Waiting
Login processing...

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

Chemistry

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

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

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Gap-mode SERS substraatvoorbereiding

  1. Reinig no. 1 coverslips (zie tabel met materialen) met behulp van een aceton en waterwassing, zoals hieronder beschreven. Voer deze stap uit in een cleanroom om ervoor te zorgen dat er geen vuil of ander ongewenst materiaal op de coverslips wordt afgezet.
    1. Plaats de coverslips in een schuifrek. Gebruik een pincet bij het verplaatsen van de coverslips/substraten. Plaats het schuifrek in een glazen container en vul het met aceton.
      LET OP: Aceton is licht ontvlambaar en heeft mogelijk negatieve gezondheidseffecten. Behandel het in een goed geventileerde ruimte met handschoenen, een bril en een masker.
    2. Stel de stroomregeling van de ultrasone generator in op 8 en soniceer de glazen container met het schuifrek gedurende 15 minuten.
    3. Verwijder het schuifrek uit de container en spoel het schuifrek en de afdekzeilen grondig af met ultrapuur (weerstand van 18,2 MΩ·cm) water.
    4. Plaats het schuifrek met afdekzeilen in een glazen container en vul het met ultrapuur water. Soniceer de glazen container met het schuifrek gedurende nog eens 15 minuten met dezelfde instellingen.
    5. Verwijder het schuifrek uit de container en was het schuifrek en de afdekzeilen grondig met ultrapuur water.
    6. Droog de afdekplaten met behulp van een spuitpistool met een stroom zeer zuiver N2-gas .
  2. Leg Cu en Ag op de schoongemaakte coverslips. Gebruik hiervoor het elektronenbundel dunne film depositiesysteem volgens standaardprocedures, zoals aanbevolen door de fabrikant in de officiële gebruikershandleiding.
    OPMERKING: Volg voor elke andere afzetting de instructies van de fabrikant, zoals verstrekt in de institutionele faciliteiten53.
    1. Stel de positie van de plaat in op 180° en ontlucht de vacuümkamer.
    2. Plaats de schone coverslips naast elkaar in de plaat van het instrument, zodat ze elkaar niet overlappen. Gebruik hittebestendig plakband (polyimidefilm) om de coverslips op de plaat te bevestigen.
      OPMERKING: Dit zorgt ervoor dat de coverslips niet bewegen of vallen tijdens de procedure.
    3. Vul een grafietkroes halverwege met Cu-pellets en steek deze in de kroeshouder. Doe hetzelfde voor Ag in een tweede smeltkroes. Sluit de vacuümkamer en begin met pompen; de aanbevolen depositiedruk ligt in de orde van grootte van 10−7 – 10−6 Torr.
    4. Laad de Cu-eigenschappen in de toepassing van de sensor. Schakel de rotatie van de plaat in bij 20 RPM. Stel de positie van de plaat in op 225°.
      OPMERKING: Hiermee wordt de spiegel aan de onderkant van de plaat zo geplaatst dat de elektronenbundel vanuit de zichtpoort kan worden gezien.
    5. Schakel de breekhamer in op de elektronenbundelvoeding en wacht ten minste 2 minuten. Zet de elektronenbundel aan en wacht nog eens 2 minuten. Open de sluiter van de ondergrond.
      OPMERKING: Hierdoor zijn de balk en de smeltkroes zichtbaar door de spiegel.
    6. Verhoog geleidelijk (bij ongeveer 10 mA/min) de emissiestroom totdat de sensor een depositiesnelheid van bijna 10 Å/s afleest. Sluit de sluiter en stel de positie van de plaat in op 0°.
      OPMERKING: De bundel kan tijdens dit proces van vorm veranderen. Het is belangrijk om het tijdens deze stap regelmatig te controleren en de positie, amplitude en frequentie te corrigeren met behulp van de respectieve knoppen. De balk moet de inhoud van de kroes gelijkmatig verwarmen. Het sluiten van de sluiter op dit punt zorgt ervoor dat er geen metaal op de monsters wordt afgezet terwijl de plaat draait om de afdekstroken in het pad van het verdampte metaal te plaatsen.
    7. Open de sluiter om de afzetting te starten en controleer de dikte zoals weergegeven door de sensor. Sluit de sluiter wanneer de gewenste dikte is bereikt (1 nm voor Cu), zoals bepaald door de depositiesensor.
    8. Verlaag geleidelijk de stroom van de elektronenbundel totdat de sensor bijna 0 A leest, maar de stroom is hoog genoeg dat de smeltkroes zichtbaar is.
    9. Stel de positie van de plaat in op 225° en open de sluiter om de kroes te kunnen zien.
    10. Draai de kroeshouder met behulp van de knop zodat de balk met Ag-pellets naar de kroes is gericht.
    11. Laad de Ag-eigenschappen in de toepassing van de sensor. Herhaal stap 1.2.6 – 1.2.7, maar gebruik een depositiesnelheid van 20 Å/s en een dikte van 25 nm voor Ag.
    12. Verlaag de stroom geleidelijk tot 0 A en schakel de elektronenbundel en de breekhamer uit. Stel de positie van de plaat in op 180° en ontlucht de vacuümkamer. Open de vacuümkamer.
    13. De afdekstroken moeten zich op dezelfde plaats bevinden als voorheen, vrij van vreemde stoffen of stofdeeltjes en met het uiterlijk van een spiegel. Verwijder langzaam en voorzichtig het hittebestendige plakband.
      OPMERKING: Trek de tape terug, parallel aan het oppervlak van de plaat; Er is een risico op het breken van de coverslips. De folie moet homogeen en gedeeltelijk transparant zijn (zie figuur 2A).
  3. Incubeer de Ag dunne film met een Nile Blue oplossing, zoals hieronder beschreven.
    1. Voeg 500 μL 50 μM NB-oplossing toe aan het oppervlak van de dunne Ag-film.
    2. Spoel na 15 minuten de Ag dunne film grondig af met ultrapuur water om eventuele zwak geadsorbeerde NB-moleculen te verwijderen. Droog de Ag dunne film met N2 gas.
    3. Laat Ag nanodeeltjes op de NB-geïncubeerde Ag dunne film vallen. Voeg 500 μL van een 100x verdunning van het Ag-nanodeeltje colloïde toe aan hetzelfde gebied van de Ag dunne film waar de NB-oplossing werd gegoten en geïncubeerd.
      LET OP: Metalen nanodeeltjes zijn giftig voor het menselijk lichaam. Behandel ze in een goed geventileerde ruimte met handschoenen en een bril.
    4. Spoel na 20 minuten het (gap-mode SERS) substraat af met ultrapuur water. Droog het substraat met N2 gas.

2. Gap-mode SERS substraat karakterisering

  1. Ultraviolet-zichtbare spectroscopie
    1. Schakel het instrument in door op de aan/uit-knop te drukken. Start de Scan-software door te dubbelklikken op de snelkoppeling op het bureaublad.
    2. Klik op Setup (Instellen ) om het installatievenster te openen. Klik onder Y-modus op het vervolgkeuzemenu Modus en selecteer %T om de transmissie te meten. Wijzig onder X-modus Start in 800 en Stop in 200 om van 800 nm naar 200 nm te scannen.
    3. Selecteer op het tabblad Basislijn het keuzerondje Basislijncorrectie en sluit het installatievenster. Klik op Baseline om een achtergrondcorrectie uit te voeren met atmosferische lucht.
    4. Open het monstercompartiment. Plak het ene uiteinde van de Ag-film op de monsterhouder, loodrecht op het pad van de bundel.
    5. Klik op Start om een transmissiespectrum uit het voorbeeld te verkrijgen.
  2. Atomaire krachtmicroscopie (AFM) metingen
    1. Sluit de AFM aan op de computer (via een USB-poort), schakel het AFM-instrument in en start Nanosurf Easyscan 2.
    2. Verwijder voorzichtig de AFM-kop (met de AFM-uitkraging aan de onderkant) uit de monsterfase en plaats deze ondersteboven opzij.
    3. Bevestig een Ag dunnefilmsubstraat met tape op het monsterstadium. Plaats de AFM-kop boven de monstertrap. Zorg ervoor dat de AFM-kop evenwijdig is aan de monsterfase (monitor met de niveau-indicator). Als de AFM-kop en de monstertrap niet waterpas zijn, gebruikt u de nivelleringsschroeven om de fase aan te passen en de nivelleringsbel in de niveau-indicator te centreren.
    4. Gebruik de zij- en bovenaanzichten in de software om de monsterfase voorzichtig zo dicht mogelijk bij de AFM-kop (AFM-uitkraging) te bewegen zonder contact te maken. Zorg ervoor dat de monsterfase de AFM-uitkraging op de AFM-kop niet raakt.
    5. Kies op het tabblad Acquisitie de optie Fasecontrast als de beeldmodus en PPP-XYNCHR als het vrijdragende type. Klik op Laser Align om ervoor te zorgen dat de laser op de uitkragende punt is gericht en dat de straal die door de tip wordt gereflecteerd het midden van de fotodiodedetector raakt.
    6. Meet de resonerende trillingsfrequentie van de cantilever met de AFM-software door op de knop Frequency Sweep te klikken en zorg ervoor dat de frequentiecurve een belvorm heeft. Door op Approach te klikken, landt u de cantileverpunt op het oppervlak van de Ag dunne film.
    7. Kies in de wizard Imaging een afbeeldingsgrootte van 10,8 μm x 10,8 μm en een scansnelheid van 0,5 s/lijn. Gebruik onder Z-controller een setpoint van 50%, een P-gain van 2.500 en een I-gain van 2.500. Gebruik onder Eigenschappen van modus een vrije trillingsamplitude van 300 mV.
    8. Klik op Start om een afbeelding te verkrijgen. Sla de afbeelding op door er met de rechtermuisknop op te klikken, Kopiëren te selecteren en in de afbeeldingsprocessor te plakken.
    9. Kies in de AFM-software de te verwerken afbeelding door erop te klikken. Voer op het tabblad Analyse een gebieds- en lijnruwheidsanalyse uit door respectievelijk op Lijnruwheid berekenen en Oppervlakte berekenen te klikken.
    10. Trek de uitkragende punt van het dunne filmoppervlak van Ag door op Opnemen te klikken. Verplaats de monsterfase weg van de punt door de beweging te volgen met behulp van de zij- en bovenaanzichten. Verwijder het monster.
  3. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) metingen54
    1. Giet 30 μL van het ontvangen Ag-nanodeeltjescolloïde op een Si-wafer en laat het volledig aan de lucht drogen. Bevestig de Si-wafer op een monsterstomp met dubbelzijdige geleidende tape.
    2. Ontlucht de SEM-kamer via de gebruikersinterface van het instrument. Schuif de SEM-kamer open en monteer de stomp op een van de gaten in het podium.
    3. Sluit de SEM-kamer en pomp de SEM-kamer naar beneden met behulp van de gebruikersinterface van het instrument.
    4. Plaats het monster op ongeveer 10 mm afstand van het elektronenbundelpistool. Schakel de elektronenbundel in met behulp van de gebruikersinterface van het instrument.
    5. Maak het monster in beeld met een Everhart-Thornley-detector met een spotgrootte van 6, een bundelstroom van 25 pA en een hoogspanning van 5 kV.
    6. Dubbelklik op het interessegebied voor het elektronenkanon om de elektronenbundel automatisch uit te lijnen. Voer beeldvorming uit met een vergroting van 3.500x met behulp van de gebruikersinterface van het instrument (figuur 3A).
    7. Nadat de beeldvorming is voltooid, schakelt u de elektronenbundel uit en beweegt u het monster ten minste 20 mm van het elektronenbundelkanon verwijderd.
    8. Ontlucht de SEM-kamer. Schuif de SEM-kamer open en verwijder de monsterstomp uit het werkgebied. Sluit de SEM-kamer en pomp deze naar beneden met behulp van de gebruikersinterface van het instrument.

3. Bereiding van de elektrochemische cel

  1. Verkrijg een 5 cm lange glazen put door een glazen buis te snijden met een glazen buizensnijder, zoals hieronder beschreven.
    1. Wikkel de kettingen van de glazen buizensnijder om de buis. Bevestig het laatste segment van de ketting aan de andere kant van het gereedschap.
    2. Houd het gereedschap met één hand bij het handvat. Houd met de andere hand de glazen buis vast. Draai de glazen buis continu zodat de wielen in de ketting het glas gaan snijden.
    3. Knijp zachtjes in het gereedschap door geleidelijk meer kracht op de handgrepen uit te oefenen. Wanneer het geluid verandert van schuiven naar krassen, is dat wanneer het glazen stuk (put) op het punt staat te scheiden van de glazen buis.
    4. Maak het gebroken uiteinde van het glas goed glad met schuurpapier met korrel 120 (of grover). Poets met korrel 220 (of fijner) schuurpapier.
  2. Snijd het gap-mode substraat af met een diamantschrijver, zoals hieronder beschreven.
    1. Plaats het substraat in de spleetmodus op een vlakke ondergrond. Beweeg de diamantschrijver op en neer in het midden van het substraat in de spleetmodus terwijl u lichte druk uitoefent op het oppervlak van het substraat.
    2. Breek het substraat handmatig in twee stukken zodra een kras zichtbaar is.
  3. Bevestig de geslepen glazen put (uit stap 3.1) aan het oppervlak van het substraat, zoals hieronder beschreven.
    1. Doseer tweedelige epoxyhars op een klein vel aluminiumfolie. Meng het product met een roerstaafje of een pipetpunt.
    2. Breng het mengsel aan op de onderrand van de glazen put. Breng het minimaal mogelijke mengsel aan om de rand van het geslepen glas goed te bedekken om de verspreiding van de hars naar het binnenste deel van de cel te minimaliseren.
    3. Lijm het glas goed op het oppervlak van het substraat in de spleetmodus. Breng het resterende gemengde product aan op de buitenkant van de put, waar het het substraat ontmoet, om de kans op lekkage van de oplossing die in de glazen put wordt gegoten te elimineren (zie figuur 4A).
    4. Laat de epoxy 5 min ongestoord uitharden.
  4. Bevestig de elektrische aansluiting op het SERS-substraat in de spleetmodus, zoals hieronder beschreven.
    1. Verkrijg een 5 cm lange koperdraad. Doseer tweedelige geleidende epoxyhars op een klein vel aluminiumfolie. Meng de productcomponenten met behulp van de koperdraad.
    2. Bevestig de draad op het oppervlak van het substraat (buiten de put, maar bevestigd aan de geleidende Ag dunne film; zie figuur 4A). Laat de geleidende epoxy ongestoord uitharden gedurende de aanbevolen tijd.
      OPMERKING: Het wordt aanbevolen om de geleidende epoxy bij kamertemperatuur te laten uitharden om het thermisch gloeien van het Ag-filmsubstraat te minimaliseren.

4. Bulk cyclische voltammetrie metingen

  1. Voeg 10 ml 0,5 mM NB en 0,1 M fosfaatbuffer (pH = 5) toe aan een bekerglas van 20 ml. Plaats een mechanisch gepolijste Ag-schijfelektrode, een Pt-draad en een Ag/AgCl-elektrode (3 M KCl) in de elektrolytoplossing.
  2. Bevestig elke elektrode aan de respectieve potentiostatclip (bepaald door de fabrikant van de potentiostaat). Zorg ervoor dat de elektroden niet met elkaar in contact komen.
  3. Voer cyclische voltammetrie (CV) uit van 0 tot −0,6 V met een scansnelheid van 50 mV/s.

5. Elektrochemische SERS-microscopie en spectroscopiemetingen met één nanodeeltje

  1. Plaats de elektrochemische cel bereid met behulp van het gap-mode SERS-substraat op het podium van een omgekeerde optische microscoop.
  2. Plak de randen van het substraat op het microscoopstadium zodat het tijdens de spectro-elektrochemische metingen niet beweegt als gevolg van de spanning van de draden die de cel met de potentiostaat verbinden (zie figuur 4B).
  3. Plaats de Ag/AgCl (3 M KCl) referentie-elektrode in de zelfgebouwde standaard en bevestig de positie door de schroef op de elektrodehouderstandaard aan te draaien.
  4. Klem de referentie-elektrode vast aan de referentie-elektrode-alligatorclip van de potentiostaat (witte kleur). Klem de Pt-draad tellerelektrode vast aan de tegenelektrode van de potentiostaat alligatorclip (rode kleur). Klem de Cu-draad die aan de Ag-film is bevestigd vast aan de werkende elektrode-alligatorclip van de potentiostaat (groene kleur).
  5. Steek de Pt-draad samen met de krokodillenklem in de elektrodehouder en draai de schroef vast om de positie te bevestigen.
  6. Plaats de elektrodehouder over de elektrochemische cel om de elektroden in de cel in te brengen. Zorg ervoor dat de elektroden de Ag-film niet raken; Dit zal niet alleen een kortsluiting vormen, maar het zal ook de film beschadigen.
  7. Schakel de spectrometer en de EMCCD-camera in en start de "LightField"-software.
  8. Schakel de 642 nm-laser in en stel de laser in op een vermogen van 500 μW.
    LET OP: Blootstelling aan laserlicht kan permanente schade aan de ogen en de huid veroorzaken. Raadpleeg en volg de veiligheidsrichtlijnen van de relevante officiële regelgevende instantie in uw land/regio.
  9. Voeg een druppel onderdompelingsolie toe aan het objectief. Beweeg de scherpstelknop om het objectief voorzichtig te verhogen totdat de olie in contact komt met de bodem van het substraat.
    OPMERKING: Omdat de cel is afgeplakt, kan het forceren van het objectief tegen het substraat de cel breken en/of het objectief beschadigen.
  10. Richt de laser op het oppervlak van het sators-substraat met spleetmodus. Scan het spleet-modus SERS-substraat (bedekt door de glazen put) om te zoeken naar een geïsoleerd donutvormig NB SERS-emissiepatroon door de microscooptrap te verplaatsen (zie figuur 5A).
    OPMERKING: Hoe lager de concentratie van de NB, hoe moeilijker het wordt om donutvormige emissiepatronen te vinden, maar hoe groter de kans dat het uiteindelijke donutvormige emissiepatroon wordt geïsoleerd. Koffieringen zijn een goede plek om te beginnen, en dan kan men naar binnen bewegen met betrekking tot het NB- en Ag-nanodeeltjesincubatiegebied op het SERS-substraat met gap-mode. Camera's (zie volgende stap) zijn nuttig in dit proces omdat ze gevoeliger zijn voor licht dan het menselijk oog bij het scannen rond het SERS-substraat in de gap-modus.
  11. Sluit een telefoon aan op de microscoop telefoon adapter. Als u de camera van de telefoon wilt uitlijnen met de lens van de adapter, schakelt u de cameratoepassing op de telefoon in en wijzigt u de positie van het apparaat om door de lens te kijken.
  12. Verwijder een van de oculairs van de microscoop en plaats de adapter op zijn plaats. Wijzig in de cameratoepassing de modus in video en zoom zoveel mogelijk in. Het donutvormige emissiepatroon is duidelijk te zien.
  13. Zodra het donutvormige emissiepatroon duidelijk is gelokaliseerd, beweegt u de lichtafleidingshendel van de microscoop om het uitgezonden licht naar de spectrometer te leiden.
  14. Klik op het tabblad Experiment van LightField op Algemene acquisitie-instellingen en pas de belichtingstijd aan op 0,1 s en de frames op Opslaan op 50. Selecteer onder Gegevens exporteren de optie Verkregen gegevens exporteren en wijzig het bestandstype in CSV (.csv).
  15. Selecteer onder Interessante regio's het keuzerondje Aangepaste interessegebieden . Klik op ROI's bewerken en maak in het nieuwe venster een ROI van 25 pixels x 25 pixels rond de donutvormige emissie door de X-, Y-, W- en H-waarden te wijzigen.
  16. Selecteer onder Spectrometer het 600 g/mm, 750 nm hoge rooster. Wijzig de middelste golflengte in 642 nm. Klik op Verwerven om de metingen te starten.
  17. Nadat de acquisitie is voltooid, gaat u naar het tabblad Gegevens . Open het laatst uitgevoerde experiment en klik op Processen en vervolgens op Framecombinatie.
  18. Noteer in het gecombineerde spectrum de lasergolflengte waarbij de hoogste intensiteit wordt waargenomen.
  19. Ga terug naar Experiment en klik onder Spectrometer op nm. Wijzig in het pop-upvenster de meetmodus in relatieve golfgetallen en voer de gemeten lasergolflengte in het vak in. Verander de roosterpositie naar 1.000/cm om Stokes-verschoven Raman-verstrooiing van ongeveer 400/cm naar 1.600/cm te detecteren.
  20. Verzamel en som ten minste 50 frames van NB SERS-spectra op met een belichtingstijd van 0,1 s (zie figuur 5C). Zoek naar een sterke piek bij 592/cm om te bevestigen dat de emissie afkomstig is van NB (zie figuur 5C)52. Neem een SERS-spectrum van het gebied dat grenst aan het donutvormige emissiepatroon (een gebied zonder emissie) om het achtergrondsignaal te compenseren.
  21. Houd het laserlicht gericht op het donutvormige emissiepatroon en voeg 3 ml van de 0,1 M fosfaatbufferoplossing (pH = 5) toe aan de elektrochemische cel met behulp van een 5 ml verstelbare pipet.
    OPMERKING: Zodra de elektrolytoplossing is toegevoegd, kan het donutvormige emissiepatroon verdwijnen en kan een vast emissiepatroon verschijnen, omdat de dipoolmodi van het enkele nanodeeltje van de optische as SERS-spectra van de elektrolyt- en oplosmiddelmoleculen uitstralen.
  22. Stel indien nodig opnieuw scherp en zorg ervoor dat het laserlicht nog steeds gericht is op het emissiepatroon.
  23. Bereid in de software van de potentiostaat een cyclisch voltammogramexperiment voor met ten minste drie cycli van 0 tot −0,6 V versus Ag/AgCl (3 M KCl) en een scansnelheid van 50 mV/s. Voor het synchroniseren van de spectrale en elektrochemische gegevensverzameling configureert u de potentiostaat om te worden geactiveerd door de spectrale acquisitie van de spectrometer.
  24. Voer de gelijktijdige CV- en SERS-experimenten uit. De NB SERS-spectra moeten worden gemoduleerd door de potentiaal die wordt toegepast op het SERS-substraat in de gap-modus (zie figuur 6B).
  25. Beweeg de lichtomleidingshendel zodat het licht naar de telefooncamera wordt gericht. Begin met het opnemen van een video en voer het CV-experiment uit zoals beschreven. De SERS-beeldintensiteit moet worden gemoduleerd volgens de potentiaal die wordt toegepast op het SERS-substraat in de gap-modus (zie de inzetstukken in figuur 6A).

6. Beeldvormende analyse

  1. Verwerk de verzamelde afbeeldingen om de scherpte en het contrast te verbeteren, zoals hieronder wordt beschreven.
    OPMERKING: Beeldverwerking is uitgevoerd met de OpenCV-bibliotheek in Python en het script is beschikbaar op GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Snijd de afbeelding bij om het grootste deel van de lege ruimte te verwijderen en centreer deze rond het emissiepatroon.
    2. Verwijder de groene en blauwe kanalen van het kader. Verhoog de scherpte door een Gauss-wazig masker van het kader af te trekken.
    3. Verhoog het contrast door dynamische bereikuitbreiding met een raise-to-power operator.
  2. Voeg schaalbalken toe aan de afbeeldingen met ImageJ, zoals hieronder wordt beschreven.
    1. Gebruik de camera-adapter van de telefoon om een afbeelding te maken van een object met bekende afmetingen, zoals een microscoopkalibratiedia.
    2. Gebruik ImageJ om de verzamelde afbeelding te laden. Teken een segment op een gebied van het afgebeelde object met bekende afmetingen.
    3. Stel de schaal (d.w.z. pixels per eenheidsafstand) in op basis van de lengte van het getekende segment met behulp van de functie Schaal instellen . Voeg de schaal toe met het gereedschap Schalen .

7. Analyse van de grootte van nanodeeltjes

  1. Laad de SEM-afbeelding in ImageJ. Teken een segment op de door het instrument geleverde schaalbalk en stel dat in met de functie Schaal instellen .
  2. Ga naar afbeelding > Typ > 16-bits. Ga naar afbeelding > > automatische drempel aanpassen. Selecteer standaard in het vervolgkeuzemenu.
  3. Selecteer en verwijder met het gereedschap Rechthoek de functies die geen afzonderlijke nanodeeltjes zijn.
  4. Gebruik het gereedschap Deeltjes analyseren . Bereken de diameter van de deeltjes met de verkregen gebieden door een cirkelvorm aan te nemen.

8. Spectro-elektrochemische data-analyse

  1. Voer achtergrondcorrectie uit op de verzamelde spectrale gegevens. Uitvoeren van gegevensverwerking en plotten in MATLAB; de scripts zijn beschikbaar op dezelfde GitHub-repository als eerder vermeld.
  2. Gemiddelde van de spectrale gegevens van drie verschillende achtergrondexperimenten (spectrale gegevens verzameld naast het SERS-emissiepatroon). Trek het gemiddelde achtergrondspectrum af van het spectrum van de steekproef.
  3. Maak een tijdarray van 0 tot de totale tijd van het experiment (cyclische voltammetrie), waarin het interval de som is van de belichtingstijd, de EMCCD-uitleestijd en de sluitertijden voor openen en sluiten.
  4. Converteer de golflengtemetingen naar Raman-verschuiving met behulp van de lasergolflengte.
  5. Genereer een watervalplot met behulp van de mesh-functie van MATLAB, waarbij X de Raman-verschuiving is, Y de tijd en Z de intensiteit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. Het "goede" Ag dunne film substraat heeft een optische transparantie van 34% voor het 642 nm laserlicht dat wordt gebruikt voor de spectro-elektrochemische experimenten in het huidige protocol. Figuur 2C toont een representatief AFM-beeld van een oppervlakte van 10,8 μm x 10,8 μm van het "goede" substraat. De wortelgemiddelde vierkante ruwheidswaarde van het representatieve gebied is 0,7 nm, wat aangeeft dat de Ag-dunne film atomair glad is. De variatie in de hoogte van het dunne ag-filmsubstraat wordt weergegeven door het lijnprofiel in figuur 2D, wat de uniformiteit en gladheid van de film verder aantoont.

Figuur 3A toont een representatief SEM-beeld van Ag-nanodeeltjes die druppelgegoten en aan de lucht gedroogd zijn op een Si-wafer. Uit een analyse van 243 nanodeeltjes bleek dat de gemiddelde diameter van de Ag-nanodeeltjes die in dit protocol werden gebruikt 79,2 nm ± 8,4 nm was. Opgemerkt moet worden dat verschillende groottes van Au- of Ag-nanodeeltjes ook kunnen worden gebruikt55. Bovendien maakt dit protocol gebruik van zeer monodisperse nanodeeltjes, maar er is geen dispersievereiste, omdat dit protocol de meting van afzonderlijke nanodeeltjes mogelijk maakt. Om een spleet-modus SERS-substraat te construeren, werden in dit werk de Ag-nanodeeltjes afgezet op het oppervlak van een Ag-dunnefilmsubstraat dat eerder was geïncubeerd met NB (figuur 3B).

