Gözlem ve yüzey gelişmiş Raman saçılması yanıp sönen analizi

Yasutaka Kitahama

doi:10.3791/56729

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Gözlem ve yüzey gelişmiş Raman saçılması yanıp sönen analizi

7K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/56729

⸱

11 Ocak 2018

Yasutaka Kitahama¹

¹Department of Chemistry, Kwansei Gakuin University

Bu makalede

Özet

Bu protokol yüzey gelişmiş Raman yanıp sönen analizi açıklar nedeniyle güç yasaları kullanarak bir gümüş yüzey üzerinde tek bir molekül random kaldırımı saçılma.

Özet

Gümüş nanoaggregate merkezinde tek bir molekül yüzey gelişmiş Raman (SERS) saçılma yanıp sönen görülmektedir. Burada bir iletişim kuralı SERS-aktif hazırlamak konusunda anlatılan gümüş nanoaggregate, yanıp sönen belirli noktalar video mikroskobik görüntü kaydetmek ve yanıp sönen istatistikleri çözümlemek. Bu analizde, bir güç yasa onların süresi göreli olarak parlak olaylar için olasılık dağılımları üretir. Karanlık olaylar için olasılık dağılımları bir Üstel fonksiyon ile güç yasa ile donatılmıştır. Güç hukuk parametrelerinin moleküler davranış aydınlık ve karanlık Birleşik Devletleri temsil eder. Rastgele yürüyüş modeli ve molekül tüm gümüş yüzey üzerinde hızını tahmin edilebilir. Bu ortalamalar, otokorelasyon işlevleri ve süper kararlılık SERS düşsel kullanırken bile tahmin etmek zordur. Yanıp sönen kökenleri bu analiz yöntemi yalnız tarafından teyit edilemez çünkü gelecekte, güç hukuku analizleri spektral Imaging ile birleştirilmelidir.

Giriş

Yüzey gelişmiş Raman (SERS) saçılma son derece hassas Raman spektroskopisi noble metal yüzey var. Raman spektrumu keskin tepe pozisyonları, fonksiyonel gruplar molekülleri halinde titreşim modları ile temel alan moleküler yapısı hakkında ayrıntılı bilgi sağlar beri tek bir molekül bilgi metal bir yüzeye araştırılması SERS¹^,²^,³kullanarak. Bir adsorbate tek molekül düzeyinde ile gümüş nanoaggregate¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^, yanıp sönen sinyal görülmektedir ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ve spektrum dalgalanmalar¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^, ⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. Yanıp sönen rastgele bir nanometre boyutunda gümüş nanoaggregate kavşağında gelişmiş bir elektromanyetik (EM) alanı içinde ve dışında hareket eden tek bir molekül tarafından indüklenen. Bu nedenle, yanıp sönen bir Poisson dağılımı SERS yoğunluklarda ve BI-analit²^,³^,¹⁷bir tekniği ile karşılaştırıldığında tek molekül algılama için basit kanıt olarak kabul edilir. Ancak, güçlü Ag yüzeyinde moleküler davranışa bağlı, yanıp sönen ve dalgalanan spektrum detaylı mekanizmaları hala tartışmalı.

Önceki çalışmalarda SERS yanıp sönen Difüzyon katsayısı ve konsantrasyon bir gelişmiş EM alanı¹²^,¹³içinde ve dışında^,^{14 hareketli moleküllerin hesaplayabilir otokorelasyon işlevi kullanılarak analiz edilmiştir}. Ayrıca, istikrarsızlık toplam yoğunluk temsil eder, bir normalleştirilmiş Standart sapma puanı sinyal¹⁵saat profilinden elde edilmiştir. Ancak, bu analitik yaklaşımlar birkaç moleküllerin davranış dayalı. Buna ek olarak, SERS yanıp sönen bir süper kararlılık düşsel içinde tanımlanan¹⁶tek molekül davranış gelişmiş EM alanı olabilir. Ancak, bu teknikler gelişmiş bir Elektromanyetik alan sadece böyle parametrelerinde elde edebilirsiniz. Geniş bir aralıktaki (örneğin, içinde SERS yanıp sönen) tek bir molekül rasgele davranışını bir ortalama⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,^{8 yerine bir güç yasa olarak temsil edilebilir} ^,⁹^,¹⁰^,¹¹, bir tek yarı iletken kuantum nokta (QD)¹⁸^,¹⁹için yanıp sönen Floresans benzer. Bir güç hukuk analiz⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹, moleküler davranışı kullanarak parlak durumda (Gelişmiş EM alanı) ve karanlık durumu¹⁰tahmin edilebilir; diğer bir deyişle, tüm gümüş yüzey üzerinde molekül davranışını tahmin edilebilir.

