Observatie en analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing
Summary
Dit protocol beschrijft de analyse van de blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing als gevolg van de toevalsbeweging van een enkel molecuul op een zilveren oppervlak met macht wetten.
Abstract
Van een enkel molecuul een zilveren nanoaggregate afslag, wordt blinkende oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing (SERS) waargenomen. Hier, een protocol wordt gepresenteerd op het voorbereiden van de SERS-actieve zilveren nanoaggregate, een video opnemen van bepaalde knipperende plekken in de microscopische opname en de knipperende statistieken analyseren. In deze analyse reproduceert een machtswet de kansverdelingen voor heldere evenementen ten opzichte van hun duur. De kansverdelingen voor donkere evenementen zijn voorzien van een vermogen wet met een exponentiële functie. De parameters van de machtswet vertegenwoordigen moleculaire gedrag in zowel de lichte als de donkere Staten. De toevalsbeweging-model en de snelheid van het molecuul over het hele zilver oppervlak kunnen worden geschat. Het is moeilijk in te schatten, zelfs bij het gebruik van gemiddelden, autocorrelatie functies en super resolutie SERS beeldvorming. In de toekomst, is dat de macht wet analyses moeten worden gecombineerd met spectrale imaging, omdat de oorsprong van het knipperen kunnen niet worden bevestigd door deze analysemethode alleen.
Introduction
Oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing (SERS) is zeer gevoelige Ramanspectroscopie van een oppervlak met edelmetaal. Aangezien de Raman-spectrum vindt u gedetailleerde informatie over moleculaire structuur op basis van de standpunten van de scherpe piek en door de vibrationele modi van functionele groepen in de moleculen, kan de informatie van een enkel molecuul op een metalen oppervlak worden onderzocht. met behulp van SERS1,2,3. Van een zilveren nanoaggregate met een adsorbate op het niveau van de single-molecuul, wordt een knipperende signaal waargenomen1,2,3,4,5,6, 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16en het spectrum fluctueert1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14. Knipperen kan worden opgewekt door een enkel molecuul dat willekeurig in en uit een verbeterde elektromagnetische (EM) veld op een kruispunt van nanometer-gerangschikte zilveren nanoaggregate beweegt. Daarom, knippert wordt beschouwd als eenvoudige aanwijzingen voor de single-molecuul detectie, vergeleken met een techniek met behulp van een Poisson-verdeling van de SERS intensiteiten en een bi-analyt2,3,17. De precieze werking van de knipperende en schommelende spectrum, die sterk van moleculaire gedrag op het oppervlak van de Ag afhangen kan, zijn echter nog steeds controversieel.
In eerdere studies, heeft knipperende SERS zijn geanalyseerd met behulp van de autocorrelatiefunctie, die berekenen van kan de coëfficiënt van de verspreiding en de concentratie van moleculen bewegen in en uit een verbeterde EM veld12,13,14 . Bovendien heeft een genormaliseerde standaard deviatie score, die vertegenwoordigt de instabiliteit in de totale intensiteit, is afgeleid van het profiel van de tijd van de signaal-15. Deze analytische benaderingen kunnen echter worden gebaseerd op het gedrag van een paar moleculen. In tegenstelling, in een super resolutie beeldvorming van knipperen SERS, kunnen single-molecuul gedrag in een verbeterde EM-veld geïdentificeerde16. Deze technieken kunnen echter dergelijke parameters slechts in een verbeterde EM-veld. Het willekeurige gedrag van een enkel molecuul binnen een breed scala (bijvoorbeeld in het knipperende SERS) kan worden weergegeven als een machtswet in plaats van een gemiddelde4,5,6,7,8 ,9,10,11, vergelijkbaar met knipperende fluorescentie van een enkele halfgeleider quantum dot (QD)18,19. Met behulp van een power wet analyse4,5,6,7,8,9,10,11, moleculaire gedrag kan worden geraamd in zowel de lichte staat (in de verbeterde EM-veld) en de donkere staat10; dat wil zeggen kan het gedrag van het molecuul over het gehele oppervlak van de zilveren worden geschat.
Voor deze techniek, zilveren colloïdaal nanoaggregates zijn gebruikte4,5,6,7,8,9,10,11. Deze nanoaggregates tonen verschillende gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie (LSPR) bands die sterk verbeterde elektromagnetische velden van invloed op wanneer ze enthousiast bij bepaalde golflengten zijn. SERS-actieve zilver nanodeeltjes in colloïdale suspensie, en sommige gegevens bestaan kan dus onmiddellijk worden verkregen. In het geval van eenvoudige nanostructuren, die specifieke maten, vormen en regelingen hebben, kan de afhankelijkheid van de LSPR van SERS knipperen verbergen andere verslaafdheden7; namelijk als de nanostructuur van het goed of slecht aan LSPR wordt gebruikt, de parameters zullen constant, en de andere verslaafdheden zal daarom worden verborgen. Power wet analyse is gebruikt om te ontdekken van de verschillende verslaafdheden van de knipperende SERS van zilveren colloïdaal nanoaggregates4,5,6,7,8, 9 , 10 , 11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vanaf de samenvloeiing van de zilveren nanoaggregate, wordt SERS uitgestoten. We moeten dus nanoaggregates in plaats van colloïdale nanodeeltjes, die zijn bedekt met citraat anionen bereiden. Zilveren aggregaten worden gevormd door de zouten uit effect gecreëerd door toevoeging van poly-L-lysine, die heeft -NH3+ en de oorsprong van de SERS, of nb+ caties van NaCl, zoals weergegeven in Figuur S2 van het aanvullend materiaal. Bovendien, om te verlichten van de vele plekke…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteur dankt Prof. Y. Ozaki (Kwansei Gakuin University) en Dr. T. Itoh (nationale Instituut van geavanceerde industriële wetenschap en technologie) voor hun vruchtbare discussie van dit werk. Dit werk werd gesteund door KAKENHI (Grant-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek-C) van het ministerie van onderwijs, cultuur, sport, wetenschap en technologie (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 |
Riferimenti
- 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. Biochimica. 41, 697-705 (2002).