Een gap-mode SERS-substraat werd gebruikt als de werkende elektrode om een elektrochemische cel te construeren, zoals weergegeven in figuur 4A. De elektrochemische cel werd geïmmobiliseerd op een microscoopstadium en verbonden met een potentiostaat, zoals weergegeven in figuur 4B. Met de elektrochemische cel gemonteerd op een omgekeerde optische microscoop, werd een 642 nm laser gericht op de gap-mode SERS substraat werkende elektrode in een epi-illuminatie geometrie. Individuele Ag-nanodeeltjes op de Ag dunne film in lucht kunnen ondubbelzinnig worden geïdentificeerd door een donutvormig emissiepatroon, zoals weergegeven in figuur 5A. Deze donutvormige emissiepatronen kunnen betrouwbaar worden gebruikt als een handtekening om individuele Ag-nanodeeltjeste identificeren 49. Als er meer dan één nanodeeltje (dimeer, trimer of multimeer) in het verlichtingsvolume aanwezig is, wordt een vast emissiepatroon waargenomen, zoals weergegeven in figuur 5B. Bij de introductie van de elektrolytoplossing wordt het donutvormige emissiepatroon meestal omgezet in een vast emissiepatroon. De reden hiervoor is dat de dipolaire plasmonmodi binnen het enkele nanodeeltje (niet uitgelijnd met de optische as) emissie van de oplosmiddel- en elektrolytmoleculen in alle richtingen uitstralen. Daarom is het emissiepatroon een superpositie van high-angle NB SERS-emissie van de nanodeeltje-substraatspleet en low-angle SERS-emissie van de elektrolyt- en oplosmiddelmoleculen. De verwijdering van de elektrolytische oplossing herstelt de donutvormige emissiepatronen. In dit protocol, na de identificatie van een enkel nanodeeltje door SERS-beeldvorming, wordt SERS-spectroscopie gebruikt om het redox-sondemolecuul te identificeren. Het SERS-spectrum in figuur 5C komt overeen met het donutvormige emissiepatroon in figuur 5A. De trillingsmodi vertegenwoordigen een vingerafdruk voor de NB-moleculen.

Figuur 6A toont representatieve cyclische voltammogrammen van NB in fosfaatbuffer (pH = 5) verkregen met behulp van een Ag-schijfwerkelektrode en een Pt-draadtellerelektrode. Een cyclisch voltammogram wordt verkregen voorafgaand aan spectro-elektrochemische metingen van enkele nanodeeltjes om het ensemble redoxgedrag van de sondemoleculen te begrijpen - NB in dit geval. In dit werk, toen de toegepaste potentiaal van 0 naar −0,6 V werd geveegd, werd een kathodische piek waargenomen bij -0,27 V versus Ag/AgCl (3 M KCl). Toen de potentiaal werd teruggeveegd naar 0 V, werd een anodische piek waargenomen bij −0,21 V. Hetzelfde toegepaste potentiaalbereik werd gebruikt voor de spectro-elektrochemische metingen, zoals weergegeven in figuur 6B. Na de identificatie van een enkel Ag-nanodeeltje dat een donutvormig emissiepatroon vertoonde, werd de elektrolytoplossing in de elektrochemische cel gepipetteerd. Onder laserbelichting werden de SERS-spectra vervolgens continu verzameld terwijl de toegepaste potentiaal tussen 0 en −0,6 V werd geveegd met een scansnelheid van 50 mV / s (figuur 6B). De NB-moleculen in en rond de opening tussen het Ag-nanodeeltje en de Ag-film werden elektrochemisch gereduceerd (off-toestand) en de SERS-intensiteit nam af, zoals te zien is in de watervalplot van de SERS-spectra (ook een inzet in figuur 6A). Naarmate de toegepaste potentiaal van −0,6 naar 0 V werd geveegd, nam de SERS-intensiteit toe, omdat de NB-moleculen elektrochemisch werden geoxideerd (in toestand). De modulatie in SERS-signalen vertegenwoordigt een methode om de reductie- en oxidatiepotentialen van NB op een enkel nanodeeltje te bepalen. Andere elektrochemische technieken kunnen worden vervangen door voltammetrie om redoxreacties verder te karakteriseren. Figuur 7A toont de SERS-respons van NB wanneer de potentiaal van de werkende elektrode werd getrapt naar −0,4 V (d.w.z. chronoamperometrie). Wanneer de elektrodepotentiaal werd getrapt naar −0,4 V, verviel het SERS-signaal als gevolg van de reductie van NB. Deze spectro-elektrochemische techniek maakt het mogelijk om het voorbijgaande gedrag van redoxreacties op het niveau van één nanodeeltje te onderzoeken. Figuur 7B laat zien hoe de reductiekinetiek werd veranderd door de omvang van de toegepaste elektrische bias, zoals blijkt uit het verval van het gebied onder de piek van 592/cm. Interessant is dat de scherpe variaties in het genormaliseerde gebied aantonen hoe stochastische gebeurtenissen op deze schaal een grotere rol spelen. Zoals aangetoond met conventionele voltammetrie en chronoamperometrie, stelt het protocol dat in dit artikel wordt beschreven onderzoekers in staat om de trillingsmodi van moleculen te volgen terwijl ze elektrochemisch worden gereduceerd of geoxideerd op een enkel nanodeeltje. Verder maken trillingsanalyses van moleculen op het oppervlak van enkele nanodeeltjes het onderscheid tussen chemische en elektrochemische stappen mogelijk, wat nuttig is bij het bestuderen van reactiemechanismen.

Figure 1
Figuur 1: Gap-mode SERS substraat. Schema van een gap-mode substraat bereid door het plaatsen van individuele metalen nanodeeltjes op een metalen spiegel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Karakterisering van het dunne filmsubstraat. (A) Digitale foto's van een goed en een slecht Ag-dunnefilmsubstraat, bereid door een verdampingssysteem met elektronenbundelmetaal. (B) Een ultraviolet zichtbaar transmissiespectrum van een goed substraat. (C) Een AFM-afbeelding van een representatief gebied van 10,8 μm x 10,8 μm van een goed substraat. (D) Een lijnprofiel van de AFM-afbeelding aangegeven door de zwarte stippellijn onder (C). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Karakterisering van ag-nanodeeltjes . (A) SEM-afbeelding van een waterig Ag-nanodeeltje colloïde druppelgegoten en aan de lucht gedroogd op een Si-wafer. De gemiddelde diameter van de nanodeeltjes is 79,2 nm, met een standaardafwijking van 8,4 nm. (B) Schematisch diagram van het SERS-substraat in gap-mode. De blauwe sterren vertegenwoordigen NB-moleculen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Voorbereiding van de spectro-elektrochemische cel. (A) Een representatieve spectro-elektrochemische cel bereid met behulp van een spleet-modus SERS-substraat als werkelektrode. (B) Een spectro-elektrochemische cel geïmmobiliseerd op een omgekeerde optische microscooptrap voor elektrochemische spectroscopie met één nanodeeltje en microscopie-experimenten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Identificatie van een enkel Ag-nanodeeltje op het Ag-dunnefilmsubstraat. (A) Een donutvormig NB SERS-emissiepatroon, wat aangeeft dat het signaal afkomstig is van een individueel Ag-nanodeeltje. (B) Een solide NB SERS-emissiepatroon, wat aangeeft dat het signaal afkomstig is van meer dan één nanodeeltje. (C) Het SERS-spectrum van de donutvormige emissie weergegeven onder (A), met de karakteristieke piek op 592/cm van de trillingsmodus van de ringvervorming van NB52. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Elektrochemie en spectro-elektrochemie van NB. (A) Cyclische voltammogrammen van 0,5 mM NB in 0,1 M fosfaatbuffer (pH = 5) met behulp van een Ag-schijfwerkelektrode. De inzetstukken tonen elektrochemische SERS-beelden van NB op een individueel Ag-nanodeeltje op het gap-mode SERS-substraat bij de NB-oxidatie (onderste afbeelding) en reductie (bovenste afbeelding) potentialen. De schaalbalken vertegenwoordigen 300 nm. (B) Elektrochemische modulatie van het NB SERS-spectrum door cyclische voltammetrie op een enkel Ag-nanodeeltje op het SERS-substraat met gap-mode. Een Pt-draad en een Ag/AgCl (3 M KCl) elektrode werden respectievelijk gebruikt als teller- en referentie-elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Potentiaalstapspectro-elektrochemie van NB. (A) Elektrochemische modulatie van het NB SERS-spectrum door een potentiaalstap van 0 tot −0,4 V (vs. Ag/AgCl) toegepast bij t = 0 (stippellijn). De intensiteit van de piek bij 592/cm neemt met de tijd af door de reductie van de NB-moleculen in de buurt van het Ag-nanodeeltje. (B) Voorbijgaand profiel van het genormaliseerde gebied onder de piek van 592/cm als functie van de toegepaste potentiaal: −0,2 V (blauwe curve), −0,4 V (groene curve) en -0,6 V (rode curve). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 afdekstroken in verschillende oplosmiddelen te soniceren vóór de metaalafzetting en, indien mogelijk, dit proces in een cleanroom uit te voeren. Verder moet zorgvuldig aandacht worden besteed aan de afzettingsprocedure. Het kan nodig zijn om alle oppervlakken in de vacuümkamer (inclusief de lade van de kroeshouder) en de kroezen te reinigen, omdat deze delen de neiging hebben stof en puin te verzamelen.

De hoge depositiesnelheden die tijdens het metaalafzettingsproces worden gebruikt, zorgen ervoor dat de afgezette film atomair glad is, maar kan ook moeilijker te beheersen zijn. Het verkeerd aflezen van de filmdiktesensoren kan leiden tot inhomogene, te dikke of te dunne films. Als de metaalfilms te dun zijn, kunnen eilanden van materiaal worden afgezet in plaats van een doorlopend oppervlak. Films die te dik zijn, zullen resulteren in substraten die ondoorzichtig zijn, waardoor het excitatielicht de NB-moleculen niet efficiënt kan opwinden en de verzameling van emissielicht wordt belemmerd; dit zal op zijn beurt de algehele gevoeligheid van de methode verminderen en SERS-beelden en -spectra van slechte kwaliteit opleveren met lage signaal-ruisverhoudingen. De afzetting van Cu voorafgaand aan Ag is cruciaal voor de hechting van het laatste metaal, maar het deponeren van overtollige Cu zal de optische transparantie van het substraat verminderen, terwijl een onvoldoende hoeveelheid Cu zal leiden tot de delaminatie van de Ag van de glazen afdekplaten. Als de afmetingen van de monsterplaat groter zijn dan die van de sluiter, kan verdampt metaal zich bovendien op de afdekstroken afzetten terwijl de sluiter gesloten is, wat resulteert in inhomogeniteit van het substraat, zoals weergegeven in figuur 2A.

