מעקב אחר אלקטרוכימיה על ננו-חלקיקים בודדים באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן משופרת פני השטח ומיקרוסקופ

Summary

הפרוטוקול מתאר כיצד לנטר אירועים אלקטרוכימיים על ננו-חלקיקים בודדים באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן משופרת על פני השטח והדמיה.

Abstract

חקר תגובות אלקטרוכימיות על ננו-חלקיקים בודדים חשוב כדי להבין את הביצועים ההטרוגניים של ננו-חלקיקים בודדים. הטרוגניות ננומטרית זו נותרת חבויה במהלך האפיון הממוצע של ננו-חלקיקים. טכניקות אלקטרוכימיות פותחו כדי למדוד זרמים מננו-חלקיקים בודדים, אך אינן מספקות מידע על המבנה והזהות של המולקולות שעוברות תגובות על פני השטח של האלקטרודה. טכניקות אופטיות כגון מיקרוסקופ פיזור ראמאן משופר פני השטח (SERS) וספקטרוסקופיה יכולות לזהות אירועים אלקטרוכימיים על ננו-חלקיקים בודדים ובו זמנית לספק מידע על מצבי הרטט של מיני פני השטח של האלקטרודות. במאמר זה מודגם פרוטוקול למעקב אחר חיזור החמצון האלקטרוכימי של כחול הנילוס (NB) על ננו-חלקיקי Ag בודדים באמצעות מיקרוסקופ SERS וספקטרוסקופיה. ראשית, מתואר פרוטוקול מפורט לייצור ננו-חלקיקי Ag על סרט Ag חלק ושקוף למחצה. מצב פלסמון דיפולרי המיושר לאורך הציר האופטי נוצר בין ננו-חלקיק Ag יחיד לבין סרט Ag. פליטת SERS מ-NB הקבועה בין הננו-חלקיק לסרט מצומדת למצב פלסמון, והפליטה בזווית גבוהה נאספת על ידי מטרת מיקרוסקופ ליצירת תבנית פליטה בצורת סופגנייה. דפוסי פליטת SERS בצורת סופגנייה אלה מאפשרים זיהוי חד משמעי של ננו-חלקיקים בודדים על המצע, שממנו ניתן לאסוף את ספקטרום SERS. בעבודה זו ניתנת שיטה לשימוש במצע SERS כאלקטרודה עובדת בתא אלקטרוכימי התואם למיקרוסקופ אופטי הפוך. לבסוף, מוצג מעקב אחר חמצון-חיזור אלקטרוכימי של מולקולות NB על ננו-חלקיק Ag בודד. ניתן לשנות את ההתקנה ואת הפרוטוקול המתואר כאן כדי לחקור תגובות אלקטרוכימיות שונות על ננו-חלקיקים בודדים.

Introduction

אלקטרוכימיה היא מדע מדידה חשוב לחקר העברת מטען, אחסון מטען, תחבורה המונית וכו ', עם יישומים בתחומים מגוונים, כולל ביולוגיה, כימיה, פיזיקה והנדסה 1,2,3,4,5,6,7 . באופן קונבנציונלי, אלקטרוכימיה כוללת מדידות על פני אנסמבל – אוסף גדול של ישויות בודדות כגון מולקולות, תחומים גבישיים, ננו-חלקיקים ואתרי פני שטח. עם זאת, הבנת האופן שבו ישויות בודדות כאלה תורמות לתגובות ממוצעות היא המפתח להבאת הבנות בסיסיות ומכניסטיות חדשות בכימיה ובתחומים קשורים ב....

Protocol

1. הכנת מצע SERS במצב פער

1. נקו את הכיסויים מס' 1 (ראו טבלת חומרים) באמצעות אצטון ושטיפת מים, כמתואר להלן. בצעו שלב זה בחדר נקי כדי להבטיח שלא יושקעו לכלוך או חומר לא רצוי אחר על פתקי הכיסוי.
   1. הניחו את הכיסויים במדף שקופיות. השתמשו בפינצטה בעת הזזת הכיסויים/מצעים. הניחו את מדף השקופיות במיכל זכוכית ומלאו אותו באצטון.
      אזהרה: אצטון דליק מאוד ויש לו השפעות בריאותיות שליליות פוטנציאליות. טפלו בו באזור מאוורר היטב באמצעות כפפות, משקפי מגן ומסכה.
   2. התאם את בקרת החשמל של הגנרטור העל-קולי ל-8, וסוניק את מיכל הזכוכית באמצעות מתלה השקופיות למשך 15 דקות.
   3. הסר את מדף השקופיות מהמיכל, ושטוף היטב את מדף השקופיות ....

תוצאות

איור 2A מראה מצעי סרט דק Ag שהוכנו באמצעות מערכת שיקוע מתכת של קרן אלקטרונים. למצע ה"טוב" שמוצג באיור 2A יש כיסוי הומוגני של מתכת Ag מעל כיסוי הזכוכית, בעוד שלמצע "הרע" יש כיסוי לא אחיד של Ag. הספקטרום האולטרה-סגול הנראה לעין של סרט Ag דק "טוב" מוצג באיור 2B

Discussion

הפקדת יריעות מתכת דקות Cu ו- Ag על כיסויים נקיים חיונית כדי להבטיח שלסרט הסופי יהיה חספוס שאינו עולה על שתיים עד ארבע שכבות אטומיות (או חספוס ריבועי ממוצע שורש קטן או שווה לכ- 0.7 ננומטר). אבק, שריטות ולכלוך הקיימים על הכיסוי לפני שקיעת המתכת הם בעיות נפוצות המונעות את ייצור הסרט החלק הדרוש לייצ?.......

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.