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Chemistry

Seguimiento de la electroquímica en nanopartículas individuales con espectroscopía de dispersión Raman mejorada en superficie y microscopía

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

Summary

El protocolo describe cómo monitorear eventos electroquímicos en nanopartículas individuales utilizando espectroscopía e imágenes de dispersión Raman mejoradas en superficie.

Abstract

El estudio de las reacciones electroquímicas en nanopartículas individuales es importante para comprender el rendimiento heterogéneo de las nanopartículas individuales. Esta heterogeneidad a nanoescala permanece oculta durante la caracterización promediada por conjuntos de nanopartículas. Se han desarrollado técnicas electroquímicas para medir las corrientes de nanopartículas individuales, pero no proporcionan información sobre la estructura y la identidad de las moléculas que sufren reacciones en la superficie del electrodo. Las técnicas ópticas, como la microscopía de dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) y la espectroscopia, pueden detectar eventos electroquímicos en nanopartículas individuales y, al mismo tiempo, proporcionar información sobre los modos vibratorios de las especies de superficie de electrodos. En este documento, se demuestra un protocolo para rastrear la oxidación-reducción electroquímica del azul del Nilo (NB) en nanopartículas de Ag individuales utilizando microscopía y espectroscopia SERS. En primer lugar, se describe un protocolo detallado para fabricar nanopartículas de Ag en una película de Ag lisa y semitransparente. Se forma un modo de plasmón dipolar alineado a lo largo del eje óptico entre una sola nanopartícula de Ag y una película de Ag. La emisión SERS de NB fijada entre la nanopartícula y la película se acopla en el modo plasmón, y la emisión de alto ángulo se recoge mediante un objetivo de microscopio para formar un patrón de emisión en forma de rosquilla. Estos patrones de emisión SERS en forma de rosquilla permiten la identificación inequívoca de nanopartículas individuales en el sustrato, a partir de las cuales se pueden recolectar los espectros SERS. En este trabajo, se proporciona un método para emplear el sustrato SERS como electrodo de trabajo en una celda electroquímica compatible con un microscopio óptico invertido. Finalmente, se muestra el seguimiento de la oxidación-reducción electroquímica de moléculas NB en una nanopartícula Ag individual. La configuración y el protocolo descritos aquí se pueden modificar para estudiar diversas reacciones electroquímicas en nanopartículas individuales.

Introduction

La electroquímica es una ciencia de medición importante para estudiar la transferencia de carga, el almacenamiento de carga, el transporte de masas, etc., con aplicaciones en diversas disciplinas, incluyendo biología, química, física e ingeniería 1,2,3,4,5,6,7 . Convencionalmente, la electroquímica implica mediciones sobre un conjunto, una gran colección de entidades individuales como moléculas, dominios cristalinos, nanopartículas y sitios de superficie. Sin embargo, comprender cómo tales entidades individuales contribuyen a las respuestas promediadas por conjuntos es clave para generar nuevos entendimientos fundamentales y mecanicistas en química y campos relacionados debido a la heterogeneidad de las superficies de los electrodos en entornos electroquímicos complejos 8,9. Por ejemplo, la reducción de conjuntos ha revelado potenciales de reducción/oxidación específicos del sitio 10, la formación de productos intermedios y de catálisis menores 11, cinética de reacción específica del sitio 12,13 y dinámica de portadores de carga 14,15. La reducción del promedio de conjuntos es particularmente importante para mejorar nuestra comprensión más allá de los sistemas modelo a los sistemas aplicados, como las células biológicas, la electrocatálisis y las baterías, en los que a menudo se encuentra una amplia heterogeneidad 16,17,18,19,20,21,22.

En la última década más o menos, ha habido una aparición de técnicas para estudiar la electroquímica de una sola entidad 1,2,9,10,11,12. Estas mediciones electroquímicas han proporcionado la capacidad de medir pequeñas corrientes eléctricas e iónicas en varios sistemas y revelaron nuevas características químicas y físicas fundamentales 23,24,25,26,27,28. Sin embargo, las mediciones electroquímicas no proporcionan información sobre la identidad o estructura de moléculas o intermedios en la superficie del electrodo 29,30,31,32. La información química en la interfaz electrodo-electrolito es fundamental para comprender las reacciones electroquímicas. El conocimiento químico interfacial se obtiene típicamente mediante el acoplamiento de la electroquímica con la espectroscopia31,32. La espectroscopia vibracional, como la dispersión Raman, es adecuada para proporcionar información química complementaria sobre la transferencia de carga y eventos relacionados en sistemas electroquímicos que utilizan predominantemente, pero no se limitan a, solventes acuosos30. Junto con la microscopía, la espectroscopia de dispersión Raman proporciona una resolución espacial hasta el límite de difracción de la luz33,34. La difracción presenta una limitación, sin embargo, porque las nanopartículas y los sitios de superficie activa son más pequeños en longitud que los límites de difracción óptica, lo que, por lo tanto, impide el estudio de entidades individuales35.

Se ha demostrado que la dispersión Raman mejorada por superficie (SERS) es una herramienta poderosa para estudiar la química interfacial en reacciones electroquímicas 20,30,36,37,38. Además de proporcionar los modos vibracionales de las moléculas reactivas, moléculas de disolvente, aditivos y la química de la superficie de los electrodos, SERS proporciona una señal que se localiza en la superficie de los materiales que soportan oscilaciones colectivas de electrones superficiales, conocidas como resonancias de plasmones de superficie localizada. La excitación de las resonancias de plasmones conduce a la concentración de radiación electromagnética en la superficie del metal, aumentando así tanto el flujo de luz como la dispersión Raman de los adsorbatos superficiales. Los metales nobles nanoestructurados como Ag y Au son materiales plasmónicos de uso común porque admiten resonancias de plasmones de luz visible, que son deseables para detectar emisiones con dispositivos de carga acoplada altamente sensibles y eficientes. Aunque las mayores mejoras en SERS provienen de agregados de nanopartículas39,40, se ha desarrollado un nuevo sustrato SERS que permite mediciones SERS a partir de nanopartículas individuales: sustrato SERS en modo gap (Figura 1)41,42. En los sustratos SERS de modo gap, se fabrica un espejo metálico y se recubre con un analito. A continuación, las nanopartículas se dispersan sobre el sustrato. Cuando se irradia con luz láser polarizada circularmente, se excita una resonancia de plasmón dipolar formada por el acoplamiento de la nanopartícula y el sustrato, lo que permite mediciones SERS en nanopartículas individuales. La emisión SERS está acoplada a la resonancia del plasmón dipolar43,44,45, que está orientada a lo largo del eje óptico. Con la alineación paralela del dipolo eléctrico radiante y la óptica de recolección, solo se recoge la emisión de alto ángulo, formando así distintos patrones de emisión en forma de rosquilla46,47,48,49 y permitiendo la identificación de nanopartículas individuales. Los agregados de nanopartículas en el sustrato contienen dipolos radiantes que no son paralelos al eje óptico50. En este último caso, las emisiones de ángulo bajo y alto ángulo se recogen y forman patrones de emisión sólidos46.