De concentraties en incubatietijden voor de NB-oplossingen en Ag-nanodeeltjessuspensies spelen een sleutelrol bij het produceren van een SERS-substraat van goede kwaliteit in de spleetmodus. Het gebruik van NB-oplossingen met hogere concentraties dan aanbevolen in het protocol of het gebruik van langere incubatietijden kan leiden tot hoge achtergrondsignalen en dus uitdagingen vormen voor het lokaliseren van individuele Ag-nanodeeltjes. Aan de andere kant zullen een lage NB-oplossingsconcentratie en een korte incubatietijd leiden tot een lage dekking van de NB-moleculen op de Ag-dunne film, waardoor het identificeren van afzonderlijke Ag-nanodeeltjes een tijdrovend proces wordt. Evenzo zal het gebruik van een Ag-nanodeeltjessuspensie met een concentratie hoger dan aanbevolen in het protocol of het gebruik van langere incubatietijden leiden tot agglomeratie van de Ag-nanodeeltjes op de Ag-dunne film; deze agglomeratie zal dus leiden tot SERS-substraten die een hoog percentage vaste emissiepatronen produceren en een afname van het aantal substraatlocaties dat als afzonderlijke nanodeeltjes kan worden geïdentificeerd. Daarentegen zal het gebruik van een Ag-nanodeeltjessuspensie met een lagere concentratie of een kortere incubatietijd leiden tot een lage dekking van Ag-nanodeeltjes. In dit geval zal een groter deel van de SERS-emissiepatronen afkomstig zijn van afzonderlijke Ag-nanodeeltjes, maar de doorvoer van het experiment zal worden verminderd.

Voor de succesvolle implementatie van de single-nanoparticle elektrochemische SERS beeldvormings- en spectroscopietechniek die in dit artikel wordt beschreven, moet speciale aandacht worden besteed aan de spectro-elektrochemische experimentele opstelling. Ten eerste staat de identificatie van enkele Ag-nanodeeltjes op het gap-mode SERS-substraat met behulp van donutvormige emissiepatronen centraal voor het succesvolle gebruik van de beschreven methode. Meer dan 100x vergroting van het optische beeld en een microscoopobjectief met een hoog numeriek diafragma (bijv. 1,45) zijn meestal nodig om de donutvormige emissiepatronen te observeren. Het hoge numerieke diafragma is vooral belangrijk voor het verzamelen van emissies met een hoge hoek. Ten tweede is het belangrijk om de verzameling van de SERS-spectra te synchroniseren met het elektrochemische programma. In dit protocol wordt een transistor-transistor logische puls van de spectrometerdetector naar de potentiostat gestuurd om de gelijktijdige verzameling van de SERS-spectra en elektrochemische gegevens te activeren. Bovendien moet rekening worden gehouden met de uitleestijd van de detector om de toegepaste potentialen nauwkeurig te correleren met de SERS-spectra in voltammetrie.

De interpretatie van trillingsmodi is een belangrijk onderdeel van SERS-spectroscopie. Ag is gevoelig voor het vormen van oxiden, die het elektrochemische proces in studie56 kunnen beïnvloeden. In dit protocol werden door SERS geen oxidelagen gedetecteerd, maar langdurige blootstelling aan lucht of oxiderende potentialen veroorzaken de vorming van oxiden op de Ag-spiegel en/of nanodeeltjes. De oxidelagen kunnen de adsorptie van redox-actieve moleculen veranderen, waardoor verschuivingen in de trillingsmodi worden veroorzaakt. In het huidige protocol hebben we geen verschuivingen in trillingsmodi waargenomen tussen de NB-moleculen die zijn geadsorbeerd aan de Si-, de Ag-film of de Ag-nanodeeltjes. We merken ook op dat de excitatie van plasmonresonanties, zoals die van het gap-mode substraat, resulteert in het genereren van niet-evenwicht hete elektronen en hete gaten die kunnen deelnemen aan redoxreacties57,58,59,60. Om interferentie van door licht geïnduceerde hete ladingsdragers te minimaliseren, worden fluences bij weinig licht aangemoedigd.

De hier beschreven techniek kan de beperkingen van andere single-nanodeeltjestechnieken aanpakken, zoals op botsingen gebaseerde elektrochemie 61,62,63, scanning elektrochemische microscopie 64,65,66 en scanning elektrochemische celmicroscopie67,68,69. Het is mogelijk om de elektrochemische respons van enkele nanodeeltjes te meten met behulp van deze elektrochemische technieken; Het is echter niet mogelijk om direct de identiteit van en structurele informatie over de reactanten, tussenproducten en producten te verkrijgen. De techniek die in dit protocol wordt beschreven, maakt het mogelijk om elektrochemische reacties op enkele nanodeeltjes te volgen en chemische informatie te verkrijgen door middel van trillingsspectroscopie. Deze gap-mode SERS elektrochemische methode levert echter de beste resultaten op wanneer de SERS-substraten worden bereid met behulp van de meest SERS-actieve metalen onder zichtbare lichtexcitatie: Ag en Au. Dit kan de keuze van metalen die in de techniek kunnen worden gebruikt, beperken. Verder, terwijl gap-mode SERS chemische informatie biedt over elektrochemische processen die plaatsvinden op afzonderlijke nanodeeltjes, levert het alleen ensemblegemiddelde elektrochemische informatie op, omdat de stroomrespons over het hele substraat wordt gemeten. Niettemin is de techniek die in dit artikel wordt gedemonstreerd een krachtig hulpmiddel dat kan worden gebruikt om fundamentele mechanistische kennis op te doen op verschillende gebieden van de elektrochemie, waaronder op het gebied van elektrokatalytische reacties, die belangrijk zijn voor energieopslag 70,71, chemische grondstofsynthese 72,73 en sensoren 74,75.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgments

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.

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

Scheikunde Nummer 195
Elektrochemie volgen op enkele nanodeeltjes met oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsspectroscopie en microscopie
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