Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Sporing av elektrokjemi på enkle nanopartikler med overflateforbedret Raman-spredningsspektroskopi og mikroskopi

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

Summary

Protokollen beskriver hvordan man overvåker elektrokjemiske hendelser på enkeltnanopartikler ved hjelp av overflateforsterket Raman-spredningsspektroskopi og avbildning.

Abstract

Å studere elektrokjemiske reaksjoner på enkeltnanopartikler er viktig for å forstå den heterogene ytelsen til individuelle nanopartikler. Denne nanoskala heterogeniteten forblir skjult under ensemble-gjennomsnittlig karakterisering av nanopartikler. Elektrokjemiske teknikker er utviklet for å måle strømmer fra enkeltnanopartikler, men gir ikke informasjon om strukturen og identiteten til molekylene som gjennomgår reaksjoner på elektrodeoverflaten. Optiske teknikker som overflateforsterket Raman-spredning (SERS) mikroskopi og spektroskopi kan oppdage elektrokjemiske hendelser på individuelle nanopartikler samtidig som de gir informasjon om vibrasjonsmodusene til elektrodeoverflatearter. I dette papiret er det demonstrert en protokoll for å spore den elektrokjemiske oksidasjonsreduksjonen av Nile Blue (NB) på enkelt Ag nanopartikler ved hjelp av SERS-mikroskopi og spektroskopi. Først beskrives en detaljert protokoll for fremstilling av Ag nanopartikler på en jevn og halvtransparent Ag-film. En dipolar plasmon-modus justert langs den optiske aksen dannes mellom en enkelt Ag nanopartikkel og Ag-film. SERS-utslippet fra NB festet mellom nanopartikkelen og filmen er koblet til plasmon-modus, og høyvinkelutslippet samles inn av et mikroskopmål for å danne et smultringformet utslippsmønster. Disse smultringformede SERS-utslippsmønstrene tillater entydig identifisering av enkeltnanopartikler på substratet, hvorfra SERS-spektrene kan samles inn. I dette arbeidet er det gitt en metode for å anvende SERS-substratet som en arbeidselektrode i en elektrokjemisk celle som er kompatibel med et invertert optisk mikroskop. Endelig vises sporing av elektrokjemisk oksidasjonsreduksjon av NB-molekyler på en individuell Ag nanopartikkel. Oppsettet og protokollen beskrevet her kan modifiseres for å studere ulike elektrokjemiske reaksjoner på individuelle nanopartikler.

Introduction

Elektrokjemi er en viktig målevitenskap for å studere ladningsoverføring, ladelagring, massetransport, etc., med applikasjoner i ulike disipliner, inkludert biologi, kjemi, fysikk og ingeniørfag 1,2,3,4,5,6,7 . Konvensjonelt innebærer elektrokjemi målinger over et ensemble - en stor samling av enkeltenheter som molekyler, krystallinske domener, nanopartikler og overflatesteder. Å forstå hvordan slike enkeltenheter bidrar til ensemble-gjennomsnittlige responser er imidlertid nøkkelen til å bringe frem nye grunnleggende og mekanistiske forståelser innen kjemi og relaterte felt på grunn av heterogeniteten til elektrodeoverflater i komplekse elektrokjemiske miljøer 8,9. For eksempel har ensemblereduksjon avslørt stedsspesifikke reduksjons-/oksidasjonspotensialer10, dannelsen av mellomprodukter og mindre katalyseprodukter 11, stedsspesifikk reaksjonskinetikk 12,13 og ladningsbærerdynamikk 14,15. Å redusere ensemblegjennomsnitt er spesielt viktig for å forbedre vår forståelse utover modellsystemer til anvendte systemer, som biologiske celler, elektrokatalyse og batterier, hvor omfattende heterogenitet ofte finnes 16,17,18,19,20,21,22.

I det siste tiåret eller så har det vært en fremvekst av teknikker for å studere enkeltenhetselektrokjemi 1,2,9,10,11,12. Disse elektrokjemiske målingene har gitt mulighet til å måle små elektriske og ioniske strømmer i flere systemer og avslørt nye grunnleggende kjemiske og fysiske egenskaper 23,24,25,26,27,28. Elektrokjemiske målinger gir imidlertid ikke informasjon om identiteten eller strukturen til molekyler eller mellomprodukter på elektrodeoverflaten 29,30,31,32. Kjemisk informasjon ved elektrode-elektrolyttgrensesnittet er sentralt for å forstå elektrokjemiske reaksjoner. Grenseflatekjemisk kunnskap oppnås vanligvis ved å koble elektrokjemi med spektroskopi31,32. Vibrasjonsspektroskopi, som Raman-spredning, er godt egnet til å gi komplementær kjemisk informasjon om ladningsoverføring og relaterte hendelser i elektrokjemiske systemer som hovedsakelig bruker, men ikke er begrenset til, vandige løsningsmidler30. Sammen med mikroskopi gir Raman-spredningsspektroskopi romlig oppløsning ned til diffraksjonsgrensen for lys33,34. Diffraksjon gir imidlertid en begrensning fordi nanopartikler og aktive overflatesteder er mindre i lengde enn optiske diffraksjonsgrenser, noe som dermed utelukker studiet av individuelle enheter35.

Overflateforbedret Raman-spredning (SERS) har vist seg å være et kraftig verktøy for å studere grenseflatekjemi i elektrokjemiske reaksjoner 20,30,36,37,38. I tillegg til å gi vibrasjonsmodusene til reaktantmolekyler, løsningsmiddelmolekyler, tilsetningsstoffer og overflatekjemiene til elektroder, gir SERS et signal som er lokalisert til overflaten av materialer som støtter kollektive overflateelektronoscillasjoner, kjent som lokaliserte overflateplasmonresonanser. Eksitasjonen av plasmonresonanser fører til konsentrasjonen av elektromagnetisk stråling på overflaten av metallet, og øker dermed både lysstrømmen til og Raman-spredningen fra overflateadsorbater. Nanostrukturerte edelmetaller som Ag og Au brukes ofte plasmoniske materialer fordi de støtter synlige lysplasmonresonanser, som er ønskelige for å oppdage utslipp med svært følsomme og effektive ladningskoblede enheter. Selv om de største forbedringene i SERS kommer fra aggregater av nanopartikler39,40, er det utviklet et nytt SERS-substrat som tillater SERS-målinger fra individuelle nanopartikler: gap-modus SERS-substrat (figur 1) 41,42. I gap-mode SERS-substrater fremstilles et metallisk speil og belegges med en analytt. Deretter spres nanopartikler over substratet. Når det bestråles med sirkulært polarisert laserlys, begeistres en dipolar plasmonresonans dannet ved kobling av nanopartikkelen og substratet, noe som muliggjør SERS-målinger på enkeltnanopartikler. SERS-utslipp er koblet til den dipolare plasmonresonansen43,44,45, som er orientert langs den optiske aksen. Med parallell justering av den utstrålende elektriske dipolen og samlingsoptikken oppsamles bare høyvinkelutslipp, og danner dermed distinkte smultringformede utslippsmønstre46,47,48,49 og tillater identifisering av enkeltnanopartikler. Aggregater av nanopartikler på substratet inneholder utstrålende dipoler som ikke er parallelle med den optiske akse50. I sistnevnte tilfelle samles lavvinklede og høyvinklede utslipp og danner solide utslippsmønstre46.