Aquí, describimos un protocolo para fabricar sustratos SERS en modo gap y un procedimiento para emplearlos como electrodos de trabajo para monitorear eventos redox electroquímicos en nanopartículas Ag individuales utilizando SERS. Es importante destacar que el protocolo que utiliza sustratos SERS en modo gap permite la identificación inequívoca de nanopartículas individuales mediante imágenes SERS, que es un desafío clave para las metodologías actuales en electroquímica de nanopartículas individuales. Como sistema modelo, demostramos el uso de SERS para proporcionar una lectura de la reducción electroquímica y la oxidación del azul de Nilo A (NB) en una sola nanopartícula de Ag impulsada por un escaneo o potencial escalonado (es decir, voltametría cíclica, cronoamperometría). NB sufre una reacción de reducción/oxidación multiprotón y multielectrón en la que su estructura electrónica se modula fuera de/en resonancia con la fuente de excitación, lo que proporciona un contraste en los espectros SERS correspondientes 10,51,52. El protocolo descrito aquí también es aplicable a moléculas redox-activas no resonantes y técnicas electroquímicas, que pueden ser pertinentes para aplicaciones como la electrocatálisis.

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Protocol

1. Preparación del sustrato SERS en modo gap

  1. Limpie los cubreobjetos No. 1 (consulte la Tabla de materiales) con un lavado con acetona y agua, como se describe a continuación. Realice este paso en una sala limpia para asegurarse de que no se depositen residuos u otras materias no deseadas en los cubreobjetos.
    1. Coloque los cubreobjetos en una rejilla deslizante. Use pinzas cuando mueva los cubreobjetos/sustratos. Coloque la rejilla deslizante en un recipiente de vidrio y llénela con acetona.
      PRECAUCIÓN: La acetona es altamente inflamable y tiene posibles efectos negativos para la salud. Manéjelo en un área bien ventilada con guantes, gafas y una máscara.
    2. Ajuste el control de potencia del generador ultrasónico a 8 y sonicar el recipiente de vidrio con la rejilla deslizante durante 15 minutos.
    3. Retire la rejilla deslizante del recipiente y enjuague bien la rejilla deslizante y los cubreobjetos con agua ultrapura (resistividad de 18,2 MΩ·cm).
    4. Coloque la rejilla deslizante con cubreobjetos en un recipiente de vidrio y llénela con agua ultrapura. Sonica el recipiente de vidrio con la rejilla deslizante durante otros 15 minutos usando la misma configuración.
    5. Retire la rejilla deslizante del recipiente y lave bien la rejilla deslizante y los cubreobjetos con agua ultrapura.
    6. Con una pistola rociadora, seque los cubreobjetos con una corriente de gasN2 de alta pureza.
  2. Deposite Cu y Ag en los cubreobjetos limpios. Para ello, utilice el sistema de deposición de película delgada por haz de electrones siguiendo los procedimientos estándar, según lo recomendado por el fabricante en el manual de usuario oficial.
    NOTA: Para cualquier otra deposición, siga las instrucciones dadas por el fabricante, según lo dispuesto en las instalaciones institucionales53.
    1. Ajuste la posición de la platina a 180° y ventile la cámara de vacío.
    2. Coloque los cubreobjetos limpios uno al lado del otro en la placa del instrumento para que no se superpongan. Use cinta adhesiva resistente al calor (película de poliimida) para fijar los cubreobjetos a la platina.
      NOTA: Esto asegura que los cubreobjetos no se muevan ni se caigan durante el procedimiento.
    3. Llene un crisol de grafito hasta la mitad con gránulos de Cu e insértelo en el soporte del crisol. Haz lo mismo para Ag en un segundo crisol. Cierre la cámara de vacío y comience a bombear hacia abajo; la presión de deposición recomendada es del orden de 10−7 – 10−6 Torr.
    4. Cargue las propiedades Cu en la aplicación del sensor. Encienda la rotación de la platina a 20 RPM. Ajuste la posición de la platina a 225°.
      NOTA: Esto coloca el espejo en la parte inferior de la platina de manera que el haz de electrones se pueda ver desde el puerto de visión.
    5. Encienda el interruptor de la fuente de alimentación del haz de electrones y espere al menos 2 minutos. Encienda el haz de electrones y espere otros 2 minutos. Abra el obturador de sustrato.
      NOTA: Esto hace que el haz y el crisol sean visibles a través del espejo.
    6. Aumente gradualmente (alrededor de 10 mA/min) la corriente de emisión hasta que el sensor lea una tasa de deposición cercana a 10 Å/s. Cierre el obturador y ajuste la posición de la platina a 0°.
      NOTA: El haz puede cambiar de forma durante este proceso. Es importante revisarlo regularmente durante este paso y corregir su posición, amplitud y frecuencia utilizando las perillas respectivas. El haz debe calentar uniformemente el contenido del crisol. Cerrar el obturador en este punto asegura que no se deposite metal sobre las muestras a medida que la platina gira para colocar los cubreobjetos en la trayectoria del metal evaporado.
    7. Abra el obturador para iniciar la deposición y controle el grosor mostrado por el sensor. Cierre el obturador cuando se alcance el grosor deseado (1 nm para Cu), según lo determinado por el sensor de deposición.
    8. Disminuya gradualmente la corriente del haz de electrones hasta que el sensor lea cerca de 0 A, pero la corriente es lo suficientemente alta como para que el crisol sea visible.
    9. Ajuste la posición de la platina a 225° y abra el obturador para poder ver el crisol.
    10. Gire el soporte del crisol con la perilla para que la viga se dirija hacia el crisol con pellets de Ag.
    11. Cargue las propiedades Ag en la aplicación del sensor. Repita los pasos 1.2.6 – 1.2.7, pero utilice una velocidad de deposición de 20 Å/s y un espesor de 25 nm para Ag.
    12. Disminuya gradualmente la corriente a 0 A y apague el haz de electrones y el interruptor. Ajuste la posición de la platina a 180° y ventile la cámara de vacío. Abra la cámara de vacío.
    13. Los cubreobjetos deben estar en el mismo lugar que antes, libres de materias extrañas o partículas de polvo, y con la apariencia de un espejo. Retire lenta y cuidadosamente la cinta adhesiva resistente al calor.
      NOTA: Tire de la cinta hacia atrás, paralela a la superficie de la platina; Existe el riesgo de romper los cubreobjetos. La película debe ser homogénea y parcialmente transparente (ver Figura 2A).
  3. Incubar la película delgada Ag con una solución de Nilo Blue, como se describe a continuación.
    1. Añadir 500 μL de solución de NB de 50 μM sobre la superficie de la película delgada de Ag.
    2. Después de 15 minutos, enjuague bien la película delgada de Ag con agua ultrapura para eliminar cualquier molécula NB débilmente adsorbida. Seque la película delgada Ag con gasN2 .
    3. Gotea de nanopartículas de Ag sobre la película delgada de Ag incubada con NB. Agregue 500 μL de una dilución 100x del coloide de nanopartículas Ag en la misma región de la película delgada de Ag donde se fundió la solución de NB y se incubó.
      PRECAUCIÓN: Las nanopartículas metálicas son tóxicas para el cuerpo humano. Manéjelos en un área bien ventilada con guantes y gafas.
    4. Después de 20 minutos, enjuague el sustrato (SERS en modo gap) con agua ultrapura. Secar el sustrato con gasN2 .

