Observation og analyse af blinkende overflade-forstærket Raman spredning
Summary
Denne protokol beskriver analysen af blinkende overflade-forstærket Raman spredning på grund af tilfældige gang af et enkelt molekyle på en sølv overflade ved hjælp af magt love.
Abstract
Fra et enkelt molekyle på en sølv nanoaggregate junction, er blinkende overflade-forstærket Raman spredning (SERS) observeret. Her, en protokol, der præsenteres på hvordan man forbereder SERS-aktive sølv nanoaggregate, optage en video af visse blinkende steder i det mikroskopiske billede og analysere den blinkende statistik. I denne analyse gengiver en magt lov sandsynlighedsfordelinger til lyse begivenheder i forhold til deres varighed. Sandsynlighedsfordelinger til mørke begivenheder er monteret af en power lov med en eksponentiel funktion. Parametrene for magt loven repræsentere molekylære adfærd i både lyse og mørke stater. Tilfældig gang model og hastigheden af molekylet tværs over hele sølv overfladen kan anslås. Det er vanskeligt at vurdere selv når du bruger gennemsnit, autokorrelation funktioner og super-resolution SERS billeddannelse. I fremtiden, bør magt loven analyser kombineres med spektrale imaging, fordi oprindelsen af blinker ikke kan bekræftes af denne analysemetode, der er alene.
Introduction
Overflade-forstærket Raman spredning (SERS) er meget følsomme Raman spektroskopi fra en ædel metal overflade. Da Raman spektret giver detaljerede oplysninger om molekylære struktur baseret på skarpe peak holdninger gennem de vibrationelle tilstande af funktionelle grupper i molekyler, kan et enkelt molekyle oplysninger på en metal overflade undersøges ved hjælp af SERS1,2,3. Fra en sølv nanoaggregate med en adsorbate på enkelt-molekyle niveau, er en blinkende signal observeret1,2,3,4,5,6, 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, og spektret svinger1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14. Blinker kan være fremkaldt af en enkelt molekyle, der tilfældigt flytter ind og ud af en forbedret elektromagnetiske (EM) felt på en nanometer-størrelse sølv nanoaggregate krydset. Derfor, blinker betragtes enkle beviser for enkelt-molekyle påvisning, sammenlignet med en teknik, der bruger en Poisson fordeling af SERS Støtteintensiteter og en bi-analysand2,3,17. De detaljerede mekanismer i den blinkende og svingende spektrum, som kan kraftigt afhænger molekylære adfærd på Ag overflade, er dog stadig omstridt.
I tidligere undersøgelser, har blinkende SERS været analyseret ved hjælp af funktionen autokorrelation, som kan beregne diffusion koefficient og koncentration af molekyler bevæger sig ind og ud af en forbedret EM felt12,13,14 . Desuden hidrører en normaliseret standardafvigelse score, som repræsenterer ustabilitet i den samlede støtteintensitet, fra Tidsprofilen signal15. Dog kan disse analytiske tilgange baseret på opførsel af et par molekyler. Derimod i en super-opløsning billeddannelse af blinkende SERS, kan enkelt-molekyle adfærd i en forbedret EM felt være identificeret16. Men disse teknikker kan få sådanne parametre kun i en forbedret EM felt. Tilfældige funktionsmåden for et enkelt molekyle inden for en bred vifte (for eksempel i blinker SERS) kan være repræsenteret som en magt lov snarere end en gennemsnitlig4,5,6,7,8 ,9,10,11, svarende til blinkende fluorescens fra en enkelt semiconductor quantum dot (QD)18,19. Ved hjælp af en power lov analyse4,5,6,7,8,9,10,11, Molekylær adfærd kan estimeres i både lyse stat (i feltet udvidet EM) og mørk stat10; det vil sige, kan opførsel af molekylet over hele sølv overfladen anslås.
