Method Article

Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy를 사용한 단일 나노입자의 전기화학 추적

DOI:

10.3791/65486

⸱

May 12th, 2023

 ,  , 
1Department of Chemistry, University of Louisville

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 표면 강화 라만 산란 분광법 및 이미징을 사용하여 단일 나노 입자의 전기화학적 이벤트를 모니터링하는 방법을 설명합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

단일 나노 입자에 대한 전기 화학 반응을 연구하는 것은 개별 나노 입자의 이질적인 성능을 이해하는 데 중요합니다. 이 나노 스케일 이질성은 나노 입자의 앙상블 평균 특성화 중에 숨겨져 있습니다. 단일 나노 입자의 전류를 측정하기 위해 전기 화학 기술이 개발되었지만 전극 표면에서 반응을 겪는 분자의 구조와 정체성에 대한 정보는 제공하지 않습니다. 표면 강화 라만 산란(SERS) 현미경 및 분광법과 같은 광학 기술은 개별 나노 입자의 전기화학적 사건을 감지하는 동시에 전극 표면 종의 진동 모드에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 논문에서는 SERS 현미경 및 분광법을 사용하여 단일 Ag 나노 입자에서 나일 블루(NB)의 전기화학적 산화-환원을 추적하는 프로토콜을 시연합니다. 먼저, 매끄럽고 반투명한 Ag 필름 상에 Ag 나노입자를 제조하기 위한 상세한 프로토콜이 설명된다. 광축을 따라 정렬된 쌍극자 플라즈몬 모드는 단일 Ag 나노입자와 Ag 필름 사이에 형성됩니다. 나노 입자와 필름 사이에 고정 된 NB로부터의 SERS 방출은 플라즈몬 모드로 결합되고, 고각 방출은 현미경 대물렌즈에 의해 수집되어 도넛 모양의 방출 패턴을 형성한다. 이러한 도넛 모양의 SERS 방출 패턴을 통해 기판 상의 단일 나노입자를 명확하게 식별할 수 있으며, 이로부터 SERS 스펙트럼을 수집할 수 있습니다. 이 작업에서, SERS 기판을 도립 광학 현미경과 호환되는 전기 화학 전지에서 작동 전극으로 사용하는 방법이 제공됩니다. 마지막으로, 개별 Ag 나노 입자에서 NB 분자의 전기 화학적 산화 환원을 추적하는 것이 표시됩니다. 여기에 설명된 설정 및 프로토콜은 개별 나노입자에 대한 다양한 전기화학 반응을 연구하기 위해 수정될 수 있습니다.

Introduction

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전기 화학은 생물학, 화학, 물리학 및 공학을 포함한 다양한 분야의 응용 분야와 함께 전하 이동, 전하 저장, 질량 수송 등을 연구하는 데 중요한 측정 과학입니다 1,2,3,4,5,6,7 . 일반적으로 전기화학은 분자, 결정 도메인, 나노 입자 및 표면 부위와 같은 단일 개체의 대규모 집합인 앙상블에 대한 측정을 포함합니다. 그러나 이러한 단일 개체가 앙상블 평균 응답에 어떻게 기여하는지 이해하는 것은 복잡한 전기화학 환경에서 전극 표면의 이질성 때문에 화학 및 관련 분야에서 새로운 근본적이고 기계론적인 이해를 도출하는 데 중요합니다 8,9. 예를 들어, 앙상블 환원은 부위 특이적 환원/산화 전위(10), 중간체 및 미량 촉매 생성물(....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 갭 모드 SERS 기판 준비

  1. 아래 설명된 대로 아세톤과 물 세척제를 사용하여 1번 커버슬립( 재료 표 참조)을 청소합니다. 클린룸에서 이 단계를 수행하여 커버슬립에 파편이나 기타 원치 않는 물질이 쌓이지 않도록 합니다.
    1. 커버슬립을 슬라이드 랙에 놓습니다. 커버슬립/기판을 이동할 때는 핀셋을 사용하십시오. 슬라이드 랙을 유리 용기에 넣고 아세톤으로 채웁니다.
      주의 : 아세톤은 가연성이 높으며 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 환기가 잘 되는 곳에서 장갑, 고글, 마스크를 착용하고 다루십시오.
    2. 초음파 발생기의 전력 제어를 8로 조정하고 슬라이드 랙으로 유리 용기를 15 분 동안 초음파 처리합니다.
    3. 용기에서 슬라이드 랙을 꺼내고 슬라이드 랙과 커버슬립을 초순수(저항 18.2MΩ·cm) 물로 완전히 헹굽니다.
    4. 커버슬립이 있는 슬라이드 랙을 유리 용기에 넣고 초순수로 채웁니다. 동일한 설정을 사용하여 슬라이드 랙으로 유리 용기를 15 분 더 초음파 처리합니다.
    5. 용기에서 슬라이드 랙을 제거하고 슬라이드 랙과 커버슬립을 초순수로 철저히 씻으십시오.
    6. 스프레이 건을 사용하여 고순도 N2

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Results

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도 2A 는 전자빔 금속 증착 시스템을 이용하여 제조된 Ag 박막 기판을 나타낸다. 그림 2A 에 표시된 "양호한" 기판은 유리 커버슬립 위에 Ag 금속의 균일한 커버리지를 갖는 반면, "나쁜" 기판은 Ag의 불균일한 커버리지를 갖습니다. "좋은" Ag 박막의 자외선-가시광선 스펙트럼은 도 2B에 도시되어 있으며, 이는 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분에 대해 필름이 부분적으로 투명하다는 것을 보여준다. "좋은" Ag 박막 기판은 현재 프로토콜에서 분광전기화학 실험에 사용되는 642nm 레이저 광에 대해 34%의 광학 투명도를 가지고 있습니다. 도 2C 는 "양호한" 기판의 10.8 μm x 10.8 μm 영역의 대표적인 AFM 이미지를 나타낸다. 대표 영역의 제곱 평균 제곱근 거칠기 값은 0.7 nm이며, 이는 Ag .......

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Discussion

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깨끗한 커버슬립에 Cu 및 Ag 박막 금속 필름을 증착하는 것은 최종 필름의 거칠기가 2-4개의 원자층(또는 약 0.7nm 이하의 평균 제곱근 거칠기)을 갖도록 하는 데 중요합니다. 금속 증착 전에 커버슬립에 존재하는 먼지, 긁힘 및 파편은 도넛 모양의 방출 패턴을 생성하는 데 필요한 매끄러운 필름의 제작을 방해하는 일반적인 문제입니다. 따라서 금속 증착 전에 다른 용매에서 커버 슬립을 초음파 처리하고 가능하면 클린 룸에서이 공정을 수행하는 것이 좋습니다. 또한, 증착 절차에 세심한 주의를 기울여야 한다. 진공 챔버 내부의 모든 표면(팬 홀더 서랍 포함)과 팬은 먼지와 파편이 쌓이는 경향이 있으므로 청소해야 할 수 있습니다.

금속 증착 공정 동안 사용되는 높은 증착 속도는 증착된 필름이 원자적으로 매끄럽게 되도록 하지만 제어하기가 더 어려울 수도 있습니다. 필름 두께 센서를 잘못 판독하면 필름이 불균일하거나 지나치게 두껍거나 얇아질 수 있습니다. 금속 필름이 너무 얇 으면 연속적.......

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Disclosures

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저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작업은 University of Louisville의 창업 자금과 Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award를 통한 Oak Ridge Associated Universities의 자금 지원으로 지원되었습니다. 저자는 그림 1의 이미지를 만들어 준 조기현 박사에게 감사를 표합니다. 금속 증착 및 SEM은 루이빌 대학의 마이크로/나노 기술 센터에서 수행되었습니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
아세톤, 마이크로 전자 등급J. T. Baker9005-05
조절식 피펫, Eppendorf Reference 2 5000 mLEppendorf4924000100
분석 저울, AB54-S/FACTMetter ToledoN.A.
원자력 현미경, 쉬운 스캔 2NanosurfN.A.
AXXIS 전자빔 박막 증착 시스템Kurt J. LeskerN.A.
캐리 60 UV-Vis 분광 광도계애질런트N.A.
전도성 에폭시, 두 부분전자 현미경 과학12642-14
구리 펠릿, 99.99% 순수Kurt J. LeskerEVMCU40EXE
구리선, 베어, 18 AWGVWR66248-040
도가니, 흑연 E-빔Kurt J. LeskerEVCEB-23
다이아몬드 스크라이버Ted Pella54484
EMCCD 카메라, ProEM HS : 1024BX3텔레 다인 프린스턴 악기NA
에폭시, 클리어고릴라 접착제N.A.
유리관 절단기Wheeler-Rex69012
유리관, 붕규산염(OD 0.75", ID 0.62", L 12")McMaster-Carr8729K45
이멀젼 오일, F형OlympusIMMOIL-F30CC
도립 현미경, IX73OlympusNA
레이저, Excelsior One 642 nm 여유 공간스펙트럼 물리학N.A.
LightField, Teledyne, 프린스턴 인스트루먼트,N.A.
MATLAB 2022b:매스웍스N.A.
마이크로 커버 유리(커버슬립), 24회; 60mm No. 1VWR48404-455
현미경 스마트 폰 카메라 어댑터qhmaQHMC017A-S01
나일 블루 A, 순수Acros 유기물415690100
질소, 초순수, 압축특수 가스N.A.
목표, UPLanXApo 100× 오일 이멀젼Olympus14-910
폴리이미드 필름, Kapton3M16089-4
인산칼륨 단일염기성 VWRP285
포텐시오스타트, 660E CH 악기N.A.
Pt 철사Alfa Aesar10956-BS
주사 전자 현미경, Apreo C SEM열 Fischer 과학적인 N.A.
Si 웨이퍼Ted Pella16006
은 나노 입자 (나노 구체), 2 mM 구연산나노 ComposixAGCN60
실버 펠릿, 99.99 % 순수Kurt J. LeskerEVMAG40EXE-A
슬라이드 랙, Wash-N-DryDiversified BiotechWSDR-2000
스마트 폰, iPhone 13 miniAppleNA
인산 나트륨 이염기성 헵타 하이드레이트VWR0348
분광계, IsoPlane SCT320텔레 다인 프린스턴 악기N.A.
티슈 와이퍼, 라이트-듀티 VWR82003-820
핀셋, KS-04Kaisi 하드웨어N.A.
Utrasonic 발전기, 스윕SONIKBlackstone-NEY 초음파 809379
정수기, Sartorius Arium 미니SartoriusN.A.
염

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. O'Mari, O., Vullev, V. I. Electrochemical analysis in charge-transfer science: The devil in the details. Current Opinion in Electrochemistry. 31, 100862(2022).
  2. Forster, R. J. Microelectrodes: New dimensions in electrochemistry. Chemical Socie....

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