この作業は、ルイビル大学からのスタートアップ資金と、ラルフE.パウジュニアファカルティエンハンスメントアワードを通じたオークリッジ関連大学からの資金提供によってサポートされました。著者らは、 図1の画像を作成したチョ・キヒョン博士に感謝する。金属蒸着とSEMは、ルイビル大学のマイクロ/ナノテクノロジーセンターで実施されました。

電気化学的手法による単一ナノ粒子の不均一性性能の分析

著者は、競合する経済的利益がないことを宣言しています。

CuおよびAg薄膜の金属膜をきれいなカバーガラスに堆積させることは、最終的な膜の粗さが2〜4原子層以下(または約0.7nm以下の二乗平均平方根粗さ)であることを保証するために不可欠です。金属蒸着前のカバーガラスに存在するほこり、引っかき傷、破片は、ドーナツ型の発光パターンを生成するために必要な滑らかなフィルムの製造を妨げる一般的な問題です。したがって、金属堆積の前に...

電気化学は、電荷移動、電荷貯蔵、物質輸送などを研究するための重要な測定科学であり、生物学、化学、物理学、工学など、さまざまな分野で応用されています1,2,3,4,5,6,7 .従来、電気化学には、分子、結晶ドメイン、ナノ粒子、表面サイトなどの単一のエンティティの大規模なコレクションであるアンサンブルを介した測定が含まれます。しかし、このような単一の実体がアンサンブル平均応答にどのように寄与するかを理解することは、複雑な電気化学的環境における電極表面の不均一性のために、化学および関連分野で新しい基本的および機構的理解をもたらすための鍵となります8,9。例えば、アンサンブル還元は、部位特異的な還元/酸化電位10、中間体およびマイナー触媒生成物11の形成、部位特異的反応速度論12,13、および電荷担体ダイナミクス14,15を明らかにした。アンサンブル平均化を減らすことは、モデルシステムを超えて、広範な異質性がしばしば見られる生物細胞、電気触媒、電池などの応用システムへの理解を深める上で特に重要です16,17,18,19,20,21,22。
過去10年ほどで、単一エンティティ電気化学1,2,9,10,11,12を研究する技術が登場しました。これらの電気化学的測定は、いくつかのシステムにおいて小さな電気およびイオン電流を測定する能力を提供し、新しい基本的な化学的および物理的特性を明らかにした23、24、25、26、27、28。しかしながら、電気化学的測定は、電極表面29、30、31、32における分子または中間体の同一性または構造に関する情報を提供しない。電極-電解質界面の化学情報は、電気化学反応を理解する上で中心的な役割を果たします。界面化学的知識は、典型的には、電気化学を分光法31、32と結合させることによって得られる。ラマン散乱などの振動分光法は、水性溶媒30を主として利用する電気化学システムにおける電荷移動および関連事象に関する補完的な化学情報を提供するのに適している。顕微鏡と組み合わせたラマン散乱分光法は、光の回折限界までの空間分解能を提供します33,34。しかしながら、ナノ粒子および活性表面部位は光学回折限界よりも長さが短いため、回折は限界を提示し、したがって、個々の実体の研究を排除する35。
表面増強ラマン散乱(SERS)は、電気化学反応における界面化学を研究する上で強力なツールであることが実証されています20,30,36,37,38。SERSは、反応分子、溶媒分子、添加剤、および電極の表面化学の振動モードを提供することに加えて、局在型表面プラズモン共鳴として知られる集団表面電子振動をサポートする材料の表面に局在する信号を提供します。プラズモン共鳴の励起は、金属の表面での電磁放射の濃度をもたらし、したがって、表面吸着物への光束および表面吸着物からのラマン散乱の両方を増加させる。AgやAuなどのナノ構造貴金属は、可視光プラズモン共鳴を支持するため、プラズモニック材料として一般的に用いられており、高感度で効率的な電荷結合素子による発光検出に望ましい。SERSの最大の強化はナノ粒子の凝集体によるものですが39,40、個々のナノ粒子からのSERS測定を可能にする新しいSERS基板が開発されました:ギャップモードSERS基板(図1)41,42。ギャップモードSERS基板では、金属ミラーが製造され、分析種でコーティングされています。次に、ナノ粒子を基板上に分散させる。円偏光レーザー光を照射すると、ナノ粒子と基板の結合によって形成される双極プラズモン共鳴が励起され、ナノ粒子単体のSERS測定が可能になります。SERS発光は、光軸に沿って配向された双極プラズモン共鳴43、44、45に結合される。放射する電気双極子と収集光学系の平行な位置合わせにより、高角度の発光のみが収集され、明確なドーナツ型の発光パターン46、47、48、49を形成し、単一のナノ粒子の識別を可能にします。基板上のナノ粒子の凝集体は、光軸50に平行でない放射双極子を含む。この後者の場合、低角および高角度放射が収集され、固体放出パターン46を形成する。
ここでは、ギャップモードSERS基板を作製するためのプロトコルと、SERSを使用して単一のAgナノ粒子上の電気化学的酸化還元イベントをモニターするための作用電極として使用する手順について説明します。重要なことに、ギャップモードSERS基質を使用するプロトコルは、単一ナノ粒子電気化学における現在の方法論にとって重要な課題であるSERSイメージングによる単一ナノ粒子の明確な同定を可能にします。モデルシステムとして、SERSを使用して、スキャンまたは段階電位によって駆動される単一のAgナノ粒子上のナイルブルーA(NB)の電気化学的還元と酸化の読み取り値を提供する方法を示します(つまり、サイクリックボルタンメトリー、クロノアンペロメトリー)。NBは、その電子構造が励起源と共鳴して変調される多プロトン、多電子還元/酸化反応を受け、対応するSERSスペクトル10,51,52にコントラストを提供します。ここで説明するプロトコルは、非共鳴酸化還元活性分子および電気化学的手法にも適用可能であり、電気触媒などの用途に関連する可能性があります。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone, microelectronic grade</td>
			<td>J. T. Baker</td>
			<td>9005-05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable pipette, Eppendorf Reference 2 5000 mL</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>4924000100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical Balance, AB54-S/FACT</td>
			<td>Metter Toledo</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomic Force Microscope, Easy scan 2</td>
			<td>Nanosurf</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AXXIS Electron Beam Thin Film Deposition System</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cary 60 UV-Vis Spectrophotometer</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive epoxy, two part</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>12642-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper pellets, 99.99% pure</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVMCU40EXE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper wire, bare, 18 AWG</td>
			<td>VWR</td>