For denne teknik, sølv kolloid nanoaggregates er brugt4,5,6,7,8,9,10,11. Disse nanoaggregates viser forskellige lokaliserede overflade plasmon resonans (LSPR) bands, der kraftigt påvirker forbedret elektromagnetiske felter, når de er glade ved visse bølgelængder. SERS-aktive sølv nanopartikler findes i kolloid suspension, og nogle data kan således umiddelbart opnås. For simple nanostrukturer, som har specifikke størrelser, former og ordninger, kan LSPR afhængighed af SERS blinker skjule andre dependences7; nemlig, hvis den gode eller dårlige nanostrukturer til LSPR bruges, parametrene bliver konstant, og de andre dependences vil derfor være skjult. Magt loven analyse har været brugt til at opdage forskellige dependences af den blinkende SERS fra sølv kolloid nanoaggregates4,5,6,7,8, 9 , 10 , 11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fra sølv nanoaggregate junction udsendes SERS. Således er nødt vi til at forberede nanoaggregates snarere end kolloid nanopartikler, som er dækket med citrat anioner. Sølv aggregater er dannet fra saltning ud effekten, der skabes ved tilsætning af poly-L-lysin, der har -NH3+ og oprindelsen af SERS, eller Na+ kationer fra NaCl, som vist i Figur S2 i den supplerende materiale. Desuden, for at belyse de mange steder i det brede område, ufokuserede laserstrålen er lev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatteren tak Prof. Y. Ozaki (Kwansei Gakuin Universitet) og Dr. T. Itoh (National Institute for Advanced industriel videnskab og teknologi) for deres givtig diskussion af dette arbejde. Dette arbejde blev støttet af KAKENHI (licensbetaling for videnskabelig forskning C) fra ministeriet for uddannelse, kultur, sport, videnskab og teknologi (nr. 16K 05671).
Materials
| Silver nitrate, 99.8% | Wako | 194-00832 | |
| Trisodium citrate dihydrate, 99. % | Wako | 191-01785 | |
| Poly-L-lysine aqueous solution, 0.1% | Sigma-Aldrich | P8920 | |
| 3,3'-disulfopropylthiacyanine triethylamine | Hayashibara Biochemical Laboratories | NK-2703 | a kind of thiacyanine dyes |
| 3,3'-diethyl-5,5'-dichloro-9-methylthiacarbocyanine iodine salt | Hayashibara Biochemical Laboratories | SMP-9 | a kind of thiacarobocyanine dyes |
| Sodium chloride, 99.5% | Wako | 191-01665 | |
| Dimroth condenser | Iwaki | 61-9722-22 | perchased from AS ONE |
| Magnetic stirrer | Corning | DC-420D | |
| Oil bath | Advantech | OS-220 | |
| Glass plate | Matsunami | S-1112 | Microscope slide |
| Blower | Hozan | Z-288 | Air duster |
| Liquid blocker pen | Daido Sangyo | LIQUID BLOCKER (Super Pap Pen). Ready-to-use hydrophobic barrier pen designed for immunohistochemistry applications | |
| Inverted microscope | Olympus | IX-70 | |
| Objective lens | Olympus | LCPlanFl 60× | NA 0.7 |
| Dark field condenser | Olympus | U-DCD | NA 0.8–0.92 |
| Cooled digital CCD camera | Hamamatsu | ORCA-AG | controlled by software Aqua Cosmos |
| Software for the cooled digital CCD camera | Hamamatsu | AquaCosmos | used for also derivation of the time-profiles from the blinking spots in the video |
| Color CCD camera | ELMO | TNC-C920 | not used for analysis |
| DPSS laser | RGB laser system | NovaPro532-75 | λ = 532 nm; 60 mW (corresponds to a power density of 600 W/cm2) |
| Interference filter | Semrock | LL01-532-12.5 | |
| Long pass filter | Semrock | BLP01-532R-25 | |
| Software for the distinguishment and counting of the bright/dark events | home-maid | programmed by C++ | |
| Software for the fitting by a power law | LightStone | Origin6.1 |
References
- Qian, X. M., Nie, S. M. Single-molecule and single-nanoparticle SERS: from fundamental mechanisms to biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 37, 912-920 (2008).
- Pieczonka, N. P. W., Aroca, R. F. Single molecule analysis by surfaced-enhanced Raman scattering. Chem. Soc. Rev. 37, 946-954 (2008).
