利用表面增强拉曼散射光谱与显微技术在单个纳米颗粒上追踪电化学过程

摘要

该方案描述了如何利用表面增强拉曼散射光谱和成像技术监测单个纳米颗粒上的电化学事件。

摘要

研究单个纳米颗粒上的电化学反应对于理解单个纳米颗粒的非均一性性能至关重要。这种纳米尺度的异质性在纳米颗粒的系综平均表征中往往被掩盖。虽然已开发出一些电化学技术用于测量单个纳米颗粒的电流，但这些技术无法提供在电极表面发生反应的分子结构和身份信息。光学技术（如表面增强拉曼散射（SERS）显微镜和光谱学）能够在单个纳米颗粒上检测电化学事件，同时提供电极表面物种振动模式的信息。本文展示了一种利用SERS显微镜和光谱学追踪单个银（Ag）纳米颗粒上尼罗蓝（Nile Blue, NB）电化学氧化还原反应的实验方案。首先，详细描述了在光滑且半透明的银薄膜上制备银纳米颗粒的实验步骤。单个银纳米颗粒与银膜之间会形成一个沿光轴方向对齐的偶极等离激元模式。固定在纳米颗粒与薄膜之间的NB分子产生的SERS发射会耦合进入该等离激元模式，并通过显微镜物镜收集高角度发射光，形成环形（甜甜圈状）发射图案。这种环形SERS发射图案可明确识别基底上的单个纳米颗粒，从而实现对单个纳米颗粒SERS光谱的采集。本研究提供了一种将SERS基底用作工作电极的方法，该电化学池与倒置光学显微镜兼容。最后，展示了在单个银纳米颗粒上追踪NB分子电化学氧化还原过程的实验结果。本文所述的装置与实验方案可经适当修改，用于研究各类单个纳米颗粒上的电化学反应。

引言

电化学是一门重要的测量科学，用于研究电荷转移、电荷存储、物质传输等过程，在生物学、化学、物理学和工程学等多个学科中具有广泛应用。^{1,2,3,4,5,6,7}通常，电化学涉及对整体集合的测量—— 大量单个实体（如分子、晶畴、纳米粒子和表面位点）的集合。然而，由于复杂电化学环境中电极表面的异质性，理解这些单个实体如何贡献于系综平均响应，对于推动化学及相关领域新的基础性和机理性认识至关重要。^8,9例如，系综还原法揭示了特定位点的还原/氧化电位¹⁰中间体的形成与次要催化作用 产物¹¹，位点特异性反应动力学^12,13以及载流子动力学

方案

1. 间隙模式表面增强拉曼散射基底的制备

1. 使用丙酮和水清洗盖玻片（见材料表），具体步骤如下。此步骤应在洁净室中进行，以确保无任何碎屑或其他不需要的物质沉积在盖玻片上。
   1. 将盖玻片放入载玻片架中。移动盖玻片/基底时使用镊子。将载玻片架放入玻璃容器中，并用丙酮充满。
      注意：丙酮高度易燃，且可能对健康产生不良影响。应在通风良好的区域操作，并佩戴手套、护目镜和口罩。
   2. 将超声波发生器的功率调节至8，对装有载玻片架的玻璃容器进行15分钟的超声处理。
   3. 从容器中取出载玻片架，用超纯水（电阻率为18.2 MΩ·cm）彻底冲洗载玻片架和盖玻片。
   4. 将带有盖玻片的载玻片架放入玻璃容器中，并用超纯水充满。使用相同设置对装有载玻片架的玻璃容器再进行15分钟的超声处理。
   5. 从容器中取出载玻片架，用超纯水彻底清洗载玻片架和盖玻片。
   6. 使用喷枪，用高纯度N₂气体气流吹干盖玻片。
2. 在已清洗的盖玻片上沉积Cu和Ag。为此，请按照制造商在官方用户手册中推荐的标准程序，使用电子束薄膜沉积系统。
   注：对于其他任何沉积操作，请遵循机构设施提供的制造商说明⁵³。
   1. 将基板台位置设为180°，并对....

结果

图2A 显示了使用电子束金属沉积系统制备的银薄膜基底。“良好”的基底如图2A所示，在玻璃盖玻片表面具有均匀的银金属覆盖层，而“不良”基底的银覆盖则不均匀。良好银薄膜的紫外-可见光谱如图2B所示，表明该薄膜对电磁波谱的可见光部分具有部分透光性。在本实验方案中用于光谱电化学实验的642 nm激光光，良好银薄膜基底对其的光学透过率为34%。图2C展示了良好基底上10.8 µm × 10.8 µm区域的典型原子力显微镜（AFM）图像。该区域的均方根粗糙度为0.7 nm，表明银薄膜在原子级别上是光滑的。银薄膜基底高度变化由图2D所示的线轮廓表示，进一步证明了薄膜的均匀性和光滑性。

图3A 展示了滴加并风干在硅片上的银纳米颗粒的典型扫描电镜.......

讨论

在洁净的盖玻片上沉积铜（Cu）和银（Ag）薄膜至关重要，以确保最终薄膜的粗糙度不超过两到四个原子层（或均方根粗糙度小于或等于约0.7 nm）。在金属沉积前，盖玻片表面存在的灰尘、划痕和碎屑是常见问题，会阻碍形成产生环形发射图案所需的光滑薄膜。因此，建议在金属沉积前使用不同溶剂对盖玻片进行超声清洗，并尽可能在洁净室环境中进行该操作。此外，应仔细关注沉积过程。有必要清洁真空腔室内的所有表面（包括坩埚支架抽屉）以及坩埚本身，因为这些部件容易积聚灰尘和碎屑。

在金属沉积过程中使用的高沉积速率可使沉积薄膜达到原子级平整，但也可能更难控制。若薄膜厚度传感器读数不准确，可能导致薄膜不均匀、过厚或过薄。若金属膜过薄，可能形成材料岛状结构，而非连续的表面。若薄膜过厚，则会使基底不透明，阻碍激发光有效激发纳米棒（NB）分子，并影响发射光的收集；这将降低方法的整体灵敏度，导致表面增强拉曼散射（SERS）图像和光谱质量较差，信噪比较低。在沉积银（Ag）之前先沉积铜（Cu）对后者金属的附着力至关重要，但若铜沉积过量，会降低基底的光学透明性，而铜量不足则会导致银从玻璃盖玻片上剥离。此外，若样品托盘的尺寸大于快.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
丙酮，微电子级	J. T. Baker	9005-05
可调移液器，Eppendorf Reference 2 5000 mL	Eppendorf	4924000100
分析天平，AB54-S/FACT	Metter Toledo	N.A.
原子力显微镜，Easy scan 2	Nanosurf	N.A.
AXXIS 电子束薄膜沉积系统	Kurt J. Lesker	N.A.
Cary 60 紫外-可见分光光度计	安捷伦	N.A.
导电环氧树脂，双组分	电子显微镜科学公司	12642-14
铜粒，纯度99.99%	Kurt J. Lesker	EVMCU40EXE
铜线，裸线，18 AWG	VWR	66248-040
石墨电子束坩埚	Kurt J. Lesker	EVCEB-23
金刚石刻划器	Ted Pella	54484
EMCCD相机，ProEM HS：1024BX3	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
环氧树脂，透明	Gorilla Glue	N.A.
玻璃管切割器	Wheeler-Rex	69012
玻璃管，硼硅酸盐（外径 0.75"，ID 0.62"，L 12")	McMaster-Carr	8729K45
浸油，F型	Olympus	IMMOIL-F30CC
倒置显微镜，IX73	Olympus	N.A.
激光器，Excelsior One 642 nm 自由空间	Spectra-Physics	N.A.
LightField	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
MATLAB 2022b	MathWorks	N.A.
微型盖玻片（盖玻片），24×60 mm No. 1	VWR	48404-455
显微镜智能手机相机适配器	qhma	QHMC017A-S01
尼罗蓝A，纯品	Acros Organics	415690100
氮气，超纯，压缩	特种气体	N.A.
目标，UPLanXApo 100× 油镜 immersion	Olympus	14-910
聚酰亚胺薄膜，Kapton	3M	16089-4
磷酸二氢钾	VWR	P285
恒电位仪，660E	CH Instruments	N.A.
铂丝	Alfa Aesar	10956-BS
扫描电子显微镜，Apreo C SEM	赛默飞世尔科技	N.A.
硅片	Ted Pella	16006
银纳米颗粒（纳米球），NanoXact 0.02 mg/mL，溶于 2 mM 柠檬酸盐	nanoComposix	AGCN60
银颗粒，纯度99.99%	Kurt J. Lesker	EVMAG40EXE-A
载玻片架，洗干两用	Diversified Biotech	WSDR-2000
智能手机，iPhone 13 mini	苹果	N.A.
磷酸氢二钠七水合物	VWR	0348
光谱仪，IsoPlane SCT320	Teledyne Princeton Instruments	N.A.
轻型组织擦拭纸	VWR	82003-820
镊子，KS-04	凯思硬件	N.A.
超声波发生器，sweepSONIK	Blackstone-NEY 超声设备	809379
水超纯化系统，Sartorius Arium mini	赛多利斯	N.A.