2. Caracterización del sustrato SERS en modo gap

  1. Espectroscopia ultravioleta-visible
    1. Encienda el instrumento pulsando el botón de encendido. Inicie el software Scan haciendo doble clic en su acceso directo en el escritorio.
    2. Haga clic en Configuración para abrir la ventana de configuración. En Modo Y, haga clic en el menú desplegable Modo y seleccione %T para medir la transmitancia. En Modo X, cambie Start a 800 y Stop a 200 para escanear de 800 nm a 200 nm.
    3. En la ficha Línea base, seleccione el botón de opción Corrección de línea base y cierre la ventana de configuración. Haga clic en Línea base para realizar una corrección de fondo con aire atmosférico.
    4. Abra el compartimento de muestras. Pegue un extremo de la película Ag en el soporte de muestra, perpendicular a la trayectoria de la viga.
    5. Haga clic en Inicio para obtener un espectro de transmitancia de la muestra.
  2. Mediciones de microscopía de fuerza atómica (AFM)
    1. Conecte el AFM a la computadora (usando un puerto USB), encienda el instrumento AFM e inicie Nanosurf Easyscan 2.
    2. Retire suavemente el cabezal AFM (que tiene el voladizo AFM en la parte inferior) de la etapa de muestra y colóquelo a un lado boca abajo.
    3. Fije un sustrato de película delgada Ag en la etapa de muestra con cinta adhesiva. Coloque el cabezal AFM por encima de la etapa de muestra. Asegúrese de que el cabezal AFM esté paralelo a la etapa de muestra (monitor con el indicador de nivel). Si el cabezal AFM y la etapa de muestra no están nivelados, utilice los tornillos de nivelación para ajustar la plataforma y centrar la burbuja de nivelación dentro del indicador de nivel.
    4. Usando las vistas lateral y superior del software, mueva suavemente la etapa de muestra lo más cerca posible del cabezal AFM (voladizo AFM) sin hacer contacto. Asegúrese de que la etapa de muestra no toque el voladizo AFM en el cabezal AFM.
    5. En la ficha Adquisición , elija Contraste de fase como modo de imagen y PPP-XYNCHR como tipo de voladizo. Haga clic en Laser Align para asegurarse de que el láser esté enfocado en la punta en voladizo y que el haz reflejado desde la punta golpee el centro del detector de fotodiodo.
    6. Mida la frecuencia vibratoria resonante del voladizo con el software AFM haciendo clic en el botón Barrido de frecuencia y asegúrese de que la curva de frecuencia tenga forma de campana. Al hacer clic en Aproximar, coloque la punta en voladizo en la superficie de la película delgada Ag.
    7. En el Asistente para imágenes, elija un tamaño de imagen de 10,8 μm x 10,8 μm y una velocidad de escaneo de 0,5 s/línea. En el controlador Z, use un punto de ajuste del 50%, una ganancia P de 2.500 y una ganancia I de 2.500. En Propiedades de modo, utilice una amplitud de vibración libre de 300 mV.
    8. Haga clic en Iniciar para adquirir una imagen. Guarde la imagen haciendo clic derecho sobre ella, seleccione Copiar y péguela en el procesador de imágenes.
    9. En el software AFM, elija la imagen a procesar haciendo clic en ella. En la pestaña Análisis , realice un análisis de rugosidad de área y línea haciendo clic en Calcular rugosidad de línea y Calcular área, respectivamente.
    10. Extraiga la punta en voladizo de la superficie de película delgada Ag haciendo clic en Retirar. Aleje la etapa de muestra de la punta monitoreando el movimiento usando las vistas lateral y superior. Extraiga la muestra.
  3. Mediciones de microscopía electrónica de barrido (SEM)54
    1. Coloque 30 μL del coloide de nanopartículas de Ag tal como se recibió en una oblea de Si y déjelo secar completamente al aire. Fije la oblea de Si en un trozo de muestra con cinta conductora de doble cara.
    2. Ventile la cámara SEM utilizando la interfaz de usuario del instrumento. Deslice la cámara SEM y monte el talón en uno de los orificios del escenario.
    3. Cierre la cámara SEM y bombee hacia abajo la cámara SEM utilizando la interfaz de usuario del instrumento.
    4. Coloque la muestra aproximadamente a 10 mm de distancia de la pistola de haz de electrones. Encienda el haz de electrones utilizando la interfaz de usuario del instrumento.
    5. Imagen de la muestra utilizando un detector Everhart-Thornley con un tamaño de punto de 6, una corriente de haz de 25 pA y un alto voltaje de 5 kV.
    6. Haga doble clic en el área de interés para que el cañón de electrones alinee automáticamente el haz de electrones. Realice imágenes con un aumento de 3.500x utilizando la interfaz de usuario del instrumento (Figura 3A).
    7. Una vez completada la obtención de imágenes, apague el haz de electrones y aleje la muestra de la pistola de haz de electrones al menos 20 mm.
    8. Ventile la cámara SEM. Deslice la cámara SEM y retire el talón de muestra del plato. Cierre la cámara SEM y bombéela hacia abajo utilizando la interfaz de usuario del instrumento.