			<td>66248-040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Crucible, Graphite E-Beam</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVCEB-23</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond Scriber</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>54484</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMCCD Camera, ProEM HS: 1024BX3</td>
			<td>Teledyne Princeton Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy, Clear</td>
			<td>Gorilla Glue</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Tube Cutter</td>
			<td>Wheeler-Rex</td>
			<td>69012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Tube, Borossilicate (OD 0.75&#34;, ID 0.62&#34;, L 12&#34;)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8729K45</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Immersion oil, Type-F</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IMMOIL-F30CC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted Microscope, IX73</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser, Excelsior One 642 nm Free space</td>
			<td>Spectra-Physics</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LightField</td>
			<td>Teledyne Princeton Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB 2022b</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro cover glass (coverslips), 24&#215;60 mm No. 1</td>
			<td>VWR</td>
			<td>48404-455</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Smartphone Camera Adapter</td>
			<td>qhma</td>
			<td>QHMC017A-S01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nile Blue A, pure</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>415690100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen, Ultra Pure, Compressed</td>
			<td>Specialty Gases</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Objective, UPLanXApo 100&#215; Oil Immersion</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>14-910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyimide Film, Kapton</td>
			<td>3M</td>
			<td>16089-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Phosphate Monobasic</td>
			<td>VWR</td>
			<td>P285</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat, 660E&#160;</td>
			<td>CH Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt wire</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>10956-BS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope, Apreo C SEM</td>
			<td>Thermo Fischer Scientific</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafer</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16006</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver nanoparticles (nanospheres), NanoXact 0.02 mg/mL in 2 mM citrate</td>
			<td>nanoComposix</td>
			<td>AGCN60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver pellets, 99.99% pure</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>EVMAG40EXE-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slide Rack, Wash-N-Dry</td>
			<td>Diversified Biotech</td>
			<td>WSDR-2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smartphone, iPhone 13 mini</td>
			<td>Apple</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Phosphate Dibasic Heptahydrate</td>
			<td>VWR</td>
			<td>0348</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrometer, IsoPlane SCT320</td>
			<td>Teledyne Princeton Instruments</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue Wipers, Light-duty&#160;</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82003-820</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers, KS-04</td>
			<td>Kaisi Hardware</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Utrasonic Generator, sweepSONIK</td>
			<td>Blackstone-NEY Ultrasonics</td>
			<td>809379</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Ultrapurifier, Sartorius Arium mini</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>N.A.</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tracking electrochemistry on single nanoparticles with surface-enhanced raman scattering spectroscopy and microscopy