Bu teknik, gümüş kolloidal nanoaggregates kullanılan⁴^,⁵^,olan⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Bu nanoaggregates belirli dalga boylarında heyecanlı oldukları zaman güçlü gelişmiş elektromanyetik alanlar etkileyen çeşitli yerelleştirilmiş yüzey plasmon rezonans (LSPR) grup göster. Böylece, nano tanecikleri kolloidal süspansiyon ve bazı veriler mevcut SERS-aktif gümüş hemen elde edilebilir. Belirli boyut, şekil ve düzenlemeler var, basit nanoyapıların söz konusu olduğunda yanıp sönen SERS LSPR bağımlılığı diğer bağımlılıklara⁷gizlemek; Yani, iyi ya da kötü nanostructure LSPR için kullanılırsa, parametreler sabit olacak ve diğer bağımlılıklara bu nedenle gizlenir. Güç hukuk analiz yanıp sönen SERS gümüş kolloidal nanoaggregates⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^, , çeşitli bağımlılıklara keşfetmek için kullanılan ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. numune hazırlama

Gümüş kolloidal nano tanecikleri hazırlanması ²⁰
1. Gümüş kolloidal nano tanecikleri imal etmek 0,030 g gümüş nitrat ve TRISODYUM sitrat dihydrate 200 mL yuvarlak alt şişe su 150 ml 0,030 g geçiyoruz.
2. Şişeye reflü (Dimroth) kondansatör ile birleştirin.
3. Çözüm bir manyetik karıştırıcı ve heyecan çubuklu şişeye ilave edin. Sonra ısı bir yağ banyosu için 60 dk 150 ° C'de şişeye karıştırma çözümde.
  Not: Çözüm sarı, sonra sütlü gri dönecek.
4. Oda sıcaklığında süspansiyon serin ve bir buzdolabı alüminyum folyo ile kaplı şişeye süspansiyon tutun.
  Not: Protokol bu noktada duraklatılmış. Kolloidal nano tanecikleri, bir buzdolabı, bir ay içinde sakladıktan sonra kullanın.
Çok renkli için örnek hazırlanması emisyon yanıp sönen ¹¹
1. Bir mikroskop slayt hazır için el ile bir cam levha sabun ile yıkayın ve su ile durulayın.
2. Cam levha % 0,1 Poli-L-lizin sulu çözüm ekleyip çözüm bir üfleyici ile kaldırabilirsiniz.
3. Cam levha gümüş kolloidal süspansiyon ekleyip süspansiyon körük ile kaldırabilirsiniz.
4. Bırakma alanı cam plaka üzerinde bir sıvı engelleyici kalemle alın.
5. Distile su cam tabakta bırakın ve bu mikroskop slayt oluşturmak ve su buharlaştırma gelen önlemek için başka bir cam levha ile kapsar.
Monoton renkli yanıp sönen SERS için örnek hazırlanması ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰
1. Bir mikroskop slayt hazır için el ile bir cam levha sabun ile yıkayın ve su ile durulayın.
2. Gümüş kolloidal süspansiyon thiacyanine veya thiacarbocyanine boya ile karıştırın (25 veya 4 µM, sırasıyla) ve NaCl (10 mM) sulu çözüm adlı bir hacim oranı 2:1:1.
3. Örnek süspansiyon cam levha üzerine bırakın ve süspansiyon bir üfleyici ile kaldırın.
4. Bırakma alanı cam plaka üzerinde bir sıvı engelleyici kalemle alın.
5. NaCl (1 M) sulu bir çözüm gümüş nano tanecikleri hareketsiz için cam tabakta bırakın ve bu bir mikroskop slayt tabak oluşturmak ve çözüm buharlaşan gelen önlemek için başka bir cam levha ile kapsar.