- Kneipp, J., Kneipp, H., Kneipp, K. SERS -a single-molecule and nanoscale tool for bioanalytics. Chem. Soc. Rev. 37, 1052-1060 (2008).
- Kitahama, Y., Ozaki, Y. Analysis of blinking SERS by a power law with an exponential function. Frontiers of Surface-Enhanced Raman Scattering: Single-Nanoparticles and Single Cells. , (2014).
- Kitahama, Y. Truncated Power Law Analysis of Blinking SERS. Frontiers of Plasmon Enhanced Spectroscopy Volume 1 (ACS Symposium series Vol. 1245). , (2016).
- Bizzarri, A. R., Cannistraro, S. Lévy Statistics of Vibrational Mode Fluctuations of Single Molecules from Surface-Enhanced Raman Scattering. Phys. Rev. Lett. 94, 068303 (2005).
- Kitahama, Y., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Power-law analysis of surface-plasmon-enhanced electromagnetic field dependence of blinking SERS of thiacyanine or thiacarbocyanine adsorbed on single silver nanoaggregates. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7439-7448 (2011).
- Kitahama, Y., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Analysis of excitation laser intensity dependence of blinking SERRS of thiacarbocyanine adsorbed on single silver nanoaggregates by using a power law with an exponential function. Chem. Commun. 47, 3888-3890 (2011).
- Kitahama, Y., Enogaki, A., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Truncated power law analysis of blinking SERS of thiacyanine molecules adsorbed on single silver nanoaggregates by excitation at various wavelengths. J. Phys. Chem. C. 117, 9397-9403 (2013).
- Kitahama, Y., Araki, D., Yamamoto, Y. S., Itoh, T., Ozaki, Y. Different behaviour of molecules in dark SERS state on colloidal Ag nanoparticles estimated by truncated power law analysis of blinking SERS. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 21204-21210 (2015).
- Kitahama, Y., Nagahiro, T., Tanaka, Y., Itoh, T., Ozaki, Y. Analysis of blinking from multicoloured SERS-active Ag colloidal nanoaggregates with poly-L-lysine via truncated power law. J. Raman. Spectrosc. 48, 570-577 (2017).
- Habuchi, S., et al. Single-Molecule Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy of the Enhanced Green Fluorescent Protein. J. Am. Chem. Soc. 125, 8446-8447 (2003).
- Weiss, A., Haran, G. Time-Dependent Single-Molecule Raman Scattering as a Probe of Surface Dynamics. J. Phys. Chem. B. 105, 12348-12354 (2001).
- Emory, S. R., Jensen, R. A., Wenda, T., Han, M., Nie, S. Re-examining the origins of spectral blinking in single-molecule and single-nanoparticle SERS. Faraday Discuss. 132, 249-259 (2006).
- Itoh, T., Iga, M., Tamaru, H., Yoshida, K., Biju, V., Ishikawa, M. Quantitative evaluation of blinking in surface enhanced resonance Raman scattering and fluorescence by electromagnetic mechanism. J. Chem. Phys. 136, 024703 (2012).
- Willets, K. A. Super-resolution imaging of SERS hot spots. Chem. Soc. Rev. 43, 3854-3864 (2014).
- Dieringer, J. A., Lettan, R. B., Scheidt, K. A., Van Duyne, R. P. A Frequency Domain Existence Proof of Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 129, 16249-16256 (2007).
- Cichos, F., von Borczyskowski, C., Orrit, M. Power-law intermittency of single emitters. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 12, 272-284 (2007).
- Tang, J., Marcus, R. A. Mechanisms of fluorescence blinking in semiconductor nanocrystal quantum dots. J. Chem. Phys. 123, 054704 (2005).
- Lee, P. C., Meisel, D. Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols. J. Phys. Chem. 86, 3391-3395 (1982).
- Krichevsky, O., Bonnet, G. Fluorescence correlation spectroscopy: the technique and its applications. Rep. Prog. Phys. 65, 251-297 (2002).
- Hess, S. T., Huang, S., Heikal, A. A., Webb, W. W. Biological and Chemical Applications of Fluorescence Correlation Spectroscopy: A Review. Biochemistry. 41, 697-705 (2002).