3. Preparación de la celda electroquímica

  1. Obtenga un pozo de vidrio de 5 cm de largo cortando un tubo de vidrio con un cortador de tubo de vidrio, como se describe a continuación.
    1. Envuelva las cadenas del cortador de tubos de vidrio alrededor del tubo. Fije el último segmento de la cadena al otro lado de la herramienta.
    2. Con una mano, sostenga la herramienta por el mango. Con la otra mano, sostenga el tubo de vidrio. Gire el tubo de vidrio continuamente para que las ruedas de la cadena comiencen a cortar el vidrio.
    3. Apriete suavemente la herramienta aplicando gradualmente más fuerza en los mangos. Cuando el sonido cambia de deslizamiento a arañazo, es cuando la pieza de vidrio (bien) está a punto de separarse del tubo de vidrio.
    4. Alise bien el extremo roto del vidrio con papel de lija de grano 120 (o más grueso). Pulir con papel de lija de grano 220 (o más fino).
  2. Corte el sustrato de modo de separación con un escriba de diamante, como se describe a continuación.
    1. Coloque el sustrato en modo de espacio sobre una superficie plana. Mueva el escriba de diamante hacia arriba y hacia abajo en el centro del sustrato en modo de espacio mientras aplica una ligera presión sobre la superficie del sustrato.
    2. Rompe el sustrato en dos pedazos manualmente una vez que un rasguño sea visible.
  3. Fije el pocillo de vidrio cortado (a partir del paso 3.1) a la superficie del sustrato, como se describe a continuación.
    1. Dispense dos partes de resina epoxi sobre una pequeña lámina de papel de aluminio. Mezclar el producto con un palillo de agitación o una punta de pipeta.
    2. Aplique la mezcla al borde inferior del vaso. Aplique la mezcla mínima posible para cubrir bien el borde del vidrio cortado para minimizar la propagación de la resina a la parte interna de la célula.
    3. Pegue bien el vidrio a la superficie del sustrato en modo de hueco. Aplique el producto mezclado restante en el exterior del pozo, donde se encuentra con el sustrato, para eliminar la posibilidad de fuga de la solución vertida dentro del pozo de vidrio (ver Figura 4A).
    4. Deje que el epoxi se cure sin perturbaciones durante 5 min.
  4. Conecte la conexión eléctrica al sustrato SERS en modo de hueco, como se describe a continuación.
    1. Obtén un alambre de cobre de 5 cm de largo. Dispense resina epoxi conductora de dos partes sobre una pequeña lámina de papel de aluminio. Mezcle los componentes del producto utilizando el alambre de cobre.
    2. Fije el cable a la superficie del sustrato (fuera del pozo, pero unido a la película delgada de Ag conductora; consulte la figura 4A). Deje que el epoxi conductor se cure sin ser molestado durante el tiempo recomendado.
      NOTA: Se recomienda dejar el curado epoxi conductor a temperatura ambiente para minimizar el recocido térmico del sustrato de la película Ag.

4. Mediciones de voltametría cíclica a granel

  1. Añadir 10 ml de 0,5 mM de NB y 0,1 M de tampón fosfato (pH = 5) a un vaso de precipitados de 20 ml. Inserte un electrodo de disco de Ag pulido mecánicamente, un cable Pt y un electrodo de Ag/AgCl (3 M KCl) en la solución de electrolito.
  2. Conecte cada electrodo a su respectivo clip de potenciostato (determinado por el fabricante del potenciostato). Asegúrese de que los electrodos no estén en contacto entre sí.
  3. Realice voltametría cíclica (CV) de 0 a −0,6 V con una velocidad de escaneo de 50 mV/s.