2. gözlem gümüş nano tanecikleri yanıp sönen bir

Örnek aydınlatma
1. Protokolü 1.2 veya 1.3 ters bir mikroskop sahneye kullanılarak hazırlanan örnek cam levha yerleştirin.
2. Beyaz ışık ile karanlık alan Kondenser ve odak bir objektif lens (60 X) kullanarak cam plaka üzerinde çeşitli renkli noktalar (mavi, yeşil, sarı ve kırmızı) kullanarak örnek cam levha aydınlatmak.
3. Örnek yüzey göre 30 ° açılı Diod pompalı katı hal (DPSS) sürekli (cw) lazer bir girişim filtre aracılığıyla teslim zayıflatılmış bir ışını kullanarak örnek cam levha aydınlatmak.
4. Aynı renkli çevreleyen içinde monoton renkli noktalar olarak gümüş nanoaggregates gözlemlemek için lazer aydınlatma kullanmak için lazer ışık alan görünüm merkezine taşımak ve z-yönde sahne ayarlayarak cam levha üzerindeki noktalar odaklanmak.
Yanıp sönen bir gözlem
1. Uzun geçiren Filtre sonra objektif lens takın ve örnek yüzey göre 30 ° açılı bir müdahale süzgeci teslim DPSS cw-lazer ışını kullanarak örnek cam levha aydınlatmak.
2. Belgili tanımlık kırpmak şekil 1 ' de gösterildiği gibi noktalar bulmak (ek malzeme Şekil S1 Ayrıca bakınız) tarafından sahne x - ve y-yönlere hareket ediyor.
3. 61-120 ms zaman çözünürlüğe sahip, soğutmalı dijital şarj kuplajlı cihaz (CCD) fotoğraf makinesi 20 dk için birleştiğinde ters mikroskop ile yanıp sönen noktalar video kaydetmek.

3. SERS yanıp sönen analizi

Zaman profil videodan türetme
1. CCD kamera denetleyen yazılım, video dosyasını açın.
2. Yanıp sönen noktalar ve karanlık alan seçmek için ayrı ayrı bölgeler ve video görüntüsü noktalar olmadan kapak alanları sürükleyin.
3. Yanıp sönen noktalar ve karanlık yerlerde video sinyal yoğunluğu zaman profilleri türetmek için Zamansal analizi analizseçin ve Zamansal analizi penceresinde Calculate düğmesini tıklayın.
4. Verileri bir metin dosyası olarak kaydedin.
Zaman profil analizi
1. Temel zaman profilinin karanlık alanı ve/veya montaj rakamlar 2A ve 2B'yigösterildiği gibi bir polinom fonksiyon ile zaman profilden çıkararak düzleştirin.
2. Yaklaşık 2000 puan, ben_temelve bir standart sapma σ, temel yoğunluklarını, rakamlar 2C ve 2Dgösterildiği gibi oluşan bir ortalama temel yoğunluk değerlendirin.
3. Parlak olayları karanlık olaylar, ben_temel + 3σ bir eşik değerinden daha büyük şiddetlerde kullanma ayırmak ve her olay süresi kaydetmek. Şekil 3' te, örneğin, 0 olay 3.5476 için kayıt olarak karanlık olay lar ( t süresi olan 3.5476 = s) ve 3.5476 olay 4.0981 için kayıt parlak olay olarak s ( t süresi olan 0.5505 = s). Tablo 1' de gösterilen yordamı yineleyin.
4. Aydınlık ve karanlık olaylar her süresince, Tablo 2birinci ve ikinci satırları ifade edildiği şekilde saymak.
5. Etkinlik süresi tkısa hariç her süre için olayları sayısı toplamı. Tablo 2ikinci ve üçüncü hatları ifade edildiği şekilde, örneğin, her süresi için olayları sayısı toplamı ( t için olayları dışında 0.0612 = s) olarak 41 + 18 + 9 +...; sonuç toplamı t için eşittir 0.1223 = s, Yani 103.
6. Simgenin her süresine göre bölmek ve onları normalleştirmek. Tablo 2' de ifade edildiği şekilde, örneğin, toplam süresi t için bölmek 0.0612 = süresi 0.0612 s s. 3,351.5791 sonucudur. Daha sonra Tablo 2' deki dördüncü satırı sonuçlarda Toplam Sonuç bölün. Olasılık dağılımı 0.64494 olmak elde edilir.
7. Belgili tanımlık parlak olaylar P_üzerinde(t) logaritma-logaritma grafikteki onların süresi t karşı için olasılık dağılımları arsa ve oturum₁₀P_üzerinde(t) günlük_{10 tarafından uygun}() belgili tanımlık güç hukuk üs α_üzerinde belirli bir nokta yanıp sönen için anlamak için. Eğer P_üzerinde(t) tarafından monte , monte satır sapma P_üzerinde(t), küçük değerlerinin, araziler üzerinden şekil 4Anoktalı çizgi tarafından gösterildiği gibi.
8. Olasılık dağılımları karanlık olaylar P_kapalı(t) logaritma-logaritma grafikteki onların süresi t karşı arsa ve₁₀P_kapalı(t) uygun günlük₁₀() tarafından güç hukuk üs α_kapalı ve aynı yanıp sönen üzerinden kesilme süresi τ spot anlamak için. Eğer P_kapalı(t) tarafından monte , monte eğrisi sapma P_kapalı(t) küçük değerlerinde araziler üzerinden.
9. 3.2.1 3.2.8 video diğer yanıp sönen noktalar için yineleyin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Poli-L-lizin 1.2 iletişim kuralı tarafından hazırlanan ile gümüş nanoaggregates Resim 1¹¹' de gösterildiği gibi çeşitli renklerde yanıp sönen noktalardan SERS ve yüzey gelişmiş Floresans gözlenir. Buna ek olarak, SERS monoton renkli yanıp sönen noktalardan için gümüş nanoaggregates Protokolü 1.3⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰tarafı...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Gümüş nanoaggregate Kavşağı, SERS duyulur. Böylece, sitrat anyon ile kaplıdır kolloidal nano tanecikleri yerine nanoaggregates hazırlamak gerekir. Gümüş toplamları oluşan Poli-L--NH₃⁺ ve SERS kökenlidir, lizin, ek tarafından oluşturulan etkisini Tuzlama üzerinden veya Na⁺ özellikler Şekil S2 takıma giren malzemenin içinde gösterildiği gibi NaCl, dan. Ayrıca, geniş alan birçok noktaları aydınlatmak için odaklanmamış lazer ışını örnek yüzey, mikroskop için bağlı olmayan bir...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazar ifşa etmek hiçbir şey vardır.

Teşekkürler

Yazar Prof. Y. Ozaki (Kwansei Gakuin Üniversitesi) ve Dr. T. Itoh (Ulusal Enstitüsü gelişmiş sanayi bilim ve teknoloji) Bu eser verimli onların tartışma için teşekkürler. Bu eser Milli Eğitim Bakanlığı, kültür, spor, bilim ve Teknoloji (No. 16 K 05671) KAKENHI (Grant-in-Aid için bilimsel araştırma C) tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Gümüş nitrat, %99,8	Wako	194-00832
Trisodyum sitrat dihidrat, 99. %	Wako	191-01785
Poli-L-lizin sulu çözeltisi, %0.1	Sigma-Aldrich	P8920
3,3'-disülfopropiltiasyanin trietilamin	Hayashibara Biyokimya Laboratuvarları	NK-2703	bir tür tiasyanin boyası
3,3'-dietil-5,5'-dikloro-9-metiltikarbosiyanin iyot tuzu	Hayashibara Biyokimya Laboratuvarları	SMP-9	bir tür tiakarobosiyanin boyaları
Sodyum klorür,% 99.5	Wako	191-01665
Dimroth kondansatör	Iwaki	61-9722-22

Yağ banyosundan	perchasedAdvantech	OS-220
Cam plaka	Matsunami	S-1112	Mikroskop slayt
Blower	Hozan	Z-288	Hava silgi
Sıvı engelleyici kalem	Daido Sangyo		SIVI BLOKER (Süper Pap Kalem). İmmünohistokimya uygulamaları için tasarlanmış kullanıma hazır hidrofobik bariyer kalemi
Ters mikroskop	Olympus	IX-70
Objektif lens	Olympus	LCPlanFl 60& kez;	NA 0.7
Karanlık alan kondansatörü	Olympus	U-DCD	NA 0.8– 0.92
Soğutulmuş dijital CCD kamera	Hamamatsu	ORCA-AG	Aqua Cosmos yazılımı
tarafından			edilir, ayrıca videodaki yanıp sönen noktalardan zaman profillerinin türetilmesi için kullanılır
Renkli CCD kamera	ELMO	TNC-C920	analiz için kullanılmaz
DPSS lazer	RGB lazer sistemi	NovaPro532-75	& lambda; = 532 nm; 60 mW (600 W/cm2 güç yoğunluğuna karşılık gelir)
Parazit filtresi	Semrock	LL01-532-12.5
Uzun geçiren filtre	Semrock	BLP01-532R-25
Aydınlık/karanlık olayların ayırt edilmesi ve sayılması için yazılım	hizmetçisi		C++ tarafından programlanmıştır
Bir güç yasasına göre montaj için yazılım	LightStone	Origin6.1

AS ONE Manyetik karıştırıcı Corning DC-420D , soğutulmuş dijital CCD kamera Hamamatsu AquaCosmos için kontrol ev