Her beskriver vi en protokoll for fremstilling av gap-mode SERS-substrater og en prosedyre for å bruke dem som arbeidselektroder for å overvåke elektrokjemiske redokshendelser på enkle Ag-nanopartikler ved bruk av SERS. Det er viktig at protokollen ved hjelp av gap-modus SERS-substrater muliggjør entydig identifisering av enkeltnanopartikler ved SERS-avbildning, noe som er en sentral utfordring for dagens metoder i enkeltnanopartikkelelektrokjemi. Som et modellsystem demonstrerer vi bruken av SERS for å gi en avlesning av den elektrokjemiske reduksjonen og oksidasjonen av Nile Blue A (NB) på en enkelt Ag nanopartikkel drevet av en skanning eller trappet potensial (dvs. syklisk voltammetri, kronoamperometri). NB gjennomgår en multi-proton, multi-elektron reduksjon / oksidasjonsreaksjon der dens elektroniske struktur moduleres ut av / i resonans med eksitasjonskilden, noe som gir en kontrast i de tilsvarende SERS-spektrene 10,51,52. Protokollen beskrevet her gjelder også for ikke-resonante redoksaktive molekyler og elektrokjemiske teknikker, som kan være relevante for applikasjoner som elektrokatalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forberedelse av SERS-substrat i gap-modus

  1. Rengjør nr. 1 dekksedler (se materialfortegnelse) ved hjelp av en aceton- og vannvask, som beskrevet nedenfor. Utfør dette trinnet i et renrom for å sikre at ingen rusk eller annet uønsket materiale blir avsatt på dekslene.
    1. Plasser dekksedlene i et lysbildestativ. Bruk pinsett når du flytter deksler/underlag. Plasser skyvestativet i en glassbeholder, og fyll det med aceton.
      FORSIKTIG: Aceton er svært brannfarlig og har potensielle negative helseeffekter. Håndter det i et godt ventilert område ved hjelp av hansker, vernebriller og en maske.
    2. Juster strømkontrollen til ultralydgeneratoren til 8, og soniser glassbeholderen med skyvestativet i 15 minutter.
    3. Fjern skyvestativet fra beholderen, og skyll glidestativet og dekslene grundig med ultrarent (resistivitet på 18,2 MΩ·cm) vann.
    4. Plasser skyvestativet med deksler i en glassbeholder, og fyll det med ultrarent vann. Sonikere glassbeholderen med skyvestativet i ytterligere 15 minutter ved å bruke de samme innstillingene.
    5. Fjern skyvestativet fra beholderen, og vask glidestativet og dekslene grundig med ultrarent vann.
    6. Bruk en sprøytepistol til å tørke dekslene med en strøm av N2-gass med høy renhet.
  2. Sett Cu og Ag på de rengjorte dekslene. For å gjøre dette, bruk elektronstrålens tynnfilmavsetningssystem etter standardprosedyrer, som anbefalt av produsenten i den offisielle brukerhåndboken.
    MERK: For enhver annen deponering, vennligst følg instruksjonene gitt av produsenten, som angitt på institusjonens fasiliteter53.
    1. Sett platenposisjonen til 180°, og luft vakuumkammeret.
    2. Plasser de rene dekslene side om side i instrumentplaten slik at de ikke overlapper hverandre. Bruk varmebestandig tape (polyimidfilm) for å feste dekslene til platen.
      MERK: Dette sikrer at dekslene ikke beveger seg eller faller under prosedyren.
    3. Fyll en grafittdigel halvveis med Cu-pellets, og sett den inn i digelholderen. Gjør det samme for Ag i en annen smeltedigel. Lukk vakuumkammeret, og begynn å pumpe ned; anbefalt avsetningstrykk er i størrelsesorden 10−7 – 10−6 Torr.
    4. Last inn Cu-egenskapene i sensorens applikasjon. Slå på platenrotasjonen ved 20 o / min. Sett platens posisjon til 225°.
      MERK: Dette plasserer speilet på bunnen av platen på en slik måte at elektronstrålen kan ses fra visningsporten.
    5. Slå på bryteren til elektronstrålestrømforsyningen, og vent minst 2 minutter. Slå på elektronstrålen, og vent ytterligere 2 minutter. Åpne underlagslukkeren.
      MERK: Dette gjør bjelken og smeltedigelen synlig gjennom speilet.
    6. Øk utslippsstrømmen gradvis (rundt 10 mA/min) til sensoren leser av en avsetningshastighet nær 10 Å/s. Lukk lukkeren, og sett platen til 0°.
      MERK: Bjelken kan endre form under denne prosessen. Det er viktig å sjekke den regelmessig i løpet av dette trinnet og korrigere posisjonen, amplituden og frekvensen ved hjelp av de respektive knappene. Strålen må oppvarme innholdet i smeltedigelen jevnt. Lukking av lukkeren på dette punktet sikrer at ingen metall blir avsatt på prøvene når platen roterer for å plassere dekslene i banen til det fordampede metallet.
    7. Åpne lukkeren for å starte avsetningen, og overvåk tykkelsen som vist av sensoren. Lukk lukkeren når ønsket tykkelse er nådd (1 nm for Cu), som bestemt av avsetningssensoren.
    8. Reduser strømmen til elektronstrålen gradvis til sensoren leser nær 0 A, men strømmen er høy nok til at smeltedigelen er synlig.
    9. Sett platens posisjon til 225°, og åpne lukkeren for å kunne se digelen.
    10. Drei digelholderen ved hjelp av knappen slik at strålen er rettet mot smeltedigelen med Ag-pellets.
    11. Last inn Ag-egenskapene i sensorens applikasjon. Gjenta trinn 1.2.6 – 1.2.7, men bruk en avsetningshastighet på 20 Å/s og en tykkelse på 25 nm for Ag.
    12. Reduser strømmen gradvis til 0 A, og slå av elektronstrålen og bryteren. Sett platens posisjon til 180°, og luft vakuumkammeret. Åpne vakuumkammeret.
    13. Dekselene skal være på samme sted som før, fri for fremmedlegemer eller støvpartikler, og med utseendet til et speil. Fjern sakte og forsiktig det varmebestandige tape.
      NOTAT: Trekk båndet tilbake, parallelt med overflaten av platen; Det er fare for å bryte dekslene. Filmen skal være homogen og delvis gjennomsiktig (se figur 2A).
  3. Inkuber Ag tynnfilmen med en Nile Blue-løsning, som beskrevet nedenfor.
    1. Tilsett 500 μL 50 μM NB-oppløsning på overflaten av Ag tynnfilm.
    2. Etter 15 minutter, skyll den tynne Ag-filmen grundig med ultrarent vann for å fjerne eventuelle svakt adsorberte NB-molekyler. Tørk Ag tynn film med N2 gass.
    3. Drop-cast Ag nanopartikler på NB-inkubert Ag tynnfilm. Tilsett 500 μL av en 100x fortynning av Ag nanopartikkelkolloidet på samme region av Ag-tynnfilmen hvor NB-løsningen ble dropstøpt og inkubert.
      FORSIKTIG: Metall nanopartikler er giftige for menneskekroppen. Håndter dem i et godt ventilert område ved hjelp av hansker og vernebriller.
    4. Etter 20 min, skyll substratet (gap-mode SERS) med ultrarent vann. Tørk underlaget med N2 gass.

2. Karakterisering av SERS-substrat i gap-modus

  1. Ultrafiolett-synlig spektroskopi
    1. Slå på instrumentet ved å trykke på strømknappen. Start skanneprogramvaren ved å dobbeltklikke på snarveien på skrivebordet.
    2. Klikk på Oppsett for å åpne installasjonsvinduet. Under Y-modus klikker du på rullegardinmenyen Modus og velger %T for å måle overføringen. Under X-modus, endre Start til 800 og Stopp til 200 for å skanne fra 800 nm til 200 nm.
    3. I kategorien Grunnlinje velger du alternativknappen Grunnlinjekorreksjon og lukker oppsettvinduet. Klikk på Baseline for å utføre en bakgrunnskorreksjon med atmosfærisk luft.
    4. Åpne prøvekammeret. Teip den ene enden av Ag-filmen på prøveholderen, vinkelrett på strålens bane.
    5. Klikk på Start for å få et transmittansspektrum fra prøven.
  2. Atomkraftmikroskopi (AFM) målinger
    1. Koble AFM til datamaskinen (ved hjelp av en USB-port), slå på AFM-instrumentet, og start Nanosurf Easyscan 2.
    2. Fjern AFM-hodet forsiktig (som har AFM-utkrageren på undersiden) fra prøvetrinnet, og legg det til side opp ned.
    3. Fest et Ag tynnfilmsubstrat på prøvetrinnet ved hjelp av tape. Plasser AFM-hodet over prøvetrinnet. Forsikre deg om at AFM-hodet er parallelt med prøvetrinnet (skjerm med nivåindikatoren). Hvis AFM-hodet og prøvetrinnet ikke er i vater, bruker du nivelleringsskruene til å justere scenen og sentrere nivelleringsboblen inne i nivåindikatoren.
    4. Bruk side- og toppvisningene i programvaren, og flytt prøvetrinnet forsiktig så nær AFM-hodet (AFM-utkrager) som mulig uten å få kontakt. Forsikre deg om at prøvetrinnet ikke berører AFM-utkrageren på AFM-hodet.
    5. Under fanen Anskaffelse velger du Fasekontrast som bildemodus og PPP-XYNCHR som utkragingstype. Klikk på Laser Align for å sikre at laseren er fokusert på utkragingsspissen og strålen som reflekteres fra spissen, treffer midten av fotodiodedetektoren.
    6. Mål resonansvibrasjonsfrekvensen til utkrageren med AFM-programvaren ved å klikke på Frequency Sweep-knappen , og sørg for at frekvenskurven har en klokkeform. Ved å klikke på Approach, lander du utkragingsspissen på Ag-tynnfilmens overflate.
    7. I bildeveiviseren velger du en bildestørrelse på 10,8 μm x 10,8 μm og en skannehastighet på 0,5 s/linje. Under Z-kontroller, bruk et settpunkt på 50%, en P-gevinst på 2,500 og en I-gevinst på 2,500. Under Modusegenskaper bruker du en fri vibrasjonsamplitude på 300 mV.
    8. Klikk på Start for å skaffe deg et bilde. Lagre bildet ved å høyreklikke på det, velg Kopier og lim det inn i bildeprosessoren.
    9. På AFM-programvaren velger du bildet som skal behandles ved å klikke på det. Under kategorien Analyse utfører du en område- og linjeruhetsanalyse ved å klikke på henholdsvis Beregn linjeruhet og Beregn areal.
    10. Trekk utkragingsspissen fra Ag-tynnfilmoverflaten ved å klikke på Uttak. Flytt prøvetrinnet bort fra spissen ved å overvåke bevegelsen ved hjelp av side- og toppvisningene. Fjern prøven.
  3. Skanning elektronmikroskopi (SEM) målinger54
    1. Drop-cast 30 μL av den som mottatt Ag nanopartikkel kolloid på en Si-wafer, og la den lufttørke helt. Fest Si-waferen på en prøvestubb ved hjelp av dobbeltsidig ledende tape.
    2. Luft ut SEM-kammeret ved hjelp av instrumentets brukergrensesnitt. Skyv opp SEM-kammeret, og monter stubben på et av hullene i scenen.
    3. Lukk SEM-kammeret, og pump ned SEM-kammeret ved hjelp av instrumentets brukergrensesnitt.
    4. Plasser prøven ca. 10 mm fra elektronstrålepistolen. Slå på elektronstrålen ved hjelp av instrumentets brukergrensesnitt.
    5. Avbilde prøven ved hjelp av en Everhart-Thornley-detektor med en punktstørrelse på 6, en strålestrøm på 25 pA og en høyspenning på 5 kV.
    6. Dobbeltklikk på interesseområdet for elektronpistolen for automatisk å justere elektronstrålen. Utfør avbildning med en forstørrelse på 3 500x ved hjelp av instrumentets brukergrensesnitt (figur 3A).
    7. Etter at avbildningen er fullført, slå av elektronstrålen, og flytt prøven bort fra elektronstrålepistolen minst 20 mm.
    8. Luft SEM-kammeret. Skyv åpne SEM-kammeret, og fjern prøvestubben fra scenen. Lukk SEM-kammeret, og pump det ned ved hjelp av instrumentets brukergrensesnitt.