5. Mediciones electroquímicas de microscopía y espectroscopia SERS de nanopartículas individuales

  1. Coloque la celda electroquímica preparada utilizando el sustrato SERS de modo gap en el escenario de un microscopio óptico invertido.
  2. Pegue los bordes del sustrato en la platina del microscopio para que no se mueva durante las mediciones espectroelectroquímicas debido a la tensión de los cables que conectan la célula con el potenciostato (ver Figura 4B).
  3. Coloque el electrodo de referencia Ag/AgCl (3 M KCl) en el soporte casero y fije su posición apretando el tornillo en el soporte del soporte del electrodo.
  4. Sujete el electrodo de referencia a la pinza de cocodrilo del electrodo de referencia del potenciostatino (color blanco). Sujete el electrodo contador de alambre Pt al clip de cocodrilo del contraelectrodo del potenciostatino (color rojo). Sujete el cable Cu conectado a la película Ag al clip de cocodrilo del electrodo de trabajo del potenciostatino (color verde).
  5. Inserte el cable Pt junto con el clip de cocodrilo en el soporte del electrodo y apriete el tornillo para fijar su posición.
  6. Coloque el soporte del electrodo sobre la celda electroquímica para insertar los electrodos en la celda. Tenga cuidado de no dejar que los electrodos toquen la película Ag; Esto no solo formará un cortocircuito, sino que también dañará la película.
  7. Encienda el espectrómetro y la cámara EMCCD e inicie el software "LightField".
  8. Encienda el láser de 642 nm y ajuste el láser a una potencia de 500 μW.
    PRECAUCIÓN: La exposición a la luz láser puede causar daño permanente a los ojos y la piel. Consulte y siga las pautas de seguridad del organismo regulador oficial pertinente en su país o región.
  9. Añadir una gota de aceite de inmersión sobre el objetivo. Mueva la perilla de enfoque para elevar cuidadosamente el objetivo hasta que el aceite entre en contacto con el fondo del sustrato.
    NOTA: Dado que la celda está pegada con cinta adhesiva, forzar el objetivo contra el sustrato puede romper la celda y / o dañar el objetivo.
  10. Enfoque el láser en la superficie del sustrato SERS en modo espacio. Escanee el sustrato SERS en modo hueco (cubierto por el pozo de vidrio) para buscar un patrón de emisión SERS NB aislado en forma de rosquilla moviendo la etapa del microscopio (véase la figura 5A).
    NOTA: Cuanto menor sea la concentración del NB, más difícil será encontrar patrones de emisiones en forma de rosquilla, pero mayor será la probabilidad de que se aísle el eventual patrón de emisión en forma de rosquilla. Los anillos de café son un buen lugar para comenzar, y luego uno puede moverse hacia adentro con respecto al área de incubación de nanopartículas NB y Ag en el sustrato SERS de modo gap. Las cámaras (ver siguiente paso) son útiles en este proceso, ya que son más sensibles a la luz que el ojo humano cuando se escanea alrededor del sustrato SERS en modo espacio.
  11. Conecte un teléfono al adaptador de teléfono del microscopio. Para alinear la cámara del teléfono con la lente del adaptador, active la aplicación de la cámara en el teléfono y cambie la posición del dispositivo para ver a través de la lente.
  12. Retire uno de los oculares del microscopio e inserte el adaptador en su lugar. En la aplicación de la cámara, cambie el modo a video y amplíe tanto como sea posible. El patrón de emisión en forma de rosquilla se puede ver claramente.
  13. Una vez que el patrón de emisión en forma de rosquilla esté claramente ubicado, mueva la palanca del desviador de luz del microscopio para dirigir la luz emitida al espectrómetro.
  14. En la pestaña Experimento de LightField, haga clic en Configuración de adquisición común y ajuste el Tiempo de exposición a 0,1 s y los fotogramas a guardar a 50. En Exportar datos, seleccione Exportar datos adquiridos y cambie el Tipo de archivo a CSV (.csv).
  15. En Regiones de interés, seleccione el botón de opción Regiones de interés personalizadas . Haga clic en Editar ROI y, en la nueva ventana, cree un ROI de 25 píxeles x 25 píxeles alrededor de la emisión en forma de rosquilla cambiando los valores X, Y, W y H.
  16. En Espectrómetro, seleccione la rejilla de resplandor de 600 g/mm y 750 nm. Cambie la longitud de onda central a 642 nm. Haga clic en Adquirir para iniciar las mediciones.
  17. Una vez finalizada la adquisición, vaya a la pestaña Datos . Abra el último experimento realizado y haga clic en Procesos y luego en Combinación de marcos.
  18. En el espectro combinado, tome nota de la longitud de onda del láser en la que se observa la intensidad más alta.
  19. Vuelva a Experimento y, en Espectrómetro, haga clic en nm. En la ventana emergente, cambie el modo de medición a números de onda relativos e introduzca la longitud de onda láser medida en el cuadro. Cambie la posición de la rejilla a 1.000/cm para detectar la dispersión Raman desplazada por Stokes de alrededor de 400/cm a 1.600/cm.
  20. Recopile y sume al menos 50 fotogramas de espectros NB SERS utilizando un tiempo de exposición de 0,1 s (véase la figura 5C). Busque un pico fuerte a 592/cm para confirmar que la emisión proviene de NB (véase la figura 5C)52. Tome un espectro SERS de la región adyacente al patrón de emisión en forma de rosquilla (una región sin emisiones) para compensar la señal de fondo.
  21. Manteniendo la luz láser enfocada en el patrón de emisión en forma de rosquilla, agregue 3 ml de la solución tampón de fosfato 0.1 M (pH = 5) en la celda electroquímica usando una pipeta ajustable de 5 ml.
    NOTA: Una vez que se agrega la solución electrolítica, el patrón de emisión en forma de rosquilla puede desaparecer y puede aparecer un patrón de emisión sólido, ya que los modos dipolares de la nanopartícula única fuera del eje óptico irradian espectros SERS de las moléculas de electrolito y solvente.
  22. Vuelva a enfocar, si es necesario, y asegúrese de que la luz láser aún esté enfocada en el patrón de emisión.
  23. En el software del potenciostato, prepare un experimento de voltamograma cíclico con al menos tres ciclos de 0 a -0,6 V frente a Ag/AgCl (3 M KCl) y una velocidad de escaneo de 50 mV/s. Para sincronizar la recopilación de datos espectrales y electroquímicos, configure el potenciostato que se activará mediante la adquisición espectral del espectrómetro.
  24. Ejecute los experimentos CV y SERS simultáneos. Los espectros NB SERS deben ser modulados por el potencial aplicado al sustrato SERS en modo gap (véase la figura 6B).
  25. Mueva la palanca del desviador de luz para que la luz se dirija a la cámara del teléfono. Comience a grabar un video y ejecute el experimento CV como se describe. La intensidad de la imagen SERS debe modularse según el potencial aplicado al sustrato SERS en modo de separación (consulte los recuadros de la figura 6A).

6. Análisis de imágenes

  1. Procese las imágenes recopiladas para mejorar la nitidez y el contraste, como se describe a continuación.
    NOTA: El procesamiento de imágenes se realizó con la biblioteca OpenCV en Python y el script está disponible en GitHub (github.com/jvhemmer/jove_specsers).
    1. Recorte la imagen para eliminar la mayor parte del espacio en blanco y céntrelo alrededor del patrón de emisión.
    2. Elimine los canales verde y azul del marco. Aumente la nitidez restando una máscara borrosa gaussiana del marco.
    3. Aumente el contraste mediante la expansión del rango dinámico con un operador de elevación a potencia.
  2. Agregue barras de escala a las imágenes usando ImageJ, como se describe a continuación.
    1. Con el adaptador de la cámara del teléfono, tome imágenes de un objeto con dimensiones conocidas, como un portaobjetos de calibración de microscopio.
    2. Con ImageJ, cargue la imagen recopilada. Dibuje un segmento en un área del objeto objeto fotografiado con dimensiones conocidas.
    3. Defina la escala (es decir, píxeles por unidad de distancia) en función de la longitud del segmento dibujado mediante la función Definir escala . Agregue la escala con la herramienta Escala .

7. Análisis del tamaño de las nanopartículas

  1. Cargue la imagen SEM en ImageJ. Dibuje un segmento en la barra de escala proporcionada por el instrumento y configúrelo mediante la función Definir escala .
  2. Vaya a Imagen > Tipo > 16 bits. Vaya a Imagen > Ajustar > umbral automático. En el menú desplegable, seleccione Predeterminado.
  3. Con la herramienta Rectángulo , seleccione y elimine las entidades que no sean nanopartículas individuales.
  4. Utilice la herramienta Analizar partículas . Calcular el diámetro de las partículas con las áreas obtenidas asumiendo una forma circular.

8. Análisis de datos espectroelectroquímicos

  1. Realice una corrección en segundo plano de los datos espectrales recopilados. Realizar el procesamiento y trazado de datos en MATLAB; los scripts están disponibles en el mismo repositorio de GitHub que se mencionó anteriormente.
  2. Promedie los datos espectrales de tres experimentos de fondo diferentes (datos espectrales recopilados junto con el patrón de emisión SERS). Resta el espectro de fondo promedio del espectro de la muestra.
  3. Cree una matriz de tiempo de 0 al tiempo total del experimento (voltametría cíclica), en la que el intervalo es la suma del tiempo de exposición, el tiempo de lectura EMCCD y los tiempos de apertura y cierre del obturador.
  4. Convierta las mediciones de longitud de onda a cambio Raman utilizando la longitud de onda del láser.
  5. Genere un diagrama de cascada utilizando la función de malla de MATLAB, donde X es el desplazamiento Raman, Y es el tiempo y Z es la intensidad.

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Representative Results

La Figura 2A muestra sustratos de película delgada de Ag preparados utilizando un sistema de deposición de metal por haz de electrones. El sustrato "bueno" que se muestra en la Figura 2A tiene una cobertura homogénea de Ag metal sobre el cubreobjetos de vidrio, mientras que el sustrato "malo" tiene una cobertura no uniforme de Ag. El espectro ultravioleta-visible de la película delgada Ag "buena" se muestra en la Figura 2B, que demuestra que la película es parcialmente transparente para la porción visible del espectro electromagnético. El sustrato de película delgada Ag "bueno" tiene una transparencia óptica del 34% para la luz láser de 642 nm que se utiliza para los experimentos de espectroelectroquímica en el protocolo actual. La Figura 2C muestra una imagen AFM representativa de un área de 10,8 μm x 10,8 μm del sustrato "bueno". El valor cuadrático medio de rugosidad de la raíz del área representativa es de 0,7 nm, lo que indica que la película delgada Ag es atómicamente lisa. La variación en la altura del sustrato de película delgada Ag está representada por el perfil de línea que se muestra en la Figura 2D, lo que demuestra aún más la uniformidad y suavidad de la película.

La Figura 3A muestra una imagen SEM representativa de nanopartículas de Ag fundidas por gota y secadas al aire en una oblea de Si. A partir de un análisis de 243 nanopartículas, el diámetro promedio de las nanopartículas de Ag utilizadas en este protocolo fue de 79,2 nm ± 8,4 nm. Cabe señalar que también se podrían utilizar diferentes tamaños de nanopartículas de Au o Ag55. Además, este protocolo utiliza nanopartículas altamente monodispersas, pero no hay ningún requisito de dispersidad, ya que este protocolo permite la medición de nanopartículas individuales. Para construir un sustrato SERS en modo gap, en este trabajo, las nanopartículas de Ag se depositaron sobre la superficie de un sustrato de película delgada de Ag que se había incubado previamente con NB (Figura 3B).

Se utilizó un sustrato SERS en modo gap como electrodo de trabajo para construir una celda electroquímica, como se muestra en la Figura 4A. La celda electroquímica se inmovilizó en una etapa de microscopio y se conectó a un potenciostato, como se muestra en la Figura 4B. Con la celda electroquímica montada en un microscopio óptico invertido, se enfocó un láser de 642 nm en el electrodo de trabajo de sustrato SERS en modo de brecha en una geometría de epiiluminación. Las nanopartículas individuales de Ag en la película delgada de Ag en el aire se pueden identificar inequívocamente mediante un patrón de emisión en forma de rosquilla, como se muestra en la Figura 5A. Estos patrones de emisión en forma de rosquilla se pueden utilizar de forma fiable como firma para identificar nanopartículas de Ag individuales49. Si más de una sola nanopartícula (dímero, trímero o multrómero) está presente en el volumen de iluminación, se observa un patrón de emisión sólido, como se muestra en la Figura 5B. Tras la introducción de la solución electrolítica, el patrón de emisión en forma de rosquilla generalmente se convierte en un patrón de emisión sólido. La razón de esto es que los modos de plasmón dipolar dentro de la nanopartícula única (no alineada con el eje óptico) irradian emisión desde las moléculas de solvente y electrolito en todas las direcciones. Por lo tanto, el patrón de emisión es una superposición de la emisión de SERS NB de alto ángulo de la brecha nanopartícula-sustrato y la emisión SERS de bajo ángulo de las moléculas de electrolito y disolvente. La eliminación de la solución electrolítica recupera los patrones de emisión en forma de rosquilla. En este protocolo, tras la identificación de una sola nanopartícula mediante imágenes SERS, se utiliza la espectroscopia SERS para identificar la molécula de la sonda redox. El espectro SERS en la Figura 5C corresponde al patrón de emisión en forma de rosquilla que se muestra en la Figura 5A. Los modos vibracionales representan una huella digital para las moléculas NB.

La Figura 6A muestra voltammogramas cíclicos representativos de NB en tampón fosfato (pH = 5) obtenidos utilizando un electrodo de trabajo de disco Ag y un electrodo contador de alambre Pt. Se obtiene un voltammograma cíclico antes de las mediciones espectroelectroquímicas de nanopartículas individuales para comprender el comportamiento redox del conjunto de las moléculas de la sonda, NB en este caso. En este trabajo, como el potencial aplicado se barrió de 0 a −0,6 V, se observó un pico catódico a -0,27 V frente a Ag/AgCl (3 M KCl). A medida que el potencial se redujo a 0 V, se observó un pico anódico a -0,21 V. El mismo rango de potencial aplicado se utilizó para las mediciones espectroelectroquímicas, como se muestra en la Figura 6B. Después de la identificación de una sola nanopartícula de Ag que exhibía un patrón de emisión en forma de rosquilla, la solución electrolítica se pipeteó en la celda electroquímica. Bajo iluminación láser, los espectros SERS se recolectaron continuamente a medida que el potencial aplicado se barrió entre 0 y -0.6 V a una velocidad de escaneo de 50 mV / s (Figura 6B). Las moléculas NB en y alrededor de la brecha entre la nanopartícula Ag y la película Ag se redujeron electroquímicamente (fuera del estado), y la intensidad de SERS disminuyó, como se muestra en el diagrama de cascada de los espectros SERS (también un recuadro en la Figura 6A). A medida que el potencial aplicado se barrió de -0,6 a 0 V, la intensidad de SERS aumentó, ya que las moléculas de NB se oxidaron electroquímicamente (en estado). La modulación en señales SERS representa un método para determinar los potenciales de reducción y oxidación de NB en una sola nanopartícula. Otras técnicas electroquímicas pueden ser sustituidas por la voltamperometría para caracterizar aún más las reacciones redox. La Figura 7A muestra la respuesta SERS de NB cuando el potencial del electrodo de trabajo se incrementó a -0.4 V (es decir, cronoamperometría). Cuando el potencial del electrodo se incrementó a -0,4 V, la señal SERS decayó debido a la reducción de NB. Esta técnica espectroelectroquímica permite investigar el comportamiento transitorio de las reacciones redox a nivel de nanopartícula única. La Figura 7B muestra cómo la cinética de reducción fue alterada por la magnitud del sesgo eléctrico aplicado, como lo demuestra la decaimiento del área bajo el pico de 592/cm. Curiosamente, las fuertes variaciones en el área normalizada demuestran cómo los eventos estocásticos juegan un papel más importante a esta escala. Como se demostró con la voltametría convencional y la cronoamperometría, el protocolo descrito en este artículo permite a los investigadores rastrear los modos vibracionales de las moléculas a medida que se reducen u oxidan electroquímicamente en una sola nanopartícula. Además, los análisis vibracionales de moléculas en la superficie de nanopartículas individuales permiten la diferenciación entre pasos químicos y electroquímicos, lo que es útil para estudiar los mecanismos de reacción.

Figure 1
Figura 1: Sustrato SERS en modo espacio. Esquema de un sustrato en modo gap preparado colocando nanopartículas metálicas individuales en un espejo metálico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Caracterización del sustrato de película delgada Ag. (A) Fotografías digitales de un sustrato de película delgada Ag bueno y malo preparado por un sistema de evaporación de metal por haz de electrones. (B) Un espectro de transmitancia ultravioleta-visible de un buen sustrato. (C) Una imagen AFM de un área representativa de 10,8 μm x 10,8 μm de un buen sustrato. (D) Un perfil de línea de la imagen AFM indicado por la línea discontinua negra que se muestra en (C). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Caracterización de nanopartículas Ag . (A) Imagen SEM de una gota coloidal acuosa de nanopartículas de Ag fundida y secada al aire en una oblea de Si. El diámetro medio de las nanopartículas es de 79,2 nm, con una desviación estándar de 8,4 nm. (B) Diagrama esquemático del sustrato SERS en modo gap. Las estrellas azules representan moléculas NB. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Preparación de la celda espectroelectroquímica. (A) Una celda espectroelectroquímica representativa preparada utilizando un sustrato SERS en modo hueco como electrodo de trabajo. (B) Una celda espectroelectroquímica inmovilizada en una etapa de microscopio óptico invertido para experimentos de espectroscopía electroquímica y microscopía de nanopartículas individuales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Identificación de una sola nanopartícula de Ag en el sustrato de película delgada de Ag. (A) Un patrón de emisión NB SERS en forma de rosquilla, que indica que la señal se origina en una nanopartícula Ag individual. (B) Un patrón de emisión sólido NB SERS, que indica que la señal se origina en más de una nanopartícula. (C) El espectro SERS de la emisión en forma de rosquilla que se muestra en (A), mostrando el pico característico a 592/cm del modo vibracional de deformación del anillo de NB52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Electroquímica y espectroelectroquímica de NB. (A) Voltammogramas cíclicos de 0,5 mM NB en tampón fosfato 0,1 M (pH = 5) utilizando un electrodo de trabajo de disco Ag. Los recuadros muestran imágenes electroquímicas SERS de NB en una nanopartícula Ag individual en el sustrato SERS en modo gap en los potenciales de oxidación NB (imagen inferior) y reducción (imagen superior). Las barras de escala representan 300 nm. (B) Modulación electroquímica del espectro NB SERS por voltametría cíclica en una sola nanopartícula Ag en el sustrato SERS en modo gap. Se utilizó un cable Pt y un electrodo Ag/AgCl (3 M KCl) como contador y electrodo de referencia, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Espectroelectroquímica de paso potencial de NB . (A) Modulación electroquímica del espectro NB SERS por un paso potencial de 0 a −0.4 V (vs. Ag/AgCl) aplicado a t = 0 (línea discontinua). La intensidad del pico a 592/cm disminuye con el tiempo debido a la reducción de las moléculas NB cerca de la nanopartícula Ag. (B) Perfil transitorio del área normalizada bajo el pico de 592/cm en función del potencial aplicado: −0.2 V (curva azul), −0.4 V (curva verde) y −0.6 V (curva roja). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Depositar películas metálicas delgadas de Cu y Ag en cubreobjetos limpios es vital para garantizar que la película final tenga una rugosidad no mayor de dos a cuatro capas atómicas (o una rugosidad cuadrática media menor o igual a alrededor de 0,7 nm). El polvo, los arañazos y los residuos presentes en el cubreobjetos antes de la deposición del metal son problemas comunes que impiden la fabricación de la película lisa necesaria para producir patrones de emisión en forma de rosquilla. Por lo tanto, se recomienda sonicar los cubreobjetos en diferentes disolventes antes de la deposición del metal y, si es posible, realizar este proceso en una sala limpia. Además, se debe prestar especial atención al procedimiento de deposición. Puede ser necesario limpiar todas las superficies dentro de la cámara de vacío (incluido el cajón del soporte del crisol) y los crisoles, ya que estas partes tienden a acumular polvo y residuos.