Kaynaklar

Qian, X. M., Nie, S. M. Single-molecule and single-nanoparticle SERS: from fundamental mechanisms to biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 37, 912-920 (2008).
Pieczonka, N. P. W., Aroca, R. F. Single molecule analysis by surfaced-enhanced Raman scattering. Chem. Soc. Rev. 37, 946-954 (2008).
Kneipp, J., Kneipp, H., Kneipp, K. SERS -a single-molecule and nanoscale tool for bioanalytics. Chem. Soc. Rev. 37, 1052-1060 (2008).
Kitahama, Y., Ozaki, Y. Analysis of blinking SERS by a power law with an exponential function. Frontiers of Surface-Enhanced Raman Scattering: Single-Nanoparticles and Single Cells. , Wiley. Chichester. Chapter 6 (2014).
Kitahama, Y. Truncated Power Law Analysis of Blinking SERS. Frontiers of Plasmon Enhanced Spectroscopy Volume 1 (ACS Symposium series Vol. 1245). , American Chemical Society. Washington DC. Chapter 4 (2016).
Bizzarri, A. R., Cannistraro, S. Lévy Statistics of Vibrational Mode Fluctuations of Single Molecules from Surface-Enhanced Raman Scattering. Phys. Rev. Lett. 94, 068303(2005).
Kitahama, Y., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Power-law analysis of surface-plasmon-enhanced electromagnetic field dependence of blinking SERS of thiacyanine or thiacarbocyanine adsorbed on single silver nanoaggregates. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7439-7448 (2011).
Kitahama, Y., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Analysis of excitation laser intensity dependence of blinking SERRS of thiacarbocyanine adsorbed on single silver nanoaggregates by using a power law with an exponential function. Chem. Commun. 47, 3888-3890 (2011).
Kitahama, Y., Enogaki, A., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Truncated power law analysis of blinking SERS of thiacyanine molecules adsorbed on single silver nanoaggregates by excitation at various wavelengths. J. Phys. Chem. C. 117, 9397-9403 (2013).
Kitahama, Y., Araki, D., Yamamoto, Y. S., Itoh, T., Ozaki, Y. Different behaviour of molecules in dark SERS state on colloidal Ag nanoparticles estimated by truncated power law analysis of blinking SERS. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 21204-21210 (2015).
Kitahama, Y., Nagahiro, T., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Analysis of blinking from multicoloured SERS-active Ag colloidal nanoaggregates with poly-L-lysine via truncated power law. J. Raman. Spectrosc. 48, 570-577 (2017).
Habuchi, S., et al. Single-Molecule Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy of the Enhanced Green Fluorescent Protein. J. Am. Chem. Soc. 125, 8446-8447 (2003).
Weiss, A., Haran, G. Time-Dependent Single-Molecule Raman Scattering as a Probe of Surface Dynamics. J. Phys. Chem. B. 105, 12348-12354 (2001).
Emory, S. R., Jensen, R. A., Wenda, T., Han, M., Nie, S. Re-examining the origins of spectral blinking in single-molecule and single-nanoparticle SERS. Faraday Discuss. 132, 249-259 (2006).
Itoh, T., Iga, M., Tamaru, H., Yoshida, K., Biju, V., Ishikawa, M. Quantitative evaluation of blinking in surface enhanced resonance Raman scattering and fluorescence by electromagnetic mechanism. J. Chem. Phys. 136, 024703(2012).
Willets, K. A. Super-resolution imaging of SERS hot spots. Chem. Soc. Rev. 43, 3854-3864 (2014).
Dieringer, J. A., Lettan, R. B., Scheidt, K. A., Van Duyne, R. P. A Frequency Domain Existence Proof of Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 129, 16249-16256 (2007).
Cichos, F., von Borczyskowski, C., Orrit, M. Power-law intermittency of single emitters. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 12, 272-284 (2007).
Tang, J., Marcus, R. A. Mechanisms of fluorescence blinking in semiconductor nanocrystal quantum dots. J. Chem. Phys. 123, 054704(2005).
Lee, P. C., Meisel, D. Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols. J. Phys. Chem. 86, 3391-3395 (1982).
Krichevsky, O., Bonnet, G. Fluorescence correlation spectroscopy: the technique and its applications. Rep. Prog. Phys. 65, 251-297 (2002).
Hess, S. T., Huang, S., Heikal, A. A., Webb, W. W. Biological and Chemical Applications of Fluorescence Correlation Spectroscopy: A Review. Biochemistry. 41, 697-705 (2002).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Yan p S nen SERS G m Nanoagrega yap lar G Yasas Analizi Rastgele Y r y Modeli Olay S resi Analizi Floresan Mikroskobu CCD Kamera G r nt leme Lazer Ayd nlatma Poli l lizin Kaplama

Gözlem ve yüzey gelişmiş Raman saçılması yanıp sönen analizi