Слежение за электрохимией на одиночных наночастицах с помощью спектроскопии и микроскопии комбинационного рассеяния света с поверхностным усилением

Резюме

Протокол описывает, как отслеживать электрохимические события на отдельных наночастицах с помощью спектроскопии и визуализации рассеяния комбинационного рассеяния с поверхностным усилением.

Аннотация

Изучение электрохимических реакций на отдельных наночастицах важно для понимания гетерогенных характеристик отдельных наночастиц. Эта наноразмерная гетерогенность остается скрытой во время усредненной ансамблевой характеристики наночастиц. Электрохимические методы были разработаны для измерения токов от отдельных наночастиц, но не дают информации о структуре и идентичности молекул, которые подвергаются реакциям на поверхности электрода. Оптические методы, такие как поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS), микроскопия и спектроскопия, могут обнаруживать электрохимические события на отдельных наночастицах, одновременно предоставляя информацию о колебательных модах частиц поверхности электродов. В этой статье продемонстрирован протокол для отслеживания электрохимического окисления-восстановления нильского синего (NB) на одиночных наночастицах Ag с использованием микроскопии и спектроскопии SERS. Во-первых, подробно описан протокол изготовления наночастиц Ag на гладкой и полупрозрачной пленке Ag. Между одной наночастицей Ag и пленкой Ag образуется диполярная плазмонная мода, выровненная вдоль оптической оси. Излучение SERS от NB, закрепленное между наночастицей и пленкой, соединяется в плазмонную моду, а излучение под большим углом собирается объективом микроскопа для формирования картины излучения в форме пончика. Эти образы излучения SERS в форме пончика позволяют однозначно идентифицировать отдельные наночастицы на подложке, из которых могут быть собраны спектры SERS. В данной работе предложен способ использования подложки SERS в качестве рабочего электрода в электрохимической ячейке, совместимой с инвертированным оптическим микроскопом. Наконец, показано отслеживание электрохимического окисления-восстановления молекул NB на отдельной наночастице Ag. Описанная здесь установка и протокол могут быть модифицированы для изучения различных электрохимических реакций на отдельных наночастицах.

Введение

Электрохимия является важной измерительной наукой для изучения переноса заряда, хранения заряда, переноса массы и т. Д. С приложениями в различных дисциплинах, включая биологию, химию, физику и инженерию 1,2,3,4,5,6,7 . Обычно электрохимия включает в себя измерения ансамбля — большого набора отдельных объектов, таких как молекулы, кристаллические домены, наночастицы и участки поверхности. Однако понимание того, как такие единичные объекты....

протокол

1. Подготовка подложки SERS в режиме зазора

1. Очистите покровные стекла No 1 (см. Таблицу материалов) с помощью промывки ацетоном и водой, как описано ниже. Выполняйте этот шаг в чистом помещении, чтобы убедиться, что на покровные стекла не оседает мусор или другие нежелательные вещества.
   1. Поместите покровные стекла в поддвижную стойку. Используйте пинцет при перемещении покровных стекол / подложек. Поместите горочную стойку в стеклянную емкость и заполните ее ацетоном.
      ВНИМАНИЕ: Ацетон легко воспламеняется и имеет потенциальные негативные последствия для здоровья. Обращайтесь с ним в хорошо проветриваемом помещении, ....

Результаты

На рисунке 2А показаны тонкопленочные подложки Ag, приготовленные с использованием электронно-лучевой системы осаждения металла. «Хорошая» подложка, показанная на рисунке 2А , имеет однородное покрытие металла Ag поверх стеклянного покровного стекла, в т?.......

Обсуждение

Нанесение тонких металлических пленок Cu и Ag на чистые покровные стекла имеет жизненно важное значение для обеспечения того, чтобы конечная пленка имела шероховатость не более двух-четырех атомных слоев (или среднеквадратичную шероховатость, меньшую или равную примерно 0,7 нм). Пыль, цар.......

Материалы

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.