用表面增强拉曼散射光谱和显微镜跟踪单个纳米颗粒的电化学

摘要

该协议描述了如何使用表面增强拉曼散射光谱和成像来监测单个纳米颗粒上的电化学事件。

摘要

研究单个纳米颗粒的电化学反应对于了解单个纳米颗粒的异相性能非常重要。这种纳米级异质性在纳米颗粒的集合平均表征过程中仍然隐藏。已经开发了电化学技术来测量来自单个纳米颗粒的电流，但不提供有关在电极表面发生反应的分子的结构和身份的信息。表面增强拉曼散射（SERS）显微镜和光谱学等光学技术可以检测单个纳米颗粒上的电化学事件，同时提供有关电极表面物种振动模式的信息。本文展示了一种使用SERS显微镜和光谱学跟踪尼罗河蓝（NB）在单个银纳米颗粒上的电化学氧化还原的方案。首先，描述了在光滑和半透明的Ag薄膜上制造Ag纳米颗粒的详细协议。在单个Ag纳米颗粒和Ag薄膜之间形成沿光轴排列的偶极等离激元模式。固定在纳米颗粒和薄膜之间的NB发射的SERS发射耦合到等离激元模式中，高角度发射被显微镜物镜收集，形成甜甜圈状发射图案。这些甜甜圈形的SERS发射模式允许明确识别基板上的单个纳米颗粒，从中可以收集SERS光谱。在这项工作中，提供了一种在与倒置光学显微镜兼容的电化学电池中采用SERS衬底作为工作电极的方法。最后，显示了跟踪单个Ag纳米颗粒上NB分子的电化学氧化还原。可以修改此处描述的设置和协议以研究单个纳米颗粒上的各种电化学反应。

引言

电化学是研究电荷转移、电荷存储、质量传递等的重要测量科学，应用于生物学、化学、物理学和工程学等多个学科 1,2,3,4,5,6,7 .传统上，电化学涉及对集合的测量 - 单个实体的大量集合，如分子，晶体结构域，纳米颗粒和表面位点。然而，由于复杂电化学环境中电极表面的异质性，理解这些单一实体如何贡献集成平均响应是化学和相关领域带来新的基本和机理理解的关键^8,9。例如，集成还原揭示了位点特异性还原/氧化电位10，中间体和次要催化产物的形成¹¹，位点特异性反应动力学12,13和电荷载流子动力学^14,15。

研究方案

1. 间隙模式SERS底物制备

1. 使用丙酮和水洗清洁1号盖玻片（见 材料表），如下所述。在洁净室中执行此步骤，以确保没有碎屑或其他不需要的物质沉积到盖玻片上。
   1. 将盖玻片放在载玻片架中。移动盖玻片/基材时使用镊子。将载玻片架放入玻璃容器中，并用丙酮填充。
      注意：丙酮高度易燃，对健康有潜在的负面影响。使用手套、护目镜和口罩在通风良好的地方处理它。
   2. 将超声波发生器的功率控制调节到8，并用载玻片架对玻璃容器进行超声处理15分钟。
   3. 从容器中取出载玻片架，并用超纯（电阻率为18.2 MΩ·cm）水彻底冲洗载玻片架和盖玻片。
   4. 将带有盖玻片的载玻片架放入玻璃容器中，并用超纯水填充。使用相同的设置用载玻片架将玻璃容器再超声处理15分钟。
   5. 从容器中取出载玻片架，然后用超纯水彻底清洗载玻片架和盖玻片。
   6. 使用喷枪，用高纯度N₂ 气体流干燥盖玻片。
2. 将铜和银沉积在清洁的盖玻片上。为此，请按照制造商在官方用户手册中的建议，按照标准程序使用电子束薄膜沉积系统。
   注意：对于任何其他沉积，请按照制造商在机构设施⁵³ 上提供的说明进行操作。
   1. 将压板位置设置为 180°，然后排气真空室。
   2. 将干净的盖玻片....

讨论

在干净的盖玻片上沉积Cu和Ag薄膜对于确保最终薄膜的粗糙度不超过两到四个原子层（或均方根粗糙度小于或等于约0.7nm）至关重要。在金属沉积之前，盖玻片上存在的灰尘、划痕和碎屑是阻碍制造产生甜甜圈形发射模式所需的光滑薄膜的常见问题。因此，建议在金属沉积之前用不同的溶剂对盖玻片进行超声处理，如果可能的话，在洁净室中进行此过程。此外，应特别注意沉积程序。可能需要清洁?.......

材料

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.