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Chemistry

सरफेस-एन्हांस्ड रमन स्कैटरिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी और माइक्रोस्कोपी के साथ एकल नैनोकणों पर इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को ट्रैक करना

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

Summary

प्रोटोकॉल बताता है कि सतह-वर्धित रमन प्रकीर्णन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इमेजिंग का उपयोग करके एकल नैनोकणों पर विद्युत रासायनिक घटनाओं की निगरानी कैसे करें।

Abstract

एकल नैनोकणों पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन व्यक्तिगत नैनोकणों के विषम प्रदर्शन को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। यह नैनोस्केल विषमता नैनोकणों के पहनावा-औसत लक्षण वर्णन के दौरान छिपी हुई है। एकल नैनोकणों से धाराओं को मापने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल तकनीक विकसित की गई है, लेकिन इलेक्ट्रोड सतह पर प्रतिक्रियाओं से गुजरने वाले अणुओं की संरचना और पहचान के बारे में जानकारी प्रदान नहीं करती है। सतह-संवर्धित रमन प्रकीर्णन (एसईआरएस) माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी ऑप्टिकल तकनीकें व्यक्तिगत नैनोकणों पर विद्युत रासायनिक घटनाओं का पता लगा सकती हैं, साथ ही इलेक्ट्रोड सतह प्रजातियों के कंपन मोड पर जानकारी प्रदान कर सकती हैं। इस पेपर में, एसईआरएस माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके एकल एजी नैनोकणों पर नील ब्लू (एनबी) के विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण-कमी को ट्रैक करने के लिए एक प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया गया है। सबसे पहले, एक चिकनी और अर्ध-पारदर्शी एजी फिल्म पर एजी नैनोकणों को बनाने के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल का वर्णन किया गया है। ऑप्टिकल अक्ष के साथ संरेखित एक द्विध्रुवीय प्लास्मोन मोड एक एकल एजी नैनोपार्टिकल और एजी फिल्म के बीच बनता है। नैनोपार्टिकल और फिल्म के बीच तय एनबी से एसईआरएस उत्सर्जन को प्लास्मोन मोड में जोड़ा जाता है, और उच्च-कोण उत्सर्जन को डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न बनाने के लिए माइक्रोस्कोप उद्देश्य द्वारा एकत्र किया जाता है। ये डोनट के आकार के एसईआरएस उत्सर्जन पैटर्न सब्सट्रेट पर एकल नैनोकणों की स्पष्ट पहचान की अनुमति देते हैं, जिससे एसईआरएस स्पेक्ट्रा एकत्र किया जा सकता है। इस काम में, उल्टे ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ संगत इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में एक कार्यशील इलेक्ट्रोड के रूप में एसईआरएस सब्सट्रेट को नियोजित करने की एक विधि प्रदान की जाती है। अंत में, एक व्यक्तिगत एजी नैनोपार्टिकल पर एनबी अणुओं के विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण-कमी को ट्रैक करना दिखाया गया है। यहां वर्णित सेटअप और प्रोटोकॉल को व्यक्तिगत नैनोकणों पर विभिन्न विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।

Introduction

इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री चार्ज ट्रांसफर, चार्ज स्टोरेज, मास ट्रांसपोर्ट आदि का अध्ययन करने के लिए एक महत्वपूर्ण माप विज्ञान है, जिसमें जीव विज्ञान, रसायन विज्ञान, भौतिकी और इंजीनियरिंग 1,2,3,4,5,6,7 सहित विभिन्न विषयों में अनुप्रयोग हैं।. परंपरागत रूप से, इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में एक पहनावा पर माप शामिल होता है - अणुओं, क्रिस्टलीय डोमेन, नैनोकणों और सतह साइटों जैसे एकल संस्थाओं का एक बड़ा संग्रह। हालांकि, यह समझना कि इस तरह की एकल संस्थाएं जटिल विद्युत रासायनिक वातावरण में इलेक्ट्रोड सतहों की विविधता के कारण रसायन विज्ञान और संबंधित क्षेत्रों में नई मौलिक और यांत्रिक समझ लाने के लिए महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए, पहनावा कमी ने साइट-विशिष्ट कमी / ऑक्सीकरण क्षमता 10, मध्यवर्ती और मामूली उत्प्रेरक उत्पादों के गठन11, साइट-विशिष्ट प्रतिक्रिया कैनेटीक्स 12,13, और चार्ज वाहक गतिशीलता 14,15 का खुलासा किया है। मॉडल सिस्टम से परे जैविक कोशिकाओं, इलेक्ट्रोकैटेलिसिस और बैटरी जैसे मॉडल सिस्टम से परे हमारी समझ में सुधार करने में पहनावा औसत को कम करना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जिसमें व्यापक विषमता अक्सर 16,17,18,19,20,21,22 पाई जाती है।

पिछले एक दशक में, एकल-इकाई इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री 1,2,9,10,11,12 का अध्ययन करने के लिए तकनीकों का उद्भव हुआ है। इन विद्युत रासायनिक मापों ने कई प्रणालियों में छोटे विद्युत और आयनिक धाराओं को मापने की क्षमता प्रदान की है और नई मौलिक रासायनिक और भौतिक विशेषताओं 23,24,25,26,27,28 का खुलासा किया है। हालांकि, इलेक्ट्रोकेमिकल माप इलेक्ट्रोड सतह29,30,31,32 पर अणुओं या मध्यवर्ती की पहचान या संरचना के बारे में जानकारी प्रदान नहीं करते हैं। इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस पर रासायनिक जानकारी विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए केंद्रीय है। इंटरफेशियल रासायनिक ज्ञान आमतौर पर स्पेक्ट्रोस्कोपी31,32 के साथ इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को जोड़कर प्राप्त किया जाता है। कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी, जैसे रमन प्रकीर्णन, विद्युत रासायनिक प्रणालियों में चार्ज ट्रांसफर और संबंधित घटनाओं पर पूरक रासायनिक जानकारी प्रदान करने के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है जो मुख्य रूप से उपयोग करते हैं, लेकिन जलीय सॉल्वैंट्स30 तक सीमित नहीं हैं। माइक्रोस्कोपी के साथ युग्मित, रमन प्रकीर्णन स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रकाश33,34 की विवर्तन सीमा तक स्थानिक संकल्प प्रदान करता है। विवर्तन एक सीमा प्रस्तुत करता है, हालांकि, क्योंकि नैनोकणों और सक्रिय सतह साइटें ऑप्टिकल विवर्तन सीमाओं की तुलना में लंबाई में छोटी होती हैं, जो इस प्रकार,व्यक्तिगत संस्थाओं के अध्ययन को रोकती हैं।

सतह-संवर्धित रमन प्रकीर्णन (एसईआरएस) को विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं 20,30,36,37,38 में इंटरफेशियल रसायन विज्ञान का अध्ययन करने में एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में प्रदर्शित किया गया है। अभिकारक अणुओं, विलायक अणुओं, एडिटिव्स और इलेक्ट्रोड की सतह रसायनज्ञों के कंपन मोड प्रदान करने के अलावा, एसईआरएस एक संकेत प्रदान करता है जो सामूहिक सतह इलेक्ट्रॉन दोलनों का समर्थन करने वाली सामग्रियों की सतह पर स्थानीयकृत होता है, जिसे स्थानीयकृत सतह प्लास्मोन अनुनाद के रूप में जाना जाता है। प्लास्मोन अनुनाद की उत्तेजना धातु की सतह पर विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एकाग्रता की ओर ले जाती है, इस प्रकार सतह अधिशोष्य से प्रकाश के प्रवाह और रमन प्रकीर्णन दोनों में वृद्धि होती है। एजी और एयू जैसे नैनोस्ट्रक्चर्ड महान धातुओं का आमतौर पर प्लाज्मोनिक सामग्री का उपयोग किया जाता है क्योंकि वे दृश्य प्रकाश प्लास्मोन अनुनाद का समर्थन करते हैं, जो अत्यधिक संवेदनशील और कुशल चार्ज-युग्मित उपकरणों के साथ उत्सर्जन का पता लगाने के लिए वांछनीय हैं। यद्यपि एसईआरएस में सबसे बड़ी वृद्धि नैनोकणों39,40 के समुच्चय से आती है, एक नया एसईआरएस सब्सट्रेट विकसित किया गया है जो व्यक्तिगत नैनोकणों से एसईआरएस माप की अनुमति देता है: गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट (चित्रा 1)41,42। गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट्स में, एक धातु दर्पण को एक विश्लेषण के साथ गढ़ा और लेपित किया जाता है। इसके बाद, नैनोकणों को सब्सट्रेट पर फैलाया जाता है। जब गोलाकार ध्रुवीकृत लेजर प्रकाश के साथ विकिरणित किया जाता है, तो नैनोपार्टिकल और सब्सट्रेट के युग्मन द्वारा गठित एक द्विध्रुवीय प्लास्मोन अनुनाद उत्तेजित होता है, जो एकल नैनोकणों पर एसईआरएस माप को सक्षम बनाता है। एसईआरएस उत्सर्जन को द्विध्रुवीय प्लास्मोन अनुनाद43,44,45 के साथ जोड़ा जाता है, जो ऑप्टिकल अक्ष के साथ उन्मुख है। विकिरण विद्युत द्विध्रुवीय और संग्रह प्रकाशिकी के समानांतर संरेखण के साथ, केवल उच्च-कोण उत्सर्जन एकत्र किया जाता है, इस प्रकार अलग-अलग डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न46,47,48,49 का निर्माण होता है और एकल नैनोकणों की पहचान की अनुमति मिलती है। सब्सट्रेट पर नैनोकणों के समुच्चय में विकिरण द्विध्रुवीय होते हैं जो ऑप्टिकल अक्ष50 के समानांतर नहीं होते हैं। इस बाद के मामले में, निम्न-कोण और उच्च-कोण उत्सर्जन एकत्र किए जाते हैं और ठोस उत्सर्जन पैटर्न46 बनाते हैं।

यहां, हम गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट्स को बनाने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं और एसईआरएस का उपयोग करके एकल एजी नैनोकणों पर इलेक्ट्रोकेमिकल रेडॉक्स घटनाओं की निगरानी के लिए उन्हें काम करने वाले इलेक्ट्रोड के रूप में नियोजित करने की प्रक्रिया का वर्णन करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट्स का उपयोग करने वाला प्रोटोकॉल एसईआरएस इमेजिंग द्वारा एकल नैनोकणों की स्पष्ट पहचान के लिए अनुमति देता है, जो एकल नैनोपार्टिकल इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में वर्तमान पद्धतियों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती है। एक मॉडल प्रणाली के रूप में, हम स्कैनिंग या स्टेप पोटेंशिअल (यानी, चक्रीय वोल्टामेट्री, क्रोनोएम्पेरोमेट्री) द्वारा संचालित एकल एजी नैनोपार्टिकल पर नील ब्लू ए (एनबी) के इलेक्ट्रोकेमिकल कमी और ऑक्सीकरण का रीडआउट प्रदान करने के लिए एसईआरएस के उपयोग का प्रदर्शन करते हैं। एनबी एक बहु-प्रोटॉन, बहु-इलेक्ट्रॉन कमी / ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से गुजरता है जिसमें इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना को उत्तेजना स्रोत के साथ अनुनाद से बाहर / में संशोधित किया जाता है, जो संबंधित एसईआरएस स्पेक्ट्रा10,51,52 में एक विरोधाभास प्रदान करता है। यहां वर्णित प्रोटोकॉल गैर-अनुनाद रेडॉक्स-सक्रिय अणुओं और विद्युत रासायनिक तकनीकों पर भी लागू होता है, जो इलेक्ट्रोकैटलिसिस जैसे अनुप्रयोगों के लिए प्रासंगिक हो सकता है।

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Protocol

1. गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट तैयारी

  1. एसीटोन और पानी धोने का उपयोग करके नंबर 1 कवरलिप्स ( सामग्री की तालिका देखें) को साफ करें, जैसा कि नीचे वर्णित है। यह सुनिश्चित करने के लिए एक क्लीनरूम में इस चरण का पालन करें कि कवरलिप्स पर कोई मलबा या अन्य अवांछित पदार्थ जमा नहीं है।
    1. कवरलिप्स को स्लाइड रैक में रखें। सब्सट्रेट्स को हिलाते समय चिमटी का उपयोग करें। स्लाइड रैक को ग्लास कंटेनर में रखें, और इसे एसीटोन से भरें।
      चेतावनी: एसीटोन अत्यधिक ज्वलनशील है और इसके संभावित नकारात्मक स्वास्थ्य प्रभाव हैं। दस्ताने, काले चश्मे और मास्क का उपयोग करके इसे अच्छी तरह से हवादार क्षेत्र में संभालें।
    2. अल्ट्रासोनिक जनरेटर के शक्ति नियंत्रण को 8 तक समायोजित करें, और ग्लास कंटेनर को स्लाइड रैक के साथ 15 मिनट के लिए सोनिक करें।
    3. कंटेनर से स्लाइड रैक निकालें, और स्लाइड रैक और कवरलिप्स को अल्ट्राप्योर (18.2 एमक्यू सेमी की प्रतिरोधकता) पानी से अच्छी तरह से धो लें।
    4. एक ग्लास कंटेनर में कवरलिप्स के साथ स्लाइड रैक रखें, और इसे अल्ट्राप्योर पानी से भरें। उसी सेटिंग्स का उपयोग करके ग्लास कंटेनर को स्लाइड रैक के साथ 15 मिनट के लिए सोनिकेट करें।
    5. कंटेनर से स्लाइड रैक निकालें, और स्लाइड रैक और कवरलिप्स को अल्ट्राप्योर पानी से अच्छी तरह से धो लें।
    6. एक स्प्रे गन का उपयोग करके, कवरलिप्स को उच्च शुद्धता एन2 गैस की धारा के साथ सुखाएं।
  2. साफ किए गए कवरलिप पर क्यू और एजी जमा करें। ऐसा करने के लिए, मानक प्रक्रियाओं का पालन करते हुए इलेक्ट्रॉन बीम पतली फिल्म जमाव प्रणाली का उपयोग करें, जैसा कि आधिकारिक उपयोगकर्ता मैनुअल में निर्माता द्वारा अनुशंसित है।
    नोट: किसी भी अन्य निक्षेपण के लिए, कृपया निर्माता द्वारा दिए गए निर्देशों का पालन करें, जैसा किसंस्थागत सुविधाओं में प्रदान किया गया है।
    1. प्लेटन की स्थिति को 180 ° पर सेट करें, और वैक्यूम कक्ष को बाहर निकालें।
    2. साफ कवरलिप्स को उपकरण के प्लेटन में साथ-साथ व्यवस्थित करें ताकि वे ओवरलैप न हों। प्लेटन में कवरलिप्स संलग्न करने के लिए गर्मी प्रतिरोधी चिपकने वाला टेप (पॉलीमाइड फिल्म) का उपयोग करें।
      नोट: यह सुनिश्चित करता है कि प्रक्रिया के दौरान कवरलिप्स हिलते या गिरते नहीं हैं।
    3. क्यू छर्रों के साथ आधे रास्ते में एक ग्रेफाइट क्रूसिबल भरें, और इसे क्रूसिबल धारक में डालें। दूसरे क्रूसिबल में एजी के लिए भी ऐसा ही करें। वैक्यूम कक्ष को बंद करें, और नीचे पंप करना शुरू करें; अनुशंसित जमाव दबाव 10−7 – 10-6 टॉर के क्रम में है।
    4. सेंसर के अनुप्रयोग में क्यू गुणों को लोड करें। 20 आरपीएम पर प्लेटन रोटेशन चालू करें। प्लेट की स्थिति को 225 ° पर सेट करें।
      नोट: यह दर्पण को प्लेटन के तल पर इस तरह से रखता है कि इलेक्ट्रॉन बीम को व्यू पोर्ट से देखा जा सकता है।
    5. ब्रेकर को इलेक्ट्रॉन बीम बिजली की आपूर्ति में चालू करें, और कम से कम 2 मिनट प्रतीक्षा करें। इलेक्ट्रॉन बीम चालू करें, और एक और 2 मिनट प्रतीक्षा करें। सब्सट्रेट शटर खोलें।
      नोट: यह दर्पण के माध्यम से बीम और क्रूसिबल को दृश्यमान बनाता है।
    6. धीरे-धीरे (लगभग 10 mA / min पर) उत्सर्जन प्रवाह को तब तक बढ़ाएं जब तक कि सेंसर 10 ° / s के करीब जमाव दर नहीं पढ़ता है। शटर बंद करें, और प्लेट की स्थिति को 0 ° पर सेट करें।
      नोट: इस प्रक्रिया के दौरान बीम आकार बदल सकता है। इस चरण के दौरान इसे नियमित रूप से जांचना और संबंधित नॉब्स का उपयोग करके इसकी स्थिति, आयाम और आवृत्ति को सही करना महत्वपूर्ण है। बीम को क्रूसिबल की सामग्री को समान रूप से गर्म करना चाहिए। इस बिंदु पर शटर को बंद करना यह सुनिश्चित करता है कि नमूनों पर कोई धातु जमा नहीं होती है क्योंकि प्लेटन वाष्पित धातु के मार्ग में कवरलिप्स को रखने के लिए घूमता है।
    7. जमाव शुरू करने के लिए शटर खोलें, और सेंसर द्वारा प्रदर्शित मोटाई की निगरानी करें। वांछित मोटाई (सीयू के लिए 1 एनएम) तक पहुंचने पर शटर बंद करें, जैसा कि जमाव सेंसर द्वारा निर्धारित किया गया है।
    8. धीरे-धीरे इलेक्ट्रॉन बीम की धारा को कम करें जब तक कि सेंसर 0 ए के करीब नहीं पढ़ता है लेकिन धारा इतनी अधिक है कि क्रूसिबल दिखाई देता है।
    9. प्लेटन की स्थिति को 225 ° पर सेट करें, और क्रूसिबल को देखने में सक्षम होने के लिए शटर खोलें।
    10. नॉब का उपयोग करके क्रूसिबल होल्डर को घुमाएं ताकि बीम को एजी छर्रों के साथ क्रूसिबल की ओर निर्देशित किया जा सके।
    11. एजी गुणों को सेंसर के अनुप्रयोग में लोड करें। चरण 1.2.6 - 1.2.7 दोहराएं, लेकिन एजी के लिए 20 ° / s की जमाव दर और 25 एनएम की मोटाई का उपयोग करें।
    12. धीरे-धीरे धारा को 0 ए तक कम करें, और इलेक्ट्रॉन बीम और ब्रेकर को बंद कर दें। प्लेटन की स्थिति को 180 ° पर सेट करें, और वैक्यूम कक्ष को बाहर निकालें। वैक्यूम कक्ष खोलें।
    13. कवरलिप्स पहले की तरह एक ही स्थान पर होना चाहिए, विदेशी पदार्थ या धूल के कणों से मुक्त, और दर्पण की उपस्थिति के साथ। धीरे-धीरे और सावधानी से गर्मी प्रतिरोधी चिपकने वाला टेप हटा दें।
      नोट: टेप को वापस खींचें, प्लेटन की सतह के समानांतर; कवरलिप्स के टूटने का खतरा रहता है। फिल्म सजातीय और आंशिक रूप से पारदर्शी होनी चाहिए ( चित्रा 2 ए देखें)।
  3. एजी पतली फिल्म को नील ब्लू समाधान के साथ इनक्यूबेट करें, जैसा कि नीचे वर्णित है।
    1. एजी पतली फिल्म की सतह पर 50 μM NB समाधान के 500 μL जोड़ें।
    2. 15 मिनट के बाद, किसी भी कमजोर अधिशोषित एनबी अणुओं को हटाने के लिए एजी पतली फिल्म को अल्ट्राप्योर पानी से अच्छी तरह से धो लें। एन2 गैस के साथ एजी पतली फिल्म को सुखाएं।
    3. एनबी-इनक्यूबेटेड एजी पतली फिल्म पर ड्रॉप-कास्ट एजी नैनोपार्टिकल्स। एजी पतली फिल्म के उसी क्षेत्र पर एजी नैनोपार्टिकल कोलाइड के 100 x कमजोर पड़ने के 500 μL जोड़ें जहां एनबी समाधान को ड्रॉप-कास्ट और इनक्यूबेट किया गया था।
      सावधानी: धातु नैनोकणों मानव शरीर के लिए विषाक्त हैं। दस्ताने और चश्मे का उपयोग करके उन्हें अच्छी तरह से हवादार क्षेत्र में संभालें।
    4. 20 मिनट के बाद, अल्ट्राप्योर पानी के साथ (गैप-मोड एसईआरएस) सब्सट्रेट को धो लें। सब्सट्रेट को एन2 गैस के साथ सुखाएं।

2. गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट लक्षण वर्णन।

  1. पराबैंगनी-दृश्य स्पेक्ट्रोस्कोपी
    1. पावर बटन दबाकर उपकरण चालू करें। डेस्कटॉप पर इसके शॉर्टकट पर डबल-क्लिक करके स्कैन सॉफ़्टवेयर लॉन्च करें।
    2. सेटअप विंडो खोलने के लिए सेटअप पर क्लिक करें। Y मोड के अंतर्गत, मोड ड्रॉप-डाउन मेनू पर क्लिक करें, और संप्रेषण को मापने के लिए %T का चयन करें. एक्स मोड के तहत, 800 एनएम से 200 एनएम तक स्कैन करने के लिए स्टार्ट को 800 और स्टॉप को 200 में बदलें।
    3. बेसलाइन टैब में, बेसलाइन सुधार रेडियो बटन का चयन करें, और सेटअप विंडो बंद करें। वायुमंडलीय हवा के साथ पृष्ठभूमि सुधार करने के लिए बेसलाइन पर क्लिक करें।
    4. नमूना डिब्बे खोलें। एजी फिल्म के एक छोर को नमूना धारक पर टेप करें, बीम के पथ के लंबवत।
    5. नमूने से एक संप्रेषण स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए प्रारंभ पर क्लिक करें।
  2. परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) माप
    1. एएफएम को कंप्यूटर से कनेक्ट करें (यूएसबी पोर्ट का उपयोग करके), एएफएम उपकरण पर बिजली दें, और नैनोसर्फ ईज़ीस्कैन 2 लॉन्च करें।
    2. नमूना चरण से धीरे से एएफएम सिर (जिसमें एएफएम कैंटिलीवर नीचे की ओर है) को हटा दें, और इसे उल्टा रखें।
    3. टेप का उपयोग करके नमूना चरण पर एक एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट ठीक करें। एएफएम सिर को नमूना चरण के ऊपर रखें। सुनिश्चित करें कि एएफएम हेड नमूना चरण के समानांतर है (स्तर संकेतक के साथ मॉनिटर)। यदि एएफएम हेड और नमूना चरण स्तर नहीं हैं, तो चरण को समायोजित करने और स्तर संकेतक के अंदर लेवलिंग बबल को केंद्र में रखने के लिए लेवलिंग स्क्रू का उपयोग करें।
    4. सॉफ्टवेयर में साइड और टॉप व्यू का उपयोग करके, संपर्क किए बिना धीरे-धीरे नमूना चरण को एएफएम हेड (एएफएम कैंटिलीवर) के करीब ले जाएं। सुनिश्चित करें कि नमूना चरण एएफएम सिर पर एएफएम कैंटिलीवर को छू नहीं रहा है।
    5. अधिग्रहण टैब के तहत, इमेजिंग मोड के रूप में चरण कंट्रास्ट और कैंटिलीवर प्रकार के रूप में पीपीपी-एक्सवाईएनसीएचआर चुनें। यह सुनिश्चित करने के लिए लेजर संरेखित पर क्लिक करें कि लेजर कैंटिलीवर टिप पर केंद्रित है और टिप से परावर्तित बीम फोटोडायोड डिटेक्टर के केंद्र पर हमला कर रहा है।
    6. फ्रीक्वेंसी स्वीप बटन पर क्लिक करके एएफएम सॉफ्टवेयर के साथ कैंटिलीवर की अनुनाद कंपन आवृत्ति को मापें, और सुनिश्चित करें कि आवृत्ति वक्र में घंटी का आकार है। एप्रोच पर क्लिक करके, कैंटिलीवर टिप को एजी थिन फिल्म की सतह पर लैंड करें।
    7. इमेजिंग विज़ार्ड में, 10.8 μm x 10.8 μm का इमेजिंग आकार और 0.5 s/line की स्कैन गति चुनें. जेड-नियंत्रक के तहत, 50% के सेटपॉइंट , 2,500 के पी-गेन और 2,500 के आई-गेन का उपयोग करें। मोड गुण के अंतर्गत, 300 mV के एक मुक्त कंपन आयाम का उपयोग करें।
    8. छवि प्राप्त करने के लिए प्रारंभ पर क्लिक करें. उस पर राइट-क्लिक करके छवि को सहेजें, कॉपी करें का चयन करें, और इसे छवि प्रोसेसर में पेस्ट करें।
    9. एएफएम सॉफ्टवेयर पर, उस पर क्लिक करके संसाधित की जाने वाली छवि चुनें। विश्लेषण टैब के तहत, क्रमशः लाइन खुरदरापन और गणना क्षेत्र की गणना पर क्लिक करके एक क्षेत्र और रेखा खुरदरापन विश्लेषण करें।
    10. निकासी पर क्लिक करके एजी पतली फिल्म की सतह से कैंटिलीवर टिप वापस लें। साइड और शीर्ष दृश्यों का उपयोग करके आंदोलन की निगरानी करके नमूना चरण को टिप से दूर ले जाएं। नमूना निकालें।
  3. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) माप54
    1. प्राप्त एजी नैनोपार्टिकल कोलाइड के 30 μL को एसआई वेफर पर गिराएं, और इसे पूरी तरह से हवा में सूखने दें। डबल-पक्षीय प्रवाहकीय टेप का उपयोग करके एक नमूना स्टब पर सी वेफर को ठीक करें।
    2. उपकरण के उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस का उपयोग करके एसईएम कक्ष को वेंट करें। एसईएम कक्ष को स्लाइड करें, और मंच में छेदों में से एक पर स्टब माउंट करें।
    3. एसईएम कक्ष को बंद करें, और उपकरण के उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस का उपयोग करके एसईएम कक्ष को पंप करें।
    4. इलेक्ट्रॉन बीम बंदूक से नमूने को लगभग 10 मिमी दूर रखें। उपकरण के उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन बीम चालू करें।
    5. 6 के स्पॉट आकार, 25 पीए के बीम करंट और 5 केवी के उच्च वोल्टेज के साथ एवरहार्ट-थॉर्नले डिटेक्टर का उपयोग करके नमूने की छवि बनाएं।
    6. इलेक्ट्रॉन बीम को स्वचालित रूप से संरेखित करने के लिए इलेक्ट्रॉन गन के लिए रुचि के क्षेत्र पर डबल-क्लिक करें। उपकरण के उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस (चित्रा 3 ए) का उपयोग करके 3,500x के आवर्धन पर इमेजिंग करें।
    7. इमेजिंग पूरी होने के बाद, इलेक्ट्रॉन बीम को बंद कर दें, और नमूने को कम से कम 20 मिमी इलेक्ट्रॉन बीम गन से दूर ले जाएं।
    8. एसईएम कक्ष को बंद करें। स्लाइड एसईएम कक्ष खोलें, और मंच से नमूना स्टब को हटा दें। एसईएम कक्ष को बंद करें, और उपकरण के उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस का उपयोग करके इसे पंप करें।

