Este trabajo fue apoyado por fondos iniciales de la Universidad de Louisville y fondos de Oak Ridge Associated Universities a través de un Premio Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement. Los autores agradecen al Dr. Ki-Hyun Cho por crear la imagen en la Figura 1. La deposición de metal y SEM se realizaron en el Centro de Tecnología Micro / Nano de la Universidad de Louisville.

1. Preparación del sustrato SERS en modo gap
<ol><li>Limpie los cubreobjetos No. 1 (consulte la Tabla de materiales) con un lavado con acetona y agua, como se describe a continuación. Realice este paso en una sala limpia para asegurarse de que no se depositen residuos u otras materias no deseadas en los cubreobjetos.<ol><li>Coloque los cubreobjetos en una rejilla deslizante. Use pinzas cuando mueva los cubreobjetos/sustratos. Coloque la rejilla deslizante en un recipiente de vidrio y...

Análisis del rendimiento heterogéneo de nanopartículas individuales con métodos electroquímicos

Depositar películas metálicas delgadas de Cu y Ag en cubreobjetos limpios es vital para garantizar que la película final tenga una rugosidad no mayor de dos a cuatro capas atómicas (o una rugosidad cuadrática media menor o igual a alrededor de 0,7 nm). El polvo, los arañazos y los residuos presentes en el cubreobjetos antes de la deposición del metal son problemas comunes que impiden la fabricación de la película lisa necesaria para producir patrones de emisión en forma de rosquilla. Por lo tanto, se recomienda...

La electroquímica es una ciencia de medición importante para estudiar la transferencia de carga, el almacenamiento de carga, el transporte de masas, etc., con aplicaciones en diversas disciplinas, incluyendo biología, química, física e ingeniería 1,2,3,4,5,6,7 . Convencionalmente, la electroquímica implica mediciones sobre un conjunto, una gran colección de entidades individuales como moléculas, dominios cristalinos, nanopartículas y sitios de superficie. Sin embargo, comprender cómo tales entidades individuales contribuyen a las respuestas promediadas por conjuntos es clave para generar nuevos entendimientos fundamentales y mecanicistas en química y campos relacionados debido a la heterogeneidad de las superficies de los electrodos en entornos electroquímicos complejos 8,9. Por ejemplo, la reducción de conjuntos ha revelado potenciales de reducción/oxidación específicos del sitio 10, la formación de productos intermedios y de catálisis menores 11, cinética de reacción específica del sitio 12,13 y dinámica de portadores de carga 14,15. La reducción del promedio de conjuntos es particularmente importante para mejorar nuestra comprensión más allá de los sistemas modelo a los sistemas aplicados, como las células biológicas, la electrocatálisis y las baterías, en los que a menudo se encuentra una amplia heterogeneidad 16,17,18,19,20,21,22.
En la última década más o menos, ha habido una aparición de técnicas para estudiar la electroquímica de una sola entidad 1,2,9,10,11,12. Estas mediciones electroquímicas han proporcionado la capacidad de medir pequeñas corrientes eléctricas e iónicas en varios sistemas y revelaron nuevas características químicas y físicas fundamentales 23,24,25,26,27,28. Sin embargo, las mediciones electroquímicas no proporcionan información sobre la identidad o estructura de moléculas o intermedios en la superficie del electrodo 29,30,31,32. La información química en la interfaz electrodo-electrolito es fundamental para comprender las reacciones electroquímicas. El conocimiento químico interfacial se obtiene típicamente mediante el acoplamiento de la electroquímica con la espectroscopia31,32. La espectroscopia vibracional, como la dispersión Raman, es adecuada para proporcionar información química complementaria sobre la transferencia de carga y eventos relacionados en sistemas electroquímicos que utilizan predominantemente, pero no se limitan a, solventes acuosos30. Junto con la microscopía, la espectroscopia de dispersión Raman proporciona una resolución espacial hasta el límite de difracción de la luz33,34. La difracción presenta una limitación, sin embargo, porque las nanopartículas y los sitios de superficie activa son más pequeños en longitud que los límites de difracción óptica, lo que, por lo tanto, impide el estudio de entidades individuales35.
Se ha demostrado que la dispersión Raman mejorada por superficie (SERS) es una herramienta poderosa para estudiar la química interfacial en reacciones electroquímicas 20,30,36,37,38. Además de proporcionar los modos vibracionales de las moléculas reactivas, moléculas de disolvente, aditivos y la química de la superficie de los electrodos, SERS proporciona una señal que se localiza en la superficie de los materiales que soportan oscilaciones colectivas de electrones superficiales, conocidas como resonancias de plasmones de superficie localizada. La excitación de las resonancias de plasmones conduce a la concentración de radiación electromagnética en la superficie del metal, aumentando así tanto el flujo de luz como la dispersión Raman de los adsorbatos superficiales. Los metales nobles nanoestructurados como Ag y Au son materiales plasmónicos de uso común porque admiten resonancias de plasmones de luz visible, que son deseables para detectar emisiones con dispositivos de carga acoplada altamente sensibles y eficientes. Aunque las mayores mejoras en SERS provienen de agregados de nanopartículas39,40, se ha desarrollado un nuevo sustrato SERS que permite mediciones SERS a partir de nanopartículas individuales: sustrato SERS en modo gap (Figura 1)41,42. En los sustratos SERS de modo gap, se fabrica un espejo metálico y se recubre con un analito. A continuación, las nanopartículas se dispersan sobre el sustrato. Cuando se irradia con luz láser polarizada circularmente, se excita una resonancia de plasmón dipolar formada por el acoplamiento de la nanopartícula y el sustrato, lo que permite mediciones SERS en nanopartículas individuales. La emisión SERS está acoplada a la resonancia del plasmón dipolar43,44,45, que está orientada a lo largo del eje óptico. Con la alineación paralela del dipolo eléctrico radiante y la óptica de recolección, solo se recoge la emisión de alto ángulo, formando así distintos patrones de emisión en forma de rosquilla46,47,48,49 y permitiendo la identificación de nanopartículas individuales. Los agregados de nanopartículas en el sustrato contienen dipolos radiantes que no son paralelos al eje óptico50. En este último caso, las emisiones de ángulo bajo y alto ángulo se recogen y forman patrones de emisión sólidos46.
Aquí, describimos un protocolo para fabricar sustratos SERS en modo gap y un procedimiento para emplearlos como electrodos de trabajo para monitorear eventos redox electroquímicos en nanopartículas Ag individuales utilizando SERS. Es importante destacar que el protocolo que utiliza sustratos SERS en modo gap permite la identificación inequívoca de nanopartículas individuales mediante imágenes SERS, que es un desafío clave para las metodologías actuales en electroquímica de nanopartículas individuales. Como sistema modelo, demostramos el uso de SERS para proporcionar una lectura de la reducción electroquímica y la oxidación del azul de Nilo A (NB) en una sola nanopartícula de Ag impulsada por un escaneo o potencial escalonado (es decir, voltametría cíclica, cronoamperometría). NB sufre una reacción de reducción/oxidación multiprotón y multielectrón en la que su estructura electrónica se modula fuera de/en resonancia con la fuente de excitación, lo que proporciona un contraste en los espectros SERS correspondientes 10,51,52. El protocolo descrito aquí también es aplicable a moléculas redox-activas no resonantes y técnicas electroquímicas, que pueden ser pertinentes para aplicaciones como la electrocatálisis.

<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

El estudio de las reacciones electroquímicas en nanopartículas individuales es importante para comprender el rendimiento heterogéneo de las nanopartículas individuales. Esta heterogeneidad a nanoescala permanece oculta durante la caracterización promediada por conjuntos de nanopartículas. Se han desarrollado técnicas electroquímicas para medir las corrientes de nanopartículas individuales, pero no proporcionan información sobre la estructura y la identidad de las moléculas que sufren reacciones en la superficie del electrodo. Las técnicas ópticas, como la microscopía de dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) y la espectroscopia, pueden detectar eventos electroquímicos en nanopartículas individuales y, al mismo tiempo, proporcionar información sobre los modos vibratorios de las especies de superficie de electrodos. En este documento, se demuestra un protocolo para rastrear la oxidación-reducción electroquímica del azul del Nilo (NB) en nanopartículas de Ag individuales utilizando microscopía y espectroscopia SERS. En primer lugar, se describe un protocolo detallado para fabricar nanopartículas de Ag en una película de Ag lisa y semitransparente. Se forma un modo de plasmón dipolar alineado a lo largo del eje óptico entre una sola nanopartícula de Ag y una película de Ag. La emisión SERS de NB fijada entre la nanopartícula y la película se acopla en el modo plasmón, y la emisión de alto ángulo se recoge mediante un objetivo de microscopio para formar un patrón de emisión en forma de rosquilla. Estos patrones de emisión SERS en forma de rosquilla permiten la identificación inequívoca de nanopartículas individuales en el sustrato, a partir de las cuales se pueden recolectar los espectros SERS. En este trabajo, se proporciona un método para emplear el sustrato SERS como electrodo de trabajo en una celda electroquímica compatible con un microscopio óptico invertido. Finalmente, se muestra el seguimiento de la oxidación-reducción electroquímica de moléculas NB en una nanopartícula Ag individual. La configuración y el protocolo descritos aquí se pueden modificar para estudiar diversas reacciones electroquímicas en nanopartículas individuales.

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.

Autor destacado: Seguimiento de la electroquímica en nanopartículas individuales con espectroscopía y microscopía de dispersión Raman mejorada en superficie  

Seguimiento de la electroquímica en nanopartículas individuales con espectroscopía de dispersión Raman mejorada en superficie y microscopía

A common theme in our research is using light matter interactions and electrical energy to measure, drive, and control interfacial chemical transformations at the nanoscale. In particular, we seek to understand how local environments and reaction intermediates affect selectivity in electric catalysis. Catalytic transformations are traditionally evaluated with ensemble average measurements of the products and the catalyst attributes.The frontier challenges to produce chemical products selectively include reducing this measurement averaging while maintaining the measurement sensitivity, so that we can better understand the actions of individual molecules in the reactive sites of the catalyst. Electrochemical techniques alone do not provide any chemical information on species that form and transform at the electrode surface. Our protocol enables electrochemical measurements at a single nanoparticle using vibrational spectroscopy as a readout, enabling correlations between electrochemical processes and molecular changes.Moving forward, our laboratory will continue to push the boundaries of measurement resolution and space and time to understand chemical and material processes at the single-molecule level and at the timescale of chemical reactions.

La Figura 2A muestra sustratos de película delgada de Ag preparados utilizando un sistema de deposición de metal por haz de electrones. El sustrato "bueno" que se muestra en la Figura 2A tiene una cobertura homogénea de Ag metal sobre el cubreobjetos de vidrio, mientras que el sustrato "malo" tiene una cobertura no uniforme de Ag. El espectro ultravioleta-visible de la película delgada Ag "buena" se muestra en la Figura 2B, que ...

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El protocolo describe cómo monitorear eventos electroquímicos en nanopartículas individuales utilizando espectroscopía e imágenes de dispersión Raman mejoradas en superficie.

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

Un tema común en nuestra investigación es el uso de interacciones de materia ligera y energía eléctrica para medir, impulsar y controlar las transformaciones químicas interfaciales a nanoescala. En particular, buscamos comprender cómo los entornos locales y los intermedios de reacción afectan la selectividad en la catálisis eléctrica. Las transformaciones catalíticas se evalúan tradicionalmente con mediciones promedio de conjunto de los productos y los atributos del catalizador.Los desafíos fronterizos para producir productos químicos de forma selectiva incluyen reducir este promedio de medición mientras se mantiene la sensibilidad de medición, de modo que podamos comprender mejor las acciones de las moléculas individuales en los sitios reactivos del catalizador. Las técnicas electroquímicas por sí solas no proporcionan ninguna información química sobre las especies que se forman y transforman en la superficie del electrodo. Nuestro protocolo permite mediciones electroquímicas en una sola nanopartícula utilizando espectroscopia vibracional como lectura, lo que permite correlaciones entre procesos electroquímicos y cambios moleculares.En el futuro, nuestro laboratorio continuará empujando los límites de la resolución de medición y el espacio y el tiempo para comprender los procesos químicos y materiales a nivel de molécula única y en la escala de tiempo de las reacciones químicas.

Seguimiento de la electroquímica en nanopartículas individuales con espectroscopía de dispersión Raman mejorada en superficie y microscopía

Abstract