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Chemistry

Monitoraggio dell'elettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione Raman potenziate dalla superficie

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

Summary

Il protocollo descrive come monitorare gli eventi elettrochimici su singole nanoparticelle utilizzando la spettroscopia e l'imaging di scattering Raman potenziati dalla superficie.

Abstract

Lo studio delle reazioni elettrochimiche su singole nanoparticelle è importante per comprendere le prestazioni eterogenee delle singole nanoparticelle. Questa eterogeneità su scala nanometrica rimane nascosta durante la caratterizzazione mediata dell'insieme delle nanoparticelle. Sono state sviluppate tecniche elettrochimiche per misurare le correnti da singole nanoparticelle, ma non forniscono informazioni sulla struttura e l'identità delle molecole che subiscono reazioni sulla superficie dell'elettrodo. Le tecniche ottiche come la microscopia e la spettroscopia SERS (surface-enhanced Raman scattering) possono rilevare eventi elettrochimici su singole nanoparticelle fornendo contemporaneamente informazioni sulle modalità vibrazionali delle specie di superficie degli elettrodi. In questo articolo, viene dimostrato un protocollo per tracciare la riduzione elettrochimica dell'ossidazione del blu del Nilo (NB) su singole nanoparticelle Ag utilizzando la microscopia e la spettroscopia SERS. In primo luogo, viene descritto un protocollo dettagliato per la fabbricazione di nanoparticelle di Ag su un film Ag liscio e semitrasparente. Un modo plasmone dipolare allineato lungo l'asse ottico è formato tra una singola nanoparticella Ag e un film Ag. L'emissione SERS da NB fissata tra la nanoparticella e il film è accoppiata nella modalità plasmone e l'emissione ad alto angolo viene raccolta da un obiettivo al microscopio per formare un modello di emissione a forma di ciambella. Questi modelli di emissione SERS a forma di ciambella consentono l'identificazione univoca di singole nanoparticelle sul substrato, da cui è possibile raccogliere gli spettri SERS. In questo lavoro, viene fornito un metodo per impiegare il substrato SERS come elettrodo di lavoro in una cella elettrochimica compatibile con un microscopio ottico invertito. Infine, viene mostrato il monitoraggio della riduzione elettrochimica dell'ossidazione delle molecole NB su una singola nanoparticella Ag. La configurazione e il protocollo qui descritti possono essere modificati per studiare varie reazioni elettrochimiche su singole nanoparticelle.

Introduction

L'elettrochimica è un'importante scienza di misurazione per studiare il trasferimento di carica, l'accumulo di carica, il trasporto di massa, ecc., Con applicazioni in diverse discipline, tra cui biologia, chimica, fisica e ingegneria 1,2,3,4,5,6,7 . Convenzionalmente, l'elettrochimica comporta misurazioni su un insieme - una vasta collezione di singole entità come molecole, domini cristallini, nanoparticelle e siti superficiali. Tuttavia, comprendere come tali singole entità contribuiscano alle risposte mediate dall'insieme è la chiave per portare avanti nuove comprensioni fondamentali e meccanicistiche in chimica e campi correlati a causa dell'eterogeneità delle superfici degli elettrodi in ambienti elettrochimici complessi 8,9. Ad esempio, la riduzione dell'insieme ha rivelato potenziali di riduzione/ossidazione sito-specifici 10, la formazione di intermedi e prodotti di catalisi minori 11, cinetica di reazione sito-specifica 12,13 e dinamica del portatore di carica 14,15. Ridurre la media degli ensemble è particolarmente importante per migliorare la nostra comprensione oltre i sistemi modello ai sistemi applicati, come le celle biologiche, l'elettrocatalisi e le batterie, in cui si trova spesso un'ampia eterogeneità 16,17,18,19,20,21,22.

Nell'ultimo decennio circa, c'è stato un emergere di tecniche per studiare l'elettrochimica a singola entità 1,2,9,10,11,12. Queste misure elettrochimiche hanno fornito la capacità di misurare piccole correnti elettriche e ioniche in diversi sistemi e hanno rivelato nuove caratteristiche chimiche e fisiche fondamentali 23,24,25,26,27,28. Tuttavia, le misurazioni elettrochimiche non forniscono informazioni sull'identità o sulla struttura di molecole o intermedi sulla superficie dell'elettrodo 29,30,31,32. Le informazioni chimiche all'interfaccia elettrodo-elettrolita sono fondamentali per comprendere le reazioni elettrochimiche. La conoscenza chimica interfacciale è tipicamente ottenuta accoppiando l'elettrochimica con la spettroscopia31,32. La spettroscopia vibrazionale, come lo scattering Raman, è adatta a fornire informazioni chimiche complementari sul trasferimento di carica e sugli eventi correlati nei sistemi elettrochimici che utilizzano prevalentemente, ma non sono limitati a, solventi acquosi30. Accoppiata con la microscopia, la spettroscopia di scattering Raman fornisce una risoluzione spaziale fino al limite di diffrazione della luce33,34. La diffrazione presenta tuttavia una limitazione, poiché le nanoparticelle e i siti superficiali attivi sono di lunghezza inferiore rispetto ai limiti di diffrazione ottica, il che, quindi, preclude lo studio delle singole entità35.

Lo scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) ha dimostrato di essere un potente strumento nello studio della chimica interfacciale nelle reazioni elettrochimiche 20,30,36,37,38. Oltre a fornire le modalità vibrazionali delle molecole dei reagenti, delle molecole di solvente, degli additivi e della chimica superficiale degli elettrodi, SERS fornisce un segnale localizzato sulla superficie dei materiali che supportano le oscillazioni collettive degli elettroni di superficie, note come risonanze plasmoniche di superficie localizzate. L'eccitazione delle risonanze plasmoniche porta alla concentrazione di radiazione elettromagnetica sulla superficie del metallo, aumentando così sia il flusso di luce verso che la dispersione Raman dagli adsorbati superficiali. I metalli nobili nanostrutturati come Ag e Au sono materiali plasmonici comunemente usati perché supportano le risonanze plasmoniche a luce visibile, che sono desiderabili per rilevare l'emissione con dispositivi ad accoppiamento di carica altamente sensibili ed efficienti. Sebbene i maggiori miglioramenti in SERS provengano da aggregati di nanoparticelle39,40, è stato sviluppato un nuovo substrato SERS che consente misurazioni SERS da singole nanoparticelle: substrato SERS gap-mode (Figura 1)41,42. Nei substrati SERS gap-mode, uno specchio metallico viene fabbricato e rivestito con un analita. Successivamente, le nanoparticelle vengono disperse sul substrato. Quando irradiato con luce laser polarizzata circolarmente, viene eccitata una risonanza plasmonica dipolare formata dall'accoppiamento della nanoparticella e del substrato, che consente misurazioni SERS su singole nanoparticelle. L'emissione SERS è accoppiata alla risonanza plasmonica dipolare43,44,45, che è orientata lungo l'asse ottico. Con l'allineamento parallelo del dipolo elettrico radiante e dell'ottica di raccolta, viene raccolta solo l'emissione ad alto angolo, formando così distinti modelli di emissione a forma di ciambella46,47,48,49 e consentendo l'identificazione di singole nanoparticelle. Gli aggregati di nanoparticelle sul substrato contengono dipoli radianti che non sono paralleli all'asse ottico50. In quest'ultimo caso, le emissioni a basso e alto angolo sono raccolte e formano modelli di emissione solidi46.

Qui, descriviamo un protocollo per la fabbricazione di substrati SERS gap-mode e una procedura per impiegarli come elettrodi di lavoro per monitorare eventi redox elettrochimici su singole nanoparticelle Ag usando SERS. È importante sottolineare che il protocollo che utilizza substrati SERS gap-mode consente l'identificazione univoca di singole nanoparticelle mediante imaging SERS, che è una sfida chiave per le attuali metodologie nell'elettrochimica delle singole nanoparticelle. Come sistema modello, dimostriamo l'uso di SERS per fornire una lettura della riduzione elettrochimica e dell'ossidazione del Nile Blue A (NB) su una singola nanoparticella Ag guidata da un potenziale di scansione o a gradini (cioè voltammetria ciclica, cronoamperometria). NB subisce una reazione di riduzione/ossidazione multi-protone e multi-elettroni in cui la sua struttura elettronica è modulata fuori / in risonanza con la sorgente di eccitazione, che fornisce un contrasto nei corrispondenti spettri SERS 10,51,52. Il protocollo qui descritto è applicabile anche alle molecole redox-attive non risonanti e alle tecniche elettrochimiche, che possono essere pertinenti ad applicazioni come l'elettrocatalisi.

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Protocol

1. Preparazione del substrato SERS gap-mode

  1. Pulire i vetrini n. 1 (vedi tabella dei materiali) utilizzando un acetone e un lavaggio ad acqua, come descritto di seguito. Eseguire questo passaggio in una camera bianca per assicurarsi che nessun detrito o altra materia indesiderata si depositi sui vetrini di copertura.
    1. Posizionare i vetrini in un portaslitte. Utilizzare una pinzetta quando si spostano i coperchi/substrati. Posizionare il portascorrimento in un contenitore di vetro e riempirlo con acetone.
      ATTENZIONE: L'acetone è altamente infiammabile e ha potenziali effetti negativi sulla salute. Maneggialo in un'area ben ventilata usando guanti, occhiali e una maschera.
    2. Regolare il controllo di potenza del generatore di ultrasuoni su 8 e sonicare il contenitore di vetro con il rack di scorrimento per 15 minuti.
    3. Rimuovere il portascorrimento dal contenitore e sciacquare accuratamente il portascorrimento e i vetrini con acqua ultrapura (resistività di 18,2 MΩ·cm).
    4. Posizionare il portascorrimento con i vetrini in un contenitore di vetro e riempirlo con acqua ultrapura. Sonicare il contenitore di vetro con il portascorrimento per altri 15 minuti utilizzando le stesse impostazioni.
    5. Rimuovere il portascorrimento dal contenitore e lavare accuratamente il portascorrimento e i vetrini con acqua ultrapura.
    6. Utilizzando una pistola a spruzzo, asciugare i coperchi con un flusso di gas N2 ad alta purezza.
  2. Depositare Cu e Ag sui coprivetrini puliti. Per fare ciò, utilizzare il sistema di deposizione a film sottile a fascio di elettroni seguendo le procedure standard, come raccomandato dal produttore nel manuale utente ufficiale.
    NOTA: Per qualsiasi altra deposizione, si prega di seguire le istruzioni fornite dal produttore, come previsto presso le strutture istituzionali53.
    1. Impostare la posizione della piastra a 180° e sfiatare la camera a vuoto.
    2. Disporre i coperchi puliti uno accanto all'altro nel piatto dello strumento in modo che non si sovrappongano. Utilizzare nastro adesivo resistente al calore (pellicola di poliimmide) per fissare i vetrini di copertura alla piastra.
      NOTA: Ciò garantisce che i coprivetrini non si muovano o cadano durante la procedura.
    3. Riempire un crogiolo di grafite a metà con pellet di Cu e inserirlo nel portacrogiolo. Fai lo stesso per Ag in un secondo crogiolo. Chiudere la camera a vuoto e iniziare a pompare verso il basso; la pressione di deposizione raccomandata è dell'ordine di 10−7 – 10−6 Torr.
    4. Caricare le proprietà Cu nell'applicazione del sensore. Accendere la rotazione della piastra a 20 giri/min. Impostare la posizione della piastra su 225°.
      NOTA: Questo posiziona lo specchio sul fondo della piastra in modo che il fascio di elettroni possa essere visto dalla porta di visualizzazione.
    5. Accendere l'interruttore per l'alimentazione a fascio di elettroni e attendere almeno 2 minuti. Accendi il fascio di elettroni e attendi altri 2 minuti. Aprire l'otturatore del substrato.
      NOTA: Questo rende il raggio e il crogiolo visibili attraverso lo specchio.
    6. Aumentare gradualmente (a circa 10 mA/min) la corrente di emissione fino a quando il sensore legge una velocità di deposizione vicina a 10 Å/s. Chiudere l'otturatore e impostare la posizione del piano su 0°.
      NOTA: il raggio può cambiare forma durante questo processo. È importante controllarlo regolarmente durante questo passaggio e correggerne la posizione, l'ampiezza e la frequenza utilizzando le rispettive manopole. Il raggio deve riscaldare il contenuto del crogiolo in modo uniforme. La chiusura dell'otturatore a questo punto assicura che nessun metallo venga depositato sui campioni mentre la piastra ruota per posizionare i coperchi nel percorso del metallo evaporato.
    7. Aprire l'otturatore per avviare la deposizione e monitorare lo spessore visualizzato dal sensore. Chiudere l'otturatore quando viene raggiunto lo spessore desiderato (1 nm per Cu), come determinato dal sensore di deposizione.
    8. Diminuire gradualmente la corrente del fascio di elettroni fino a quando il sensore legge vicino a 0 A ma la corrente è abbastanza alta da rendere visibile il crogiolo.
    9. Impostare la posizione della piastra a 225° e aprire l'otturatore per poter vedere il crogiolo.
    10. Ruotare il supporto del crogiolo usando la manopola in modo che il raggio sia diretto verso il crogiolo con pellet Ag.
    11. Caricare le proprietà Ag nell'applicazione del sensore. Ripetere i passi 1.2.6 – 1.2.7, ma utilizzare una velocità di deposizione di 20 Å/s e uno spessore di 25 nm per Ag.
    12. Diminuire gradualmente la corrente a 0 A e spegnere il fascio di elettroni e l'interruttore. Impostare la posizione della piastra a 180° e sfiatare la camera a vuoto. Aprire la camera a vuoto.
    13. I vetrini di copertura dovrebbero essere nello stesso posto di prima, privi di corpi estranei o particelle di polvere e con l'aspetto di uno specchio. Rimuovere lentamente e con attenzione il nastro adesivo resistente al calore.
      NOTA: Tirare indietro il nastro, parallelo alla superficie della piastra; C'è il rischio di rompere le copertine. Il film deve essere omogeneo e parzialmente trasparente (vedi Figura 2A).
  3. Incubare il film sottile Ag con una soluzione di blu del Nilo, come descritto di seguito.
    1. Aggiungere 500 μL di soluzione NB da 50 μM sulla superficie del film sottile di Ag.
    2. Dopo 15 minuti, sciacquare accuratamente il film sottile Ag con acqua ultrapura per rimuovere eventuali molecole NB debolmente adsorbite. Asciugare il film sottile Ag con gas N2 .
    3. Nanoparticelle di Ag drop-cast sul film sottile di Ag incubato da NB. Aggiungere 500 μL di una diluizione 100x del colloide di nanoparticelle Ag sulla stessa regione del film sottile Ag in cui la soluzione NB è stata colata e incubata.
      ATTENZIONE: Le nanoparticelle metalliche sono tossiche per il corpo umano. Maneggiarli in un'area ben ventilata usando guanti e occhiali protettivi.
    4. Dopo 20 minuti, sciacquare il substrato (gap-mode SERS) con acqua ultrapura. Asciugare il substrato con gas N2 .

