Rastreando Eletroquímica em Nanopartículas Únicas com Espectroscopia e Microscopia de Espalhamento Raman Intensificado por Superfície

Summary

O protocolo descreve como monitorar eventos eletroquímicos em nanopartículas individuais usando espectroscopia de espalhamento Raman e imagens aprimoradas por superfície.

Abstract

O estudo de reações eletroquímicas em nanopartículas individuais é importante para entender o desempenho heterogêneo de nanopartículas individuais. Essa heterogeneidade em nanoescala permanece oculta durante a caracterização média das nanopartículas. Técnicas eletroquímicas têm sido desenvolvidas para medir correntes a partir de nanopartículas isoladas, mas não fornecem informações sobre a estrutura e identidade das moléculas que sofrem reações na superfície do eletrodo. Técnicas ópticas como microscopia de espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) e espectroscopia podem detectar eventos eletroquímicos em nanopartículas individuais e, ao mesmo tempo, fornecer informações sobre os modos vibracionais de espécies de superfície de eletrodos. Neste trabalho, um protocolo para rastrear a oxidação-redução eletroquímica do Azul do Nilo (NB) em nanopartículas únicas de Ag usando microscopia SERS e espectroscopia é demonstrado. Primeiramente, um protocolo detalhado para a fabricação de nanopartículas de Ag em um filme de Ag liso e semitransparente é descrito. Um modo de plásmons dipolar alinhado ao longo do eixo óptico é formado entre uma única nanopartícula de Ag e um filme de Ag. A emissão de SERS do NB fixada entre a nanopartícula e o filme é acoplada ao modo plásmon, e a emissão de alto ângulo é coletada por uma objetiva de microscópio para formar um padrão de emissão em forma de rosquinha. Esses padrões de emissão de SERS em forma de rosquinha permitem a identificação inequívoca de nanopartículas únicas no substrato, a partir das quais os espectros SERS podem ser coletados. Neste trabalho, um método para empregar o substrato SERS como eletrodo de trabalho em uma célula eletroquímica compatível com um microscópio óptico invertido é fornecido. Finalmente, o rastreamento da oxidação-redução eletroquímica de moléculas de NB em uma nanopartícula de Ag individual é mostrado. A configuração e o protocolo aqui descritos podem ser modificados para estudar várias reações eletroquímicas em nanopartículas individuais.

Introduction

A eletroquímica é uma importante ciência de medição para o estudo de transferência de carga, armazenamento de carga, transporte de massa, etc., com aplicações em diversas disciplinas, incluindo biologia, química, física e engenharia 1,2,3,4,5,6,7 . Convencionalmente, a eletroquímica envolve medições sobre um conjunto – uma grande coleção de entidades únicas, como moléculas, domínios cristalinos, nanopartículas e locais de superfície. No entanto, entender como tais entidades únicas contribuem para respostas médias de conjunto é fundamental para trazer novos entendimentos fundamentais e mecanicistas em química e campos relacionados, devido à heterogeneidade das superfícies dos eletrodos em ambientes eletroquímicos complexos ^8,9. Por exemplo, a redução em conjunto revelou potenciais de redução/oxidação sítio-específicos 10, formação de intermediários e produtos de catálise menores 11, cinética de reação sítio-específica 12,13 e dinâmica portadora de carga ^14,15. A redução da média de conjunto é particularmente importante para melhorar nossa compreensão além dos sistemas modelo para sistemas aplicados, como células biológicas, eletrocatálise e baterias, nos quais uma extensa heterogeneidade é frequentemente encontrada 16,17,18,19,20,21,22.

Na última década, surgiram técnicas para estudar a eletroquímica de entidade única1,2,9,10,11,12. Essas medidas eletroquímicas têm fornecido a capacidade de medir pequenas correntes elétricas e iônicas em diversos sistemas e revelado novas características químicas e físicas fundamentais 23,24,25,26,27,28. Entretanto, medidas eletroquímicas não fornecem informações sobre a identidade ou estrutura de moléculas ou intermediários na superfície do eletrodo 29,30,31,32. A informação química na interface eletrodo-eletrólito é fundamental para a compreensão das reações eletroquímicas. O conhecimento químico interfacial é tipicamente obtido pelo acoplamento da eletroquímica com a espectroscopia^31,32. A espectroscopia vibracional, como o espalhamento Raman, é adequada para fornecer informações químicas complementares sobre transferência de carga e eventos relacionados em sistemas eletroquímicos que utilizam predominantemente, mas não se limitam a, solventes aquosos³⁰. Acoplada à microscopia, a espectroscopia de espalhamento Raman fornece resolução espacial até o limite de difração da luz^33,34. A difração apresenta, entretanto, uma limitação, pois as nanopartículas e os sítios superficiais ativos são menores em comprimento do que os limites de difração óptica, o que, portanto, impossibilita o estudo de entidades individuais³⁵.

O espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) tem se mostrado uma ferramenta poderosa no estudo da química interfacial em reações eletroquímicas 20,30,36,37,38. Além de fornecer os modos vibracionais de moléculas reagentes, moléculas de solvente, aditivos e a química de superfície de eletrodos, o SERS fornece um sinal localizado na superfície de materiais que suportam oscilações coletivas de elétrons de superfície, conhecidas como ressonâncias localizadas de plásmons de superfície. A excitação de ressonâncias de plásmons leva à concentração de radiação eletromagnética na superfície do metal, aumentando assim tanto o fluxo de luz para quanto o espalhamento Raman dos adsorbatos superficiais. Metais nobres nanoestruturados como Ag e Au são materiais plasmônicos comumente usados porque suportam ressonâncias de plásmons de luz visível, que são desejáveis para detectar emissões com dispositivos altamente sensíveis e eficientes acoplados a carga. Embora os maiores aprimoramentos no SERS venham de agregados de nanopartículas^39,40, um novo substrato SERS foi desenvolvido que permite medidas de SERS a partir de nanopartículas individuais: substrato SERS em modo gap (Figura 1)^41,42. Em substratos SERS em modo gap, um espelho metálico é fabricado e revestido com um analito. Em seguida, as nanopartículas são dispersas sobre o substrato. Quando irradiado com luz laser circularmente polarizada, uma ressonância de plásmons dipolares formada pelo acoplamento da nanopartícula e substrato é excitada, o que permite medidas SERS em nanopartículas únicas. A emissão de SERS é acoplada à ressonância do plásmons dipolar^43,44,45, que é orientada ao longo do eixo óptico. Com o alinhamento paralelo do dipolo elétrico irradiante e da óptica de coleta, apenas a emissão de alto ângulo é coletada, formando padrões distintos de emissão em forma de rosquinha^46,47,48,49 e permitindo a identificação de nanopartículas isoladas. Agregados de nanopartículas no substrato contêm dipolos irradiantes que não são paralelos ao eixo óptico⁵⁰. Neste último caso, as emissões de baixo e alto ângulo são coletadas e formam padrões de emissão sólida⁴⁶.

Aqui, descrevemos um protocolo para fabricação de substratos SERS em modo gap e um procedimento para empregá-los como eletrodos de trabalho para monitorar eventos redox eletroquímicos em nanopartículas únicas de Ag usando SERS. É importante ressaltar que o protocolo usando substratos SERS em modo gap permite a identificação inequívoca de nanopartículas únicas por imagens SERS, o que é um desafio chave para as metodologias atuais em eletroquímica de nanopartículas únicas. Como um sistema modelo, demonstramos o uso de SERS para fornecer uma leitura da redução eletroquímica e oxidação do Azul do Nilo A (NB) em uma única nanopartícula de Ag impulsionada por um potencial de varredura ou escalonado (i.e., voltametria cíclica, cronoamperometria). NB sofre uma reação de redução/oxidação multipróton, multi-elétrons, na qual sua estrutura eletrônica é modulada fora de/em ressonância com a fonte de excitação, o que proporciona um contraste nos espectros SERS correspondentes 10,51,52. O protocolo aqui descrito também é aplicável a moléculas redox-ativas não ressonantes e técnicas eletroquímicas, que podem ser pertinentes a aplicações como a eletrocatálise.

Protocol

1. Preparação do substrato SERS em modo de lacuna Limpe as lamínulas nº 1 (consulte a Tabela de Materiais) usando uma acetona e lavagem com água, conforme descrito abaixo. Execute esta etapa em uma sala limpa para garantir que nenhum detrito ou outra matéria indesejada seja depositada nas tampas.Coloque as tampas em um rack deslizante. Use pinças ao mover as lamínulas/substratos. Coloque a cremalheira deslizante em um recipiente de vidro e encha-a com acetona.<b…

Representative Results

A Figura 2A mostra substratos de filmes finos de Ag preparados usando um sistema de deposição de metais por feixe de elétrons. O substrato “bom” mostrado na Figura 2A tem uma cobertura homogênea de Ag metálico sobre a lamínula de vidro, enquanto o substrato “ruim” tem uma cobertura não uniforme de Ag. O espectro ultravioleta-visível do filme fino de Ag “bom” é mostrado na Figura 2B, o que demonstra que o filme é parcialmen…

Discussion

Depositar filmes metálicos finos de e Ag em lamínulas limpas é vital para garantir que o filme final tenha uma rugosidade não superior a duas a quatro camadas atômicas (ou uma rugosidade quadrada média da raiz menor ou igual a cerca de 0,7 nm). Poeira, arranhões e detritos presentes na tampa antes da deposição de metal são problemas comuns que impedem a fabricação da película lisa necessária para produzir padrões de emissão em forma de rosquinha. Assim, recomenda-se sonicar as lamínulas em diferentes sol…

Materials

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.