3. Fremstilling av den elektrokjemiske cellen

  1. Få en 5 cm lang glassbrønn ved å kutte et glassrør med en glassrørkutter, som beskrevet nedenfor.
    1. Fest kjedene til glassrørskutteren rundt røret. Fest det siste segmentet av kjedet til den andre siden av verktøyet.
    2. Bruk én hånd til å holde verktøyet i håndtaket. Med den andre hånden, hold glassrøret. Roter glassrøret kontinuerlig slik at hjulene i kjedet begynner å kutte glasset.
    3. Klem forsiktig på verktøyet ved gradvis å bruke mer kraft på håndtakene. Når lyden skifter fra glidning til riper, er det da glassbiten (brønnen) er i ferd med å skille seg fra glassrøret.
    4. Glatt den ødelagte enden av glassbrønnen med 120-korns (eller grovere) sandpapir. Polsk med 220-korns (eller finere) sandpapir.
  2. Skjær ned underlaget i gap-modus med en diamantskriver, som beskrevet nedenfor.
    1. Plasser underlaget i gap-modus på en flat overflate. Beveg diamantskriveren opp og ned i midten av gap-mode-underlaget mens du påfører lett trykk på overflaten av underlaget.
    2. Del underlaget i to deler manuelt når en ripe er synlig.
  3. Fest kuttglassbrønnen (fra trinn 3.1) til overflaten av underlaget, som beskrevet nedenfor.
    1. Dispenser todelt epoksyharpiks på et lite ark aluminiumsfolie. Bland produktet med en rørepinne eller en pipettespiss.
    2. Påfør blandingen på glassets nederste kant. Påfør den minste mulige blandingen for å dekke kanten av det kuttede glasset godt for å minimere spredningen av harpiksen til den indre delen av cellen.
    3. Lim glassbrønnen på overflaten av gap-mode-substratet. Påfør det gjenværende blandede produktet på utsiden av brønnen, der det møter substratet, for å eliminere sjansen for lekkasje av løsningen som helles inne i glassbrønnen (se figur 4A).
    4. La epoksyherden herde uforstyrret i 5 min.
  4. Fest den elektriske tilkoblingen til SERS-underlaget i gap-modus, som beskrevet nedenfor.
    1. Få tak i en 5 cm lang kobbertråd. Dispenser todelt ledende epoksyharpiks på et lite ark aluminiumsfolie. Bland produktkomponentene ved hjelp av kobbertråden.
    2. Fest ledningen på overflaten av underlaget (utenfor brønnen, men festet til den ledende Ag-tynnfilmen; se figur 4A). La den ledende epoksyherden uforstyrret i anbefalt tid.
      MERK: Det anbefales å la den ledende epoksyherden ved romtemperatur for å minimere termisk glødning av Ag-filmsubstratet.

4. Bulk syklisk voltammetri målinger

  1. Tilsett 10 ml 0,5 mM NB og 0,1 M fosfatbuffer (pH = 5) til et 20 ml beger. Sett inn en mekanisk polert Ag-diskelektrode, en Pt-ledning og en Ag/AgCl (3 M KCl) elektrode i elektrolyttløsningen.
  2. Fest hver elektrode til sin respektive potensiostatklips (bestemt av potensiostatens produsent). Forsikre deg om at elektrodene ikke er i kontakt med hverandre.
  3. Utfør syklisk voltammetri (CV) fra 0 til -0,6 V med en skannehastighet på 50 mV / s.