単一ナノ粒子の電気化学反応を研究することは、個々のナノ粒子の不均一性能を理解するために重要です。このナノスケールの不均一性は、ナノ粒子のアンサンブル平均特性評価中に隠されたままです。電気化学的手法は、単一のナノ粒子からの電流を測定するために開発されていますが、電極表面で反応する分子の構造と同一性に関する情報は提供されていません。表面増強ラマン散乱(SERS)顕微鏡や分光法などの光学技術は、個々のナノ粒子の電気化学的事象を検出すると同時に、電極表面種の振動モードに関する情報を提供することができます。この論文では、SERS顕微鏡と分光法を使用して、単一のAgナノ粒子上のナイルブルー(NB)の電気化学的酸化還元を追跡するプロトコルが示されています。まず、平滑で半透明のAg膜上にAgナノ粒子を作製するための詳細なプロトコルについて説明する。光軸に沿って整列した双極プラズモンモードが、単一のAgナノ粒子とAg膜との間に形成される。ナノ粒子と膜の間に固定されたNBからのSERS発光をプラズモンモードに結合し、高角度発光を顕微鏡対物レンズで収集してドーナツ型の発光パターンを形成します。これらのドーナツ型のSERS発光パターンにより、基板上の単一のナノ粒子を明確に識別でき、そこからSERSスペクトルを収集することができます。この研究では、倒立光学顕微鏡と互換性のある電気化学セルにおける作用電極としてSERS基板を採用するための方法が提供される。最後に、個々のAgナノ粒子上のNB分子の電気化学的酸化還元の追跡が示されている。ここで説明するセットアップとプロトコルを変更して、個々のナノ粒子上のさまざまな電気化学反応を研究することができます。