2. Caratterizzazione del substrato SERS gap-mode

  1. Spettroscopia ultravioletta-visibile
    1. Accendere lo strumento premendo il pulsante di accensione. Avviare il software Scan facendo doppio clic sul suo collegamento sul desktop.
    2. Fare clic su Setup (Configurazione ) per aprire la finestra di configurazione. In Modalità Y, fare clic sul menu a discesa Modalità e selezionare %T per misurare la trasmittanza. In modalità X, impostare Start su 800 e Stop su 200 per eseguire la scansione da 800 nm a 200 nm.
    3. Nella scheda Baseline, selezionare il pulsante di opzione Baseline correction e chiudere la finestra di configurazione. Fare clic su Linea di base per eseguire una correzione di fondo con aria atmosferica.
    4. Aprire lo scomparto del campione. Fissare un'estremità del film Ag sul supporto del campione, perpendicolarmente al percorso del fascio.
    5. Fare clic su Start per ottenere uno spettro di trasmittanza dal campione.
  2. Misure di microscopia a forza atomica (AFM)
    1. Collegare l'AFM al computer (utilizzando una porta USB), accendere lo strumento AFM e avviare Nanosurf Easyscan 2.
    2. Rimuovere delicatamente la testa AFM (che ha il cantilever AFM sul lato inferiore) dallo stadio del campione e metterla da parte capovolta.
    3. Fissare un substrato a film sottile Ag sullo stadio del campione utilizzando del nastro adesivo. Posizionare la testa AFM sopra lo stadio del campione. Assicurarsi che la testa AFM sia parallela allo stadio di campionamento (monitorare con l'indicatore di livello). Se la testa AFM e lo stadio di campionamento non sono in piano, utilizzare le viti di livellamento per regolare lo stadio e centrare la bolla di livellamento all'interno dell'indicatore di livello.
    4. Utilizzando le viste laterali e superiori nel software, spostare delicatamente lo stadio del campione il più vicino possibile alla testa AFM (AFM a sbalzo) senza entrare in contatto. Assicurarsi che lo stadio di campionamento non tocchi il cantilever AFM sulla testa AFM.
    5. Nella scheda Acquisizione , scegliere Contrasto di fase come modalità di imaging e PPP-XYNCHR come tipo a sbalzo. Fare clic su Allinea laser per assicurarsi che il laser sia focalizzato sulla punta a sbalzo e che il raggio riflesso dalla punta colpisca il centro del rilevatore di fotodiodo.
    6. Misurare la frequenza vibrazionale risonante del cantilever con il software AFM facendo clic sul pulsante Frequency Sweep e assicurarsi che la curva di frequenza abbia una forma a campana. Cliccando su Avvicina, atterrare la punta a sbalzo sulla superficie del film sottile Ag.
    7. Nella procedura guidata Imaging, scegliere una dimensione di imaging di 10,8 μm x 10,8 μm e una velocità di scansione di 0,5 s/linea. Sotto Z-controller, utilizzare un Setpoint del 50%, un P-Gain di 2.500 e un I-Gain di 2.500. In Proprietà modalità, utilizzare un'ampiezza di vibrazione libera di 300 mV.
    8. Fare clic su Start per acquisire un'immagine. Salvare l'immagine facendo clic destro su di essa, selezionare Copia e incollarla nel processore di immagini.
    9. Sul software AFM, scegli l'immagine da elaborare facendo clic su di essa. Nella scheda Analisi , eseguire un'analisi della rugosità dell'area e della linea facendo clic rispettivamente su Calcola rugosità linea e Calcola area.
    10. Prelevare la punta a sbalzo dalla superficie del film sottile Ag facendo clic su Ritira. Allontanare lo stadio campione dalla punta monitorando il movimento utilizzando le viste laterale e superiore. Rimuovere il campione.
  3. Misure di microscopia elettronica a scansione (SEM)54
    1. Gettare a goccia 30 μL del colloide di nanoparticelle Ag ricevuto su un wafer di Si e lasciarlo asciugare completamente all'aria. Fissare il wafer Si su un campione di stub usando nastro conduttivo biadesivo.
    2. Sfiatarsi la camera SEM utilizzando l'interfaccia utente dello strumento. Aprire la camera SEM e montare lo stub su uno dei fori dello stage.
    3. Chiudere la camera SEM e pompare verso il basso la camera SEM utilizzando l'interfaccia utente dello strumento.
    4. Posizionare il campione a circa 10 mm di distanza dal cannone a fascio di elettroni. Accendere il fascio di elettroni utilizzando l'interfaccia utente dello strumento.
    5. Immagine del campione utilizzando un rivelatore Everhart-Thornley con una dimensione dello spot di 6, una corrente del fascio di 25 pA e un'alta tensione di 5 kV.
    6. Fare doppio clic sull'area di interesse per il cannone elettronico per allineare automaticamente il fascio di elettroni. Eseguire l'imaging con un ingrandimento di 3.500x utilizzando l'interfaccia utente dello strumento (Figura 3A).
    7. Al termine dell'imaging, spegnere il fascio di elettroni e allontanare il campione dalla pistola a fascio di elettroni di almeno 20 mm.
    8. Sfiatare la camera SEM. Aprire la camera SEM e rimuovere il mozzicone campione dallo stage. Chiudere la camera SEM e pomparla verso il basso utilizzando l'interfaccia utente dello strumento.