3. इलेक्ट्रोकेमिकल सेल की तैयारी

  1. ग्लास ट्यूब कटर के साथ एक ग्लास ट्यूब काटकर 5 सेमी लंबा ग्लास वेल प्राप्त करें, जैसा कि नीचे वर्णित है।
    1. ट्यूब के चारों ओर ग्लास ट्यूब कटर की जंजीरों को लपेटें। श्रृंखला के अंतिम खंड को उपकरण के दूसरी ओर संलग्न करें।
    2. एक हाथ का उपयोग करके, हैंडल से उपकरण पकड़ें। दूसरे हाथ से, ग्लास ट्यूब पकड़ो। ग्लास ट्यूब को लगातार घुमाएं ताकि चेन में लगे पहिए कांच को काटना शुरू कर दें।
    3. हैंडल पर धीरे-धीरे अधिक बल लगाकर उपकरण को धीरे से निचोड़ें। जब ध्वनि स्लाइडिंग से खरोंच में बदल जाती है, तो यह तब होता है जब कांच का टुकड़ा (कुआं) ग्लास ट्यूब से अलग होने वाला होता है।
    4. कांच के टूटे हुए छोर को 120-ग्रिट (या मोटे) सैंडपेपर के साथ अच्छी तरह से चिकना करें। 220-ग्रिट (या महीन) सैंडपेपर के साथ पोलिश।
  2. डायमंड स्क्राइब के साथ गैप-मोड सब्सट्रेट में कटौती करें, जैसा कि नीचे वर्णित है।
    1. गैप-मोड सब्सट्रेट को एक सपाट सतह पर रखें। सब्सट्रेट की सतह पर हल्का दबाव डालते हुए डायमंड स्क्राइब को गैप-मोड सब्सट्रेट के बीच में ऊपर और नीचे ले जाएं।
    2. एक खरोंच दिखाई देने के बाद सब्सट्रेट को मैन्युअल रूप से दो टुकड़ों में तोड़ दें।
  3. कटे हुए ग्लास को सब्सट्रेट की सतह पर अच्छी तरह से (चरण 3.1 से) संलग्न करें, जैसा कि नीचे वर्णित है।
    1. एल्यूमीनियम पन्नी की एक छोटी शीट पर दो-भाग एपॉक्सी राल वितरित करें। एक स्टिर स्टिक या पिपेट टिप का उपयोग करके उत्पाद को मिलाएं।
    2. मिश्रण को ग्लास के निचले रिम पर अच्छी तरह से लागू करें। सेल के आंतरिक भाग में राल के प्रसार को कम करने के लिए कटे हुए ग्लास के रिम को अच्छी तरह से कवर करने के लिए न्यूनतम संभव मिश्रण लागू करें।
    3. ग्लास को गैप-मोड सब्सट्रेट की सतह पर अच्छी तरह से गोंद दें। कांच के अंदर डाले गए घोल के रिसाव की संभावना को खत्म करने के लिए, कुएं के बाहर शेष मिश्रित उत्पाद लागू करें, जहां यह सब्सट्रेट से मिलता है ( चित्रा 4 ए देखें)।
    4. एपॉक्सी को 5 मिनट के लिए बिना हिलाए ठीक होने दें।
  4. नीचे वर्णित के रूप में गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट के लिए विद्युत कनेक्शन संलग्न करें।
    1. 5 सेमी लंबा तांबे का तार प्राप्त करें। एल्यूमीनियम पन्नी की एक छोटी शीट पर दो-भाग प्रवाहकीय एपॉक्सी राल वितरित करें। तांबे के तार का उपयोग करके उत्पाद घटकों को मिलाएं।
    2. तार को सब्सट्रेट की सतह पर संलग्न करें (कुएं के बाहर, लेकिन प्रवाहकीय एजी पतली फिल्म से जुड़ा हुआ; चित्रा 4 ए देखें)। प्रवाहकीय एपॉक्सी को अनुशंसित समय के लिए अबाधित रूप से ठीक होने दें।
      नोट: एजी फिल्म सब्सट्रेट के थर्मल एनीलिंग को कम करने के लिए कमरे के तापमान पर प्रवाहकीय एपॉक्सी को ठीक करने की सिफारिश की जाती है।

4. थोक चक्रीय वोल्टामेट्री माप

  1. 20 एमएल बीकर में 0.5 एमएम एनबी और 0.1 एम फॉस्फेट बफर (पीएच = 5) के 10 एमएल जोड़ें। इलेक्ट्रोलाइट समाधान में एक यांत्रिक रूप से पॉलिश किए गए एजी डिस्क इलेक्ट्रोड, एक पीटी तार और एक एजी / एजीसीएल (3 एम केसीएल) इलेक्ट्रोड डालें।
  2. प्रत्येक इलेक्ट्रोड को अपने संबंधित पोटेंशियोस्टेट क्लिप (पोटेंशियोस्टेट के निर्माता द्वारा निर्धारित) में संलग्न करें। सुनिश्चित करें कि इलेक्ट्रोड एक दूसरे के संपर्क में नहीं हैं।
  3. 50 mV/s की स्कैन दर के साथ 0 से -0.6 V तक चक्रीय वोल्टामेट्री (CV) करें।

5. एकल-नैनोपार्टिकल इलेक्ट्रोकेमिकल एसईआरएस माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी माप

  1. गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट का उपयोग करके तैयार किए गए इलेक्ट्रोकेमिकल सेल को उल्टे ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के चरण पर रखें।
  2. माइक्रोस्कोप चरण पर सब्सट्रेट के किनारों को टेप करें ताकि सेल को पोटेंशियोस्टैट से जोड़ने वाले तारों के तनाव के कारण स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल माप के दौरान यह स्थानांतरित न हो ( चित्रा 4 बी देखें)।
  3. एजीसीएल (3 एम केसीएल) संदर्भ इलेक्ट्रोड को घर-निर्मित स्टैंड में रखें, और इलेक्ट्रोड होल्डर स्टैंड पर पेंच को कसकर इसकी स्थिति ठीक करें।
  4. संदर्भ इलेक्ट्रोड को पोटेंशियोस्टेट के संदर्भ इलेक्ट्रोड मगरमच्छ क्लिप (सफेद रंग) पर क्लिप करें। पीटी वायर काउंटर इलेक्ट्रोड को पोटेंशियोस्टेट के काउंटर इलेक्ट्रोड एलीगेटर क्लिप (लाल रंग) पर क्लिप करें। एजी फिल्म से जुड़े क्यू तार को पोटेंशियोस्टेट के काम करने वाले इलेक्ट्रोड एलीगेटर क्लिप (हरे रंग) में क्लिप करें।
  5. इलेक्ट्रोड होल्डर में मगरमच्छ क्लिप के साथ पीटी तार डालें, और इसकी स्थिति को ठीक करने के लिए पेंच को कस दें।
  6. इलेक्ट्रोड को सेल में डालने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के ऊपर इलेक्ट्रोड होल्डर रखें। सावधान रहें कि इलेक्ट्रोड को एजी फिल्म को छूने न दें; इससे न सिर्फ शॉर्ट सर्किट बनेगा, बल्कि इससे फिल्म को नुकसान भी होगा।
  7. स्पेक्ट्रोमीटर और ईएमसीसीडी कैमरा चालू करें, और "लाइटफील्ड" सॉफ्टवेयर लॉन्च करें।
  8. 642 एनएम लेजर चालू करें, और लेजर को 500 μW की शक्ति में समायोजित करें।
    सावधानी: लेजर प्रकाश के संपर्क में आने से आंखों और त्वचा को स्थायी नुकसान हो सकता है। अपने देश / क्षेत्र में संबंधित आधिकारिक नियामक निकाय के सुरक्षा दिशानिर्देशों से परामर्श करें और उनका पालन करें।
  9. उद्देश्य पर विसर्जन तेल की एक बूंद जोड़ें। जब तक तेल सब्सट्रेट के नीचे से संपर्क नहीं करता तब तक उद्देश्य को ध्यान से बढ़ाने के लिए फोकस नॉब को स्थानांतरित करें।
    नोट: चूंकि सेल को नीचे टैप किया जाता है, इसलिए सब्सट्रेट के खिलाफ उद्देश्य को मजबूर करने से सेल टूट सकता है और / या उद्देश्य को नुकसान पहुंच सकता है।
  10. गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट की सतह पर लेजर पर ध्यान केंद्रित करें। माइक्रोस्कोप चरण को स्थानांतरित करके एक पृथक डोनट के आकार के एनबी एसईआरएस उत्सर्जन पैटर्न की खोज करने के लिए गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट (ग्लास वेल द्वारा कवर किया गया) को स्कैन करें ( चित्रा 5 ए देखें)।
    नोट: एनबी की सांद्रता जितनी कम होगी, डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न को ढूंढना उतना ही कठिन हो जाएगा, लेकिन अंतिम डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न को अलग करने की संभावना उतनी ही अधिक होगी। कॉफी के छल्ले शुरू करने के लिए एक अच्छी जगह हैं, और फिर गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर एनबी और एजी नैनोपार्टिकल इनक्यूबेशन क्षेत्र के संबंध में अंदर की ओर बढ़ सकते हैं। कैमरे (अगला चरण देखें) इस प्रक्रिया में सहायक होते हैं क्योंकि वे गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट के आसपास स्कैन करते समय मानव आंख की तुलना में प्रकाश के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं।
  11. माइक्रोस्कोप फोन एडाप्टर के लिए एक फोन संलग्न करें। एडाप्टर के लेंस के साथ फोन के कैमरे को संरेखित करने के लिए, फोन पर कैमरा एप्लिकेशन चालू करें, और लेंस के माध्यम से देखने के लिए डिवाइस की स्थिति बदलें।
  12. माइक्रोस्कोप के आईपीस में से एक को हटा दें, और इसके स्थान पर एडाप्टर डालें। कैमरा एप्लिकेशन पर, मोड को वीडियो में बदलें, और जितना संभव हो उतना ज़ूम करें। डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न को स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है।
  13. एक बार डोनट के आकार का उत्सर्जन पैटर्न स्पष्ट रूप से स्थित हो जाने के बाद, उत्सर्जित प्रकाश को स्पेक्ट्रोमीटर को निर्देशित करने के लिए माइक्रोस्कोप के लाइट डायवर्टर लीवर को स्थानांतरित करें।
  14. LightField के प्रयोग टैब में, सामान्य अधिग्रहण सेटिंग्स पर क्लिक करें, और एक्सपोज़र समय को 0.1 s तक समायोजित करें और फ़्रेम्स को 50 तक सहेजें । निर्यात डेटा के अंतर्गत, अधिग्रहित डेटा निर्यात करें का चयन करें, और फ़ाइल प्रकार को CSV (.csv) में परिवर्तित करें.
  15. रुचि के क्षेत्र के अंतर्गत, रुचि के कस्टम क्षेत्र रेडियो बटन का चयन करें. आरओआई संपादित करें पर क्लिक करें, और, नई विंडो में, एक्स, वाई, डब्ल्यू और एच मानों को बदलकर डोनट के आकार के उत्सर्जन के चारों ओर 25 पिक्सेल x 25 पिक्सेल आरओआई बनाएं।
  16. स्पेक्ट्रोमीटर के तहत, 600 ग्राम / मिमी, 750 एनएम ब्लेज ग्रेटिंग का चयन करें। केंद्र तरंग दैर्ध्य को 642 एनएम तक बदलें। माप शुरू करने के लिए अधिग्रहण पर क्लिक करें।
  17. अधिग्रहण समाप्त होने के बाद, डेटा टैब पर जाएँ। अंतिम प्रदर्शन किए गए प्रयोग को खोलें, और प्रक्रियाओं और फिर फ़्रेम संयोजन पर क्लिक करें।
  18. संयुक्त स्पेक्ट्रम में, लेजर तरंग दैर्ध्य पर ध्यान दें जिस पर उच्चतम तीव्रता देखी जाती है।
  19. प्रयोग पर वापस जाएं, और स्पेक्ट्रोमीटर के तहत, एनएम पर क्लिक करें। पॉपअप विंडो में, माप मोड को सापेक्ष तरंग संख्याओं में बदलें, और बॉक्स में मापा लेजर तरंग दैर्ध्य दर्ज करें। स्टोक्स-स्थानांतरित रमन प्रकीर्णन का पता लगाने के लिए झंझरी स्थिति को 1,000/सेमी में बदलें ताकि स्टोक्स-स्थानांतरित रमन प्रकीर्णन को लगभग 400/सेमी से 1,600/सेमी तक समझा जा सके।
  20. 0.1 एस एक्सपोज़र समय का उपयोग करके एनबी एसईआरएस स्पेक्ट्रा के कम से कम 50 फ्रेम एकत्र और योग करें ( चित्रा 5 सी देखें)। एनबी से उत्सर्जन की पुष्टि करने के लिए 592 /सेमी पर एक मजबूत शिखर की तलाश करें ( चित्र 5 सी)52 देखें। पृष्ठभूमि संकेत की भरपाई के लिए डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न (बिना उत्सर्जन वाला क्षेत्र) से सटे क्षेत्र का एसईआरएस स्पेक्ट्रम लें।
  21. डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न पर केंद्रित लेजर प्रकाश को ध्यान में रखते हुए, 5 एमएल समायोज्य पिपेट का उपयोग करके इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में 0.1 एम फॉस्फेट बफर समाधान (पीएच = 5) के 3 एमएल जोड़ें।
    नोट: एक बार इलेक्ट्रोलाइट समाधान जोड़ने के बाद, डोनट के आकार का उत्सर्जन पैटर्न गायब हो सकता है, और एक ठोस उत्सर्जन पैटर्न दिखाई दे सकता है, क्योंकि ऑप्टिकल अक्ष से एकल नैनोपार्टिकल के द्विध्रुवीय मोड इलेक्ट्रोलाइट और विलायक अणुओं के एसईआरएस स्पेक्ट्रा को विकिरण करते हैं।
  22. यदि आवश्यक हो, तो फिर से ध्यान केंद्रित करें, और सुनिश्चित करें कि लेजर प्रकाश अभी भी उत्सर्जन पैटर्न पर केंद्रित है।
  23. पोटेंशियोस्टेट के सॉफ्टवेयर में, 0 से -0.6 वी बनाम एजी / एजीसीएल (3 एम केसीएल) और 50 एमवी / एस की स्कैन दर से कम से कम तीन चक्रों के साथ एक चक्रीय वोल्टामोग्राम प्रयोग तैयार करें। वर्णक्रमीय और विद्युत रासायनिक डेटा संग्रह को सिंक्रनाइज़ करने के लिए, स्पेक्ट्रोमीटर के वर्णक्रमीय अधिग्रहण द्वारा ट्रिगर किए जाने वाले पोटेंशियोस्टैट को कॉन्फ़िगर करें।
  24. एक साथ CV और SERS प्रयोग चलाएँ। एनबी एसईआरएस स्पेक्ट्रा को गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर लागू क्षमता द्वारा संशोधित किया जाना चाहिए ( चित्रा 6 बी देखें)।
  25. लाइट डायवर्टर लीवर को स्थानांतरित करें ताकि प्रकाश को फोन कैमरे पर निर्देशित किया जाए। वीडियो रिकॉर्ड करना प्रारंभ करें, और वर्णित के रूप में CV प्रयोग चलाएँ. एसईआरएस छवि तीव्रता को गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर लागू क्षमता के अनुसार संशोधित किया जाना चाहिए ( चित्रा 6 ए में इनसेट देखें)।

6. इमेजिंग विश्लेषण

  1. नीचे वर्णित के रूप में तीखेपन और कंट्रास्ट को बढ़ाने के लिए एकत्र की गई छवियों को संसाधित करें।
    नोट: छवि प्रसंस्करण पायथन में ओपनसीवी लाइब्रेरी के साथ किया गया था, और स्क्रिप्ट GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers) पर उपलब्ध है।
    1. अधिकांश रिक्त स्थान को हटाने के लिए छवि को क्रॉप करें, और इसे उत्सर्जन पैटर्न के आसपास केंद्रित करें।
    2. फ्रेम के हरे और नीले चैनल ों को हटा दें। फ्रेम के गॉसियन-धुंधले मुखौटे को घटाकर तीखेपन को बढ़ाएं।
    3. रेज-टू-पावर ऑपरेटर के साथ गतिशील रेंज विस्तार द्वारा कंट्रास्ट बढ़ाएं।
  2. इमेजजे का उपयोग करके छवियों पर स्केल बार जोड़ें, जैसा कि नीचे वर्णित है।
    1. फ़ोन कैमरा एडाप्टर का उपयोग करके, ज्ञात आयामों के साथ किसी ऑब्जेक्ट की छवि बनाएँ, जैसे माइक्रोस्कोप अंशांकन स्लाइड.
    2. ImageJ का उपयोग करके, एकत्रित छवि लोड करें। ज्ञात आयामों के साथ चित्रित ऑब्जेक्ट के क्षेत्र पर एक खंड खींचें।
    3. सेट स्केल फ़ंक्शन का उपयोग करके खींचे गए सेगमेंट की लंबाई के आधार पर स्केल (यानी, पिक्सेल प्रति यूनिट दूरी) सेट करें। स्केल उपकरण का उपयोग करके स्केल जोड़ें।

7. नैनोपार्टिकल आकार विश्लेषण

  1. एसईएम छवि को इमेजजे में लोड करें। उपकरण-प्रदान किए गए स्केल बार पर एक सेगमेंट खींचें, और सेट स्केल फ़ंक्शन का उपयोग करके इसे सेट करें।
  2. छवि पर जाएं > टाइप > 16-बिट पर जाएं। छवि पर जाएं > ऑटो थ्रेशोल्ड > समायोजित करें। ड्रॉप-डाउन मेनू से, डिफ़ॉल्ट का चयन करें।
  3. आयत उपकरण का उपयोग करके, उन सुविधाओं का चयन करें और हटाएँ जो एकल नैनोकणों नहीं हैं।
  4. कणों का विश्लेषण करें उपकरण का उपयोग करें। एक गोलाकार आकार मानकर प्राप्त क्षेत्रों के साथ कणों के व्यास की गणना करें।

8. स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल डेटा विश्लेषण

  1. एकत्रित वर्णक्रमीय डेटा पर पृष्ठभूमि सुधार करें। MATLAB में डेटा प्रोसेसिंग और प्लॉटिंग करें; स्क्रिप्ट उसी GitHub रिपॉजिटरी पर उपलब्ध हैं जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है।
  2. तीन अलग-अलग पृष्ठभूमि प्रयोगों (एसईआरएस उत्सर्जन पैटर्न के साथ एकत्र किए गए वर्णक्रमीय डेटा) से वर्णक्रमीय डेटा का औसत निकालें। नमूने के स्पेक्ट्रम से औसत पृष्ठभूमि स्पेक्ट्रम घटाएं।
  3. प्रयोग के कुल समय (चक्रीय वोल्टामेट्री) के लिए 0 से एक समय सरणी बनाएं, जिसमें अंतराल एक्सपोज़र समय, ईएमसीसीडी रीडआउट समय और शटर खुले और बंद समय का योग है।
  4. लेजर तरंगदैर्ध्य का उपयोग करके तरंग दैर्ध्य माप को रमन शिफ्ट में परिवर्तित करें।
  5. MATLAB के जाल फ़ंक्शन का उपयोग करके एक झरना प्लॉट उत्पन्न करें, जहां X रमन शिफ्ट है, Y समय है, और Z तीव्रता है।

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Representative Results

चित्रा 2 ए एक इलेक्ट्रॉन बीम धातु जमाव प्रणाली का उपयोग करके तैयार एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट दिखाता है। चित्रा 2 ए में दिखाए गए "अच्छे" सब्सट्रेट में ग्लास कवरस्लिप पर एजी धातु का एक समरूप कवरेज है, जबकि "खराब" सब्सट्रेट में एजी का गैर-समान कवरेज है। "अच्छी" एजी पतली फिल्म के पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रम को चित्रा 2 बी में दिखाया गया है, जो दर्शाता है कि फिल्म विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के दृश्य मान भाग के लिए आंशिक रूप से पारदर्शी है। "अच्छा" एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट में 642 एनएम लेजर प्रकाश के लिए 34% की ऑप्टिकल पारदर्शिता है जिसका उपयोग वर्तमान प्रोटोकॉल में स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री प्रयोगों के लिए किया जाता है। चित्रा 2 सी "अच्छे" सब्सट्रेट के 10.8 μm x 10.8 μm क्षेत्र की एक प्रतिनिधि AFM छवि दिखाता है। प्रतिनिधि क्षेत्र का मूल औसत वर्ग खुरदरापन मान 0.7 एनएम है, जो इंगित करता है कि एजी पतली फिल्म परमाणु रूप से चिकनी है। एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट की ऊंचाई में भिन्नता को चित्रा 2 डी में दिखाए गए लाइन प्रोफाइल द्वारा दर्शाया गया है, जो फिल्म की एकरूपता और चिकनाई का प्रदर्शन करता है।

चित्रा 3 ए एजी नैनोकणों की एक प्रतिनिधि एसईएम छवि दिखाता है जो सी वेफर पर ड्रॉप-कास्ट और हवा में सूख जाता है। 243 नैनोकणों के विश्लेषण से, इस प्रोटोकॉल में उपयोग किए जाने वाले एजी नैनोकणों का औसत व्यास 79.2 एनएम ± 8.4 एनएम था। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एयू या एजी नैनोकणों के विभिन्न आकारोंका भी उपयोग किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, यह प्रोटोकॉल अत्यधिक मोनोस्प्रेट नैनोकणों का उपयोग करता है, लेकिन कोई फैलाव आवश्यकता नहीं है, क्योंकि यह प्रोटोकॉल एकल नैनोकणों के माप को सक्षम बनाता है। एक गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट बनाने के लिए, इस काम में, एजी नैनोकणों को एक एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट की सतह पर जमा किया गया था जिसे पहले एनबी (चित्रा 3 बी) के साथ इनक्यूबेट किया गया था।

एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल बनाने के लिए काम करने वाले इलेक्ट्रोड के रूप में एक गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट का उपयोग किया गया था, जैसा कि चित्रा 4 ए में दिखाया गया है। इलेक्ट्रोकेमिकल सेल को माइक्रोस्कोप चरण पर स्थिर किया गया था और एक पोटेंशियोस्टैट से जोड़ा गया था, जैसा कि चित्रा 4 बी में दिखाया गया है। एक उल्टे ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप पर लगाए गए इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के साथ, एक 642 एनएम लेजर को एपि-रोशनी ज्यामिति में काम करने वाले इलेक्ट्रोड के गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर केंद्रित किया गया था। हवा में एजी पतली फिल्म पर अलग-अलग एजी नैनोकणों को स्पष्ट रूप से डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न द्वारा पहचाना जा सकता है, जैसा कि चित्रा 5 ए में दिखाया गया है। इन डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न को अलग-अलग एजी नैनोकणोंकी पहचान करने के लिए एक हस्ताक्षर के रूप में मज़बूती से इस्तेमाल किया जा सकता है। यदि रोशनी की मात्रा में एक से अधिक नैनोपार्टिकल (डिमर, ट्रिमर या मल्टीमर) मौजूद हैं, तो एक ठोस उत्सर्जन पैटर्न देखा जाता है, जैसा कि चित्र 5 बी में दिखाया गया है। इलेक्ट्रोलाइट समाधान की शुरूआत पर, डोनट के आकार का उत्सर्जन पैटर्न आमतौर पर एक ठोस उत्सर्जन पैटर्न में परिवर्तित हो जाता है। इसका कारण यह है कि एकल नैनोपार्टिकल (ऑप्टिकल अक्ष के साथ संरेखित नहीं) के भीतर द्विध्रुवीय प्लास्मोन मोड सभी दिशाओं में विलायक और इलेक्ट्रोलाइट अणुओं से उत्सर्जन का विकिरण करते हैं। इसलिए, उत्सर्जन पैटर्न नैनोपार्टिकल-सब्सट्रेट गैप से उच्च-कोण एनबी एसईआरएस उत्सर्जन और इलेक्ट्रोलाइट और विलायक अणुओं से कम-कोण एसईआरएस उत्सर्जन का एक सुपरपोजिशन है। इलेक्ट्रोलाइटिक समाधान को हटाने से डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न ठीक हो जाते हैं। इस प्रोटोकॉल में, एसईआरएस इमेजिंग द्वारा एकल नैनोपार्टिकल की पहचान के बाद, एसईआरएस स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग रेडॉक्स जांच अणु की पहचान करने के लिए किया जाता है। चित्रा 5 सी में एसईआरएस स्पेक्ट्रम चित्रा 5 ए में दिखाए गए डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न से मेल खाता है। कंपन मोड एनबी अणुओं के लिए एक फिंगरप्रिंट का प्रतिनिधित्व करते हैं।

चित्रा 6 ए फॉस्फेट बफर (पीएच = 5) में एनबी के प्रतिनिधि चक्रीय वोल्टामोग्राम को प्रदर्शित करता है जो एजी डिस्क वर्किंग इलेक्ट्रोड और पीटी वायर काउंटर इलेक्ट्रोड का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। एकल नैनोकणों के स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री माप से पहले एक चक्रीय वोल्टामोग्राम प्राप्त किया जाता है ताकि जांच अणुओं के संयोजन रेडॉक्स व्यवहार को समझा जा सके - इस मामले में एनबी। इस काम में, जैसा कि लागू क्षमता को 0 से -0.6 वी तक बहा दिया गया था, एक कैथोडिक शिखर -0.27 वी बनाम एजी / एजीसीएल (3 एम केसीएल) पर देखा गया था। चूंकि क्षमता वापस 0 वी तक बह गई थी, इसलिए -0.21 वी पर एक एनोडिक शिखर देखा गया था। स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल माप के लिए एक ही लागू संभावित सीमा का उपयोग किया गया था, जैसा कि चित्रा 6 बी में दिखाया गया है। डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न का प्रदर्शन करने वाले एकल एजी नैनोपार्टिकल की पहचान के बाद, इलेक्ट्रोलाइट समाधान को इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में पाइप किया गया था। लेजर रोशनी के तहत, एसईआरएस स्पेक्ट्रा को लगातार एकत्र किया गया था क्योंकि लागू क्षमता को 50 एमवी / एस (चित्रा 6 बी) की स्कैन दर पर 0 से -0.6 वी के बीच बहा दिया गया था। एजी नैनोपार्टिकल और एजी फिल्म के बीच के अंतर में और उसके आसपास एनबी अणुओं को विद्युत रासायनिक रूप से कम (ऑफ स्टेट) किया गया था, और एसईआरएस तीव्रता कम हो गई, जैसा कि एसईआरएस स्पेक्ट्रा के वाटरफॉल प्लॉट में दिखाया गया है ( चित्रा 6 ए में एक इनसेट भी)। चूंकि लागू क्षमता -0.6 से 0 वी तक बह गई थी, एसईआरएस तीव्रता बढ़ गई, क्योंकि एनबी अणुओं को विद्युत रासायनिक रूप से ऑक्सीकरण (राज्य पर) किया गया था। एसईआरएस संकेतों में मॉड्यूलेशन एक एकल नैनोपार्टिकल पर एनबी की कमी और ऑक्सीकरण क्षमता निर्धारित करने के लिए एक विधि का प्रतिनिधित्व करता है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को और अधिक चिह्नित करने के लिए वोल्टामेट्री के लिए अन्य विद्युत रासायनिक तकनीकों को प्रतिस्थापित किया जा सकता है। चित्रा 7 ए एनबी से एसईआरएस प्रतिक्रिया को दर्शाता है जब काम करने वाले इलेक्ट्रोड की क्षमता -0.4 वी (यानी, क्रोनोम्पेरोमेट्री) तक पहुंच गई थी। जब इलेक्ट्रोड क्षमता को -0.4 वी तक बढ़ाया गया था, तो एनबी की कमी के कारण एसईआरएस सिग्नल का क्षय हो गया। यह स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल तकनीक एकल-नैनोपार्टिकल स्तर पर रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के क्षणिक व्यवहार की जांच करने में सक्षम बनाती है। चित्रा 7 बी दर्शाता है कि कैसे कटौती कैनेटीक्स को लागू विद्युत पूर्वाग्रह के परिमाण से बदल दिया गया था, जैसा कि 592 / सेमी शिखर के नीचे क्षेत्र के क्षय से स्पष्ट है। दिलचस्प बात यह है कि सामान्यीकृत क्षेत्र में तेज भिन्नताएं दर्शाती हैं कि स्टोकेस्टिक घटनाएं इस पैमाने पर एक बड़ी भूमिका निभाती हैं। जैसा कि पारंपरिक वोल्टामेट्री और क्रोनोएम्पेरोमेट्री के साथ प्रदर्शित किया गया है, इस लेख में वर्णित प्रोटोकॉल शोधकर्ताओं को अणुओं के कंपन मोड को ट्रैक करने की अनुमति देता है क्योंकि वे एक नैनोपार्टिकल पर विद्युत रासायनिक रूप से कम या ऑक्सीकृत होते हैं। इसके अलावा, एकल नैनोकणों की सतह पर अणुओं के कंपन विश्लेषण रासायनिक और विद्युत रासायनिक चरणों के बीच भेदभाव की अनुमति देते हैं, जो प्रतिक्रिया तंत्र का अध्ययन करने में उपयोगी है।

Figure 1
चित्र 1: गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट। धातु दर्पण पर अलग-अलग धातु नैनोकणों को रखकर तैयार किए गए गैप-मोड सब्सट्रेट का योजनाबद्ध। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट लक्षण वर्णन। (ए) एक इलेक्ट्रॉन बीम धातु वाष्पीकरण प्रणाली द्वारा तैयार एक अच्छी और बुरी एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट की डिजिटल तस्वीरें। (बी) एक अच्छे सब्सट्रेट का एक पराबैंगनी-दृश्यमान संप्रेषण स्पेक्ट्रम। (सी) एक अच्छे सब्सट्रेट के प्रतिनिधि 10.8 μm x 10.8 μm क्षेत्र की एक AFM छवि। (डी) (सी) में दिखाए गए ब्लैक डैश्ड लाइन द्वारा इंगित एएफएम छवि की एक लाइन प्रोफाइल। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: एजी नैनोपार्टिकल लक्षण वर्णन। (ए) एक जलीय एजी नैनोपार्टिकल कोलाइड ड्रॉप कास्ट की एसईएम छवि और सी वेफर पर सुखाया गया एयर। नैनोकणों का औसत व्यास 79.2 एनएम है, जिसमें 8.4 एनएम का मानक विचलन है। (बी) गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट का योजनाबद्ध आरेख। नीले तारे एनबी अणुओं का प्रतिनिधित्व करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल की तैयारी। (ए) एक प्रतिनिधि स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल जो काम करने वाले इलेक्ट्रोड के रूप में गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट का उपयोग करके तैयार किया गया है। (बी) एकल-नैनोपार्टिकल इलेक्ट्रोकेमिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी और माइक्रोस्कोपी प्रयोगों के लिए एक उल्टे ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप चरण पर एक स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल स्थिर हो गया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: एजी पतली फिल्म सब्सट्रेट पर एक एकल एजी नैनोपार्टिकल की पहचान । (ए) एक डोनट के आकार का एनबी एसईआरएस उत्सर्जन पैटर्न, यह दर्शाता है कि सिग्नल एक व्यक्तिगत एजी नैनोपार्टिकल से उत्पन्न होता है। (बी) एक ठोस एनबी एसईआरएस उत्सर्जन पैटर्न, यह दर्शाता है कि सिग्नल एक से अधिक नैनोपार्टिकल से उत्पन्न होता है। (ग) डोनट के आकार के उत्सर्जन का एसईआरएस स्पेक्ट्रम (ए) में दिखाया गया है, जो एनबी 52 के रिंग विरूपण कंपन मोड से592/सेमी पर विशिष्ट शिखर को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
(ए) एजी डिस्क वर्किंग इलेक्ट्रोड का उपयोग करके 0.1 एम फॉस्फेट बफर (पीएच = 5) में 0.5 एमएम एनबी के चक्रीय वोल्टामोग्राम। इनसेट एनबी ऑक्सीकरण (नीचे की छवि) और कमी (शीर्ष छवि) क्षमता पर गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर एक व्यक्तिगत एजी नैनोपार्टिकल पर एनबी की इलेक्ट्रोकेमिकल एसईआरएस छवियां दिखाते हैं। स्केल बार 300 एनएम का प्रतिनिधित्व करते हैं। (बी) गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर एकल एजी नैनोपार्टिकल पर चक्रीय वोल्टामेट्री द्वारा एनबी एसईआरएस स्पेक्ट्रम का इलेक्ट्रोकेमिकल मॉड्यूलेशन। एक पीटी तार और एक एजी / एजीसीएल (3 एम केसीएल) इलेक्ट्रोड क्रमशः काउंटर और संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग किए गए थे। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
(ए) एनबी एसईआरएस स्पेक्ट्रम का इलेक्ट्रोकेमिकल मॉड्यूलेशन 0 से -0.4 वी (बनाम एजी / एजीसीएल) से संभावित चरण द्वारा टी = 0 (डैश लाइन) पर लागू होता है। एजी नैनोपार्टिकल के पास एनबी अणुओं की कमी के कारण 592/सेमी पर शिखर की तीव्रता समय के साथ कम हो जाती है। (बी) लागू क्षमता के एक समारोह के रूप में 592/सेमी शिखर के नीचे सामान्यीकृत क्षेत्र की क्षणिक प्रोफ़ाइल: -0.2 वी (नीला वक्र), -0.4 वी (हरा वक्र), और -0.6 वी (लाल वक्र)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

साफ कवरलिप्स पर क्यू और एजी पतली धातु की फिल्मों को जमा करना यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि अंतिम फिल्म में दो से चार परमाणु परतों से अधिक खुरदरापन नहीं है (या एक जड़ का मतलब वर्ग खुरदरापन लगभग 0.7 एनएम से कम या बराबर है)। धातु के जमाव से पहले कवरस्लिप पर मौजूद धूल, खरोंच और मलबे सामान्य मुद्दे हैं जो डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न का उत्पादन करने के लिए आवश्यक चिकनी फिल्म के निर्माण को रोकते हैं। इसलिए, धातु के जमाव से पहले विभिन्न सॉल्वैंट्स में कवरलिप्स को सोनिक करने की सिफारिश की जाती है और यदि संभव हो, तो इस प्रक्रिया को क्लीनरूम में करने के लिए। इसके अलावा, गवाही प्रक्रिया पर सावधानीपूर्वक ध्यान दिया जाना चाहिए। वैक्यूम चैंबर (क्रूसिबल होल्डर दराज सहित) और क्रूसिबल के अंदर सभी सतहों को साफ करना आवश्यक हो सकता है, क्योंकि ये भाग धूल और मलबे जमा करते हैं।

धातु जमाव प्रक्रिया के दौरान उपयोग की जाने वाली उच्च जमाव दर जमा फिल्म को परमाणु रूप से चिकनी होने की अनुमति देती है लेकिन इसे नियंत्रित करना भी अधिक कठिन हो सकता है। फिल्म मोटाई सेंसर की गलत रीडिंग से असंगत, अत्यधिक मोटी या अत्यधिक पतली फिल्में हो सकती हैं। यदि धातु की फिल्में बहुत पतली हैं, तो सामग्री के द्वीप ों को निरंतर सतह के बजाय जमा किया जा सकता है। बहुत मोटी फिल्मों के परिणामस्वरूप सब्सट्रेट ्स होंगे जो अपारदर्शी हैं, जो उत्तेजना प्रकाश को एनबी अणुओं को कुशलतापूर्वक रोमांचक करने से रोकेंगे और उत्सर्जन प्रकाश के संग्रह में बाधा डालेंगे; यह बदले में, विधि की समग्र संवेदनशीलता को कम करेगा और कम सिग्नल-टू-शोर अनुपात के साथ खराब गुणवत्ता वाले एसईआरएस छवियों और स्पेक्ट्रा का उत्पादन करेगा। एजी से पहले क्यू का जमाव बाद की धातु के आसंजन के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन अतिरिक्त क्यू जमा करने से सब्सट्रेट की ऑप्टिकल पारदर्शिता कम हो जाएगी, जबकि सीयू की अपर्याप्त मात्रा ग्लास कवरलिप्स से एजी के प्रदूषण का कारण बनेगी। इसके अलावा, यदि नमूना प्लेटन के आयाम शटर की तुलना में अधिक हैं, तो शटर बंद होने के दौरान वाष्पित धातु कवरलिप्स पर जमा हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप सब्सट्रेट की असमानता हो सकती है, जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है।

एनबी समाधान और एजी नैनोपार्टिकल निलंबन के लिए सांद्रता और इनक्यूबेशन समय एक अच्छी गुणवत्ता वाले गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट के उत्पादन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। प्रोटोकॉल में अनुशंसित से अधिक सांद्रता वाले एनबी समाधानों का उपयोग या लंबे इनक्यूबेशन समय के उपयोग से उच्च पृष्ठभूमि संकेत हो सकते हैं और इस प्रकार, व्यक्तिगत एजी नैनोकणों का पता लगाने के लिए चुनौतियां पैदा हो सकती हैं। दूसरी ओर, कम एनबी समाधान एकाग्रता और थोड़े इनक्यूबेशन समय से एजी पतली फिल्म पर एनबी अणुओं का कम कवरेज होगा, जो एकल एजी नैनोकणों की पहचान करने में समय लेने वाली प्रक्रिया बना देगा। इसी तरह, प्रोटोकॉल में अनुशंसित से अधिक सांद्रता के साथ एजी नैनोपार्टिकल निलंबन का उपयोग या लंबे इनक्यूबेशन समय के उपयोग से एजी पतली फिल्म पर एजी नैनोकणों का समूह होगा; इस प्रकार, यह समूह एसईआरएस सब्सट्रेट्स को जन्म देगा जो ठोस उत्सर्जन पैटर्न का एक उच्च प्रतिशत पैदा करते हैं और सब्सट्रेट साइटों की संख्या में कमी करते हैं जिन्हें एकल नैनोकणों के रूप में पहचाना जा सकता है। इसके विपरीत, कम सांद्रता वाले एजी नैनोपार्टिकल निलंबन या कम इनक्यूबेशन समय के उपयोग से एजी नैनोकणों का कम कवरेज होगा। इस मामले में, एसईआरएस उत्सर्जन पैटर्न का एक बड़ा अंश एकल एजी नैनोकणों से उत्पन्न होगा, लेकिन प्रयोग का थ्रूपुट कम हो जाएगा।

इस पेपर में वर्णित एकल-नैनोपार्टिकल इलेक्ट्रोकेमिकल एसईआरएस इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक के सफल कार्यान्वयन के लिए, स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकेमिकल प्रयोगात्मक सेटअप पर विशेष ध्यान देने की आवश्यकता है। सबसे पहले, डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न का उपयोग करके गैप-मोड एसईआरएस सब्सट्रेट पर एकल एजी नैनोकणों की पहचान वर्णित विधि के सफल उपयोग के लिए केंद्रीय है। ऑप्टिकल छवि के 100 x आवर्धन से अधिक और एक उच्च संख्यात्मक एपर्चर (जैसे, 1.45) के साथ एक माइक्रोस्कोप उद्देश्य आमतौर पर डोनट के आकार के उत्सर्जन पैटर्न का निरीक्षण करने के लिए आवश्यक है। उच्च संख्यात्मक एपर्चर उच्च-कोण उत्सर्जन एकत्र करने के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। दूसरा, इलेक्ट्रोकेमिकल प्रोग्राम के साथ एसईआरएस स्पेक्ट्रा के संग्रह को सिंक्रनाइज़ करना महत्वपूर्ण है। इस प्रोटोकॉल में, एक ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर लॉजिक पल्स को स्पेक्ट्रोमीटर डिटेक्टर से पोटेंशियोस्टैट में भेजा जाता है ताकि एसईआरएस स्पेक्ट्रा और इलेक्ट्रोकेमिकल डेटा के एक साथ संग्रह को ट्रिगर किया जा सके। इसके अलावा, डिटेक्टर के रीडआउट समय को वोल्टामेट्री में एसईआरएस स्पेक्ट्रा के साथ लागू क्षमता को सटीक रूप से सहसंबंधित करने के लिए माना जाना चाहिए।

कंपन मोड की व्याख्या एसईआरएस स्पेक्ट्रोस्कोपी का एक महत्वपूर्ण घटक है। एजी ऑक्साइड बनाने के लिए प्रवण है, जो अध्ययन56 के तहत विद्युत रासायनिक प्रक्रिया को प्रभावित कर सकता है। इस प्रोटोकॉल में एसईआरएस द्वारा कोई ऑक्साइड परतों का पता नहीं लगाया गया था, लेकिन लंबे समय तक हवा के संपर्क या ऑक्सीकरण क्षमता एजी दर्पण और / या नैनोकणों पर ऑक्साइड के गठन का कारण बनती है। ऑक्साइड परतें रेडॉक्स-सक्रिय अणुओं के सोखने को बदल सकती हैं, इस प्रकार कंपन मोड में बदलाव को प्रेरित करती हैं। वर्तमान प्रोटोकॉल में, हमने सी, एजी फिल्म या एजी नैनोकणों पर अधिशोषित एनबी अणुओं के बीच कंपन मोड में कोई बदलाव नहीं देखा। हम यह भी ध्यान देते हैं कि प्लास्मोन अनुनाद की उत्तेजना, जैसे कि गैप-मोड सब्सट्रेट, के परिणामस्वरूप गैर-संतुलन गर्म इलेक्ट्रॉनों और गर्म छेद ों की उत्पत्ति होती है जो रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं 57,58,59,60 में भाग ले सकते हैं। प्रकाश-प्रेरित गर्म चार्ज वाहक से हस्तक्षेप को कम करने के लिए, कम प्रकाश समृद्धि को प्रोत्साहित किया जाता है।

यहां वर्णित तकनीक अन्य एकल-नैनोपार्टिकल तकनीकों जैसे टकराव-आधारित इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री 61,62,63, स्कैनिंग इलेक्ट्रोकेमिकल माइक्रोस्कोपी 64,65,66 और स्कैनिंग इलेक्ट्रोकेमिकल सेल माइक्रोस्कोपी67,68,69 की सीमाओं को संबोधित कर सकती है।. इन विद्युत रासायनिक तकनीकों का उपयोग करके एकल नैनोकणों की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया को मापना संभव है; हालांकि, अभिकारकों, मध्यवर्ती और उत्पादों के बारे में पहचान और संरचनात्मक जानकारी सीधे प्राप्त करना संभव नहीं है। इस प्रोटोकॉल में वर्णित तकनीक एकल नैनोकणों पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को ट्रैक करने और कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से रासायनिक जानकारी प्राप्त करने की अनुमति देती है। हालांकि, यह गैप-मोड एसईआरएस इलेक्ट्रोकेमिकल विधि सबसे अच्छे परिणाम देती है जब एसईआरएस सब्सट्रेट ्स दृश्य प्रकाश उत्तेजना के तहत सबसे अधिक एसईआरएस-सक्रिय धातुओं का उपयोग करके तैयार किए जाते हैं: एजी और एयू। यह उन धातुओं की पसंद को सीमित कर सकता है जिन्हें तकनीक में नियोजित किया जा सकता है। इसके अलावा, जबकि गैप-मोड एसईआरएस एकल नैनोकणों पर होने वाली विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं पर रासायनिक जानकारी प्रदान करता है, यह केवल पहनावा-औसत विद्युत रासायनिक जानकारी उत्पन्न करता है, क्योंकि वर्तमान प्रतिक्रिया पूरे सब्सट्रेट पर मापी जाती है। फिर भी, इस पेपर में प्रदर्शित तकनीक एक शक्तिशाली उपकरण है जिसका उपयोग इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के विभिन्न क्षेत्रों में मौलिक यांत्रिक ज्ञान प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिसमें इलेक्ट्रोकैटेलिटिक प्रतिक्रियाओं के क्षेत्र शामिल हैं, जो ऊर्जा भंडारण70,71, रासायनिक फीडस्टॉक संश्लेषण 72,73 और सेंसर 74,75 के लिए महत्वपूर्ण हैं।

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Disclosures

लेखक घोषणा करते हैं कि उनके पास कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हित नहीं हैं।

Acknowledgments

इस काम को लुइसविले विश्वविद्यालय से स्टार्ट-अप फंड और राल्फ ई पोवे जूनियर फैकल्टी एन्हांसमेंट अवार्ड के माध्यम से ओक रिज एसोसिएटेड विश्वविद्यालयों से वित्त पोषण द्वारा समर्थित किया गया था। लेखक चित्रा 1 में छवि बनाने के लिए डॉ की-ह्यून चो को धन्यवाद देते हैं। धातु जमाव और एसईएम लुइसविले विश्वविद्यालय में माइक्रो / नैनो प्रौद्योगिकी केंद्र में किया गया था।

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

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रसायन विज्ञान अंक 195
सरफेस-एन्हांस्ड रमन स्कैटरिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी और माइक्रोस्कोपी के साथ एकल नैनोकणों पर इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को ट्रैक करना
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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).

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