Electrochemistry is an important measurement science for studying charge transfer, charge storage, mass transport, etc., with applications in diverse disciplines, including biology, chemistry, physics, and engineering1,2,3,4,5,6,7. Conventionally, electrochemistry involves measurements over an ensemble &#8212;&#160;a&#160;large collection of single entities such as molecules, crystalline domains, nanoparticles, and surface sites. However, understanding how such single entities contribute to ensemble-averaged responses is key for bringing forth new fundamental and mechanistic understandings in chemistry and related fields because of the heterogeneity of electrode surfaces in complex electrochemical environments8,9. For example, ensemble reduction has revealed site-specific reduction/oxidation potentials10, the formation of intermediates and minor catalysis&#160;products11, site-specific reaction kinetics12,13, and charge carrier dynamics14,15. Reducing ensemble averaging is particularly important in improving our understanding beyond model systems to applied systems, such as biological cells, electrocatalysis, and batteries, in which extensive heterogeneity is often found16,17,18,19,20,21,22.
In the past decade or so, there has been an emergence of techniques to study single-entity electrochemistry1,2,9,10,11,12. These electrochemical measurements have provided the capabilities to measure small electrical and ionic currents in several systems and revealed new fundamental chemical and physical characteristics23,24,25,26,27,28. However, electrochemical measurements do not provide information about the identity or structure of molecules or intermediates at the electrode surface29,30,31,32. Chemical information at the electrode-electrolyte interface is central to understanding electrochemical reactions. Interfacial chemical knowledge is typically obtained by coupling electrochemistry with spectroscopy31,32. Vibrational spectroscopy, such as Raman scattering, is well-suited to provide&#160;complementary chemical information on charge transfer and related events in electrochemical systems that predominately utilize, but are not limited to, aqueous solvents30. Coupled with microscopy, Raman scattering spectroscopy provides spatial resolution down to the diffraction limit of light33,34. Diffraction presents a limitation, however, because nanoparticles and active surface sites are smaller in length than optical diffraction limits, which, thus, precludes the study of individual entities35.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has been demonstrated to be a powerful tool in studying interfacial chemistry in electrochemical reactions20,30,36,37,38. In addition to providing the vibrational modes of reactant molecules, solvent molecules, additives and the surface chemistries of electrodes, SERS provides a signal that is localized to the surface of materials that support collective surface electron oscillations, known as localized surface plasmon resonances. The excitation of plasmon resonances leads to the concentration of electromagnetic radiation at the surface of the metal, thus increasing both the flux of light to and the Raman scattering from surface adsorbates. Nanostructured noble metals such as Ag and Au are commonly used plasmonic materials because they support visible light plasmon resonances, which are desirable for detecting emission with highly sensitive and efficient charge-coupled devices. Although the largest enhancements in SERS come from aggregates of nanoparticles39,40, a new SERS substrate has been developed that allows SERS measurements from individual nanoparticles: gap-mode SERS substrate&#160;(Figure 1)41,42. In gap-mode SERS substrates, a metallic mirror is fabricated and coated with an analyte. Next, nanoparticles are dispersed over the substrate. When irradiated with circularly polarized laser light, a dipolar plasmon resonance formed by the coupling of the nanoparticle and substrate is excited, which enables SERS measurements on single nanoparticles. SERS emission is coupled to the dipolar plasmon resonance43,44,45, which is oriented along the optical axis. With the parallel alignment of the radiating electric dipole and collection optics, only high-angle emission is collected, thus forming distinct donut-shaped emission patterns46,47,48,49 and allowing the identification of single nanoparticles. Aggregates of nanoparticles on the substrate contain radiating dipoles that are not parallel to the optical axis50. In this latter case, low-angle and high-angle emissions are collected and form solid emission patterns46.
Here, we describe a protocol for fabricating gap-mode SERS substrates and a procedure to employ them as working electrodes to monitor electrochemical redox events on single Ag nanoparticles using SERS. Importantly, the protocol using gap-mode SERS substrates allows for the unambiguous identification of single nanoparticles by SERS imaging, which is a key challenge for current methodologies in single nanoparticle electrochemistry. As a model system, we demonstrate the use of SERS to provide a readout of the electrochemical reduction and oxidation of Nile Blue A (NB) on a single Ag nanoparticle driven by a scanning or stepped potential (i.e., cyclic voltammetry, chronoamperometry). NB undergoes a multi-proton, multi-electron reduction/oxidation reaction in which its electronic structure is modulated out of/in resonance with the excitation source, which provides a contrast in the corresponding SERS spectra10,51,52. The protocol described here is also applicable to non-resonant redox-active molecules and electrochemical techniques, which may be pertinent to applications such as electrocatalysis.

著者スポットライト:表面増強ラマン散乱分光法および顕微鏡法による単一ナノ粒子の電気化学の追跡(英語)  

表面増強ラマン散乱分光法および顕微鏡法による単一ナノ粒子の電気化学の追跡

図2A は、電子線金属蒸着システムを用いて作製したAg薄膜基板を示す。 図2A に示す「良好な」基板は、ガラスカバーガラス上のAg金属の均一な被覆率を有するが、「不良」基板はAgの不均一な被覆を有する。「良好な」Ag薄膜の紫外可視スペクトルを 図2Bに示しており、これは膜が電磁スペクトルの可視部分に対して部分的に?...

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このプロトコルでは、表面増強ラマン散乱分光法とイメージングを使用して、単一ナノ粒子上の電気化学的事象をモニタリングする方法について説明しています。

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This ...

私たちの研究の共通テーマは、光物質の相互作用と電気エネルギーを利用して、ナノスケールで界面化学変換を測定、駆動、制御することです。特に、局所環境と反応中間体が電気触媒の選択性にどのように影響するかを理解しようとしています。触媒変換は、伝統的に、生成物と触媒属性のアンサンブル平均測定で評価されます。化学製品を選択的に製造するためのフロンティア課題には、触媒の反応部位における個々の分子の作用をよりよく理解できるように、測定感度を維持しながらこの測定平均化を減らすことが含まれます。電気化学的手法だけでは、電極表面で形成および変換する種に関する化学情報は得られません。当社のプロトコルは、振動分光法を読み出しとして使用して単一のナノ粒子での電気化学的測定を可能にし、電気化学的プロセスと分子変化の間の相関を可能にします。今後も当研究室では、計測分解能や空間・時間の限界に挑戦し、化学・材料プロセスを1分子レベル、化学反応のタイムスケールで理解していきます。

tracking-electrochemistry-on-single-nanoparticles-with-surface

Research

JoVE Journal

Chemistry

Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy

1.3K ビュー.  University of Louisville. 私たちの研究の共通テーマは、光物質の相互作用と電気エネルギーを利用して、ナノスケールで界面化学変換を測定、駆動、制御することです。特に、局所環境と反応中間体が電気触媒の選択性にどのように影響するかを理解しようとしています。触媒変換は、伝統的に、生成物と触媒属性のアンサンブル平均測定で評価されます。化学製品を選択的に製造するた?...

ビデオ: 著者スポットライト:表面増強ラマン散乱分光法および顕微鏡法による単一ナノ粒子の電気化学の追跡(英語)  

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This nanoscale heterogeneity remains hidden during the ensemble-averaged characterization of nanoparticles. Electrochemical techniques have been developed to measure currents from single nanoparticles but do not provide information about the structure and identity of the molecules that undergo reactions at the electrode surface. Optical techniques such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) microscopy and spectroscopy can detect electrochemical events on individual nanoparticles while simultaneously providing information on the vibrational modes of electrode surface species. In this paper, a protocol to track the electrochemical oxidation-reduction of Nile Blue (NB) on single Ag nanoparticles using SERS microscopy and spectroscopy is demonstrated. First, a detailed protocol for fabricating Ag nanoparticles on a smooth and semi-transparent Ag film is described. A dipolar plasmon mode aligned along the optical axis is formed between a single Ag nanoparticle and Ag film. The SERS emission from NB fixed between the nanoparticle and the film is coupled into the plasmon mode, and the high-angle emission is collected by a microscope objective to form a donut-shaped emission pattern. These donut-shaped SERS emission patterns allow for the unambiguous identification of single nanoparticles on the substrate, from which the SERS spectra can be collected. In this work, a method for employing the SERS substrate as a working electrode in an electrochemical cell compatible with an inverted optical microscope is provided. Finally, tracking the electrochemical oxidation-reduction of NB molecules on an individual Ag nanoparticle is shown. The setup and the protocol described here can be modified to study various electrochemical reactions on individual nanoparticles.

The protocol describes how to monitor electrochemical events on single nanoparticles using surface-enhanced Raman scattering spectroscopy and imaging.