Las altas tasas de deposición utilizadas durante el proceso de deposición de metal permiten que la película depositada sea atómicamente lisa, pero también puede ser más difícil de controlar. La lectura incorrecta de los sensores de espesor de película puede dar lugar a películas no homogéneas, excesivamente gruesas o excesivamente delgadas. Si las películas metálicas son demasiado delgadas, se pueden depositar islas de material en lugar de una superficie continua. Las películas que son demasiado gruesas darán como resultado sustratos opacos, lo que evitará que la luz de excitación excite eficientemente las moléculas NB e impida la recolección de luz de emisión; esto, a su vez, disminuirá la sensibilidad general del método y producirá imágenes y espectros SERS de baja calidad con bajas relaciones señal-ruido. La deposición de Cu antes de Ag es crucial para la adhesión de este último metal, pero depositar el exceso de Cu reducirá la transparencia óptica del sustrato, mientras que una cantidad insuficiente de Cu conducirá a la delaminación del Ag de los cubreobjetos de vidrio. Además, si las dimensiones de la placa de muestra son mayores que las del obturador, el metal evaporado puede depositarse en los cubreobjetos mientras el obturador está cerrado, lo que resulta en una falta de homogeneidad del sustrato, como se muestra en la Figura 2A.

Las concentraciones y los tiempos de incubación de las soluciones NB y las suspensiones de nanopartículas de Ag desempeñan un papel clave en la producción de un sustrato SERS de modo gap de buena calidad. El uso de soluciones NB con concentraciones superiores a las recomendadas en el protocolo o el uso de tiempos de incubación más largos pueden conducir a altas señales de fondo y, por lo tanto, plantean desafíos para localizar nanopartículas de Ag individuales. Por otro lado, una baja concentración de solución de NB y un corto tiempo de incubación conducirán a una baja cobertura de las moléculas de NB en la película delgada de Ag, lo que hará que la identificación de nanopartículas individuales de Ag sea un proceso lento. Del mismo modo, el uso de una suspensión de nanopartículas de Ag con una concentración superior a la recomendada en el protocolo o el uso de tiempos de incubación más largos conducirá a la aglomeración de las nanopartículas de Ag en la película delgada de Ag; esta aglomeración conducirá, por lo tanto, a sustratos SERS que producen un alto porcentaje de patrones de emisión sólidos y una disminución en el número de sitios de sustrato que pueden identificarse como nanopartículas individuales. Por el contrario, el uso de una suspensión de nanopartículas de Ag de menor concentración o un tiempo de incubación más corto conducirá a una baja cobertura de nanopartículas de Ag. En este caso, una fracción mayor de los patrones de emisión SERS se originará a partir de nanopartículas de Ag individuales, pero el rendimiento del experimento se reducirá.

Para la implementación exitosa de la técnica de espectroscopia e imágenes SERS electroquímicas de una sola nanopartícula descrita en este documento, se debe prestar especial atención a la configuración experimental espectroelectroquímica. En primer lugar, la identificación de nanopartículas de Ag individuales en el sustrato SERS en modo gap utilizando patrones de emisión en forma de rosquilla es fundamental para el uso exitoso del método descrito. Por lo general, se requiere un aumento superior a 100x de la imagen óptica y un objetivo de microscopio con una alta apertura numérica (por ejemplo, 1.45) para observar los patrones de emisión en forma de rosquilla. La alta apertura numérica es particularmente importante para recoger emisiones de alto ángulo. En segundo lugar, es importante sincronizar la colección de los espectros SERS con el programa electroquímico. En este protocolo, se envía un pulso lógico transistor-transistor desde el detector del espectrómetro al potenciostato para activar la recopilación simultánea de los espectros SERS y los datos electroquímicos. Además, se debe considerar el tiempo de lectura del detector para correlacionar con precisión los potenciales aplicados con los espectros SERS en voltametría.

La interpretación de los modos vibratorios es un componente importante de la espectroscopia SERS. El Ag es propenso a formar óxidos, que pueden afectar el proceso electroquímico en estudio56. SERS no detectó capas de óxido en este protocolo, pero la exposición prolongada al aire o los potenciales oxidantes causan la formación de óxidos en el espejo Ag y / o nanopartículas. Las capas de óxido pueden alterar la adsorción de moléculas redox-activas, induciendo así cambios en los modos vibracionales. En el protocolo actual, no observamos ningún cambio en los modos vibratorios entre las moléculas NB adsorbidas en el Si, la película Ag o las nanopartículas Ag. También observamos que la excitación de resonancias de plasmones, como las del sustrato de modo gap, resulta en la generación de electrones calientes no equilibrados y agujeros calientes que pueden participar en reacciones redox57,58,59,60. Para minimizar la interferencia de los portadores de carga caliente inducidos por la luz, se recomiendan las fluencias de poca luz.

La técnica descrita aquí puede abordar las limitaciones de otras técnicas de nanopartículas individuales, como la electroquímica basada en colisiones 61,62,63, la microscopía electroquímica de barrido 64,65,66 y la microscopía electroquímica de células de barrido67,68,69. Es posible medir la respuesta electroquímica de nanopartículas individuales utilizando estas técnicas electroquímicas; Sin embargo, no es posible obtener directamente la identidad y la información estructural sobre los reactivos, productos intermedios y productos. La técnica descrita en este protocolo permite rastrear reacciones electroquímicas en nanopartículas individuales y obtener información química a través de espectroscopia vibratoria. Sin embargo, este método electroquímico SERS de modo gap produce los mejores resultados cuando los sustratos SERS se preparan utilizando la mayoría de los metales activos SERS bajo excitación de luz visible: Ag y Au. Esto puede limitar la elección de metales que se pueden emplear en la técnica. Además, mientras que el SERS de modo gap proporciona información química sobre los procesos electroquímicos que ocurren en nanopartículas individuales, solo produce información electroquímica promediada por conjuntos, ya que la respuesta de corriente se mide en todo el sustrato. Sin embargo, la técnica demostrada en este documento es una herramienta poderosa que se puede utilizar para obtener conocimientos mecanicistas fundamentales en diversas áreas de la electroquímica, incluso en los campos de las reacciones electrocatalíticas, que son importantes para el almacenamiento de energía 70,71, la síntesis de materias primas químicas 72,73 y los sensores 74,75.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por fondos iniciales de la Universidad de Louisville y fondos de Oak Ridge Associated Universities a través de un Premio Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement. Los autores agradecen al Dr. Ki-Hyun Cho por crear la imagen en la Figura 1. La deposición de metal y SEM se realizaron en el Centro de Tecnología Micro / Nano de la Universidad de 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

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Química Número 195
Seguimiento de la electroquímica en nanopartículas individuales con espectroscopía de dispersión Raman mejorada en superficie y microscopía
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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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