5. Single-nanoparticle elektrokjemisk SERS mikroskopi og spektroskopi målinger

  1. Plasser den elektrokjemiske cellen fremstilt ved hjelp av gap-modus SERS-substratet på scenen av et omvendt optisk mikroskop.
  2. Teip kantene på substratet på mikroskoptrinnet slik at det ikke beveger seg under de spektroelektrokjemiske målingene på grunn av spenningen på ledningene som forbinder cellen med potensiostaten (se figur 4B).
  3. Plasser referanseelektroden Ag/AgCl (3 M KCl) i det hjemmebygde stativet, og fest posisjonen ved å stramme skruen på elektrodeholderstativet.
  4. Fest referanseelektroden til potensiostatens referanseelektrodealligatorklips (hvit farge). Fest Pt wire counter electrode til potensiostatens counter electrode alligator klipp (rød farge). Klipp Cu-ledningen festet til Ag-filmen til potensiostatens arbeidselektrodealligatorklipp (grønn farge).
  5. Sett Pt-ledningen sammen med alligatorklemmen inn i elektrodeholderen, og stram skruen for å fikse posisjonen.
  6. Plasser elektrodeholderen over den elektrokjemiske cellen for å sette elektrodene inn i cellen. Vær forsiktig så du ikke lar elektrodene berøre Ag-filmen; Ikke bare vil dette danne en kortslutning, men det vil også skade filmen.
  7. Slå på spektrometeret og EMCCD-kameraet, og start "LightField" -programvaren.
  8. Slå på 642 nm laseren, og juster laseren til en effekt på 500 μW.
    FORSIKTIG: Eksponering for laserlys kan forårsake permanent skade på øyne og hud. Rådfør deg med og følg sikkerhetsretningslinjene til det relevante offisielle tilsynsorganet i landet/regionen din.
  9. Legg til en dråpe nedsenkningsolje på målet. Beveg fokusknappen for å heve objektivet forsiktig til oljen kommer i kontakt med bunnen av underlaget.
    MERK: Siden cellen er tapet ned, kan tvinge objektivet opp mot substratet bryte cellen og / eller skade målet.
  10. Fokuser laseren på overflaten av SERS-substratet i gap-modus. Skann SERS-substratet i gap-modus (dekket av glassbrønnen) for å søke etter et isolert smultringformet NB SERS-utslippsmønster ved å flytte mikroskoptrinnet (se figur 5A).
    MERK: Jo lavere konsentrasjonen av NB, desto vanskeligere blir det å finne smultringformede utslippsmønstre, men jo større er sannsynligheten for at det eventuelle smultringformede utslippsmønsteret blir isolert. Kafferinger er et godt sted å starte, og da kan man bevege seg innover i forhold til NB og Ag nanopartikkelinkubasjonsområdet på gap-modus SERS-substratet. Kameraer (se neste trinn) er nyttige i denne prosessen siden de er mer følsomme for lys enn det menneskelige øyet når de skanner rundt SERS-substratet i gap-modus.
  11. Fest en telefon til mikroskoptelefonadapteren. Hvis du vil justere telefonens kamera etter adapterens objektiv, slår du på kameraprogrammet på telefonen og endrer posisjonen til enheten for å se gjennom linsen.
  12. Fjern et av mikroskopets okularer, og sett adapteren på plass. I kameraapplikasjonen endrer du modus til video og zoomer inn så mye som mulig. Det smultringformede utslippsmønsteret kan sees tydelig.
  13. Når det smultringformede utslippsmønsteret er tydelig plassert, flytter du lysavlederspaken på mikroskopet for å lede det utstrålede lyset til spektrometeret.
  14. I kategorien Eksperiment i LightField klikker du på Common Acquisition Settings og justerer eksponeringstiden til 0,1 s og rammene for å lagre til 50. Under Eksporter data velger du Eksporter innhentede data og endrer filtypen til CSV (.csv).
  15. Under Interesseområder velger du alternativknappen Egendefinerte interesseområder . Klikk på Rediger avkastning, og i det nye vinduet oppretter du en avkastning på 25 piksler x 25 piksler rundt det smultringformede utslippet ved å endre verdiene X, Y, W og H.
  16. Under Spektrometer velger du flammegitteret på 600 g/mm, 750 nm. Endre senterbølgelengden til 642 nm. Klikk på Oppkjøp for å starte målingene.
  17. Etter at oppkjøpet er fullført, gå til Data-fanen . Åpne det sist utførte eksperimentet, og klikk på Prosesser og deretter Rammekombinasjon.
  18. I det kombinerte spekteret, legg merke til laserbølgelengden der den høyeste intensiteten observeres.
  19. Gå tilbake til Eksperiment, og klikk på nm under Spektrometer. I popup-vinduet endrer du målemodus til relative bølgetall, og skriver inn den målte laserbølgelengden i boksen. Endre ristposisjonen til 1,000/cm for å oppdage Stokes-forskjøvet Raman-spredning fra rundt 400/cm til 1,600/cm.
  20. Samle inn og summere minst 50 bilder med NB SERS-spektra ved hjelp av en eksponeringstid på 0,1 s (se figur 5C). Se etter en sterk topp på 592 / cm for å bekrefte at utslippet er fra NB (se figur 5C) 52. Ta et SERS-spektrum av regionen ved siden av det smultringformede utslippsmønsteret (et område uten utslipp) for å kompensere for bakgrunnssignalet.
  21. For å holde laserlyset fokusert på det smultringformede utslippsmønsteret, tilsett 3 ml av den 0,1 M fosfatbufferløsningen (pH = 5) i den elektrokjemiske cellen ved hjelp av en 5 ml justerbar pipette.
    MERK: Når elektrolyttløsningen er tilsatt, kan det smultringformede utslippsmønsteret forsvinne, og et fast utslippsmønster kan oppstå, da dipolmodusene til den enkle nanopartikkelen fra den optiske aksen utstråler SERS-spektra av elektrolytten og løsningsmiddelmolekylene.
  22. Refokuser, om nødvendig, og sørg for at laserlyset fortsatt er fokusert på utslippsmønsteret.
  23. I potensiostatens programvare utarbeide et syklisk voltammogrameksperiment med minst tre sykluser fra 0 til -0,6 V versus Ag / AgCl (3 M KCl) og en skannehastighet på 50 mV / s. For synkronisering av spektral og elektrokjemisk datainnsamling, konfigurer potensiostaten som skal utløses av spektraloppkjøpet av spektrometeret.
  24. Kjør de samtidige CV- og SERS-eksperimentene. NB SERS-spektrene skal moduleres av potensialet som påføres SERS-substratet i gap-modus (se figur 6B).
  25. Flytt lysavlederspaken slik at lyset rettes mot telefonkameraet. Start innspillingen av en video, og kjør CV-eksperimentet som beskrevet. SERS-bildeintensiteten skal moduleres i henhold til potensialet som brukes på SERS-substratet i gap-modus (se innsatsene i figur 6A).

6. Imaging analyse

  1. Behandle de innsamlede bildene for å forbedre skarpheten og kontrasten, som beskrevet nedenfor.
    MERK: Bildebehandling ble utført med OpenCV-biblioteket i Python, og skriptet er tilgjengelig på GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Beskjær bildet for å fjerne det meste av det tomme området, og sentrer det rundt utslippsmønsteret.
    2. Slett de grønne og blå kanalene i rammen. Øk skarpheten ved å trekke fra en Gaussisk-uskarp maske av rammen.
    3. Øk kontrasten ved å utvide dynamisk område med en operatør som øker til strømlinjen.
  2. Legg til skalalinjer på bildene ved hjelp av ImageJ, som beskrevet nedenfor.
    1. Bruk telefonens kameraadapter til å avbilde et objekt med kjente dimensjoner, for eksempel et mikroskopkalibreringslysbilde.
    2. Last inn det innsamlede bildet ved hjelp av ImageJ. Tegn et segment på et område av det avbildede objektet med kjente dimensjoner.
    3. Angi skalaen (dvs. piksler per avstandsenhet) basert på lengden på det tegnede segmentet ved hjelp av funksjonen Angi skala . Legg til skalaen med skaleringsverktøyet .

7. Analyse av nanopartikkelstørrelse

  1. Last inn SEM-bildet i ImageJ. Tegn et segment på skalastangen fra instrumentet, og angi det ved hjelp av funksjonen Set Scale .
  2. Gå til Bilde > Skriv > 16-bit. Gå til Bilde > Juster > Autoterskel. Fra rullegardinmenyen velger du Standard.
  3. Bruk rektangelverktøyet til å velge og slette funksjonene som ikke er enkle nanopartikler.
  4. Bruk verktøyet Analyser partikler . Beregn diameteren av partiklene med de oppnådde områdene ved å anta en sirkulær form.

