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Chemistry

Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy를 사용한 단일 나노입자의 전기화학 추적

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

Summary

이 프로토콜은 표면 강화 라만 산란 분광법 및 이미징을 사용하여 단일 나노 입자의 전기화학적 이벤트를 모니터링하는 방법을 설명합니다.

Abstract

단일 나노 입자에 대한 전기 화학 반응을 연구하는 것은 개별 나노 입자의 이질적인 성능을 이해하는 데 중요합니다. 이 나노 스케일 이질성은 나노 입자의 앙상블 평균 특성화 중에 숨겨져 있습니다. 단일 나노 입자의 전류를 측정하기 위해 전기 화학 기술이 개발되었지만 전극 표면에서 반응을 겪는 분자의 구조와 정체성에 대한 정보는 제공하지 않습니다. 표면 강화 라만 산란(SERS) 현미경 및 분광법과 같은 광학 기술은 개별 나노 입자의 전기화학적 사건을 감지하는 동시에 전극 표면 종의 진동 모드에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 논문에서는 SERS 현미경 및 분광법을 사용하여 단일 Ag 나노 입자에서 나일 블루(NB)의 전기화학적 산화-환원을 추적하는 프로토콜을 시연합니다. 먼저, 매끄럽고 반투명한 Ag 필름 상에 Ag 나노입자를 제조하기 위한 상세한 프로토콜이 설명된다. 광축을 따라 정렬된 쌍극자 플라즈몬 모드는 단일 Ag 나노입자와 Ag 필름 사이에 형성됩니다. 나노 입자와 필름 사이에 고정 된 NB로부터의 SERS 방출은 플라즈몬 모드로 결합되고, 고각 방출은 현미경 대물렌즈에 의해 수집되어 도넛 모양의 방출 패턴을 형성한다. 이러한 도넛 모양의 SERS 방출 패턴을 통해 기판 상의 단일 나노입자를 명확하게 식별할 수 있으며, 이로부터 SERS 스펙트럼을 수집할 수 있습니다. 이 작업에서, SERS 기판을 도립 광학 현미경과 호환되는 전기 화학 전지에서 작동 전극으로 사용하는 방법이 제공됩니다. 마지막으로, 개별 Ag 나노 입자에서 NB 분자의 전기 화학적 산화 환원을 추적하는 것이 표시됩니다. 여기에 설명된 설정 및 프로토콜은 개별 나노입자에 대한 다양한 전기화학 반응을 연구하기 위해 수정될 수 있습니다.

Introduction

전기 화학은 생물학, 화학, 물리학 및 공학을 포함한 다양한 분야의 응용 분야와 함께 전하 이동, 전하 저장, 질량 수송 등을 연구하는 데 중요한 측정 과학입니다 1,2,3,4,5,6,7 . 일반적으로 전기화학은 분자, 결정 도메인, 나노 입자 및 표면 부위와 같은 단일 개체의 대규모 집합인 앙상블에 대한 측정을 포함합니다. 그러나 이러한 단일 개체가 앙상블 평균 응답에 어떻게 기여하는지 이해하는 것은 복잡한 전기화학 환경에서 전극 표면의 이질성 때문에 화학 및 관련 분야에서 새로운 근본적이고 기계론적인 이해를 도출하는 데 중요합니다 8,9. 예를 들어, 앙상블 환원은 부위 특이적 환원/산화 전위(10), 중간체 및 미량 촉매 생성물(11)의 형성, 부위 특이적 반응 역학(12, 13) 및 전하 운반체 역학(14, 15)을 밝혀냈다. 앙상블 평균화를 줄이는 것은 모델 시스템을 넘어 광범위한 이질성이 종종 발견되는 생물학적 전지, 전기 촉매 및 배터리와 같은 응용 시스템에 대한 이해를 향상시키는 데 특히 중요합니다 16,17,18,19,20,21,22.

지난 10여 년 동안 단일 실체 전기 화학 1,2,9,10,11,12를 연구하는 기술이 등장했습니다. 이러한 전기화학적 측정은 여러 시스템에서 작은 전기 및 이온 전류를 측정할 수 있는 기능을 제공하고 새로운 기본 화학적 및 물리적 특성을 밝혀냈습니다(23,24,25,26,27,28). 그러나, 전기화학적 측정은 전극 표면(29,30,31,32)에서 분자 또는 중간체의 정체 또는 구조에 대한 정보를 제공하지 않는다. 전극-전해질 계면의 화학 정보는 전기화학 반응을 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 계면 화학 지식은 전형적으로 전기 화학을 분광법과 결합시킴으로써 얻어진다31,32. 라만 산란과 같은 진동 분광법은 수성 용매(30)를 주로 이용하는 전기화학 시스템에서 전하 이동 및 관련 이벤트에 대한 보완적인 화학 정보를 제공하는 데 매우 적합하다. 현미경과 결합된 라만 산란 분광법은 빛의 회절 한계33,34까지 공간 분해능을 제공합니다. 그러나, 회절은 나노입자 및 활성 표면 부위가 광학 회절 한계보다 길이가 작기 때문에 한계를 나타내며, 따라서 개별 개체(35)에 대한 연구를 배제한다.

표면 강화 라만 산란(SERS)은 전기화학 반응 20,30,36,37,38에서 계면 화학을 연구하는 데 강력한 도구임이 입증되었습니다. SERS는 반응물 분자, 용매 분자, 첨가제 및 전극의 표면 화학의 진동 모드를 제공하는 것 외에도 국소 표면 플라즈몬 공명으로 알려진 집단 표면 전자 진동을 지원하는 물질의 표면에 국한된 신호를 제공합니다. 플라즈몬 공명의 여기는 금속 표면에서 전자기 복사의 집중으로 이어지며, 따라서 표면 흡착물에 대한 빛의 플럭스와 라만 산란을 모두 증가시킵니다. Ag 및 Au와 같은 나노 구조 귀금속은 가시 광선 플라즈몬 공명을 지원하기 때문에 일반적으로 사용되는 플라즈몬 재료이며, 이는 매우 민감하고 효율적인 전하 결합 장치로 방출을 감지하는 데 바람직합니다. SERS의 가장 큰 향상은 나노 입자39,40의 응집체에서 비롯되지만, 개별 나노 입자에서 SERS 측정을 할 수있는 새로운 SERS 기판 인 갭 모드 SERS 기판 (그림 1)41,42이 개발되었습니다. 갭 모드 SERS 기판에서는 금속 미러가 제작되고 분석물로 코팅됩니다. 다음으로, 나노 입자는 기판 위에 분산된다. 원형 편광 레이저 광을 조사하면 나노 입자와 기판의 결합에 의해 형성된 쌍극자 플라즈몬 공명이 여기되어 단일 나노 입자에 대한 SERS 측정이 가능합니다. SERS 방출은 광축을 따라 배향되는 쌍극자 플라즈몬 공명43,44,45에 결합됩니다. 방사 전기 쌍극자 및 수집 광학 장치의 병렬 정렬로 고각 방출 만 수집되어 뚜렷한 도넛 모양의 방출 패턴(46,47,48,49)을 형성하고 단일 나노 입자를 식별 할 수 있습니다. 기판 상의 나노입자의 응집체는 광축(50)에 평행하지 않은 방사 쌍극자를 함유한다. 이 후자의 경우, 저각 및 고각 방출이 수집되어 고체 방출 패턴(46)을 형성한다.

여기에서는 갭 모드 SERS 기판을 제조하기 위한 프로토콜과 SERS를 사용하여 단일 Ag 나노입자에서 전기화학적 산화환원 이벤트를 모니터링하기 위한 작동 전극으로 사용하는 절차를 설명합니다. 중요한 것은 갭 모드 SERS 기판을 사용하는 프로토콜이 SERS 이미징을 통해 단일 나노 입자를 명확하게 식별 할 수 있다는 것인데, 이는 단일 나노 입자 전기 화학의 현재 방법론에 대한 핵심 과제입니다. 모델 시스템으로서, 우리는 주사 또는 계단식 전위 (즉, 순환 전압 전류법, 크로노 암페로 메 측정법)에 의해 구동되는 단일 Ag 나노 입자에서 나일 블루 A (NB)의 전기 화학적 환원 및 산화에 대한 판독 값을 제공하기 위해 SERS를 사용하는 것을 보여줍니다. NB는 다중 양성자, 다중 전자 환원/산화 반응을 거치며, 여기서 그의 전자 구조는 여기 소스와 공명하여 변조되며, 이는 상응하는 SERS 스펙트럼(10,51,52)에서 대비를 제공한다. 여기에 설명된 프로토콜은 비공명 산화환원 활성 분자 및 전기화학 기술에도 적용할 수 있으며, 이는 전기 촉매와 같은 응용 분야와 관련될 수 있습니다.

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Protocol

1. 갭 모드 SERS 기판 준비

  1. 아래 설명된 대로 아세톤과 물 세척제를 사용하여 1번 커버슬립( 재료 표 참조)을 청소합니다. 클린룸에서 이 단계를 수행하여 커버슬립에 파편이나 기타 원치 않는 물질이 쌓이지 않도록 합니다.
    1. 커버슬립을 슬라이드 랙에 놓습니다. 커버슬립/기판을 이동할 때는 핀셋을 사용하십시오. 슬라이드 랙을 유리 용기에 넣고 아세톤으로 채웁니다.
      주의 : 아세톤은 가연성이 높으며 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 환기가 잘 되는 곳에서 장갑, 고글, 마스크를 착용하고 다루십시오.
    2. 초음파 발생기의 전력 제어를 8로 조정하고 슬라이드 랙으로 유리 용기를 15 분 동안 초음파 처리합니다.
    3. 용기에서 슬라이드 랙을 꺼내고 슬라이드 랙과 커버슬립을 초순수(저항 18.2MΩ·cm) 물로 완전히 헹굽니다.
    4. 커버슬립이 있는 슬라이드 랙을 유리 용기에 넣고 초순수로 채웁니다. 동일한 설정을 사용하여 슬라이드 랙으로 유리 용기를 15 분 더 초음파 처리합니다.
    5. 용기에서 슬라이드 랙을 제거하고 슬라이드 랙과 커버슬립을 초순수로 철저히 씻으십시오.
    6. 스프레이 건을 사용하여 고순도 N2 가스 흐름으로 커버슬립을 건조시킵니다.
  2. 청소된 커버슬립에 Cu와 Ag를 묻습니다. 이렇게 하려면 공식 사용 설명서에서 제조업체가 권장하는 표준 절차에 따라 전자빔 박막 증착 시스템을 사용하십시오.
    알림: 다른 증착의 경우 기관 시설53에 제공된 대로 제조업체가 제공한 지침을 따르십시오.
    1. 플래튼 위치를 180°로 설정하고 진공 챔버를 환기시킵니다.
    2. 깨끗한 커버슬립이 겹치지 않도록 기기의 플래튼에 나란히 배열합니다. 내열 접착 테이프(폴리이미드 필름)를 사용하여 커버슬립을 플래튼에 부착합니다.
      알림: 이렇게 하면 절차 중에 커버슬립이 움직이거나 떨어지지 않습니다.
    3. 흑연 도가니를 Cu 펠릿으로 반쯤 채우고 도가니 홀더에 삽입합니다. 두 번째 도가니에서 Ag에 대해서도 동일한 작업을 수행합니다. 진공 챔버를 닫고 펌핑을 시작합니다. 권장 증착 압력은 10-7 – 10-6 Torr 정도입니다.
    4. Cu 특성을 센서의 응용 분야에 로드합니다. 20RPM에서 플래튼 회전을 켭니다. 플래튼 위치를 225°로 설정합니다.
      알림: 이것은 전자빔이 뷰 포트에서 볼 수 있는 방식으로 플래튼의 바닥에 거울을 배치합니다.
    5. 전자빔 전원 차단기를 켜고 2분 이상 기다립니다. 전자빔을 켜고 2분 더 기다립니다. 기판 셔터를 엽니다.
      알림: 이렇게 하면 빔과 도가니가 거울을 통해 보입니다.
    6. 센서가 10Å/s에 가까운 증착 속도를 읽을 때까지 점진적으로(약 10mA/min에서) 방출 전류를 증가시킵니다. 셔터를 닫고 플래튼 위치를 0°로 설정합니다.
      알림: 이 과정에서 빔의 모양이 바뀔 수 있습니다. 이 단계에서 정기적으로 확인하고 해당 노브를 사용하여 위치, amplitude 및 주파수. 빔은 도가니의 내용물을 고르게 가열해야 합니다. 이 시점에서 셔터를 닫으면 플래튼이 회전하여 증발된 금속의 경로에 커버슬립을 배치할 때 샘플에 금속이 증착되지 않습니다.
    7. 셔터를 열어 증착을 시작하고 센서에 표시된 두께를 모니터링합니다. 증착 센서에 의해 결정된 대로 원하는 두께(Cu의 경우 1nm)에 도달하면 셔터를 닫습니다.
    8. 센서가 0A에 가까워지지만 전류가 도가니를 볼 수 있을 만큼 충분히 높을 때까지 전자빔의 전류를 점차적으로 감소시킵니다.
    9. 플래튼의 위치를 225°로 설정하고 셔터를 열어 도가니를 볼 수 있도록 합니다.
    10. 손잡이를 사용하여 도가니 홀더를 돌려 빔이 Ag 펠릿으로 도가니를 향하도록 합니다.
    11. Ag 속성을 센서의 응용 프로그램에 로드합니다. 1.2.6 – 1.2.7 단계를 반복하되 Ag에 대해 20Å/s의 증착 속도와 25nm의 두께를 사용합니다.
    12. 전류를 0A로 서서히 낮추고 전자빔과 차단기를 끕니다. 플래튼의 위치를 180°로 설정하고 진공 챔버를 환기시킵니다. 진공 챔버를 엽니다.
    13. 커버슬립은 이전과 같은 위치에 있어야 하며 이물질이나 먼지 입자가 없고 거울처럼 보여야 합니다. 내열 접착 테이프를 천천히 조심스럽게 제거합니다.
      알림: 플래튼 표면과 평행하게 테이프를 뒤로 당깁니다. 커버슬립이 파손될 위험이 있습니다. 필름은 균질하고 부분적으로 투명해야 합니다( 그림 2A 참조).
  3. Ag 박막을 아래에 설명된 대로 Nile Blue 용액으로 배양합니다.
    1. Ag 박막 표면에 50μL의 50μM NB 용액을 추가합니다.
    2. 15분 후 Ag 박막을 초순수로 완전히 헹구어 약하게 흡착된 NB 분자를 제거합니다. Ag 박막을N2 가스로 건조시킨다.
    3. NB 배양 된 Ag 박막 상에 Ag 나노 입자를 드롭 캐스트합니다. Ag 나노 입자 콜로이드의 100x 희석액 500 μL를 NB 용액을 드롭 캐스팅하고 배양 한 Ag 박막의 동일한 영역에 첨가합니다.
      주의 : 금속 나노 입자는 인체에 독성이 있습니다. 통풍이 잘되는 곳에서 장갑과 고글을 사용하여 다루십시오.
    4. 20분 후 초순수(갭 모드 SERS) 기판을 헹굽니다. 기판을N2 가스로 건조시킨다.

2. 갭 모드 SERS 기판 특성화

  1. 자외선-가시광선 분광법
    1. 전원 버튼을 눌러 악기를 켭니다. 바탕 화면에서 바로 가기를 두 번 클릭하여 스캔 소프트웨어를 실행합니다.
    2. 설정을 클릭하여 설정 창을 엽니다. Y 모드에서 모드 드롭다운 메뉴를 클릭하고 %T를 선택하여 투과율을 측정합니다. X 모드에서 Start(시작)를 800으로, Stop(중지)을 200으로 변경하여 800nm에서 200nm로 스캔합니다.
    3. 베이스라인(Baseline) 탭에서 베이스라인 수정(Baseline correction) 라디오 버튼을 선택하고 설정 창을 닫습니다. 베이스라인(Baseline)을 클릭하여 대기로 배경 보정을 수행합니다.
    4. 시료 구획을 엽니다. Ag 필름의 한쪽 끝을 빔 경로에 수직으로 샘플 홀더에 테이프로 붙입니다.
    5. Start( 시작 )를 클릭하여 샘플에서 투과율 스펙트럼을 얻습니다.
  2. 원자력 현미경(AFM) 측정
    1. AFM을 컴퓨터에 연결하고(USB 포트 사용) AFM 기기의 전원을 켠 다음 Nanosurf Easyscan 2를 실행합니다.
    2. s에서 AFM 헤드(밑면에 AFM 캔틸레버가 있음)를 부드럽게 제거합니다.ample stage, 그리고 거꾸로 놓아둡니다.
    3. 테이프를 사용하여 Ag 박막 기판을 샘플 스테이지에 고정합니다. 샘플 단계 위에 AFM 헤드를 놓습니다. AFM 헤드가 s와 평행한지 확인하십시오.ample stage(레벨 표시기가 있는 모니터). AFM 헤드와 샘플이 수평이 아닌 경우tage, 수평 조절 나사를 사용하여 s를 조정합니다.tage 수평 조절 기포를 레벨 표시기 내부의 중앙에 배치합니다.
    4. 측면 및 상단 사용 view 소프트웨어에서 s를 부드럽게 움직입니다.ample stag접촉 없이 AFM 헤드(AFM 캔틸레버)에 최대한 가까이 stag이. 샘플 stage가 AFM 헤드의 AFM 캔틸레버에 닿지 않도록 합니다.
    5. Acquisition 탭에서 Phase Contrast를 이미징 모드로 선택하고 PPP-XYNCHR을 캔틸레버 유형으로 선택합니다. Laser Align(레이저 정렬)을 클릭하여 레이저가 캔틸레버 팁에 초점을 맞추고 팁에서 반사된 빔이 포토다이오드 검출기의 중앙에 부딪히도록 합니다.
    6. 주파수 스윕 버튼을 클릭하여 AFM 소프트웨어로 캔틸레버의 공진 진동 주파수를 측정하고 주파수 곡선이 종 모양인지 확인합니다. 접근을 클릭하여 Ag 박막 표면에 캔틸레버 팁을 착지합니다.
    7. 이미징 마법사에서 이미징 크기를 10.8 μm x 10.8 μm로 선택하고 스캔 속도를 0.5 s/line으로 선택합니다. Z-컨트롤러에서 50%의 설정값, 2,500의 P-게인, 2,500의 I-게인을 사용합니다. 모드 속성에서 300mV의 자유 진동 진폭을 사용합니다.
    8. 시작을 클릭하여 이미지를 획득합니다. 이미지를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 저장하고 복사를 선택한 다음 이미지 프로세서에 붙여넣습니다.
    9. AFM 소프트웨어에서 처리할 이미지를 클릭하여 선택합니다. 분석( Analysis ) 탭에서 각각 선 거칠기 계산(Calculate Line Roughness ) 및 면적 계산(Calculate Area)을 클릭하여 영역 및 선 거칠기 분석을 수행합니다.
    10. Withdraw(철회)를 클릭하여 Ag 박막 표면에서 캔틸레버 팁을 빼냅니다. 샘플 스테이지를 팁에서 멀리 이동시켜 측면 및 상단 뷰를 사용하여 움직임을 모니터링합니다. 샘플을 제거합니다.
  3. 주사전자현미경(SEM) 측정54
    1. 30 μL의 As-received-received Ag 나노 입자 콜로이드를 Si 웨이퍼에 떨어 뜨리고 완전히 자연 건조시킨다. 양면 전도성 테이프를 사용하여 샘플 스텁에 Si 웨이퍼를 고정합니다.
    2. 기기의 사용자 인터페이스를 사용하여 SEM 챔버를 환기시킵니다. SEM 챔버를 밀어서 열고 stub을 s의 구멍 중 하나에 장착합니다.tag이자형.
    3. SEM 챔버를 닫고 기기의 사용자 인터페이스를 사용하여 SEM 챔버를 펌핑합니다.
    4. 전자빔 건에서 약 10mm 떨어진 곳에 샘플을 배치합니다. 기기의 사용자 인터페이스를 사용하여 전자빔을 켭니다.
    5. 스폿 크기가 6이고, 빔 전류가 25pA이며, 고전압이 5kV인 Everhart-Thornley 검출기를 사용하여 샘플을 이미징합니다.
    6. 전자총의 관심 영역을 두 번 클릭하면 전자빔이 자동으로 정렬됩니다. 기기의 사용자 인터페이스를 사용하여 3,500x 배율로 이미징을 수행합니다(그림 3A).
    7. 이미징이 완료되면 전자빔을 끄고 샘플을 전자빔 총에서 최소 20mm 떨어진 곳으로 이동합니다.
    8. SEM 챔버를 환기시킵니다. SEM 챔버를 밀어 열고 s를 제거합니다.amps에서 스텁 stag이자형. SEM 챔버를 닫고 기기의 사용자 인터페이스를 사용하여 펌프를 내립니다.

3. 전기화학 전지의 제조

  1. 아래 설명과 같이 유리관 절단기로 유리관을 절단하여 5cm 길이의 유리 우물을 얻습니다.
    1. 유리관 절단기의 체인을 튜브 주위에 감습니다. 체인의 마지막 부분을 공구의 다른 쪽에 부착합니다.
    2. 한 손으로 공구의 손잡이를 잡습니다. 다른 손으로 유리관을 잡습니다. 체인의 바퀴가 유리를 자르기 시작하도록 유리관을 계속 돌립니다.
    3. 핸들에 점차적으로 더 많은 힘을 가하여 도구를 부드럽게 쥐십시오. 소리가 미끄러짐에서 긁힘으로 바뀌면 유리 조각(우물)이 유리관에서 분리되려고 할 때입니다.
    4. 유리의 깨진 끝을 120방 (또는 더 거친) 사포로 매끄럽게 만듭니다. 220방 (또는 더 미세한) 사포로 광택하십시오.
  2. 아래 설명된 대로 다이아몬드 스크라이브로 갭 모드 기판을 자릅니다.
    1. 갭 모드 기판을 평평한 표면에 놓습니다. 기판 표면에 가벼운 압력을 가하면서 갭 모드 기판의 중간에서 다이아몬드 스크라이브를 위아래로 움직입니다.
    2. 스크래치가 보이면 수동으로 기판을 두 조각으로 나눕니다.
  3. 아래 설명된 대로 절단된 유리 웰(3.1단계에서)을 기판 표면에 부착합니다.
    1. 작은 알루미늄 호일 시트에 두 부분으로 된 에폭시 수지를 분배합니다. 교반 스틱 또는 피펫 팁을 사용하여 제품을 혼합하십시오.
    2. 유리 웰의 하단 테두리에 혼합물을 바릅니다. 셀의 내부로 수지가 퍼지는 것을 최소화하기 위해 절단 된 유리의 테두리를 잘 덮기 위해 가능한 최소한의 혼합물을 도포하십시오.
    3. 유리를 갭 모드 기판의 표면에 잘 붙입니다. 나머지 혼합 제품을 기판과 만나는 웰 외부에 도포하여 유리 웰 내부에 부은 용액의 누출 가능성을 제거합니다( 그림 4A 참조).
    4. 에폭시 경화를 방해하지 않고 5분 동안 그대로 두십시오.
  4. 아래 설명된 대로 갭 모드 SERS 기판에 전기 연결을 연결합니다.
    1. 5cm 길이의 구리선을 구합니다. 작은 알루미늄 호일 시트에 2액형 전도성 에폭시 수지를 분배합니다. 구리선을 사용하여 제품 구성 요소를 혼합하십시오.
    2. 기판 표면에 와이어를 부착합니다(웰 외부에 있지만 전도성 Ag 박막에 부착됨, 그림 4A 참조). 전도성 에폭시가 권장 시간 동안 방해받지 않도록 하십시오.
      참고: Ag 필름 기판의 열 어닐링을 최소화하기 위해 전도성 에폭시를 실온에서 경화시키는 것이 좋습니다.

4. 벌크 순환 전압전류법 측정

  1. 10mL의 0.5mM NB와 0.1M 인산염 완충액(pH = 5)을 20mL 비커에 추가합니다. 기계적으로 연마된 Ag 디스크 전극, Pt 와이어 및 Ag/AgCl(3M KCl) 전극을 전해질 용액에 삽입합니다.
  2. 각 전극을 해당 전위차 클립에 부착합니다(전위차 조절기 제조업체에서 결정). 전극이 서로 접촉하지 않도록 하십시오.
  3. 50 mV/s의 스캔 속도로 0 - −0.6 V의 순환 전압전류법(CV)을 수행합니다.

5. 단일 나노 입자 전기 화학 SERS 현미경 및 분광학 측정

  1. 갭 모드 SERS 기판을 이용하여 제조된 전기화학 전지를 도립 광학 현미경의 스테이지 위에 올려놓는다.
  2. 기판의 가장자리를 현미경 스테이지에 테이프로 붙여서 전지를 전위차에 연결하는 와이어의 장력으로 인해 분광전기화학적 측정 중에 움직이지 않도록 합니다( 그림 4B 참조).
  3. Ag/AgCl(3M KCl) 기준 전극을 집에서 만든 스탠드에 놓고 전극 홀더 스탠드의 나사를 조여 위치를 고정합니다.
  4. 기준 전극을 전위차 조절기의 기준 전극 악어 클립(흰색)에 끼웁니다. Pt 와이어 카운터 전극을 전위차 조절기의 카운터 전극 악어 클립(빨간색)에 끼웁니다. Ag 필름에 부착된 Cu 와이어를 전위차 조절기의 작동 전극 악어 클립(녹색)에 끼웁니다.
  5. 악어 클립과 함께 Pt 와이어를 전극 홀더에 삽입하고 나사를 조여 위치를 고정합니다.
  6. 전극 홀더를 전기화학 전지 위에 놓아 전지에 전극을 삽입합니다. 전극이 Ag 필름에 닿지 않도록 주의하십시오. 이것은 단락을 형성할 뿐만 아니라 필름을 손상시킬 수도 있습니다.
  7. 분광계와 EMCCD 카메라를 켜고 "LightField" 소프트웨어를 실행합니다.
  8. 642nm 레이저를 켜고 레이저를 500μW의 출력으로 조정합니다.
    주의 : 레이저 광선에 노출되면 눈과 피부에 영구적인 손상을 줄 수 있습니다. 해당 국가/지역의 관련 공식 규제 기관의 안전 지침을 참조하고 따르십시오.
  9. 대물렌즈에 침지 오일 한 방울을 추가합니다. 포커스 노브를 움직여 오일이 기판 바닥에 닿을 때까지 대물렌즈를 조심스럽게 올립니다.
    알림: 셀이 테이프로 고정되어 있기 때문에 대물렌즈를 기판에 강제로 올리면 셀이 파손되거나 대물렌즈가 손상될 수 있습니다.
  10. 갭 모드 SERS 기판의 표면에 레이저를 집중시킵니다. 갭 모드 SERS 기판(유리 웰로 덮음)을 스캔하여 현미경 스테이지를 이동하여 분리된 도넛 모양의 NB SERS 방출 패턴을 검색합니다( 그림 5A 참조).
    알림: NB의 농도가 낮을수록 도넛 모양의 방출 패턴을 찾기가 더 어려워지지만 최종 도넛 모양의 방출 패턴이 분리될 가능성이 높아집니다. 커피 링은 시작하기에 좋은 곳이며, 갭 모드 SERS 기판의 NB 및 Ag 나노 입자 배양 영역에 대해 안쪽으로 이동할 수 있습니다. 카메라(다음 단계 참조)는 갭 모드 SERS 기판 주변을 스캔할 때 사람의 눈보다 빛에 더 민감하기 때문에 이 프로세스에 유용합니다.
  11. 현미경 전화 어댑터에 전화기를 연결합니다. 휴대폰의 카메라를 어댑터의 렌즈에 맞추려면 휴대폰의 카메라 응용프로그램을 켜고 렌즈를 통해 볼 수 있도록 장치의 위치를 변경합니다.
  12. 현미경의 접안렌즈 중 하나를 제거하고 그 자리에 어댑터를 삽입합니다. 카메라 응용 프로그램에서 모드를 비디오로 변경하고 가능한 한 많이 확대합니다. 도넛 모양의 방출 패턴을 명확하게 볼 수 있습니다.
  13. 도넛 모양의 방출 패턴이 명확하게 발견되면 현미경의 광 전환 레버를 움직여 방출된 빛을 분광계로 향하게 합니다.
  14. LightField의 실험(Experiment) 탭에서 공통 획득 설정(Common Acquisition Settings) 을 클릭하고 노출 시간(Exposure Time) 을 0.1초로, 저장할 프레임(Frames to Save) 을 50으로 조정합니다. 데이터 내보내기에서 수집된 데이터 내보내기를 선택하고 파일 형식을 CSV(.csv)로 변경합니다.
  15. Regions of Interest( 관심 영역)에서 Custom Regions of Interest(사용자 지정 관심 영역 ) 라디오 버튼을 선택합니다. ROI 편집을 클릭하고 새 창에서 X, Y, W, H 값을 변경하여 도넛 모양의 방출 주위에 25픽셀 x 25픽셀 ROI를 생성합니다.
  16. 분광계에서 600g/mm, 750nm 블레이즈 격자를 선택합니다. 중심 파장을 642nm로 변경합니다. Acquire(획득)를 클릭하여 측정을 시작합니다.
  17. 수집이 완료되면 데이터 탭으로 이동합니다. 마지막으로 수행한 실험을 열고 프로세스를 클릭한 다음 프레임 조합을 클릭합니다.
  18. 결합된 스펙트럼에서 가장 높은 강도가 관찰되는 레이저 파장을 기록해 둡니다.
  19. 실험으로 돌아가서 분광계에서 nm을 클릭합니다. 팝업 창에서 측정 모드를 상대 파수로 변경하고 측정된 레이저 파장을 상자에 입력합니다. 스톡스 시프트 라만 산란을 약 400/cm에서 1,600/cm로 감지하기 위해 격자 위치를 1,000/cm로 변경합니다.
  20. 0.1초의 노출 시간을 사용하여 최소 50프레임의 NB SERS 스펙트럼을 수집하고 합산합니다( 그림 5C 참조). 방출이 NB에서 발생하는지 확인하기 위해 592/cm에서 강한 피크를 찾으십시오( 그림 5C 참조)52. 배경 신호를 보상하기 위해 도넛 모양의 방출 패턴(방출이 없는 영역)에 인접한 영역의 SERS 스펙트럼을 취합니다.
  21. 레이저 광을 도넛 모양의 방출 패턴에 집중시키면서 5mL 조절식 피펫을 사용하여 0.1M 인산염 완충 용액(pH = 5) 3mL를 전기화학 셀에 추가합니다.
    참고 : 전해액이 첨가되면 도넛 모양의 방출 패턴이 사라질 수 있으며 광축에서 벗어난 단일 나노 입자의 쌍극자 모드가 전해질 및 용매 분자의 SERS 스펙트럼을 방출하기 때문에 고체 방출 패턴이 나타날 수 있습니다.
  22. 필요한 경우 초점을 다시 맞추고 레이저 광이 여전히 방출 패턴에 초점을 맞추고 있는지 확인합니다.
  23. 전위차 조절기의 소프트웨어에서 Ag/AgCl(3M KCl) 및 50mV/s의 스캔 속도에 대해 0에서 -0.6V까지 최소 3개의 주기로 주기적 전압암광 실험을 준비합니다. 스펙트럼 및 전기화학적 데이터 수집을 동기화하기 위해, 분광계의 스펙트럼 획득에 의해 트리거되도록 전위차기를 구성하십시오.
  24. CV 및 SERS 실험을 동시에 실행합니다. NB SERS 스펙트럼은 갭 모드 SERS 기판에 적용된 전위에 의해 변조되어야 합니다( 그림 6B 참조).
  25. 빛이 휴대폰 카메라로 향하도록 조명 전환 레버를 움직입니다. 비디오 녹화를 시작하고 설명된 대로 CV 실험을 실행합니다. SERS 이미지 강도는 갭 모드 SERS 기판에 적용된 전위에 따라 변조되어야 합니다( 그림 6A의 삽입 참조).

6. 이미징 분석

  1. 수집된 이미지를 처리하여 아래 설명된 대로 선명도와 대비를 향상시킵니다.
    참고 : 이미지 처리는 Python의 OpenCV 라이브러리를 사용하여 수행되었으며 스크립트는 GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers)에서 사용할 수 있습니다.
    1. 이미지를 잘라 대부분의 빈 공간을 제거하고 방출 패턴을 중심으로 가운데에 배치합니다.
    2. 프레임의 녹색 및 파란색 채널을 삭제합니다. 프레임의 가우시안 흐림 마스크를 빼서 선명도를 높입니다.
    3. 전원 상승 연산자로 동적 범위 확장으로 대비를 높입니다.
  2. 아래 설명과 같이 ImageJ를 사용하여 이미지에 스케일 막대를 추가합니다.
    1. 휴대폰 카메라 어댑터를 사용하여 현미경 보정 슬라이드와 같이 알려진 치수로 물체를 이미지화합니다.
    2. ImageJ를 사용하여 수집된 이미지를 로드합니다. 알려진 치수로 이미지화된 개체의 영역에 세그먼트를 그립니다.
    3. 배율 설정(즉, 단위 거리당 픽셀 수)은 Set Scale 함수를 사용하여 그려진 세그먼트의 길이를 기준으로 합니다. 배율 도구를 사용하여 배율을 추가합니다.

7. 나노 입자 크기 분석

  1. SEM 이미지를 ImageJ에 로드합니다. 측량기에서 제공하는 스케일 바에 세그먼트를 그리고 스케일 설정 기능을 사용하여 설정합니다.
  2. 이미지 > 유형 > 16비트로 이동합니다. Image(이미지)로 이동하여 Adjust > Auto(자동 임계값> 조정합니다. 드롭다운 메뉴에서 기본값을 선택합니다.
  3. 직사각형 도구를 사용하여 단일 나노 입자가 아닌 피쳐를 선택하고 삭제합니다.
  4. 파티클 분석 도구를 사용합니다. 원형을 가정하여 얻은 영역을 가진 입자의 직경을 계산합니다.

8. 분광 전기 화학 데이터 분석

  1. 수집된 스펙트럼 데이터에 대해 배경 보정을 수행합니다. MATLAB에서 데이터 처리 및 플로팅을 수행합니다. 스크립트는 앞에서 언급한 것과 동일한 GitHub 리포지토리에서 사용할 수 있습니다.
  2. 세 가지 다른 배경 실험(SERS 방출 패턴과 함께 수집된 스펙트럼 데이터)의 스펙트럼 데이터를 평균화합니다. 샘플의 스펙트럼에서 평균 배경 스펙트럼을 뺍니다.
  3. 0부터 총 실험 시간(순환 전압전류법)까지의 시간 배열을 생성하며, 여기서 간격은 노출 시간, EMCCD 판독 시간, 셔터 개폐 시간의 합입니다.
  4. 레이저 파장을 사용하여 파장 측정값을 라만 시프트로 변환합니다.
  5. MATLAB의 메쉬 함수를 사용하여 폭포수 플롯을 생성하며, 여기서 X는 라만 편이, Y는 시간, Z는 강도입니다.

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Representative Results

도 2A 는 전자빔 금속 증착 시스템을 이용하여 제조된 Ag 박막 기판을 나타낸다. 그림 2A 에 표시된 "양호한" 기판은 유리 커버슬립 위에 Ag 금속의 균일한 커버리지를 갖는 반면, "나쁜" 기판은 Ag의 불균일한 커버리지를 갖습니다. "좋은" Ag 박막의 자외선-가시광선 스펙트럼은 도 2B에 도시되어 있으며, 이는 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분에 대해 필름이 부분적으로 투명하다는 것을 보여준다. "좋은" Ag 박막 기판은 현재 프로토콜에서 분광전기화학 실험에 사용되는 642nm 레이저 광에 대해 34%의 광학 투명도를 가지고 있습니다. 도 2C 는 "양호한" 기판의 10.8 μm x 10.8 μm 영역의 대표적인 AFM 이미지를 나타낸다. 대표 영역의 제곱 평균 제곱근 거칠기 값은 0.7 nm이며, 이는 Ag 박막이 원자 적으로 평활하다는 것을 나타낸다. Ag 박막 기판의 높이 변화는 그림 2D에 표시된 라인 프로파일로 표시되며, 이는 박막의 균일성과 평활도를 더욱 보여줍니다.

도 3A 는 Si 웨이퍼 상에서 Ag 나노 입자 드롭 캐스트 및 공기 건조의 대표적인 SEM 이미지를 나타낸다. 243 개의 나노 입자의 분석에서,이 프로토콜에 사용 된 Ag 나노 입자의 평균 직경은 79.2 nm ± 8.4 nm이었다. 상이한 크기의 Au 또는 Ag 나노 입자도 사용될 수 있다는 점에 유의해야한다55. 또한 이 프로토콜은 고단분산 나노입자를 사용하지만 이 프로토콜을 통해 단일 나노입자를 측정할 수 있으므로 분산 요구 사항이 없습니다. 갭 모드 SERS 기판을 구성하기 위해 이 작업에서 Ag 나노입자를 이전에 NB와 함께 배양된 Ag 박막 기판의 표면에 증착했습니다(그림 3B).

갭 모드 SERS 기판을 사용하여 도 4A에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지를 구성하였다. 전기화학 전지를 현미경 스테이지에 고정시키고 도 4B에 도시된 바와 같이, 전위차 조절기에 연결하였다. 도립 광학 현미경에 장착된 전기화학 셀을 사용하여 642nm 레이저를 에피 조명 형상의 갭 모드 SERS 기판 작동 전극에 초점을 맞췄습니다. 공기 중의 Ag 박막 상의 개별 Ag 나노입자는 도 5A에 도시된 바와 같이, 도넛 모양의 방출 패턴에 의해 명확하게 식별될 수 있다. 이러한 도넛 모양의 방출 패턴은 개별 Ag 나노 입자(49)를 식별하기위한 서명으로 안정적으로 사용될 수 있습니다. 하나 이상의 나노입자(이량체, 삼량체 또는 다량체)가 조명 체적에 존재하는 경우, 도 5B에 도시된 바와 같이, 고체 방출 패턴이 관찰된다. 전해질 용액의 도입시, 도넛형 방출 패턴은 전형적으로 고체 방출 패턴으로 변환된다. 그 이유는 단일 나노 입자 내의 쌍극자 플라즈몬 모드 (광축과 정렬되지 않음)가 용매 및 전해질 분자로부터 모든 방향으로 방출을 방출하기 때문입니다. 따라서, 방출 패턴은 나노입자-기질 갭으로부터의 고각 NB SERS 방출과 전해질 및 용매 분자로부터의 저각 SERS 방출의 중첩이다. 전해액을 제거하면 도넛 모양의 방출 패턴이 복구됩니다. 이 프로토콜에서는 SERS 이미징으로 단일 나노 입자를 식별한 후 SERS 분광법을 사용하여 산화 환원 프로브 분자를 식별합니다. 도 5C 의 SERS 스펙트럼은 도 5A에 도시된 도넛형 방출 패턴에 대응한다. 진동 모드는 NB 분자에 대한 지문을 나타냅니다.

도 6A 는 Ag 디스크 작동 전극 및 Pt 와이어 상대 전극을 사용하여 얻어진 인산염 완충액(pH = 5) 중 NB의 대표적인 순환 전압전류그램을 표시한다. 단일 나노 입자의 분광 전기 화학 측정 전에 프로브 분자 (이 경우 NB)의 앙상블 산화 환원 거동을 이해하기 위해 순환 전압 전류도를 얻습니다. 이 작업에서, 인가 전위가 0에서 -0.6 V로 스윕됨에 따라, Ag / AgCl (3 M KCl)에 비해 -0.27 V에서 음극 피크가 관찰되었다. 전위가 0V로 다시 스윕됨에 따라 -0.21V에서 양극 피크가 관찰되었습니다. 동일한 적용 전위 범위가 도 6B에 나타낸 바와 같이 분광전기화학적 측정에 사용되었다. 도넛 모양의 방출 패턴을 나타내는 단일 Ag 나노 입자를 확인한 후, 전해질 용액을 전기 화학 전지에 피펫 팅했다. 레이저 조명 하에서, SERS 스펙트럼은 적용된 전위가 50 mV / s의 스캔 속도에서 0에서 -0.6 V 사이를 스윕 할 때 연속적으로 수집되었다 (그림 6B). Ag 나노 입자와 Ag 막 사이의 갭 안팎의 NB 분자는 전기 화학적으로 감소 (오프 상태)되었고, SERS 스펙트럼의 폭포 플롯 ( 그림 6A의 삽입)에서 볼 수 있듯이 SERS 강도가 감소했습니다. 인가 전위가 -0.6V에서 0V로 스윕됨에 따라 NB 분자가 전기화학적으로 산화됨에 따라(온 상태) SERS 강도가 증가했습니다. SERS 신호의 변조는 단일 나노 입자에서 NB의 환원 및 산화 전위를 결정하는 방법을 나타냅니다. 다른 전기화학적 기술은 산화환원 반응을 추가로 특성화하기 위해 전압전류법을 대체할 수 있습니다. 그림 7A 는 작동 전극의 전위가 -0.4V로 스텝되었을 때 NB로부터의 SERS 응답을 보여줍니다(즉, 크로노암페로메트리). 전극 전위가 -0.4V로 강압되면 NB의 감소로 인해 SERS 신호가 감쇠됩니다. 이 분광 전기 화학 기술을 통해 단일 나노 입자 수준에서 산화 환원 반응의 일시적인 거동을 조사 할 수 있습니다. 그림 7B 는 592/cm 피크 아래 영역의 감쇠에 의해 입증된 바와 같이 적용된 전기 바이어스의 크기에 의해 환원 역학이 어떻게 변경되었는지 보여줍니다. 흥미롭게도, 정규화된 영역의 급격한 변화는 확률적 사건이 이 규모에서 어떻게 더 큰 역할을 하는지 보여줍니다. 기존의 전압전류법 및 크로노암페로메트리에서 입증된 바와 같이, 이 기사에 설명된 프로토콜을 통해 연구자들은 단일 나노입자에서 분자가 전기화학적으로 환원되거나 산화될 때 분자의 진동 모드를 추적할 수 있습니다. 또한, 단일 나노 입자 표면의 분자에 대한 진동 분석은 화학적 단계와 전기 화학적 단계 간의 구별을 허용하며, 이는 반응 메커니즘을 연구하는 데 유용합니다.

Figure 1
그림 1: 갭 모드 SERS 기판. 금속 거울 상에 개별 금속 나노입자를 배치하여 제조된 갭 모드 기판의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: Ag 박막 기판 특성화. (A) 전자빔 금속 증착 시스템에 의해 제조된 양호 및 불량 Ag 박막 기판의 디지털 사진. (B) 양호한 기판의 자외선-가시광선 투과율 스펙트럼. (C) 양호한 기판의 대표적인 10.8 μm x 10.8 μm 영역의 AFM 이미지. (D) (C)에 표시된 검은색 점선으로 표시된 AFM 이미지의 라인 프로파일. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3 : Ag 나노 입자 특성화. (A) Si 웨이퍼에서 캐스팅되고 공기 건조된 수성 Ag 나노입자 콜로이드 드롭 캐스트의 SEM 이미지. 나노 입자의 평균 직경은 79.2 nm이고 표준 편차는 8.4 nm입니다. (B) 갭 모드 SERS 기판의 개략도. 파란색 별은 NB 분자를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
도 4: 분광전기화학 전지의 제조. (a) 갭 모드 SERS 기판을 작동 전극으로 사용하여 제조된 대표적인 분광전기화학 전지. (B) 단일 나노 입자 전기 화학 분광법 및 현미경 실험을 위해 도립 광학 현미경 스테이지에 고정 된 분광 전기 화학 셀. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5 : Ag 박막 기판에서 단일 Ag 나노 입자 식별. (A) 신호가 개별 Ag 나노 입자에서 발생한다는 것을 나타내는 도넛 모양의 NB SERS 방출 패턴. (B) 신호가 하나 이상의 나노입자로부터 유래한다는 것을 나타내는 고체 NB SERS 방출 패턴. (C) (A)에 나타낸 도넛형 발광의 SERS 스펙트럼으로,NB52의 고리 변형 진동 모드로부터 592/cm에서의 특성 피크를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: NB의 전기화학 및 분광전기화학 . (A) Ag 디스크 작동 전극을 사용하여 0.1M 인산염 완충액(pH = 5)에서 0.5mM NB의 순환 전압암모그램. 삽입물은 NB 산화(하단 이미지) 및 환원(상단 이미지) 전위에서 갭 모드 SERS 기판의 개별 Ag 나노입자에 대한 NB의 전기화학적 SERS 이미지를 보여줍니다. 스케일 바는 300nm를 나타냅니다. (B) 갭 모드 SERS 기판 상의 단일 Ag 나노입자 상의 순환 전압전류법에 의한 NB SERS 스펙트럼의 전기화학적 변조. Pt 와이어와 Ag/AgCl(3M KCl) 전극을 각각 상대 전극과 기준 전극으로 사용했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: NB의 전위 단계 분광전기화학. (A) t = 0(점선)에서 0에서 -0.4V(Ag/AgCl 대비)까지의 전위 단계에 의한 NB SERS 스펙트럼의 전기화학적 변조. 592 / cm에서의 피크의 강도는 Ag 나노 입자 근처의 NB 분자의 감소로 인해 시간이 지남에 따라 감소한다. (B) 적용된 전위의 함수로서 592/cm 피크 아래 정규화된 영역의 과도 프로파일: -0.2V(파란색 곡선), -0.4V(녹색 곡선) 및 -0.6V(빨간색 곡선). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

깨끗한 커버슬립에 Cu 및 Ag 박막 금속 필름을 증착하는 것은 최종 필름의 거칠기가 2-4개의 원자층(또는 약 0.7nm 이하의 평균 제곱근 거칠기)을 갖도록 하는 데 중요합니다. 금속 증착 전에 커버슬립에 존재하는 먼지, 긁힘 및 파편은 도넛 모양의 방출 패턴을 생성하는 데 필요한 매끄러운 필름의 제작을 방해하는 일반적인 문제입니다. 따라서 금속 증착 전에 다른 용매에서 커버 슬립을 초음파 처리하고 가능하면 클린 룸에서이 공정을 수행하는 것이 좋습니다. 또한, 증착 절차에 세심한 주의를 기울여야 한다. 진공 챔버 내부의 모든 표면(팬 홀더 서랍 포함)과 팬은 먼지와 파편이 쌓이는 경향이 있으므로 청소해야 할 수 있습니다.

금속 증착 공정 동안 사용되는 높은 증착 속도는 증착된 필름이 원자적으로 매끄럽게 되도록 하지만 제어하기가 더 어려울 수도 있습니다. 필름 두께 센서를 잘못 판독하면 필름이 불균일하거나 지나치게 두껍거나 얇아질 수 있습니다. 금속 필름이 너무 얇 으면 연속적인 표면 대신 재료 섬이 증착 될 수 있습니다. 필름이 너무 두꺼우면 기판이 불투명해져서 여기광이 NB 분자를 효율적으로 여기시키는 것을 방지하고 방출광의 수집을 방해합니다. 이는 차례로 방법의 전체 감도를 감소시키고 낮은 신호 대 잡음비로 품질이 낮은 SERS 이미지 및 스펙트럼을 생성합니다. Ag 이전의 Cu의 증착은 후자의 금속의 접착에 중요하지만, 과도한 Cu를 증착하면 기판의 광학 투명도가 감소하는 반면, Cu의 양이 충분하지 않으면 유리 커버 슬립에서 Ag가 박리됩니다. 또한, 샘플 플래튼의 치수가 셔터의 치수보다 크면 셔터가 닫혀 있는 동안 증발된 금속이 커버슬립에 증착되어 그림 2A와 같이 기판의 불균일성이 발생할 수 있습니다.

NB 용액 및 Ag 나노 입자 현탁액의 농도 및 배양 시간은 양질의 갭 모드 SERS 기질을 생산하는 데 중요한 역할을 합니다. 프로토콜에서 권장하는 것보다 높은 농도의 NB 용액을 사용하거나 더 긴 배양 시간을 사용하면 높은 배경 신호가 발생할 수 있으므로 개별 Ag 나노 입자를 찾는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 반면에, 낮은 NB 용액 농도와 짧은 배양 시간은 Ag 박막에서 NB 분자의 낮은 커버리지로 이어질 것이며, 이는 단일 Ag 나노 입자를 식별하는 데 시간이 많이 소요되는 과정으로 만들 것입니다. 유사하게, 프로토콜에서 권장하는 것보다 높은 농도의 Ag 나노 입자 현탁액을 사용하거나 더 긴 배양 시간을 사용하면 Ag 박막에 Ag 나노 입자가 응집됩니다. 따라서 이러한 응집은 높은 비율의 고체 방출 패턴을 생성하는 SERS 기판과 단일 나노 입자로 식별 될 수있는 기판 부위의 수를 감소시킵니다. 대조적으로, 저농도 Ag 나노 입자 현탁액을 사용하거나 더 짧은 배양 시간은 Ag 나노 입자의 낮은 적용 범위를 초래할 것입니다. 이 경우 SERS 방출 패턴의 더 많은 부분이 단일 Ag 나노 입자에서 유래하지만 실험의 처리량은 감소합니다.

이 논문에 설명된 단일 나노입자 전기화학적 SERS 이미징 및 분광학 기술의 성공적인 구현을 위해서는 분광전기화학적 실험 설정에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 첫째, 도넛 모양의 방출 패턴을 사용하여 갭 모드 SERS 기판에서 단일 Ag 나노 입자를 식별하는 것이 설명 된 방법의 성공적인 사용을위한 핵심입니다. 광학 이미지의 100배 이상의 배율 및 높은 개구수(예를 들어, 1.45)를 갖는 현미경 대물렌즈는 일반적으로 도넛형 방출 패턴을 관찰하는 데 요구된다. 높은 개구수는 고각 방출을 수집하는 데 특히 중요합니다. 둘째, SERS 스펙트럼 수집을 전기화학 프로그램과 동기화하는 것이 중요합니다. 이 프로토콜에서는 트랜지스터-트랜지스터 로직 펄스가 분광계 검출기에서 전위차기로 전송되어 SERS 스펙트럼과 전기화학 데이터의 동시 수집을 트리거합니다. 또한 전압전류법에서 적용된 전위와 SERS 스펙트럼의 상관관계를 정확하게 파악하기 위해 검출기의 판독 시간을 고려해야 합니다.

진동 모드의 해석은 SERS 분광법의 중요한 구성 요소입니다. Ag는 산화물을 형성하는 경향이 있으며, 이는 연구56의 전기화학적 공정에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 프로토콜에서 SERS는 산화물 층을 검출하지 못했지만 장기간의 공기 노출 또는 산화 전위로 인해 Ag 미러 및/또는 나노 입자에 산화물이 형성됩니다. 산화물 층은 산화 환원 활성 분자의 흡착을 변경하여 진동 모드의 변화를 유도 할 수 있습니다. 현재 프로토콜에서 우리는 Si, Ag 막 또는 Ag 나노 입자에 흡착 된 NB 분자 사이의 진동 모드의 변화를 관찰하지 못했습니다. 우리는 또한 갭 모드 기판과 같은 플라즈몬 공명의 여기가 산화 환원 반응에 참여할 수 있는 비평형 고온 전자 및 핫 정공의 생성을 초래한다는 점에 주목합니다(57,58,59,60). 빛으로 유도된 고온 전하 캐리어의 간섭을 최소화하기 위해 낮은 조명 플루언스가 권장됩니다.

여기에 기술된 기술은 충돌 기반 전기화학(61,62,63), 주사 전기화학 현미경(64,65,66) 및 주사 전기화학 전지 현미경(67,68,69)과 같은 다른 단일 나노입자 기술의 한계를 해결할 수 있다. 이러한 전기화학적 기술을 사용하여 단일 나노입자의 전기화학적 반응을 측정할 수 있습니다. 그러나 반응물, 중간체 및 생성물에 대한 정체와 구조 정보를 직접 얻는 것은 불가능합니다. 이 프로토콜에 설명된 기술을 사용하면 단일 나노입자에 대한 전기화학 반응을 추적하고 진동 분광법을 통해 화학 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나 이 갭 모드 SERS 전기화학적 방법은 가시광선 여기 하에서 가장 많은 SERS 활성 금속인 Ag 및 Au를 사용하여 SERS 기판을 준비할 때 최상의 결과를 산출합니다. 이것은 기술에 사용할 수 있는 금속의 선택을 제한할 수 있습니다. 또한, 갭 모드 SERS는 단일 나노 입자에서 발생하는 전기 화학 공정에 대한 화학 정보를 제공하지만, 전류 응답이 전체 기판에 걸쳐 측정되기 때문에 앙상블 평균 전기 화학 정보 만 산출합니다. 그럼에도 불구하고, 본 논문에서 입증된 기술은 에너지 저장(70,71), 화학 공급원료 합성(72,73) 및 센서(74,75)에 중요한 전기촉매 반응 분야를 포함하여 전기화학의 다양한 영역에서 기본적인 기계론적 지식을 얻는데 사용될 수 있는 강력한 도구이다.

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Disclosures

저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgments

이 작업은 University of Louisville의 창업 자금과 Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award를 통한 Oak Ridge Associated Universities의 자금 지원으로 지원되었습니다. 저자는 그림 1의 이미지를 만들어 준 조기현 박사에게 감사를 표합니다. 금속 증착 및 SEM은 루이빌 대학의 마이크로/나노 기술 센터에서 수행되었습니다.

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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References

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

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화학 문제 195
Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy를 사용한 단일 나노입자의 전기화학 추적
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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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