3. Preparazione della cella elettrochimica

  1. Ottenere un pozzo di vetro lungo 5 cm tagliando un tubo di vetro con un tagliatubi di vetro, come descritto di seguito.
    1. Avvolgere le catene del tagliatubi di vetro attorno al tubo. Attaccate l'ultimo segmento della catena all'altro lato dello strumento.
    2. Usando una mano, tieni lo strumento per la maniglia. Con l'altra mano, tenere il tubo di vetro. Ruotare continuamente il tubo di vetro in modo che le ruote della catena inizino a tagliare il vetro.
    3. Spremere delicatamente lo strumento applicando gradualmente più forza sulle maniglie. Quando il suono passa dallo scivolamento al graffio, è allora che il pezzo di vetro (bene) sta per separarsi dal tubo di vetro.
    4. Levigare l'estremità rotta del pozzetto di vetro con carta vetrata a grana 120 (o più grossolana). Lucidare con carta vetrata a grana 220 (o più fine).
  2. Ridurre il substrato gap-mode con uno scriba diamantato, come descritto di seguito.
    1. Posizionare il substrato in modalità gap su una superficie piana. Spostare lo scriba diamantato su e giù al centro del substrato gap-mode mentre si applica una leggera pressione sulla superficie del substrato.
    2. Rompere il substrato in due pezzi manualmente una volta che un graffio è visibile.
  3. Fissare il pozzetto di vetro tagliato (dal punto 3.1) alla superficie del substrato, come descritto di seguito.
    1. Erogare resina epossidica in due parti su un piccolo foglio di alluminio. Mescolare il prodotto usando un bastoncino o una punta per pipetta.
    2. Applicare la miscela sul bordo inferiore del pozzetto di vetro. Applicare la minima miscela possibile per coprire bene il bordo del vetro tagliato per ridurre al minimo la diffusione della resina alla parte interna della cella.
    3. Incollare bene il vetro sulla superficie del substrato gap-mode. Applicare il prodotto miscelato rimanente all'esterno del pozzetto, dove incontra il substrato, per eliminare la possibilità di perdite della soluzione versata all'interno del pozzetto di vetro (vedi Figura 4A).
    4. Lasciare la polimerizzazione epossidica indisturbata per 5 minuti.
  4. Collegare il collegamento elettrico al substrato SERS gap-mode, come descritto di seguito.
    1. Ottenere un filo di rame lungo 5 cm. Erogare resina epossidica conduttiva in due parti su un piccolo foglio di alluminio. Mescolare i componenti del prodotto utilizzando il filo di rame.
    2. Attaccare il filo sulla superficie del substrato (all'esterno del pozzetto, ma attaccato al film sottile conduttivo Ag; vedere Figura 4A). Lasciare la polimerizzazione epossidica conduttiva indisturbata per il tempo consigliato.
      NOTA: Si consiglia di lasciare la polimerizzazione epossidica conduttiva a temperatura ambiente per ridurre al minimo la ricottura termica del substrato del film Ag.

4. Misure di voltammetria ciclica di massa

  1. Aggiungere 10 mL di tampone fosfato da 0,5 mM NB e 0,1 M (pH = 5) in un becher da 20 ml. Inserire un elettrodo a disco Ag lucidato meccanicamente, un filo Pt e un elettrodo Ag/AgCl (3 M KCl) nella soluzione elettrolitica.
  2. Collegare ciascun elettrodo alla rispettiva clip di potenziostato (determinata dal produttore del potenziostato). Assicurarsi che gli elettrodi non siano in contatto tra loro.
  3. Eseguire voltammetria ciclica (CV) da 0 a -0,6 V con una velocità di scansione di 50 mV/s.

5. Microscopia elettrochimica a nanoparticelle singole e misure spettroscopiche SERS

  1. Posizionare la cella elettrochimica preparata utilizzando il substrato SERS gap-mode sul palco di un microscopio ottico invertito.
  2. Fissare i bordi del substrato sullo stadio del microscopio in modo che non si muova durante le misurazioni spettroelettrochimiche a causa della tensione dei fili che collegano la cella al potenziostato (vedi Figura 4B).
  3. Posizionare l'elettrodo di riferimento Ag/AgCl (3 M KCl) nel supporto costruito in casa e fissarne la posizione serrando la vite sul supporto del supporto dell'elettrodo.
  4. Aggancia l'elettrodo di riferimento alla clip a coccodrillo dell'elettrodo di riferimento del potenziostato (colore bianco). Agganciare l'elettrodo contatore del filo Pt alla clip a coccodrillo del contatore del potenziostato (colore rosso). Agganciare il filo di Cu collegato al film Ag alla clip a coccodrillo dell'elettrodo di lavoro del potenziostato (colore verde).
  5. Inserire il filo Pt insieme alla clip a coccodrillo nel supporto dell'elettrodo e stringere la vite per fissarne la posizione.
  6. Posizionare il supporto dell'elettrodo sulla cella elettrochimica per inserire gli elettrodi nella cella. Fare attenzione a non lasciare che gli elettrodi tocchino il film Ag; Non solo questo formerà un cortocircuito, ma danneggerà anche il film.
  7. Accendere lo spettrometro e la fotocamera EMCCD e avviare il software "LightField".
  8. Accendere il laser a 642 nm e regolare il laser su una potenza di 500 μW.
    ATTENZIONE: L'esposizione alla luce laser può causare danni permanenti agli occhi e alla pelle. Consultare e seguire le linee guida sulla sicurezza dell'organismo di regolamentazione ufficiale competente nel proprio paese/regione.
  9. Aggiungere una goccia di olio ad immersione sull'obiettivo. Spostare la manopola di messa a fuoco per sollevare con attenzione l'obiettivo fino a quando l'olio non entra in contatto con il fondo del substrato.
    NOTA: Poiché la cella è nastrata, forzare l'obiettivo contro il substrato può rompere la cella e/o danneggiare l'obiettivo.
  10. Focalizzare il laser sulla superficie del substrato SERS gap-mode. Scansionare il substrato SERS gap-mode (coperto dal pozzetto di vetro) per cercare un modello di emissione isolato a forma di ciambella NB SERS spostando lo stadio del microscopio (vedi Figura 5A).
    NOTA: Minore è la concentrazione dell'NB, più difficile diventa trovare modelli di emissioni a forma di ciambella, ma maggiore è la probabilità che l'eventuale modello di emissione a forma di ciambella venga isolato. Gli anelli di caffè sono un buon punto di partenza, e quindi ci si può spostare verso l'interno rispetto all'area di incubazione delle nanoparticelle NB e Ag sul substrato SERS gap-mode. Le telecamere (vedi passaggio successivo) sono utili in questo processo poiché sono più sensibili alla luce rispetto all'occhio umano durante la scansione intorno al substrato SERS gap-mode.
  11. Collegare un telefono all'adattatore del telefono del microscopio. Per allineare la fotocamera del telefono con l'obiettivo dell'adattatore, accendere l'applicazione fotocamera sul telefono e modificare la posizione del dispositivo per vedere attraverso l'obiettivo.
  12. Rimuovere uno degli oculari del microscopio e inserire l'adattatore al suo posto. Nell'applicazione della fotocamera, modificare la modalità in video e ingrandire il più possibile. Il modello di emissione a forma di ciambella può essere visto chiaramente.
  13. Una volta individuato chiaramente il modello di emissione a forma di ciambella, spostare la leva del deviatore di luce del microscopio per dirigere la luce emessa verso lo spettrometro.
  14. Nella scheda Esperimento di LightField, fare clic su Impostazioni di acquisizione comuni e regolare il Tempo di esposizione su 0,1 s e i Fotogrammi da salvare su 50. In Esporta dati selezionare Esporta dati acquisiti e modificare il tipo di file in CSV (.csv).
  15. In Regioni di interesse selezionare il pulsante di opzione Regioni di interesse personalizzate. Fai clic su Modifica ROI e, nella nuova finestra, crea un ROI di 25 pixel x 25 pixel attorno all'emissione a forma di ciambella modificando i valori X, Y, W e H.
  16. In Spettrometro, selezionare il grigliato di fiammata da 600 g/mm, 750 nm. Impostate la lunghezza d'onda centrale a 642 nm. Fare clic su Acquisisci per avviare le misurazioni.
  17. Al termine dell'acquisizione, vai alla scheda Dati . Apri l'ultimo esperimento eseguito e fai clic su Processi e quindi su Combinazione frame.
  18. Nello spettro combinato, prendere nota della lunghezza d'onda del laser alla quale si osserva la massima intensità.
  19. Torna a Esperimento e, in Spettrometro, fai clic su nm. Nella finestra popup, modificare la modalità di misurazione in numeri d'onda relativi e immettere la lunghezza d'onda laser misurata nella casella. Modificare la posizione della griglia a 1.000/cm per rilevare lo scattering Raman spostato da Stokes da circa 400/cm a 1.600/cm.
  20. Raccogliere e sommare almeno 50 fotogrammi di spettri NB SERS utilizzando un tempo di esposizione di 0,1 s (vedere Figura 5C). Cerca un picco forte a 592/cm per confermare che l'emissione proviene da NB (vedi Figura 5C)52. Prendi uno spettro SERS della regione adiacente al modello di emissione a forma di ciambella (una regione senza emissioni) per compensare il segnale di fondo.
  21. Mantenendo la luce laser focalizzata sul modello di emissione a forma di ciambella, aggiungere 3 ml della soluzione tampone fosfato 0,1 M (pH = 5) nella cella elettrochimica utilizzando una pipetta regolabile da 5 ml.
    NOTA: Una volta aggiunta la soluzione elettrolitica, il modello di emissione a forma di ciambella può scomparire e può apparire un modello di emissione solida, poiché i modi di dipolo della singola nanoparticella fuori dall'asse ottico irradiano spettri SERS delle molecole di elettrolita e solvente.
  22. Rimettere a fuoco, se necessario, e assicurarsi che la luce laser sia ancora focalizzata sul modello di emissione.
  23. Nel software del potenziostato, preparare un esperimento di voltammogramma ciclico con almeno tre cicli da 0 a -0,6 V rispetto ad Ag / AgCl (3 M KCl) e una velocità di scansione di 50 mV / s. Per sincronizzare la raccolta dei dati spettrali ed elettrochimici, configurare il potenziostato in modo che venga attivato dall'acquisizione spettrale dello spettrometro.
  24. Eseguire gli esperimenti simultanei CV e SERS. Gli spettri NB SERS devono essere modulati dal potenziale applicato al substrato SERS gap-mode (vedere Figura 6B).
  25. Spostare la leva del deviatore di luce in modo che la luce sia diretta alla fotocamera del telefono. Inizia a registrare un video ed esegui l'esperimento CV come descritto. L'intensità dell'immagine SERS deve essere modulata in base al potenziale applicato al substrato SERS gap-mode (vedere gli inserti in Figura 6A).

6. Analisi di imaging

  1. Elabora le immagini raccolte per migliorare la nitidezza e il contrasto, come descritto di seguito.
    NOTA: l'elaborazione delle immagini è stata eseguita con la libreria OpenCV in Python e lo script è disponibile su GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Ritagliate l'immagine per rimuovere la maggior parte dello spazio vuoto e centratela attorno al modello di emissione.
    2. Eliminate i canali verde e blu della cornice. Aumentate la nitidezza sottraendo una maschera gaussiana sfocata del fotogramma.
    3. Aumenta il contrasto espandendo la gamma dinamica con un operatore di aumento della potenza.
  2. Aggiungere barre di scala alle immagini utilizzando ImageJ, come descritto di seguito.
    1. Utilizzando l'adattatore per fotocamera del telefono, creare un'immagine di un oggetto di dimensioni note, ad esempio un vetrino di calibrazione del microscopio.
    2. Utilizzando ImageJ, caricare l'immagine raccolta. Disegna un segmento su un'area dell'oggetto ripreso con dimensioni note.
    3. Impostate la scala (cioè i pixel per unità di distanza) in base alla lunghezza del segmento disegnato utilizzando la funzione Imposta scala . Aggiungete la scala con lo strumento scala .

7. Analisi granulometrica delle nanoparticelle

  1. Caricare l'immagine SEM in ImageJ. Disegnate un segmento sulla barra della scala fornita dallo strumento e impostatelo utilizzando la funzione Imposta scala .
  2. Vai a Image > Digita > 16-bit. Vai a Immagine > Regola > soglia automatica. Dal menu a discesa, selezionare Predefinito.
  3. Utilizzando lo strumento Rettangolo , selezionate ed eliminate le feature che non sono singole nanoparticelle.
  4. Usate lo strumento Analizza particelle . Calcola il diametro delle particelle con le aree ottenute assumendo una forma circolare.

8. Analisi dei dati spettroelettrochimici

  1. Eseguire la correzione dello sfondo sui dati spettrali raccolti. Eseguire l'elaborazione e il plottaggio dei dati in MATLAB; gli script sono disponibili nello stesso repository GitHub menzionato in precedenza.
  2. Media dei dati spettrali di tre diversi esperimenti di fondo (dati spettrali raccolti insieme al modello di emissione SERS). Sottrarre lo spettro di fondo medio dallo spettro del campione.
  3. Creare un time array compreso tra 0 e il tempo totale dell'esperimento (voltammetria ciclica), in cui l'intervallo è la somma del tempo di esposizione, del tempo di lettura EMCCD e dei tempi di apertura e chiusura dell'otturatore.
  4. Converti le misurazioni della lunghezza d'onda in spostamento Raman utilizzando la lunghezza d'onda del laser.
  5. Genera un grafico a cascata usando la funzione mesh di MATLAB, dove X è lo spostamento Raman, Y è il tempo e Z è l'intensità.

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Representative Results

La figura 2A mostra i substrati a film sottile di Ag preparati utilizzando un sistema di deposizione di metallo a fascio di elettroni. Il substrato "buono" mostrato in Figura 2A ha una copertura omogenea di metallo Ag sopra il vetrino, mentre il substrato "cattivo" ha una copertura non uniforme di Ag. Lo spettro ultravioletto-visibile del film sottile Ag "buono" è mostrato nella Figura 2B, che dimostra che il film è parzialmente trasparente per la porzione visibile dello spettro elettromagnetico. Il "buono" substrato a film sottile Ag ha una trasparenza ottica del 34% per la luce laser a 642 nm che viene utilizzata per gli esperimenti di spettroelettrochimica nel protocollo corrente. La Figura 2C mostra un'immagine AFM rappresentativa di un'area di 10,8 μm x 10,8 μm del substrato "buono". Il valore medio di rugosità quadrata della radice dell'area rappresentativa è 0,7 nm, il che indica che il film sottile Ag è atomicamente liscio. La variazione dell'altezza del substrato a film sottile Ag è rappresentata dal profilo della linea mostrato in Figura 2D, dimostrando ulteriormente l'uniformità e la levigatezza del film.

La Figura 3A mostra un'immagine SEM rappresentativa di nanoparticelle di Ag drop-cast ed essiccate all'aria su un wafer di Si. Da un'analisi di 243 nanoparticelle, il diametro medio delle nanoparticelle Ag utilizzate in questo protocollo era di 79,2 nm ± 8,4 nm. Va notato che potrebbero essere utilizzate anche diverse dimensioni di nanoparticelle di Au o Ag55. Inoltre, questo protocollo utilizza nanoparticelle altamente monodisperse, ma non vi è alcun requisito di dispersione, in quanto questo protocollo consente la misurazione di singole nanoparticelle. Per costruire un substrato SERS gap-mode, in questo lavoro, le nanoparticelle di Ag sono state depositate sulla superficie di un substrato a film sottile di Ag che era stato precedentemente incubato con NB (Figura 3B).

Un substrato SERS gap-mode è stato utilizzato come elettrodo di lavoro per costruire una cella elettrochimica, come mostrato nella Figura 4A. La cella elettrochimica è stata immobilizzata su uno stadio di microscopio e collegata a un potenziostato, come mostrato in Figura 4B. Con la cella elettrochimica montata su un microscopio ottico invertito, un laser da 642 nm è stato focalizzato sull'elettrodo di lavoro del substrato SERS gap-mode in una geometria di epi-illuminazione. Le singole nanoparticelle di Ag sul film sottile di Ag nell'aria possono essere identificate in modo inequivocabile da un modello di emissione a forma di ciambella, come mostrato nella Figura 5A. Questi modelli di emissione a forma di ciambella possono essere utilizzati in modo affidabile come firma per identificare le singole nanoparticelle di Ag49. Se più di una singola nanoparticella (dimero, trimero o multimero) è presente nel volume di illuminazione, si osserva un modello di emissione solida, come mostrato nella Figura 5B. Dopo l'introduzione della soluzione elettrolitica, il modello di emissione a forma di ciambella viene tipicamente convertito in un modello di emissione solido. La ragione di ciò è che i modi plasmonici dipolari all'interno della singola nanoparticella (non allineati con l'asse ottico) irradiano emissione dalle molecole di solvente ed elettrolita in tutte le direzioni. Pertanto, il modello di emissione è una sovrapposizione di emissione NB SERS ad alto angolo dal gap nanoparticella-substrato e emissione SERS a basso angolo dalle molecole di elettrolita e solvente. La rimozione della soluzione elettrolitica recupera i modelli di emissione a forma di ciambella. In questo protocollo, a seguito dell'identificazione di una singola nanoparticella mediante imaging SERS, la spettroscopia SERS viene utilizzata per identificare la molecola della sonda redox. Lo spettro SERS nella figura 5C corrisponde al modello di emissione a forma di ciambella mostrato nella figura 5A. I modi vibrazionali rappresentano un'impronta digitale per le molecole NB.

La figura 6A mostra le voltammografie cicliche rappresentative di NB in tampone fosfato (pH = 5) ottenute utilizzando un elettrodo di lavoro a disco Ag e un elettrodo contatore di filo Pt. Un voltammogramma ciclico viene ottenuto prima delle misurazioni spettroelettrochimiche di singole nanoparticelle per comprendere il comportamento redox dell'insieme delle molecole della sonda - NB in questo caso. In questo lavoro, poiché il potenziale applicato è stato spazzato da 0 a -0,6 V, è stato osservato un picco catodico a -0,27 V rispetto ad Ag / AgCl (3 M KCl). Quando il potenziale è stato riportato a 0 V, è stato osservato un picco anodico a -0,21 V. Lo stesso intervallo di potenziale applicato è stato utilizzato per le misurazioni spettroelettrochimiche, come mostrato nella Figura 6B. Dopo l'identificazione di una singola nanoparticella Ag che esibisce un modello di emissione a forma di ciambella, la soluzione elettrolitica è stata pipettata nella cella elettrochimica. Sotto l'illuminazione laser, gli spettri SERS sono stati quindi raccolti continuamente mentre il potenziale applicato veniva spazzato tra 0 e -0,6 V a una velocità di scansione di 50 mV / s (Figura 6B). Le molecole NB all'interno e intorno allo spazio tra la nanoparticella Ag e il film Ag sono state ridotte elettrochimicamente (fuori stato) e l'intensità del SERS è diminuita, come mostrato nel grafico a cascata degli spettri SERS (anche un inserto nella Figura 6A). Quando il potenziale applicato è stato spazzato da -0,6 a 0 V, l'intensità del SERS è aumentata, poiché le molecole NB sono state ossidate elettrochimicamente (allo stato). La modulazione nei segnali SERS rappresenta un metodo per determinare i potenziali di riduzione e ossidazione di NB su una singola nanoparticella. Altre tecniche elettrochimiche possono essere sostituite alla voltammetria per caratterizzare ulteriormente le reazioni redox. La figura 7A mostra la risposta SERS da NB quando il potenziale dell'elettrodo di lavoro è stato portato a -0,4 V (cioè cronoamperometria). Quando il potenziale dell'elettrodo è stato portato a -0,4 V, il segnale SERS è decaduto a causa della riduzione di NB. Questa tecnica spettroelettrochimica consente di studiare il comportamento transitorio delle reazioni redox a livello di singola nanoparticella. La figura 7B mostra come la cinetica di riduzione sia stata alterata dall'entità della polarizzazione elettrica applicata, come evidenziato dal decadimento dell'area sotto il picco di 592/cm. È interessante notare che le forti variazioni nell'area normalizzata dimostrano come gli eventi stocastici svolgano un ruolo più importante su questa scala. Come dimostrato con la voltammetria convenzionale e la cronoamperometria, il protocollo descritto in questo articolo consente ai ricercatori di tracciare le modalità vibrazionali delle molecole mentre vengono ridotte elettrochimicamente o ossidate su una singola nanoparticella. Inoltre, le analisi vibrazionali delle molecole sulla superficie di singole nanoparticelle consentono la differenziazione tra fasi chimiche ed elettrochimiche, che è utile nello studio dei meccanismi di reazione.

Figure 1
Figura 1: Substrato SERS in modalità gap. Schema di un substrato gap-mode preparato posizionando singole nanoparticelle metalliche su uno specchio metallico. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Caratterizzazione del substrato a film sottile Ag. (A) Fotografie digitali di un substrato a film sottile Ag buono e cattivo preparato da un sistema di evaporazione metallica a fascio di elettroni. (B) Uno spettro di trasmittanza ultravioletto-visibile di un buon substrato. (C) Un'immagine AFM di un'area rappresentativa di 10,8 μm x 10,8 μm di un buon substrato. (D) Un profilo lineare dell'immagine AFM indicato dalla linea tratteggiata nera mostrata in (C). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Caratterizzazione delle nanoparticelle Ag. (A) Immagine SEM di una nanoparticella colloidale acquosa Ag colata a goccia ed essiccata all'aria su un wafer di Si. Il diametro medio delle nanoparticelle è di 79,2 nm, con una deviazione standard di 8,4 nm. (B) Diagramma schematico del substrato SERS gap-mode. Le stelle blu rappresentano le molecole NB. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Preparazione della cella spettroelettrochimica. (A) Una cella spettroelettrochimica rappresentativa preparata utilizzando un substrato SERS gap-mode come elettrodo di lavoro. (B) Una cella spettroelettrochimica immobilizzata su uno stadio di microscopio ottico invertito per esperimenti di spettroscopia elettrochimica e microscopia a singola nanoparticella. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Identificazione di una singola nanoparticella Ag sul substrato a film sottile Ag. (A) Un modello di emissione NB SERS a forma di ciambella, che indica che il segnale proviene da una singola nanoparticella Ag. (B) Un modello di emissione solido NB SERS, indicante che il segnale proviene da più di una singola nanoparticella. (C) Lo spettro SERS dell'emissione a forma di ciambella mostrato in (A), che mostra il picco caratteristico a 592/cm dal modo vibrazionale di deformazione dell'anello di NB52. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Elettrochimica e spettroelettrochimica di NB. (A) Voltammogrammi ciclici di 0,5 mM NB in tampone fosfato 0,1 M (pH = 5) utilizzando un elettrodo di lavoro a disco Ag. Gli inserti mostrano immagini elettrochimiche SERS di NB su una singola nanoparticella Ag sul substrato SERS gap-mode ai potenziali di ossidazione NB (immagine in basso) e riduzione (immagine in alto). Le barre della scala rappresentano 300 nm. (B) Modulazione elettrochimica dello spettro NB SERS mediante voltammetria ciclica su una singola nanoparticella Ag sul substrato SERS gap-mode. Un filo Pt e un elettrodo Ag/AgCl (3 M KCl) sono stati utilizzati rispettivamente come elettrodi contatore e di riferimento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Spettroelettrochimica a gradini potenziali di NB. (A) Modulazione elettrochimica dello spettro NB SERS mediante un potenziale passo da 0 a −0,4 V (vs. Ag/AgCl) applicato a t = 0 (linea tratteggiata). L'intensità del picco a 592/cm diminuisce con il tempo a causa della riduzione delle molecole NB vicino alla nanoparticella Ag. (B) Profilo transitorio dell'area normalizzata sotto il picco di 592/cm in funzione del potenziale applicato: -0,2 V (curva blu), -0,4 V (curva verde) e -0,6 V (curva rossa). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

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Discussion

Il deposito di pellicole metalliche sottili di Cu e Ag su vetrini puliti è fondamentale per garantire che il film finale abbia una rugosità non superiore a due o quattro strati atomici (o una rugosità quadrata media della radice inferiore o uguale a circa 0,7 nm). Polvere, graffi e detriti presenti sul coprislip prima della deposizione del metallo sono problemi comuni che impediscono la fabbricazione del film liscio necessario per produrre modelli di emissione a forma di ciambella. Pertanto, si consiglia di sonicare i vetrini di copertura in diversi solventi prima della deposizione del metallo e, se possibile, di eseguire questo processo in una camera bianca. Inoltre, si dovrebbe prestare particolare attenzione alla procedura di deposizione. Potrebbe essere necessario pulire tutte le superfici all'interno della camera a vuoto (compreso il cassetto porta crogiolo) e dei crogioli, poiché queste parti tendono ad accumulare polvere e detriti.

Gli alti tassi di deposizione utilizzati durante il processo di deposizione del metallo consentono al film depositato di essere atomicamente liscio, ma possono anche essere più difficili da controllare. La lettura errata dei sensori di spessore del film può portare a film disomogenei, eccessivamente spessi o eccessivamente sottili. Se le pellicole metalliche sono troppo sottili, è possibile che si depositino isole di materiale invece di una superficie continua. Film troppo spessi si tradurranno in substrati opachi, che impediranno alla luce di eccitazione di eccitare efficacemente le molecole NB e impediranno la raccolta della luce di emissione; questo, a sua volta, ridurrà la sensibilità complessiva del metodo e produrrà immagini e spettri SERS di scarsa qualità con bassi rapporti segnale-rumore. La deposizione di Cu prima dell'Ag è cruciale per l'adesione di quest'ultimo metallo, ma depositare Cu in eccesso ridurrà la trasparenza ottica del substrato, mentre una quantità insufficiente di Cu porterà alla delaminazione dell'Ag dai vetrini di copertura. Inoltre, se le dimensioni della piastra campione sono superiori a quelle dell'otturatore, il metallo evaporato può depositarsi sui vetrini di copertura mentre l'otturatore è chiuso, con conseguente disomogeneità del substrato, come mostrato nella Figura 2A.

Le concentrazioni e i tempi di incubazione per le soluzioni NB e le sospensioni di nanoparticelle Ag svolgono un ruolo chiave nella produzione di un substrato SERS gap-mode di buona qualità. L'uso di soluzioni NB con concentrazioni superiori a quelle raccomandate nel protocollo o l'uso di tempi di incubazione più lunghi può portare a segnali di fondo elevati e, quindi, porre sfide alla localizzazione di singole nanoparticelle Ag. D'altra parte, una bassa concentrazione di soluzione NB e un breve tempo di incubazione porteranno a una bassa copertura delle molecole NB sul film sottile di Ag, il che renderà l'identificazione di singole nanoparticelle di Ag un processo che richiede tempo. Allo stesso modo, l'uso di una sospensione di nanoparticelle Ag con una concentrazione superiore a quella raccomandata nel protocollo o l'uso di tempi di incubazione più lunghi porterà all'agglomerazione delle nanoparticelle Ag sul film sottile di Ag; questo agglomerato porterà quindi a substrati SERS che producono un'alta percentuale di modelli di emissione solida e una diminuzione del numero di siti di substrato che possono essere identificati come singole nanoparticelle. Al contrario, l'uso di una sospensione di nanoparticelle Ag a bassa concentrazione o un tempo di incubazione più breve porterà a una bassa copertura delle nanoparticelle di Ag. In questo caso, una frazione maggiore dei modelli di emissione SERS avrà origine da singole nanoparticelle Ag, ma il throughput dell'esperimento sarà ridotto.

Per il successo dell'implementazione della tecnica di imaging e spettroscopia elettrochimica SERS a singola nanoparticella descritta in questo articolo, è necessario prestare particolare attenzione alla configurazione sperimentale spettroelettrochimica. In primo luogo, l'identificazione di singole nanoparticelle di Ag sul substrato SERS gap-mode utilizzando modelli di emissione a forma di ciambella è fondamentale per il successo dell'uso del metodo descritto. Un ingrandimento superiore a 100x dell'immagine ottica e un obiettivo al microscopio con un'elevata apertura numerica (ad esempio, 1,45) sono tipicamente necessari per osservare i modelli di emissione a forma di ciambella. L'elevata apertura numerica è particolarmente importante per la raccolta di emissioni ad alto angolo. In secondo luogo, è importante sincronizzare la raccolta degli spettri SERS con il programma elettrochimico. In questo protocollo, un impulso logico transistor-transistor viene inviato dal rivelatore dello spettrometro al potenziostato per innescare la raccolta simultanea degli spettri SERS e dei dati elettrochimici. Inoltre, il tempo di lettura del rivelatore deve essere considerato per correlare accuratamente i potenziali applicati con gli spettri SERS in voltammetria.

L'interpretazione dei modi vibrazionali è una componente importante della spettroscopia SERS. L'Ag è incline a formare ossidi, che possono influenzare il processo elettrochimico in corso nello studio56. Nessuno strato di ossido è stato rilevato da SERS in questo protocollo, ma l'esposizione prolungata all'aria o i potenziali ossidanti causano la formazione di ossidi sullo specchio Ag e / o nanoparticelle. Gli strati di ossido possono alterare l'adsorbimento delle molecole redox-attive, inducendo così cambiamenti nei modi vibrazionali. Nel protocollo attuale, non abbiamo osservato alcun cambiamento nei modi vibrazionali tra le molecole NB adsorbite sul Si, il film Ag o le nanoparticelle Ag. Notiamo anche che l'eccitazione delle risonanze plasmoniche, come quelle del substrato gap-mode, si traduce nella generazione di elettroni caldi non in equilibrio e buchi caldi che possono partecipare a reazioni redox57,58,59,60. Per ridurre al minimo le interferenze da portatori di carica calda indotti dalla luce, sono incoraggiate basse fluenze luminose.

La tecnica qui descritta può affrontare i limiti di altre tecniche a singola nanoparticella come l'elettrochimica basata sulle collisioni 61,62,63, la microscopia elettrochimica a scansione 64,65,66 e la microscopia elettrochimica cellulare a scansione67,68,69. È possibile misurare la risposta elettrochimica di singole nanoparticelle utilizzando queste tecniche elettrochimiche; Tuttavia, non è possibile ottenere direttamente l'identità e le informazioni strutturali sui reagenti, sui prodotti intermedi e sui prodotti. La tecnica descritta in questo protocollo consente di tracciare le reazioni elettrochimiche su singole nanoparticelle e ottenere informazioni chimiche attraverso la spettroscopia vibrazionale. Tuttavia, questo metodo elettrochimico SERS gap-mode produce i migliori risultati quando i substrati SERS vengono preparati utilizzando i metalli più attivi SERS sotto eccitazione di luce visibile: Ag e Au. Ciò può limitare la scelta dei metalli che possono essere impiegati nella tecnica. Inoltre, mentre il SERS gap-mode fornisce informazioni chimiche sui processi elettrochimici che si verificano su singole nanoparticelle, produce solo informazioni elettrochimiche mediate dall'insieme, poiché la risposta di corrente viene misurata sull'intero substrato. Tuttavia, la tecnica dimostrata in questo articolo è un potente strumento che può essere utilizzato per acquisire conoscenze meccanicistiche fondamentali in diverse aree dell'elettrochimica, compresi i campi delle reazioni elettrocatalitiche, che sono importanti per l'accumulo di energia 70,71, la sintesi chimica delle materie prime 72,73 e i sensori 74,75.

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Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato da fondi iniziali dell'Università di Louisville e finanziamenti da Oak Ridge Associated Universities attraverso un Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Gli autori ringraziano il Dr. Ki-Hyun Cho per aver creato l'immagine nella Figura 1. La deposizione di metallo e il SEM sono stati eseguiti presso il Micro/Nano Technology Center dell'Università di 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.

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Chimica Numero 195
Monitoraggio dell'elettrochimica su singole nanoparticelle con spettroscopia e microscopia di diffusione Raman potenziate dalla superficie
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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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