8. Spektroelektrokjemisk dataanalyse

  1. Utfør bakgrunnskorreksjon på de innsamlede spektraldataene. Utføre databehandling og plotting i MATLAB; skriptene er tilgjengelige på samme GitHub-depot som tidligere nevnt.
  2. Gjennomsnittlig spektraldata fra tre forskjellige bakgrunnseksperimenter (spektrale data samlet sammen med SERS-utslippsmønsteret). Trekk det gjennomsnittlige bakgrunnsspekteret fra prøvens spektrum.
  3. Opprett en tidsmatrise fra 0 til eksperimentets totale tid (syklisk voltammetri), der intervallet er summen av eksponeringstiden, EMCCD-avlesningstid og lukkeråpnings- og lukketider.
  4. Konverter bølgelengdemålingene til Raman-skift ved hjelp av laserbølgelengden.
  5. Generer et fossefallplott ved hjelp av maskefunksjonen til MATLAB, der X er Raman-skiftet, Y er tid og Z er intensiteten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2A viser Ag tynnfilmsubstrater fremstilt ved hjelp av et elektronstrålemetallavsetningssystem. Det "gode" substratet vist i figur 2A har en homogen dekning av Ag-metall over glassdekselet, mens det "dårlige" substratet har en ujevn dekning av Ag. Det ultrafiolett-synlige spekteret av den "gode" Ag tynne filmen er vist i figur 2B, som viser at filmen er delvis gjennomsiktig for den synlige delen av det elektromagnetiske spekteret. Det "gode" Ag tynnfilmsubstratet har en optisk gjennomsiktighet på 34% for 642 nm laserlys som brukes til spektroelektrokjemiske eksperimenter i den nåværende protokollen. Figur 2C viser et representativt AFM-bilde av et 10,8 μm x 10,8 μm område av det "gode" substratet. Rotens gjennomsnittlige kvadratruhetsverdi for det representative området er 0, 7 nm, noe som indikerer at Ag-tynnfilmen er atomisk glatt. Variasjonen i høyden på Ag-tynnfilmsubstratet er representert ved linjeprofilen vist i figur 2D, noe som ytterligere demonstrerer filmens ensartethet og glatthet.

Figur 3A viser et representativt SEM-bilde av Ag nanopartikler drop-cast og lufttørket på en Si-wafer. Fra en analyse av 243 nanopartikler var gjennomsnittlig diameter av Ag nanopartikler som ble brukt i denne protokollen 79, 2 nm ± 8, 4 nm. Det skal bemerkes at forskjellige størrelser av Au eller Ag nanopartikler også kan brukes55. I tillegg bruker denne protokollen svært monodisperse nanopartikler, men det er ikke noe dispersjonskrav, da denne protokollen muliggjør måling av enkeltnanopartikler. For å konstruere et gap-mode SERS-substrat, ble Ag-nanopartiklene i dette arbeidet avsatt på overflaten av et Ag-tynnfilmsubstrat som tidligere hadde blitt inkubert med NB (figur 3B).

Et gap-mode SERS-substrat ble brukt som arbeidselektrode for å konstruere en elektrokjemisk celle, som vist i figur 4A. Den elektrokjemiske cellen ble immobilisert på et mikroskopstadium og koblet til en potensiostat, som vist i figur 4B. Med den elektrokjemiske cellen montert på et invertert optisk mikroskop, ble en 642 nm laser fokusert på gap-modus SERS-substratets arbeidselektrode i en epi-belysningsgeometri. Individuelle Ag nanopartikler på Ag tynnfilm i luft kan entydig identifiseres ved et smultringformet utslippsmønster, som vist i figur 5A. Disse smultringformede utslippsmønstrene kan på en pålitelig måte brukes som en signatur for å identifisere individuelle Ag nanopartikler49. Hvis mer enn en enkelt nanopartikkel (dimer, trimer eller multimer) er tilstede i belysningsvolumet, observeres et fast utslippsmønster, som vist i figur 5B. Ved innføring av elektrolyttløsningen blir det smultringformede utslippsmønsteret vanligvis omdannet til et fast utslippsmønster. Årsaken til dette er at de dipolare plasmonmodusene i den enkelte nanopartikkel (ikke justert med den optiske aksen) utstråler utslipp fra løsningsmiddel- og elektrolyttmolekylene i alle retninger. Derfor er utslippsmønsteret en superposisjon av høyvinklet NB SERS-utslipp fra nanopartikkel-substratgapet og lavvinklet SERS-utslipp fra elektrolytte- og løsningsmiddelmolekylene. Fjernelsen av den elektrolytiske løsningen gjenoppretter de smultringformede utslippsmønstrene. I denne protokollen, etter identifisering av en enkelt nanopartikkel ved SERS-avbildning, brukes SERS-spektroskopi til å identifisere redoksprobemolekylet. SERS-spekteret i figur 5C tilsvarer det smultringformede utslippsmønsteret vist i figur 5A. Vibrasjonsmodusene representerer et fingeravtrykk for NB-molekylene.

Figur 6A viser representative sykliske voltammogrammer av NB i fosfatbuffer (pH = 5) oppnådd ved hjelp av en Ag-diskarbeidselektrode og en Pt-trådtellerelektrode. Et syklisk voltammogram oppnås før spektroelektrokjemiske målinger av enkeltnanopartikler for å forstå ensemble-redoksoppførselen til sondemolekylene - NB i dette tilfellet. I dette arbeidet, da det påførte potensialet ble feid fra 0 til −0,6 V, ble det observert en katodisk topp ved −0,27 V versus Ag/AgCl (3 M KCl). Da potensialet ble feid tilbake til 0 V, ble en anodisk topp observert ved −0,21 V. Det samme anvendte potensialområdet ble brukt for de spektroelektrokjemiske målingene, som vist i figur 6B. Etter identifisering av en enkelt Ag nanopartikkel som viser et smultringformet utslippsmønster, ble elektrolyttoppløsningen pipettert inn i den elektrokjemiske cellen. Under laserbelysning ble SERS-spektrene deretter kontinuerlig samlet inn da det påførte potensialet ble feid mellom 0 og -0,6 V ved en skannehastighet på 50 mV / s (figur 6B). NB-molekylene i og rundt gapet mellom Ag nanopartikkelen og Ag-filmen ble elektrokjemisk redusert (off state), og SERS-intensiteten redusert, som vist i fossefallplottet til SERS-spektrene (også et innfelt i figur 6A). Da det påførte potensialet ble feid fra -0, 6 til 0 V, økte SERS-intensiteten, da NB-molekylene ble elektrokjemisk oksidert (på tilstand). Modulasjonen i SERS-signaler representerer en metode for å bestemme reduksjons- og oksidasjonspotensialene til NB på en enkelt nanopartikkel. Andre elektrokjemiske teknikker kan erstattes av voltammetri for ytterligere å karakterisere redoksreaksjoner. Figur 7A viser SERS-responsen fra NB når potensialet til arbeidselektroden ble trappet til −0,4 V (dvs. kronoamperometri). Når elektrodepotensialet ble trappet til -0, 4 V, forfalt SERS-signalet på grunn av reduksjonen av NB. Denne spektroelektrokjemiske teknikken gjør det mulig å undersøke den forbigående oppførselen til redoksreaksjoner på enkeltnanopartikkelnivå. Figur 7B viser hvordan reduksjonskinetikken ble endret av størrelsen på den påførte elektriske skjevheten, noe som gjenspeiles av forfallet av området under toppen på 592/cm. Interessant nok viser de skarpe variasjonene i det normaliserte området hvordan stokastiske hendelser spiller en større rolle på denne skalaen. Som demonstrert med konvensjonell voltammetri og kronoamperometri, tillater protokollen beskrevet i denne artikkelen forskere å spore vibrasjonsmodusene til molekyler når de er elektrokjemisk redusert eller oksidert på en enkelt nanopartikkel. Videre tillater vibrasjonsanalyser av molekyler på overflaten av enkle nanopartikler differensiering mellom kjemiske og elektrokjemiske trinn, noe som er nyttig for å studere reaksjonsmekanismer.

Figure 1
Figur 1: Gap-mode SERS-substrat. Skjematisk fremstilling av et gap-modus substrat fremstilt ved å plassere individuelle metall nanopartikler på et metallspeil. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Karakterisering av Ag tynnfilmsubstrat. (A) Digitale fotografier av et godt og et dårlig Ag tynnfilmsubstrat fremstilt av et elektronstrålemetallfordampningssystem. (B) Et ultrafiolett-synlig transmittansspektrum av et godt substrat. (C) Et AFM-bilde av et representativt område på 10,8 μm x 10,8 μm med et godt underlag. (D) En linjeprofil for AFM-bildet indikert med den svarte stiplede linjen vist i (C). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Ag nanopartikkel karakterisering. (A) SEM-bilde av en vandig Ag nanopartikkel kolloid dråpestøpt og luft tørket på en Si-wafer. Den gjennomsnittlige diameteren av nanopartiklene er 79, 2 nm, med et standardavvik på 8, 4 nm. (B) Skjematisk diagram over SERS-substratet i gap-modus. De blå stjernene representerer NB-molekyler. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Fremstilling av den spektroelektrokjemiske cellen . (A) En representativ spektroelektrokjemisk celle fremstilt ved hjelp av et gap-modus SERS-substrat som arbeidselektrode. (B) En spektroelektrokjemisk celle immobilisert på et invertert optisk mikroskopstadium for elektrokjemisk spektroskopi og mikroskopieksperimenter med enkeltnanopartikkel. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Identifisering av en enkelt Ag nanopartikkel på Ag tynnfilmsubstratet . (A) Et smultringformet NB SERS-utslippsmønster, som indikerer at signalet stammer fra en individuell Ag nanopartikkel. (B) Et solid NB SERS-utslippsmønster, som indikerer at signalet stammer fra mer enn en enkelt nanopartikkel. (C) SERS-spekteret til den smultringformede emisjonen vist i (A), som viser den karakteristiske toppen ved 592 / cm fra ringdeformasjonens vibrasjonsmodus for NB52. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Elektrokjemi og spektroelektrokjemi av NB. (A) Sykliske voltammogrammer på 0,5 mM NB i 0,1 M fosfatbuffer (pH = 5) ved bruk av en Ag-skive arbeidselektrode. Innsatsene viser elektrokjemiske SERS-bilder av NB på en individuell Ag-nanopartikkel på gap-modus SERS-substratet ved NB-oksidasjonspotensialet (nederste bilde) og reduksjonspotensialet (øverste bilde). Skalastengene representerer 300 nm. (B) Elektrokjemisk modulering av NB SERS-spekteret ved syklisk voltammetri på en enkelt Ag nanopartikkel på gap-modus SERS-substratet. En Pt-ledning og en Ag/AgCl (3 M KCl) elektrode ble brukt som henholdsvis teller- og referanseelektroder. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Potensiell trinnspektroelektrokjemi av NB. (A) Elektrokjemisk modulering av NB SERS-spekteret med et potensielt trinn fra 0 til −0,4 V (vs. Ag/AgCl) påført ved t = 0 (stiplet linje). Intensiteten av toppen ved 592 / cm reduseres med tiden på grunn av reduksjonen av NB-molekylene nær Ag nanopartikkelen. (B) Forbigående profil av det normaliserte området under 592/cm topp som funksjon av det påførte potensialet: -0,2 V (blå kurve), -0,4 V (grønn kurve) og -0,6 V (rød kurve). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deponering av Cu og Ag tynne metallfilmer på rene deksel er viktig for å sikre at den endelige filmen har en ruhet som ikke er større enn to til fire atomlag (eller en rotgjennomsnittlig kvadratruhet mindre enn eller lik rundt 0, 7 nm). Støv, riper og rusk som er tilstede på dekselet før metallavsetning er vanlige problemer som forhindrer fremstilling av den glatte filmen som kreves for å produsere smultringformede utslippsmønstre. Derfor anbefales det å sonikere dekslene i forskjellige løsningsmidler før metallavsetningen og om mulig å utføre denne prosessen i et renrom. Videre bør det tas nøye hensyn til avsetningsprosedyren. Det kan være nødvendig å rengjøre alle overflatene inne i vakuumkammeret (inkludert digelholderskuffen) og diglene, siden disse delene har en tendens til å samle støv og rusk.

De høye avsetningshastighetene som brukes under metallavsetningsprosessen gjør det mulig for den avsatte filmen å være atomisk glatt, men kan også være vanskeligere å kontrollere. Feil avlesning av filmtykkelsessensorene kan føre til inhomogene, for tykke eller for tynne filmer. Hvis metallfilmene er for tynne, kan øyer av materiale avsettes i stedet for en kontinuerlig overflate. Filmer som er for tykke vil resultere i substrater som er ugjennomsiktige, noe som forhindrer eksitasjonslyset i å effektivt eksitere NB-molekylene og hindre samlingen av emisjonslys; Dette vil i sin tur redusere metodens generelle følsomhet og gi SERS-bilder og spektra av dårlig kvalitet med lave signal-støy-forhold. Avsetningen av Cu før Ag er avgjørende for vedheft av sistnevnte metall, men avsetning av overflødig Cu vil redusere substratets optiske gjennomsiktighet, mens en utilstrekkelig mengde Cu vil føre til delaminering av Ag fra glassdekslene. Videre, hvis prøveplatens dimensjoner er større enn lukkerens, kan fordampet metall avsette seg på dekslene mens lukkeren er lukket, noe som resulterer i inhomogenitet av substratet, som vist i figur 2A.

Konsentrasjonene og inkubasjonstidene for NB-løsningene og Ag nanopartikkelsuspensjonene spiller en nøkkelrolle i å produsere et SERS-substrat av god kvalitet. Bruk av NB-løsninger med konsentrasjoner høyere enn anbefalt i protokollen eller bruk av lengre inkubasjonstider kan føre til høye bakgrunnssignaler og dermed utgjøre utfordringer for å lokalisere individuelle Ag nanopartikler. På den annen side vil en lav NB-løsningskonsentrasjon og kort inkubasjonstid føre til lav dekning av NB-molekylene på Ag-tynnfilmen, noe som vil gjøre identifisering av enkelt Ag nanopartikler en tidkrevende prosess. Tilsvarende vil bruken av en Ag nanopartikkelsuspensjon med en konsentrasjon høyere enn anbefalt i protokollen eller bruk av lengre inkubasjonstider føre til ag nanopartikler på Ag tynnfilmen; Denne agglomerasjonen vil dermed føre til SERS-substrater som produserer en høy prosentandel av faste utslippsmønstre og en reduksjon i antall substratsteder som kan identifiseres som enkeltnanopartikler. I motsetning til dette vil bruken av en lavere konsentrasjon Ag nanopartikkelsuspensjon eller en kortere inkubasjonstid føre til lav dekning av Ag nanopartikler. I dette tilfellet vil en større del av SERS-utslippsmønstrene stamme fra enkle Ag nanopartikler, men gjennomstrømningen av forsøket vil bli redusert.

For vellykket implementering av enkeltnanopartikkelelektrokjemisk SERS-avbildning og spektroskopiteknikk beskrevet i dette papiret, må spesiell oppmerksomhet rettes mot det spektroelektrokjemiske eksperimentelle oppsettet. For det første er identifiseringen av enkle Ag-nanopartikler på SERS-substratet i gap-modus ved bruk av smultringformede utslippsmønstre sentralt for vellykket bruk av den beskrevne metoden. Større enn 100x forstørrelse av det optiske bildet og et mikroskopmål med høy numerisk blenderåpning (f.eks. 1,45) kreves vanligvis for å observere de smultringformede utslippsmønstrene. Den høye numeriske blenderåpningen er spesielt viktig for å samle inn høyvinklede utslipp. For det andre er det viktig å synkronisere samlingen av SERS-spektrene med det elektrokjemiske programmet. I denne protokollen sendes en transistor-transistor-logisk puls fra spektrometerdetektoren til potensiostaten for å utløse samtidig innsamling av SERS-spektrene og elektrokjemiske data. I tillegg må avlesningstiden til detektoren vurderes for å nøyaktig korrelere de anvendte potensialene med SERS-spektrene i voltammetri.

Tolkningen av vibrasjonsmoduser er en viktig komponent i SERS-spektroskopi. Ag er tilbøyelig til å danne oksider, noe som kan påvirke den elektrokjemiske prosessen under studie56. Ingen oksidlag ble detektert av SERS i denne protokollen, men langvarig lufteksponering eller oksidasjonspotensialer forårsaker dannelse av oksider på Ag-speilet og / eller nanopartikler. Oksidlagene kan endre adsorpsjonen av redoks-aktive molekyler, og dermed indusere skift i vibrasjonsmodusene. I den nåværende protokollen observerte vi ikke noen skift i vibrasjonsmoduser mellom NB-molekylene adsorbert på Si, Ag-filmen eller Ag-nanopartiklene. Vi bemerker også at eksitasjonen av plasmonresonanser, som for gap-mode-substratet, resulterer i generering av ikke-likevekts varme elektroner og varme hull som kan delta i redoksreaksjoner57,58,59,60. For å minimere forstyrrelser fra lysinduserte varmladningsbærere, oppmuntres lavlysfluenser.

Teknikken beskrevet her kan adressere begrensningene i andre enkeltnanopartikkelteknikker som kollisjonsbasert elektrokjemi 61,62,63, skanning elektrokjemisk mikroskopi 64,65,66 og skanning elektrokjemisk cellemikroskopi67,68,69. Det er mulig å måle den elektrokjemiske responsen til enkelte nanopartikler ved hjelp av disse elektrokjemiske teknikkene; Det er imidlertid ikke mulig å direkte oppnå identiteten til og strukturell informasjon om reaktanter, mellomprodukter og produkter. Teknikken beskrevet i denne protokollen gjør det mulig å spore elektrokjemiske reaksjoner på enkeltnanopartikler og oppnå kjemisk informasjon gjennom vibrasjonsspektroskopi. Imidlertid gir denne gap-mode SERS elektrokjemiske metoden de beste resultatene når SERS-substratene fremstilles ved bruk av de mest SERS-aktive metaller under synlig lyseksitasjon: Ag og Au. Dette kan begrense valget av metaller som kan brukes i teknikken. Videre, mens gap-mode SERS gir kjemisk informasjon om elektrokjemiske prosesser som forekommer på enkeltnanopartikler, gir den bare ensemble-gjennomsnittlig elektrokjemisk informasjon, da den nåværende responsen måles over hele substratet. Likevel er teknikken demonstrert i dette papiret et kraftig verktøy som kan brukes til å få grunnleggende mekanistisk kunnskap på ulike områder av elektrokjemi, inkludert innen elektrokatalytiske reaksjoner, som er viktige for energilagring 70,71, kjemisk råstoffsyntese 72,73 og sensorer 74,75.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at de ikke har noen konkurrerende økonomiske interesser.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av oppstartsmidler fra University of Louisville og finansiering fra Oak Ridge Associated Universities gjennom en Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award. Forfatterne takker Dr. Ki-Hyun Cho for å skape bildet i figur 1. Metallavsetningen og SEM ble utført på Micro / Nano Technology Center ved University of Louisville.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Kjemi utgave 195
Sporing av elektrokjemi på enkle nanopartikler med overflateforbedret Raman-spredningsspektroskopi og mikroskopi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter