ze voor de donkere gebeurtenissen zijn. Vervolgens de αop waarden zijn meestal kleiner dan de αuitschakelen, waarden7, in tegenstelling tot het knipperen van een enkele QD (αaf = αop =-1.5)18. Ten derde, de exponenten pas iets groter dan-110, omdat de kansverdeling toe te kennen wordt gegeven door:

Equation 7,

waarvan de teller in de midden-termijn (afgeleid van protocol 3.2.5; Zie de derde regel van tabel 2) heeft de neiging te dalen op de langere duur van t, omdat zelfs het aantal heldere en donkere gebeurtenissen voor langere duur neiging om te worden verlaagd door het feit dat de moleculen bewegen willekeurig en kunnen nauwelijks blijven in een niet-emissieve staat of emissieve staat (de kruising van de nanoaggregate) voor een lange periode van tijd, uitgedrukt in de tweede regel van tabel 2. De macht wet exponent α =-1.5 of -1, kan worden afgeleid uit het feit dat het molecuul willekeurig op de zilveren oppervlakte één - of two-dimensionally, respectievelijk4,5,18 wandelingen. Daarentegen is de truncatie tijd ingekort door een sneller moleculaire toevalsbeweging en/of hogere energie barrière van een niet-emissieve emissieve staat4,5,19. Opgemerkt wordt dat de percentages van gebeurtenissen waarvan kansverdeling kan niet worden gereproduceerd door een machtswet met een exponentiële functie belangrijke gegevens9,10 zijn, omdat reproductie mislukking afkomstig van erg lang is truncatie tijden.

In vorige studies12,13,14, werd de autocorrelatiefunctie ook gebruikt voor blinking SERS. De autocorrelatiefunctie, die werd gebruikt voor fluorescentie correlatie spectroscopie, vertegenwoordigde de diffusie-coëfficiënten en de concentraties van fluorescerende moleculen bewegen in en uit een focusgebied21,22. Voor blinking SERS, echter kunt geen eenvoudige functie reproduceren de autocorrelatie functie14. Dit suggereert een complex proces voor blinking SERS, omdat een autocorrelatiefunctie sommige periodiciteit kan identificeren. In een andere kwantitatieve analyse, was een genormaliseerde standaard deviatie score afgeleid van een tijd-Profiel van de signaal-15. Een grote score aangegeven instabiliteit in de totale intensiteit. Deze analyse benaderingen mogelijk geschikt voor het gedrag van een paar moleculen, in plaats van een enkel molecuul gedrag. Bovendien is de gemiddelde duur voor heldere evenementen werden gebruikt voor de analyse van het knipperen SERS4,14. Deze kunnen het gedrag van de molecule in een verbeterde EM-veld, vergelijkbaar met de super resolutie beeldvorming van SERS16onthullen. De gemiddelden voor donkere evenementen kunnen echter niet worden afgeleid; namelijk, de totale duur van de donkere SERS gebeurtenissen van één zilver nanoaggregates werden verlaagd door een toename van het aantal de gebeurtenissen4, terwijl de totale duur van heldere SERS gebeurtenissen verhoogd. Daarom kan alleen de moleculaire gedrag van heldere SERS gebeurtenissen door deze technieken worden onderzocht. Met behulp van een power wet analyse, aan de andere kant, de moleculaire gedrag voor de donkere staat (dat wil zeggen op het zilveren oppervlak, met uitzondering van kruispunten van zilveren nanoaggregates) kan worden ingeschat in termen van de macht wet exponent αaf en afkappen tijd10 . Dit is een significant verschil van voorgaande technieken.

Om te bevestigen dat het knipperen wordt veroorzaakt door de SERS, wordt het spectrum gemeten vanaf de zilveren nanoaggregate in het midden van een beeld door middel van een gaatje, zoals weergegeven in Figuur S3 in het aanvullend materiaal. Het is echter niet gemeten vanaf alle knipperende plekken7,8,9,10,11. Voor poly-L-lysine11, wordt knipperen in een lange golflengte gebied toegeschreven niet aan SERS, maar aan de oppervlak-enhanced fluorescentie, die ook in verbeterde EM velden zoals SERS ontspringt. Bovendien is het controversieel om te verbinden de geschommeld spectra met het knipperen. Dit is een beperking van de huidige techniek.

SERS knipperen moet in de toekomst worden geanalyseerd in termen van elke piek. Dat wil zeggen moet de macht wet analyse worden gecombineerd met spectrale imaging. Met behulp van een bi-analyt techniek17, waarin unieke vibrationele handtekeningen worden waargenomen van gemengde analyten, is de oorsprong van single-molecuul SERS bevestigd. Aanzienlijk echter, moleculaire gedrag kan niet onderzocht worden, vanwege de tijd-resolutie. Onlangs, het verschillend gedrag van elke oorsprong is geconstateerd in termen van de truncatie times, door het observeren van elk van de knipperende plekken via elk optisch filter en de macht wet analyse11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteur heeft niets te onthullen.

Acknowledgments

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).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silver nitrate, 99.8% Wako 194-00832
Trisodium citrate dihydrate, 99. % Wako 191-01785
Poly-L-lysine aqueous solution, 0.1% Sigma-Aldrich P8920
3,3'-disulfopropylthiacyanine triethylamine Hayashibara Biochemical Laboratories NK-2703 a kind of thiacyanine dyes
3,3'-diethyl-5,5'-dichloro-9-methylthiacarbocyanine iodine salt Hayashibara Biochemical Laboratories SMP-9 a kind of thiacarobocyanine dyes
Sodium chloride, 99.5% Wako 191-01665
Dimroth condenser Iwaki 61-9722-22 perchased from AS ONE
Magnetic stirrer Corning DC-420D
Oil bath Advantech OS-220
Glass plate Matsunami S-1112 Microscope slide
Blower Hozan Z-288 Air duster
Liquid blocker pen Daido Sangyo LIQUID BLOCKER (Super Pap Pen). Ready-to-use hydrophobic barrier pen designed for immunohistochemistry applications
Inverted microscope Olympus IX-70
Objective lens Olympus LCPlanFl 60× NA 0.7
Dark field condenser Olympus U-DCD NA 0.8–0.92
Cooled digital CCD camera Hamamatsu ORCA-AG controlled by software Aqua Cosmos
Software for the cooled digital CCD camera Hamamatsu AquaCosmos used for also derivation of the time-profiles from the blinking spots in the video 
Color CCD camera ELMO TNC-C920 not used for analysis
DPSS laser RGB laser system NovaPro532-75 λ = 532 nm;
60 mW (corresponds to a power density of 600 W/cm2)
Interference filter Semrock LL01-532-12.5
Long pass filter Semrock BLP01-532R-25
Software for the distinguishment and counting of the bright/dark events home-maid programmed by C++
Software for the fitting by a power law LightStone Origin6.1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Chemie kwestie 131 knipperen Power wet toevalsbeweging enkel molecuul detectie zilveren colloïdale nanodeeltjes oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing oppervlakte-enhanced fluorescentie Poly-L-lysine Thiacyanine Thiacarbocyanine donkerveldmicroscopie Gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie
Observatie en analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kitahama, Y. Observation and… More

Kitahama, Y. Observation and Analysis of Blinking Surface-enhanced Raman Scattering. J. Vis. Exp. (131), e56729, doi:10.3791/56729 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter