Waiting
Login processing...

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

Chemistry

用表面增强拉曼散射光谱和显微镜跟踪单个纳米颗粒的电化学

Published: May 12, 2023 doi: 10.3791/65486
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Chemistry, University of Louisville
* These authors contributed equally

Summary

该协议描述了如何使用表面增强拉曼散射光谱和成像来监测单个纳米颗粒上的电化学事件。

Abstract

研究单个纳米颗粒的电化学反应对于了解单个纳米颗粒的异相性能非常重要。这种纳米级异质性在纳米颗粒的集合平均表征过程中仍然隐藏。已经开发了电化学技术来测量来自单个纳米颗粒的电流，但不提供有关在电极表面发生反应的分子的结构和身份的信息。表面增强拉曼散射（SERS）显微镜和光谱学等光学技术可以检测单个纳米颗粒上的电化学事件，同时提供有关电极表面物种振动模式的信息。本文展示了一种使用SERS显微镜和光谱学跟踪尼罗河蓝（NB）在单个银纳米颗粒上的电化学氧化还原的方案。首先，描述了在光滑和半透明的Ag薄膜上制造Ag纳米颗粒的详细协议。在单个Ag纳米颗粒和Ag薄膜之间形成沿光轴排列的偶极等离激元模式。固定在纳米颗粒和薄膜之间的NB发射的SERS发射耦合到等离激元模式中，高角度发射被显微镜物镜收集，形成甜甜圈状发射图案。这些甜甜圈形的SERS发射模式允许明确识别基板上的单个纳米颗粒，从中可以收集SERS光谱。在这项工作中，提供了一种在与倒置光学显微镜兼容的电化学电池中采用SERS衬底作为工作电极的方法。最后，显示了跟踪单个Ag纳米颗粒上NB分子的电化学氧化还原。可以修改此处描述的设置和协议以研究单个纳米颗粒上的各种电化学反应。

Introduction

电化学是研究电荷转移、电荷存储、质量传递等的重要测量科学，应用于生物学、化学、物理学和工程学等多个学科 1,2,3,4,5,6,7 .传统上，电化学涉及对集合的测量 - 单个实体的大量集合，如分子，晶体结构域，纳米颗粒和表面位点。然而，由于复杂电化学环境中电极表面的异质性，理解这些单一实体如何贡献集成平均响应是化学和相关领域带来新的基本和机理理解的关键8,9。例如，集成还原揭示了位点特异性还原/氧化电位10，中间体和次要催化产物的形成11，位点特异性反应动力学12,13和电荷载流子动力学14,15。减少集成平均对于提高我们对模型系统以外的应用系统的理解尤为重要，例如生物细胞、电催化和电池，其中经常发现广泛的异质性 16,17,18,19,20,21,22。

在过去十年左右的时间里，出现了研究单实体电化学1,2,9,10,11,12的技术。这些电化学测量提供了测量几个系统中小电流和离子电流的能力，并揭示了新的基本化学和物理特性23,24,25,26,27,28。然而，电化学测量不能提供关于电极表面29,30,31,32处分子或中间体的身份或结构的信息。电极-电解质界面处的化学信息是理解电化学反应的核心。界面化学知识通常是通过将电化学与光谱学31,32耦合获得的。振动光谱，如拉曼散射，非常适合提供有关电化学系统中电荷转移和相关事件的补充化学信息，这些系统主要使用但不限于水性溶剂30。与显微镜相结合，拉曼散射光谱提供低至光的衍射极限的空间分辨率33,34。然而，衍射存在局限性，因为纳米颗粒和活性表面位点的长度小于光学衍射极限，因此排除了对单个实体的研究35。

表面增强拉曼散射（SERS）已被证明是研究电化学反应界面化学的有力工具20,30,36,37,38。除了提供反应物分子、溶剂分子、添加剂和电极表面化学的振动模式外，SERS还提供定位于支持集体表面电子振荡的材料表面的信号，称为局部表面等离子体共振。等离激元共振的激发导致电磁辐射集中在金属表面，从而增加光通量和表面吸附物的拉曼散射。纳米结构贵金属如Ag和Au是常用的等离子体材料，因为它们支持可见光等离激元共振，这对于使用高灵敏度和高效的电荷耦合器件检测发射是理想的。尽管SERS的最大增强来自纳米颗粒39,40的聚集体，但已经开发了一种新的SERS衬底，允许从单个纳米颗粒进行SERS测量：间隙模式SERS衬底（图1）41,42。在间隙模式SERS基板中，制造金属镜并涂有分析物。接下来，纳米颗粒分散在基板上。当用圆偏振激光照射时，激发由纳米颗粒和基板耦合形成的偶极等离激元共振，从而能够对单个纳米颗粒进行SERS测量。SERS发射耦合到偶极等离激元共振43,44,45，后者沿光轴定向。通过辐射电偶极子和收集光学器件的平行对准，仅收集高角度发射，从而形成不同的甜甜圈形发射模式46,47,48,49，并允许识别单个纳米颗粒。衬底上的纳米颗粒聚集体含有不平行于光轴50的辐射偶极子。在后一种情况下，收集低角度和高角度发射并形成固体发射模式46。

在这里，我们描述了一种用于制造间隙模式SERS衬底的协议，以及将它们用作工作电极以使用SERS监测单个Ag纳米颗粒上的电化学氧化还原事件的程序。重要的是，使用间隙模式SERS衬底的协议允许通过SERS成像明确识别单个纳米颗粒，这是当前单纳米颗粒电化学方法的关键挑战。作为一个模型系统，我们演示了使用SERS来提供由扫描或阶梯电位（即循环伏安法，计时安培法）驱动的单个Ag纳米颗粒上尼罗河蓝A（NB）的电化学还原和氧化读数。NB经历多质子，多电子还原/氧化反应，其中其电子结构被调制出激发源/与激发源共振，这在相应的SERS光谱10,51,52中提供了对比度。此处描述的协议也适用于非共振氧化还原活性分子和电化学技术，这可能与电催化等应用有关。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 间隙模式SERS底物制备

  1. 使用丙酮和水洗清洁1号盖玻片（见 材料表），如下所述。在洁净室中执行此步骤，以确保没有碎屑或其他不需要的物质沉积到盖玻片上。
    1. 将盖玻片放在载玻片架中。移动盖玻片/基材时使用镊子。将载玻片架放入玻璃容器中，并用丙酮填充。
      注意：丙酮高度易燃，对健康有潜在的负面影响。使用手套、护目镜和口罩在通风良好的地方处理它。
    2. 将超声波发生器的功率控制调节到8，并用载玻片架对玻璃容器进行超声处理15分钟。
    3. 从容器中取出载玻片架，并用超纯（电阻率为18.2 MΩ·cm）水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，并用超纯水填充。使用相同的设置用载玻片架将玻璃容器再超声处理15分钟。
    5. 从容器中取出载玻片架，然后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 气体流干燥盖玻片。
  2. 将铜和银沉积在清洁的盖玻片上。为此，请按照制造商在官方用户手册中的建议，按照标准程序使用电子束薄膜沉积系统。
    注意：对于任何其他沉积，请按照制造商在机构设施53 上提供的说明进行操作。
    1. 将压板位置设置为 180°，然后排气真空室。
    2. 将干净的盖玻片并排放置在仪器的压板上，使它们不会重叠。使用耐热胶带（聚酰亚胺薄膜）将盖玻片连接到压板上。
      注意：这可确保盖玻片在手术过程中不会移动或掉落。
    3. 用铜颗粒将石墨坩埚填充一半，然后将其插入坩埚支架中。在第二个坩埚中对Ag做同样的事情。关闭真空室，开始向下泵送;推荐的沉积压力约为 10−7 – 10−6 Torr。
    4. 将 Cu 属性加载到传感器的应用程序中。以 20 RPM 的速度打开压板旋转。将压板位置设置为 225°。
      注意： 这会将镜子定位在压板底部，以便从视口可以看到电子束。
    5. 打开电子束电源的断路器，并等待至少 2 分钟。打开电子束，再等待2分钟。打开基板快门。
      注意：这使得光束和坩埚通过镜子可见。
    6. 逐渐（约10 mA/min）增加发射电流，直到传感器读取接近10 Å/s的沉积速率。关闭快门，并将压板位置设置为0°。
      注意：在此过程中，光束可能会改变形状。在此步骤中定期检查它并使用相应的旋钮校正其位置、幅度和频率非常重要。光束必须均匀地加热坩埚的内容物。此时关闭百叶窗可确保当压板旋转以将盖玻片定位在蒸发金属的路径中时，没有金属沉积在样品上。
    7. 打开快门开始沉积，并监控传感器显示的厚度。当达到所需厚度（Cu为1 nm）时关闭快门，由沉积传感器确定。
    8. 逐渐降低电子束的电流，直到传感器读数接近 0 A，但电流足够高，可以看到坩埚。
    9. 将压板的位置设置为225°，然后打开快门可以看到坩埚。
    10. 使用旋钮旋转坩埚支架，使光束指向带有银颗粒的坩埚。
    11. 将 Ag 属性加载到传感器的应用程序中。重复步骤1.2.6 – 1.2.7，但对Ag使用20 Å / s的沉积速率和25 nm的厚度。
    12. 逐渐将电流降低到 0 A，然后关闭电子束和断路器。将压板的位置设置为180°，然后排气真空室。打开真空室。
    13. 盖玻片应与以前相同，没有异物或灰尘颗粒，并具有镜子的外观。缓慢而小心地取下耐热胶带。
      注意：将胶带拉回，平行于压板表面;有破坏盖玻片的风险。薄膜应该是均匀的和部分透明的（见 图2A）。
  3. 用尼罗河蓝溶液孵育银薄膜，如下所述。
    1. 将 500 μL 的 50 μM NB 溶液添加到银薄膜的表面上。
    2. 15分钟后，用超纯水彻底冲洗Ag薄膜，以去除任何弱吸附的NB分子。用N2 气体干燥银薄膜。
    3. 将银纳米颗粒滴铸到NB孵育的银薄膜上。将 500 μL 的 100 倍稀释的银纳米颗粒胶体添加到 Ag薄膜的相同区域，其中滴铸和孵育 NB 溶液。
      注意：金属纳米颗粒对人体有毒。使用手套和护目镜在通风良好的地方处理它们。
    4. 20分钟后，用超纯水冲洗（间隙模式SERS）基材。用N2 气体干燥基材。

2. 间隙模式SERS衬底表征

  1. 紫外-可见光谱
    1. 按下电源按钮打开仪器。通过双击桌面上的快捷方式启动扫描软件。
    2. 单击设置以打开设置窗口。在 Y 模式下，单击模式下拉菜单，然后选择 %T 以测量透射率。在 X 模式下，将“开始”更改为“800”，将“停止”更改为“200”，以便从 800 nm 扫描到 200 nm。
    3. 在“基线”选项卡中，选择“基线校正”单选按钮，然后关闭设置窗口。 单击基线以使用大气执行背景校正。
    4. 打开样品室。将银膜的一端粘在样品架上，垂直于光束的路径。
    5. 单击 “开始 ”从样品中获取透射光谱。
  2. 原子力显微镜 （AFM） 测量
    1. 将AFM连接到计算机（使用USB端口），打开AFM仪器的电源，然后启动Nanosurf Easyscan 2。
    2. 从样品台上轻轻取出AFM头（其底部有AFM悬臂），然后将其倒置放在一边。
    3. 使用胶带将Ag薄膜基板固定在样品台上。将AFM头放在样品台上方。确保AFM头与样品台平行（使用液位指示器进行监控）。如果AFM头和样品台不水平，请使用调平螺钉调整载物台并将调平气泡居中置于液位指示器内。
    4. 使用软件中的侧视图和顶视图，在不接触的情况下轻轻地将样品台尽可能靠近AFM头（AFM悬臂）。确保样品台没有接触AFM头上的AFM悬臂。
    5. 在 采集 选项卡下，选择 相衬 作为成像模式，选择 PPP-XYNCHR 作为悬臂类型。单击激光 对齐以确保激光 聚焦在悬臂尖端上，并且从尖端反射的光束击中光电二极管检测器的中心。
    6. 通过单击“频率扫描”按钮，使用AFM软件测量悬臂的共振振动频率，并确保 频率 曲线具有钟形。通过单击 “接近”，将悬臂尖端放在Ag薄膜的表面上。
    7. 在成像向导中，选择10.8 μm x 10.8 μm的成像尺寸和0.5 s/行的扫描速度。在 Z 控制器下，使用 50% 的设定值、2,500 的 P 增益和 2,500 的 I 增益。在模式属性下，使用 300 mV 的自由振动幅度。
    8. 单击 “开始 ”以获取图像。通过右键单击图像来保存图像，选择 “复制”，然后将其粘贴到图像处理器中。
    9. 在AFM软件上，通过单击选择要处理的图像。在分析选项卡下，分别单击计算线粗糙度和计算面积来执行面积和线粗糙度分析。
    10. 通过单击退出，从Ag薄膜表面撤回悬臂 尖端。通过使用侧视图和顶视图监控运动，将样品台移离尖端。取出样品。
  3. 扫描电子显微镜（SEM）测量54
    1. 将 30 μL 接收到的银纳米颗粒胶体滴铸到硅晶片上，并使其完全风干。使用双面导电胶带将硅晶片固定在样品短截线上。
    2. 使用仪器的用户界面对 SEM 室进行排气。滑动打开 SEM 室，然后将短截管安装在载物台的一个孔上。
    3. 关闭 SEM 室，然后使用仪器的用户界面向下泵送 SEM 室。
    4. 将样品放置在距离电子束枪约 10 mm 的位置。使用仪器的用户界面打开电子束。
    5. 使用光斑尺寸为 6、光束电流为 25 pA 和 5 kV 高压的 Everhart-Thornley 检测器对样品进行成像。
    6. 双击电子枪的感兴趣区域以自动对齐电子束。使用仪器的用户界面以 3,500 倍的放大倍率进行成像（图 3A）。
    7. 成像完成后，关闭电子束，并将样品从电子束枪上移开至少20毫米。
    8. 通风 SEM 室。滑动打开SEM室，然后从载物台上取下样品短截。关闭 SEM 室，然后使用仪器的用户界面将其抽空。

3. 电化学电池的制备

  1. 如下所述，用玻璃管切割器切割玻璃管，获得5厘米长的玻璃孔。
    1. 将玻璃管切割机的链条缠绕在管子上。将链条的最后一段连接到工具的另一侧。
    2. 用一只手握住工具的手柄。用另一只手握住玻璃管。连续旋转玻璃管，使链条中的轮子开始切割玻璃。
    3. 通过在手柄上逐渐施加更大的力来轻轻挤压工具。当声音从滑动变为刮擦时，即玻璃片（井）即将与玻璃管分离。
    4. 用 120 砂纸（或更粗）的砂纸平滑玻璃的断端。用 220 粒度（或更细）的砂纸抛光。
  2. 用菱形划线切割间隙模式基板，如下所述。
    1. 将间隙模式基板放在平坦的表面上。在间隙模式基板的中间上下移动钻石划线，同时在基板表面施加轻微的压力。
    2. 一旦看到划痕，手动将基材分成两块。
  3. 如下所述，将切割好的玻璃孔（从步骤3.1开始）附着在基材表面。
    1. 将两组分环氧树脂分配到一小块铝箔上。使用搅拌棒或移液器吸头混合产品。
    2. 将混合物涂在玻璃孔的底部边缘。应用尽可能少的混合物以覆盖切割玻璃的边缘，以最大程度地减少树脂扩散到电池内部。
    3. 将玻璃充分粘在间隙模式基板的表面上。将剩余的混合产品涂在孔的外部，使其与基质相遇，以消除倒入玻璃孔内的溶液泄漏的机会（见 图4A）。
    4. 让环氧树脂不受干扰地固化5分钟。
  4. 将电气连接连接到间隙模式SERS基板，如下所述。
    1. 获得一根5厘米长的铜线。将双组分导电环氧树脂分配到一小块铝箔上。使用铜线混合产品组件。
    2. 将导线连接到基板表面（孔外，但连接到导电Ag薄膜;见 图4A）。让导电环氧树脂在推荐的时间内不受干扰地固化。
      注意：建议让导电环氧树脂在室温下固化，以尽量减少银膜基材的热退火。

4. 体积循环伏安法测量

  1. 将 10 mL 的 0.5 mM NB 和 0.1 M 磷酸盐缓冲液 （pH = 5） 加入 20 mL 烧杯中。将机械抛光的银盘电极、铂丝和银/银氯化（3 M KCl）电极插入电解质溶液中。
  2. 将每个电极连接到其各自的恒电位仪夹（由恒电位仪制造商确定）。确保电极不相互接触。
  3. 执行0至−0.6 V的循环伏安法（CV），扫描速率为50 mV/s。

5. 单纳米粒子电化学SERS显微镜和光谱测量

  1. 将使用间隙模式SERS衬底制备的电化学电池放在倒置光学显微镜的载物台上。
  2. 将基板的边缘粘在显微镜载物台上，以便在光谱电化学测量期间由于将电池连接到恒电位仪的电线的张力而不会移动（见 图4B）。
  3. 将 Ag/AgCl （3 M KCl） 参比电极放入自制支架中，并通过拧紧电极支架支架上的螺钉来固定其位置。
  4. 将参比电极夹在恒电位仪的参比电极鳄鱼夹（白色）上。将铂丝对电极夹在恒电位仪的对电极鳄鱼夹（红色）上。将连接到银膜的铜线夹在恒电位仪的工作电极鳄鱼夹（绿色）上。
  5. 将铂丝与鳄鱼夹一起插入电极支架，然后拧紧螺钉以固定其位置。
  6. 将电极支架放在电化学电池上，将电极插入电池中。注意不要让电极接触银膜;这不仅会形成短路，还会损坏胶片。
  7. 打开光谱仪和EMCCD相机，然后启动“光场”软件。
  8. 打开 642 nm 激光器，并将激光器调整为 500 μW 的功率。
    注意：暴露在激光下可能会对眼睛和皮肤造成永久性伤害。请咨询并遵循您所在国家/地区相关官方监管机构的安全指南。
  9. 在物镜上加入一滴浸油。移动对焦旋钮以小心地升高物镜，直到油接触基板底部。
    注意：由于电池是用胶带固定的，因此将物镜压在基板上可能会破坏电池和/或损坏物镜。
  10. 将激光聚焦到间隙模式SERS衬底的表面上。扫描间隙模式SERS基板（被玻璃孔覆盖），通过移动显微镜载物台来搜索孤立的甜甜圈形NB SERS发射模式（见 图5A）。
    注意：NB的浓度越低，越难找到甜甜圈形的排放模式，但最终甜甜圈形发射模式被隔离的可能性就越高。咖啡圈是一个很好的起点，然后可以相对于间隙模式SERS衬底上的NB和Ag纳米颗粒孵育区域向内移动。相机（见下一步）在此过程中很有帮助，因为在间隙模式SERS基板周围扫描时，它们对光比人眼更敏感。
  11. 将手机连接到显微镜手机适配器。要将手机的相机与适配器的镜头对齐，请打开手机上的相机应用程序，然后更改设备的位置以透过镜头进行观察。
  12. 取下显微镜的一个目镜，然后将适配器插入其位置。在相机应用程序上，将模式更改为视频，并尽可能放大。可以清楚地看到甜甜圈形状的发射模式。
  13. 一旦清楚地定位了甜甜圈形的发射图案，移动显微镜的分光杆，将发射的光引导到光谱仪。
  14. 在LightField的实验选项卡中，单击通用采集设置，然后将曝光时间调整为0.1秒，将要保存的帧调整为50。在“导出数据”下，选择“导出获取的数据”，并将“文件类型”更改为 CSV （.csv）。
  15. 在 “感兴趣区域”下，选择 “自定义感兴趣区域 ”单选按钮。单击编辑 ROI，然后在新窗口中，通过更改 X、Y、W 和 H 值，围绕甜甜圈形发射创建 25 像素 x 25 像素的 ROI。
  16. 在 光谱仪下，选择 600 g/mm、750 nm 火焰光栅。将 中心波长 更改为 642 nm。单击“ 获取 ”开始测量。
  17. 采集完成后，转到 “数据 ”选项卡。打开上次执行的实验，然后单击 “进程 ”，然后单击 “帧组合”。
  18. 在组合光谱中，记下观察到最高强度的激光波长。
  19. 返回“实验”，在“光谱仪”下，单击“nm”。在弹窗中，将测量模式更改为相对波数，并在框中输入测量的激光波长。将光栅位置更改为 1,000/cm，以检测斯托克斯位移拉曼散射，从大约 400/cm 变为 1,600/cm。
  20. 使用0.1秒的曝光时间收集并汇总至少50帧的NB SERS光谱（见 图5C）。寻找592/cm处的强峰，以确认发射来自NB（见 图5C）52。取与甜甜圈形发射模式相邻的区域（无发射区域）的SERS频谱来补偿背景信号。
  21. 保持激光聚焦在甜甜圈形发射图案上，使用 5 mL 可调移液管将 3 mL 的 0.1 M 磷酸盐缓冲溶液 （pH = 5） 加入电化学池中。
    注意：一旦加入电解质溶液，甜甜圈形发射模式可能会消失，并且可能会出现固体发射模式，因为光轴外单个纳米颗粒的偶极子模式辐射电解质和溶剂分子的SERS光谱。
  22. 如有必要，重新聚焦，并确保激光仍然聚焦在发射模式上。
  23. 在恒电位仪的软件中，准备一个循环伏安图实验，至少三个周期从0到−0.6 V与Ag/AgCl（3 M KCl）和50 mV/s的扫描速率。为了同步光谱和电化学数据收集，请将恒电位仪配置为由光谱仪的光谱采集触发。
  24. 同时运行 CV 和 SERS 实验。NB SERS光谱应通过施加到间隙模式SERS衬底上的电位进行调制（见 图6B）。
  25. 移动分光杆，使光线指向手机摄像头。开始录制视频，并按照说明运行 CV 实验。SERS图像强度应根据施加到间隙模式SERS衬底上的电位进行调制（参见 图6A中的插图）。

6. 成像分析

  1. 处理收集的图像以增强清晰度和对比度，如下所述。
    注意：图像处理是使用 Python 中的 OpenCV 库执行的，该脚本可在 GitHub （github.com/jvhemmer/jove_specsers） 上使用。
    1. 裁剪图像以删除大部分空白区域，并将其围绕发射图案居中。
    2. 删除框架的绿色和蓝色通道。通过减去帧的高斯模糊蒙版来提高清晰度。
    3. 通过提高功率运算符的动态范围扩展来增加对比度。
  2. 使用 ImageJ 将比例尺添加到图像上，如下所述。
    1. 使用手机摄像头适配器，对具有已知尺寸的物体（如显微镜校准载玻片）进行成像。
    2. 使用 ImageJ，加载收集的图像。在具有已知尺寸的成像对象的区域上绘制线段。
    3. 使用 “设置 比例”功能根据绘制的线段的长度设置比例（即每单位距离的像素数）。使用比例工具添加 比例 。

7. 纳米粒径分析

  1. 将 SEM 图像加载到 ImageJ 中。在仪器提供的比例尺上绘制一段，并使用设置比例函数进行 设置 。
  2. 转到 图像>键入 > 16 位。转到 图像>调整>自动阈值。从下拉菜单中，选择默认。
  3. 使用 矩形 工具，选择并删除非单个纳米颗粒的特征。
  4. 使用 分析粒子 工具。通过假设圆形计算具有所获得面积的颗粒直径。

8. 光谱电化学数据分析

  1. 对收集的光谱数据执行背景校正。在 MATLAB 中执行数据处理和绘图;这些脚本在前面提到的同一 GitHub 存储库中可用。
  2. 平均来自三个不同背景实验的光谱数据（与SERS发射模式一起收集的光谱数据）。从样品的光谱中减去平均背景光谱。
  3. 创建一个从0到实验总时间的时间数组（循环伏安法），其中间隔是曝光时间，EMCCD读出时间以及快门打开和关闭时间的总和。
  4. 使用激光波长将波长测量值转换为拉曼位移。
  5. 使用 MATLAB 的网格函数生成瀑布图，其中 X 是拉曼位移，Y 是时间，Z 是强度。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

图2A 显示了使用电子束金属沉积系统制备的Ag薄膜基板。 图2A 所示的“好”基板在玻璃盖玻片上具有均匀的Ag金属覆盖率，而“坏”基板具有不均匀的Ag覆盖率。“好”Ag薄膜的紫外-可见光谱如图 2B所示，这表明该薄膜对于电磁光谱的可见部分是部分透明的。对于当前协议中用于光谱电化学实验的642 nm激光，“良好”Ag薄膜衬底的光学透明度为34%。 图2C 显示了“良好”基板的10.8μm x 10.8μm区域的代表性AFM图像。代表面积的均方根粗糙度值为0.7 nm，表明Ag薄膜在原子上是光滑的。Ag薄膜基板高度的变化由 图2D所示的线轮廓表示，进一步证明了薄膜的均匀性和平滑度。

图3A 显示了在硅晶片上滴铸和风干的Ag纳米颗粒的代表性SEM图像。通过对243个纳米颗粒的分析，该协议中使用的Ag纳米颗粒的平均直径为79.2nm±8.4nm。应该注意的是，也可以使用不同尺寸的Au或Ag纳米颗粒55。此外，该协议使用高度单分散的纳米颗粒，但没有分散性要求，因为该协议能够测量单个纳米颗粒。为了构建间隙模式SERS衬底，在这项工作中，将Ag纳米颗粒沉积到先前与NB孵育的Ag薄膜衬底的表面上（图3B）。

使用间隙模式SERS衬底作为工作电极来构建电化学电池，如图 4A所示。将电化学电池固定在显微镜载物台上并连接到恒电位仪，如图 4B所示。将电化学电池安装在倒置光学显微镜上，将642 nm激光聚焦到落射照明几何形状的间隙模式SERS衬底工作电极上。空气中Ag薄膜上的单个Ag纳米颗粒可以通过甜甜圈形发射图案明确识别，如图 5A所示。这些甜甜圈形的发射模式可以可靠地用作识别单个Ag纳米颗粒的签名49。如果照明体积中存在多个纳米颗粒（二聚体、三聚体或多聚体），则观察到固体发射模式，如图 5B所示。引入电解质溶液后，甜甜圈形发射模式通常转换为固体发射模式。其原因是单个纳米颗粒内的偶极等离激元模式（不与光轴对齐）从溶剂和电解质分子向各个方向辐射发射。因此，发射模式是纳米颗粒-衬底间隙的高角NB SERS发射与电解质和溶剂分子的低角SERS发射的叠加。去除电解液可恢复甜甜圈形的发射模式。在该协议中，在通过SERS成像鉴定单个纳米颗粒之后，SERS光谱用于鉴定氧化还原探针分子。图 5C 中的SERS光谱对应于 图5A所示的甜甜圈形发射模式。振动模式代表NB分子的指纹。

图6A 显示了使用银盘工作电极和Pt线对电极获得的磷酸盐缓冲液（pH = 5）中NB的代表性循环伏安图。在对单个纳米颗粒进行光谱电化学测量之前获得循环伏安图，以了解探针分子的集成氧化还原行为 - 在这种情况下为NB。在这项工作中，当施加电位从0扫描到-0.6 V时，在−0.27 V处观察到阴极峰与Ag/AgCl（3 M KCl）的关系。当电位被扫描回0 V时，在−0.21 V处观察到一个阳极峰。光谱电化学测量使用相同的应用电位范围，如图 6B所示。在鉴定出表现出甜甜圈形发射模式的单个Ag纳米颗粒后，将电解质溶液移液到电化学电池中。在激光照明下，当施加的电位以50 mV/s的扫描速率在0至−0.6 V之间扫描时，连续收集SERS光谱（图6B）。Ag纳米颗粒和Ag膜之间间隙内和周围的NB分子被电化学减少（关闭状态），SERS强度降低，如SERS光谱的瀑布图所示（也是 图6A中的插图）。当施加电位从−0.6扫到0 V时，随着NB分子被电化学氧化（开启状态），SERS强度增加。SERS信号中的调制代表了一种确定NB在单个纳米颗粒上的还原和氧化电位的方法。其他电化学技术可以代替伏安法，以进一步表征氧化还原反应。 图7A 显示了当工作电极的电位步进到−0.4 V（即计时安培法）时NB的SERS响应。当电极电位步进至−0.4 V时，由于NB的降低，SERS信号衰减。这种光谱电化学技术使人们能够在单纳米颗粒水平上研究氧化还原反应的瞬态行为。 图7B 显示了所施加的电偏置幅度如何改变还原动力学，如592/cm峰值下面积的衰减所证明的那样。有趣的是，归一化区域的急剧变化证明了随机事件在这个尺度上如何发挥更大的作用。正如传统伏安法和计时安培法所证明的那样，本文中描述的协议允许研究人员跟踪分子在单个纳米颗粒上电化学还原或氧化时的振动模式。此外，对单个纳米颗粒表面的分子进行振动分析可以区分化学和电化学步骤，这对于研究反应机理很有用。

Figure 1
图 1：间隙模式 SERS 衬底。 通过将单个金属纳米颗粒放置在金属镜上制备的间隙模式基板的示意图。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 2
图 2：银薄膜基板表征。 （A）由电子束金属蒸发系统制备的好银和坏银薄膜基板的数码照片。（B）良好基板的紫外-可见透射光谱。（C） 具有代表性的 10.8 μm x 10.8 μm 区域良好基板的 AFM 图像。（D） AFM图像的线轮廓，由（C）所示的黑色虚线表示。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 3
图3：银纳米颗粒表征 。 （A）水性银纳米颗粒胶体滴铸并在Si晶片上风干的SEM图像。纳米颗粒的平均直径为79.2 nm，标准偏差为8.4 nm。（B）间隙模式SERS衬底示意图。蓝色星星代表NB分子。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 4
图4：光谱电化学电池的制备 。 （A）使用间隙模式SERS衬底作为工作电极制备的代表性光谱电化学电池。（B）固定在倒置光学显微镜载物台上的光谱电化学电池，用于单纳米粒子电化学光谱和显微镜实验。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 5
图 5：鉴定 Ag 薄膜衬底上的 单个 Ag 纳米颗粒。 （A） 甜甜圈形的 NB SERS 发射模式，表明信号来自单个 Ag 纳米颗粒。（B）固体NB SERS发射模式，表明信号来自多个纳米颗粒。（C）（A）所示甜甜圈形发射的SERS光谱，显示了NB 52环形变形振动模式在592/cm处的特征峰。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 6
图6：NB的电化学和光谱电化学 。 （A）使用银盘工作电极在0.1M磷酸盐缓冲液（pH = 5）中0.5mM NB的循环伏安图。插图显示了NB在NB氧化（下图）和还原（上图）电位下的间隙模式SERS衬底上的单个Ag纳米颗粒上的NB电化学SERS图像。比例尺代表 300 nm。（B）通过循环伏安法对间隙模式SERS衬底上的单个Ag纳米颗粒进行NB SERS光谱的电化学调制。分别使用铂丝和银/银氯化物（3 M KCl）电极作为对电极和参比电极。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 7
图7：NB的电位阶跃光谱电化学 。 （A）NB SERS光谱的电化学调制，在t = 0（虚线）下施加从0到−0.4 V（相对于Ag/AgCl）的电位步长。由于Ag纳米颗粒附近的NB分子减少，592/cm处的峰强度随时间而减小。（B）592/cm峰值下归一化区域的瞬态曲线与施加电位的函数关系：−0.2 V（蓝色曲线），−0.4 V（绿色曲线）和−0.6 V（红色曲线）。 请点击此处查看此图的大图。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

在干净的盖玻片上沉积Cu和Ag薄膜对于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0.7nm）至关重要。在金属沉积之前，盖玻片上存在的灰尘、划痕和碎屑是阻碍制造产生甜甜圈形发射模式所需的光滑薄膜的常见问题。因此，建议在金属沉积之前用不同的溶剂对盖玻片进行超声处理，如果可能的话，在洁净室中进行此过程。此外，应特别注意沉积程序。可能需要清洁真空室（包括坩埚支架抽屉）和坩埚内的所有表面，因为这些部件往往会积聚灰尘和碎屑。

金属沉积过程中使用的高沉积速率允许沉积薄膜原子光滑，但也可能更难控制。薄膜厚度传感器读数不正确可能会导致薄膜不均匀、过厚或过薄。如果金属膜太薄，可能会沉积材料岛而不是连续表面。太厚的薄膜会导致基板不透明，这将阻止激发光有效地激发NB分子并阻碍发射光的收集;反过来，这将降低方法的整体灵敏度，并产生低信噪比的低质量SERS图像和光谱。Cu在Ag之前的沉积对于后者金属的粘附至关重要，但沉积过量的Cu会降低基板的光学透明度，而Cu量不足会导致Ag从玻璃盖玻片中分层。此外，如果样品压板的尺寸大于百叶窗的尺寸，则在百叶窗关闭时，蒸发的金属可能会沉积在盖玻片上，从而导致基板的不均匀性，如图 2A所示。

NB溶液和Ag纳米颗粒悬浮液的浓度和孵育时间在生产高质量的间隙模式SERS底物中起着关键作用。使用浓度高于方案中推荐浓度的NB溶液或使用更长的孵育时间会导致高背景信号，从而对定位单个银纳米颗粒构成挑战。另一方面，低NB溶液浓度和较短的孵育时间将导致Ag薄膜上NB分子的覆盖率低，这将使识别单个Ag纳米颗粒成为一个耗时的过程。同样，使用浓度高于方案中推荐的Ag纳米颗粒悬浮液或使用更长的孵育时间将导致Ag纳米颗粒在Ag薄膜上的团聚;因此，这种团聚将导致SERS基底产生高百分比的固体发射模式，并减少可识别为单个纳米颗粒的基底位点的数量。相反，使用较低浓度的Ag纳米颗粒悬浮液或较短的孵育时间将导致Ag纳米颗粒的覆盖率较低。在这种情况下，更大比例的SERS发射模式将来自单个Ag纳米颗粒，但实验的通量将降低。

为了成功实现本文所述的单纳米粒子电化学SERS成像和光谱技术，需要特别注意光谱电化学实验的设置。首先，使用甜甜圈形发射模式在间隙模式SERS衬底上鉴定单个Ag纳米颗粒是成功使用所述方法的核心。通常需要大于100倍放大倍的光学图像和具有高数值孔径（例如1.45）的显微镜物镜来观察甜甜圈形发射模式。高数值孔径对于收集高角度发射尤为重要。其次，重要的是将SERS光谱的收集与电化学程序同步。在该协议中，晶体管-晶体管逻辑脉冲从光谱仪检测器发送到恒电位仪，以触发SERS频谱和电化学数据的同时收集。此外，必须考虑检测器的读出时间，以准确地将施加电位与伏安法中的SERS光谱相关联。

振动模式的解释是SERS光谱的重要组成部分。Ag容易形成氧化物，这可能会影响研究56中的电化学过程。在该协议中，SERS未检测到氧化层，但长时间的空气暴露或氧化电位会导致在Ag镜和/或纳米颗粒上形成氧化物。氧化层可以改变氧化还原活性分子的吸附，从而引起振动模式的变化。在目前的协议中，我们没有观察到吸附在Si，Ag膜或Ag纳米颗粒上的NB分子之间的振动模式有任何变化。我们还注意到等离激元共振的激发，例如间隙模式衬底的激发，导致可以参与氧化还原反应的非平衡热电子和热空穴的产生57,58,59,60。为了尽量减少光诱导热电荷载流子的干扰，鼓励使用低光通量。

这里描述的技术可以解决其他单纳米颗粒技术的局限性，例如基于碰撞的电化学61,62,63，扫描电化学显微镜64,65,66和扫描电化学细胞显微镜67,68,69.使用这些电化学技术可以测量单个纳米颗粒的电化学响应;但是，不可能直接获得反应物、中间体和产物的身份和结构信息。本协议中描述的技术允许跟踪单个纳米颗粒上的电化学反应并通过振动光谱获得化学信息。然而，当在可见光激发下使用SERS活性最高的金属（银和金）制备SERS基底时，这种间隙模式SERS电化学方法会产生最佳结果。这可能会限制该技术中可以使用的金属的选择。此外，虽然间隙模式SERS提供有关单个纳米颗粒上发生的电化学过程的化学信息，但它仅产生集成平均电化学信息，因为电流响应是在整个基底上测量的。尽管如此，本文中展示的技术是一种强大的工具，可用于获得电化学不同领域的基本机理知识，包括电催化反应领域，这对于储能70,71，化学原料合成72,73和传感器74,75很重要。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

提交人声明，他们没有相互竞争的经济利益。

Acknowledgments

这项工作得到了路易斯维尔大学的启动资金和橡树岭联合大学通过Ralph E. Powe初级教师增强奖提供的资金支持。作者感谢Ki-Hyun Cho博士创建 图1中的图像。金属沉积和SEM在路易斯维尔大学的微/纳米技术中心进行。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone, microelectronic grade J. T. Baker 9005-05
Adjustable pipette, Eppendorf Reference 2 5000 mL Eppendorf 4924000100
Analytical Balance, AB54-S/FACT Metter Toledo N.A.
Atomic Force Microscope, Easy scan 2 Nanosurf N.A.
AXXIS Electron Beam Thin Film Deposition System Kurt J. Lesker N.A.
Cary 60 UV-Vis Spectrophotometer Agilent N.A.
Conductive epoxy, two part Electron Microscopy Sciences 12642-14
Copper pellets, 99.99% pure Kurt J. Lesker EVMCU40EXE
Copper wire, bare, 18 AWG VWR 66248-040
Crucible, Graphite E-Beam Kurt J. Lesker EVCEB-23
Diamond Scriber Ted Pella 54484
EMCCD Camera, ProEM HS: 1024BX3 Teledyne Princeton Instruments N.A.
Epoxy, Clear Gorilla Glue N.A.
Glass Tube Cutter Wheeler-Rex 69012
Glass Tube, Borossilicate (OD 0.75", ID 0.62", L 12") McMaster-Carr 8729K45
Immersion oil, Type-F Olympus IMMOIL-F30CC
Inverted Microscope, IX73 Olympus N.A.
Laser, Excelsior One 642 nm Free space Spectra-Physics N.A.
LightField Teledyne Princeton Instruments N.A.
MATLAB 2022b MathWorks N.A.
Micro cover glass (coverslips), 24×60 mm No. 1 VWR 48404-455
Microscope Smartphone Camera Adapter qhma QHMC017A-S01
Nile Blue A, pure Acros Organics 415690100
Nitrogen, Ultra Pure, Compressed Specialty Gases N.A.
Objective, UPLanXApo 100× Oil Immersion Olympus 14-910
Polyimide Film, Kapton 3M 16089-4
Potassium Phosphate Monobasic VWR P285
Potentiostat, 660E  CH Instruments N.A.
Pt wire Alfa Aesar 10956-BS
Scanning Electron Microscope, Apreo C SEM Thermo Fischer Scientific N.A.
Si wafer Ted Pella 16006
Silver nanoparticles (nanospheres), NanoXact 0.02 mg/mL in 2 mM citrate nanoComposix AGCN60
Silver pellets, 99.99% pure Kurt J. Lesker EVMAG40EXE-A
Slide Rack, Wash-N-Dry Diversified Biotech WSDR-2000
Smartphone, iPhone 13 mini Apple N.A.
Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate VWR 0348
Spectrometer, IsoPlane SCT320 Teledyne Princeton Instruments N.A.
Tissue Wipers, Light-duty  VWR 82003-820
Tweezers, KS-04 Kaisi Hardware N.A.
Utrasonic Generator, sweepSONIK Blackstone-NEY Ultrasonics 809379
Water Ultrapurifier, Sartorius Arium mini Sartorius N.A.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. O'Mari, O., Vullev, V. I. Electrochemical analysis in charge-transfer science: The devil in the details. Current Opinion in Electrochemistry. 31, 100862 (2022).
  2. Forster, R. J. Microelectrodes: New dimensions in electrochemistry. Chemical Society Reviews. 23 (4), 289-297 (1994).
  3. Frackowiak, E., Béguin, F. Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors. Carbon. 39 (6), 937-950 (2001).
  4. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. Hoboken, NJ. (2001).
  5. Gerischer, H. The impact of semiconductors on the concepts of electrochemistry. Electrochimica Acta. 35 (11), 1677-1699 (1990).
  6. Savéant, J. -M. Molecular catalysis of electrochemical reactions. Mechanistic aspects. Chemical Reviews. 108 (7), 2348-2378 (2008).
  7. Maduraiveeran, G., Sasidharan, M., Ganesan, V. Electrochemical sensor and biosensor platforms based on advanced nanomaterials for biological and biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics. 103, 113-129 (2018).
  8. Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
  9. Wang, Y., Shan, X., Tao, N. Emerging tools for studying single entity electrochemistry. Faraday Discussions. 193, 9-39 (2016).
  10. Wilson, A. J., Willets, K. A. Visualizing site-specific redox potentials on the surface of plasmonic nanoparticle aggregates with superlocalization SERS microscopy. Nano Letters. 14 (2), 939-945 (2014).
  11. Devasia, D., Wilson, A. J., Heo, J., Mohan, V., Jain, P. K. A rich catalog of C-C bonded species formed in CO2 reduction on a plasmonic photocatalyst. Nature Communications. 12 (1), 2612 (2021).
  12. Sambur, J. B., et al. Sub-particle reaction and photocurrent mapping to optimize catalyst-modified photoanodes. Nature. 530 (7588), 77-80 (2016).
  13. Sambur, J. B., Chen, P. Approaches to single-nanoparticle catalysis. Annual Review of Physical Chemistry. 65 (1), 395-422 (2014).
  14. Sambur, J. B., Chen, P. Distinguishing direct and indirect photoelectrocatalytic oxidation mechanisms using quantitative single-molecule reaction imaging and photocurrent measurements. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 20668-20676 (2016).
  15. Wang, L., Tahir, M., Chen, H., Sambur, J. B. Probing charge carrier transport and recombination pathways in monolayer MoS2/WS2 heterojunction photoelectrodes. Nano Letters. 19 (12), 9084-9094 (2019).
  16. Rubin, H. The significance of biological heterogeneity. Cancer and Metastasis Reviews. 9 (1), 1-20 (1990).
  17. Altschuler, S. J., Wu, L. F. Cellular heterogeneity: Do differences make a difference. Cell. 141 (4), 559-563 (2010).
  18. Guerrette, J. P., Percival, S. J., Zhang, B. Fluorescence coupling for direct imaging of electrocatalytic heterogeneity. Journal of the American Chemical Society. 135 (2), 855-861 (2013).
  19. Chen, Y., et al. In situ imaging facet-induced spatial heterogeneity of electrocatalytic reaction activity at the subparticle level via electrochemiluminescence microscopy. Analytical Chemistry. 91 (10), 6829-6835 (2019).
  20. Zaleski, S., et al. Investigating nanoscale electrochemistry with surface- and tip-enhanced Raman spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 2023-2030 (2016).
  21. Xu, R., et al. Heterogeneous damage in Li-ion batteries: Experimental analysis and theoretical modeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 129, 160-183 (2019).
  22. Liu, H., et al. Quantifying reaction and rate heterogeneity in battery electrodes in 3D through operando X-ray diffraction computed tomography. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (20), 18386-18394 (2019).
  23. Heinze, J. Ultramicroelectrodes in electrochemistry. Angewandte Chemie International Edition in English. 32 (9), 1268-1288 (1993).
  24. Arrigan, D. W. M. Nanoelectrodes, nanoelectrode arrays and their applications. Analyst. 129 (12), 1157-1165 (2004).
  25. Grall, S., et al. Attoampere nanoelectrochemistry. Small. 17 (29), 2101253 (2021).
  26. Sa, N., Lan, W. -J., Shi, W., Baker, L. A. Rectification of ion current in nanopipettes by external substrates. ACS Nano. 7 (12), 11272-11282 (2013).
  27. Zhu, C., Huang, K., Siepser, N. P., Baker, L. A. Scanning ion conductance microscopy. Chemical Reviews. 121 (19), 11726-11768 (2021).
  28. Fu, K., Kwon, S. -R., Han, D., Bohn, P. W. Single entity electrochemistry in nanopore electrode arrays: Ion transport meets electron transfer in confined geometries. Accounts of Chemical Research. 53 (4), 719-728 (2020).
  29. Iwasita, T., Nart, F. C., Rodes, A., Pastor, E., Weber, M. Vibrational spectroscopy at the electrochemical interface. Surface Structure and Electrochemical Reactivity. 40 (1), 53-59 (1995).
  30. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Understanding electrocatalysis at nanoscale electrodes and single atoms with operando vibrational spectroscopy. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 38, 100682 (2022).
  31. Kaim, W., Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The best of two worlds. Chemical Society Reviews. 38 (12), 3373-3382 (2009).
  32. Zhai, Y., Zhu, Z., Zhou, S., Zhu, C., Dong, S. Recent advances in spectroelectrochemistry. Nanoscale. 10 (7), 3089-3111 (2018).
  33. Zheng, X., Zong, C., Xu, M., Wang, X., Ren, B. Raman imaging from microscopy to nanoscopy, and to macroscopy. Small. 11 (28), 3395-3406 (2015).
  34. Opilik, L., Schmid, T., Zenobi, R. Modern Raman imaging: Vibrational spectroscopy on the micrometer and nanometer scales. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 379-398 (2013).
  35. Wilson, A. J., Devasia, D., Jain, P. K. Nanoscale optical imaging in chemistry. Chemical Society Reviews. 49 (16), 6087-6112 (2020).
  36. Willets, K. A. Probing nanoscale interfaces with electrochemical surface-enhanced Raman scattering. Current Opinion in Electrochemistry. 13, 18-24 (2019).
  37. Tian, Z. -Q., Ren, B. Adsorption and reaction at electrochemical interfaces as probed by surface-enhanced Raman spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 55 (1), 197-229 (2004).
  38. Wu, D. -Y., Li, J. -F., Ren, B., Tian, Z. -Q. Electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy of nanostructures. Chemical Society Reviews. 37 (5), 1025-1041 (2008).
  39. Bosnick Jiang, K., Maillard, M., Brus, L. Single molecule Raman spectroscopy at the junctions of large Ag nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (37), 9964-9972 (2003).
  40. Camden, J. P., et al. Probing the structure of single-molecule surface-enhanced Raman scattering hot spots. Journal of the American Chemical Society. 130 (38), 12616-12617 (2008).
  41. Daniels, J. K., Chumanov, G. Nanoparticle−mirror sandwich substrates for surface-enhanced Raman scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 109 (38), 17936-17942 (2005).
  42. Ciracì, C., et al. Probing the ultimate limits of plasmonic enhancement. Science. 337 (6098), 1072-1074 (2012).
  43. Ausman, L. K., Schatz, G. C. On the importance of incorporating dipole reradiation in the modeling of surface enhanced Raman scattering from spheres. The Journal of Chemical Physics. 131 (8), 084708 (2009).
  44. Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution optical imaging of single-molecule SERS hot spots. Nano Letters. 10 (9), 3777-3784 (2010).
  45. Titus, E. J., Weber, M. L., Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution SERS imaging beyond the single-molecule limit: An isotope-edited approach. Nano Letters. 12 (10), 5103-5110 (2012).
  46. Bartko, A. P., Dickson, R. M. Imaging three-dimensional single molecule orientations. The Journal of Physical Chemistry B. 103 (51), 11237-11241 (1999).
  47. Chen, S. -Y., et al. Gold nanoparticles on polarizable surfaces as Raman scattering antennas. ACS Nano. 4 (11), 6535-6546 (2010).
  48. Du, L., Tang, D., Yuan, G., Wei, S., Yuan, X. Emission pattern of surface-enhanced Raman scattering from single nanoparticle-film junction. Applied Physics Letters. 102 (8), 081117 (2013).
  49. Joshi, P. B., Anthony, T. P., Wilson, A. J., Willets, K. A. Imaging out-of-plane polarized emission patterns on gap mode SERS substrates: From high molecular coverage to the single molecule regime. Faraday Discussions. 205, 245-259 (2017).
  50. Stranahan, S. M., Titus, E. J., Willets, K. A. SERS orientational imaging of silver nanoparticle dimers. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2 (21), 2711-2715 (2011).
  51. Cortés, E., et al. Monitoring the electrochemistry of single molecules by surface-enhanced Raman spectroscopy. Journal of the American Chemical Society. 132 (51), 18034-18037 (2010).
  52. Wilson, A. J., Molina, N. Y., Willets, K. A. Modification of the electrochemical properties of Nile Blue through covalent attachment to gold as revealed by electrochemistry and SERS. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 21091-21098 (2016).
  53. Lesker, K. J. E-beam evaporator SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville. , Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/Ebaeam_SOP.pdf (2020).
  54. FEI Apreo C SEM SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville. , Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/ApreoSEMSOPn.pdf (2023).
  55. Benz, F., et al. SERS of individual nanoparticles on a mirror: Size does matter, but so does shape. The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (12), 2264-2269 (2016).
  56. Sundaresan, V., Monaghan, J. W., Willets, K. A. Visualizing the effect of partial oxide formation on single silver nanoparticle electrodissolution. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (5), 3138-3145 (2018).
  57. Wilson, A. J., Mohan, V., Jain, P. K. Mechanistic understanding of plasmon-enhanced electrochemistry. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (48), 29360-29369 (2019).
  58. Wilson, A. J., Jain, P. K. Light-induced voltages in catalysis by plasmonic nanostructures. Accounts of Chemical Research. 53 (9), 1773-1781 (2020).
  59. Wang, J., Heo, J., Chen, C., Wilson, A. J., Jain, P. K. Ammonia oxidation enhanced by photopotential generated by plasmonic excitation of a bimetallic electrocatalyst. Angewandte Chemie International Edition. 59 (42), 18430-18434 (2020).
  60. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Plasmonically enhanced electrochemistry boosted by nonaqueous solvent. The Journal of Chemical Physics. 156 (24), 241101 (2022).
  61. Xiao, X., Fan, F. -R. F., Zhou, J., Bard, A. J. Current transients in single nanoparticle collision events. Journal of the American Chemical Society. 130 (49), 16669-16677 (2008).
  62. Kwon, S. J., et al. Stochastic electrochemistry with electrocatalytic nanoparticles at inert ultramicroelectrodes-theory and experiments. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (12), 5394-5402 (2011).
  63. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  64. Sun, T., Yu, Y., Zacher, B. J., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of individual catalytic nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 53 (51), 14120-14123 (2014).
  65. Yu, Y., Sun, T., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of single spherical nanoparticles: Theory and particle size evaluation. Analytical Chemistry. 87 (14), 7446-7453 (2015).
  66. Yu, Y., et al. Electrochemistry and electrocatalysis at single gold nanoparticles attached to carbon nanoelectrodes. ChemElectroChem. 2 (1), 58-63 (2015).
  67. Bentley, C. L., Kang, M., Unwin, P. R. Nanoscale structure dynamics within electrocatalytic materials. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16813-16821 (2017).
  68. Wahab, O. J., Kang, M., Unwin, P. R. Scanning electrochemical cell microscopy: A natural technique for single entity electrochemistry. Current Opinion in Electrochemistry. 22, 120-128 (2020).
  69. Bentley, C. L., et al. Local surface structure and composition control the hydrogen evolution reaction on iron nickel sulfides. Angewandte Chemie International Edition. 57 (15), 4093-4097 (2018).
  70. Wright, D., et al. Mechanistic study of an immobilized molecular electrocatalyst by in situ gap-plasmon-assisted spectro-electrochemistry. Nature Catalysis. 4 (2), 157-163 (2021).
  71. Peng, J., et al. In-situ spectro-electrochemistry of conductive polymers using plasmonics to reveal doping mechanisms. ACS Nano. 16 (12), 21120-21128 (2022).
  72. Yan, M., Kawamata, Y., Baran, P. S. Synthetic organic electrochemical methods since 2000: On the verge of a renaissance. Chemical Reviews. 117 (21), 13230-13319 (2017).
  73. Kingston, C., et al. A survival guide for the "electro-curious.". Accounts of Chemical Research. 53 (1), 72-83 (2020).
  74. Patrice, F. T., Qiu, K., Ying, Y. -L., Long, Y. -T. Single nanoparticle electrochemistry. Annual Review of Analytical Chemistry. 12 (1), 347-370 (2019).
  75. Sekretareva, A. Single-entity electrochemistry of collision in sensing applications. Sensors and Actuators Reports. 3, 100037 (2021).

Tags

化学，第195期，
用表面增强拉曼散射光谱和显微镜跟踪单个纳米颗粒的电化学
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hemmer, J. V., Joshi, P. B., Wilson, … More

Hemmer, J. V., Joshi, P. B., Wilson, A. J. Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy. J. Vis. Exp. (195), e65486, doi:10.3791/65486 (2023).

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