התבוננות וניתוח של מהבהב פיזור ראמאן השטח משופרת
Summary
פרוטוקול זה מתאר הניתוח של מהבהב ראמאן משופרת השטח פיזור עקב ההליכה אקראי של מולקולה בודדת על משטח כסף באמצעות חוקים כוח.
Abstract
ממולקולה בודדת-צומת סילבר nanoaggregate, מהבהב ראמאן משופרת השטח פיזור (SERS) הוא ציין. כאן, פרוטוקול מוצג כיצד להתכונן הפעילים SERS סילבר nanoaggregate להקליט וידאו של כתמים מהבהב מסוימים בתמונה מיקרוסקופית, לנתח את הסטטיסטיקה מהבהב. ניתוח זה, חוק החשמל מתרבה של התפלגויות ההסתברות לאירועים בהיר יחסית משך הזמן שלהם. התפלגויות ההסתברות לאירועים כהה מצוידים ע פ חוק החשמל הפונקציה המעריכית. הפרמטרים של החוק כוח לייצג ההתנהגות המולקולרית במדינות הכהים והבהירים כאחד. המודל אקראי הליכה ואת המהירות של מולקולת כסף על פני כל יכול להיות מוערך. קשה להעריך אפילו בעת שימוש ממוצעים, פונקציות autocorrelation, וכן הדמיה SERS ברזולוציה-העל. בעתיד, כוח החוק ניתוחים לשלבו עם הדמיה ספקטרלי, כי מקורם של מהבהב לא יכול להיות מאושרות על ידי ניתוח פעולת שירות זו לבד.
Introduction
השטח משופרת ראמאן פיזור (SERS) היא רגישה מאוד ספקטרוסקופיית ראמאן ממשטח מתכת אצילה. מאז ספקטרום ראמאן מספק מידע מפורט על מבנה מולקולרי. המבוסס על העמדות שיא חדה, דרך הלטראלית של קבוצות פונקציונליות בהמולקולות, המידע של מולקולה בודדת על משטח מתכת יכול ייחקרו באמצעות SERS1,2,3. מ nanoaggregate כסף עם adsorbate רמה מולקולה בודדת, איתות מהבהב נצפית1,2,3,4,5,6, 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, ו הספקטרום תנודות1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14. מהבהב יכולה להיגרם על ידי מולקולה בודדת שזז בצורה אקראית בין שדה (EM) אלקטרומגנטית משופרת-צומת nanoaggregate כסף בגודל ננומטר. לכן, מהבהב נחשבת ראיה פשוטה לגילוי מולקולה בודדת, לעומת טכניקה באמצעות התפלגות פואסון SERS עוצמות,3,2,דו-analyte17. עם זאת, המנגנון מפורט של הספקטרום מהבהב, המשתנות, אשר בתוקף תלויים ההתנהגות המולקולרית על פני Ag, הם עדיין שנוי במחלוקת.
במחקרים קודמים, מהבהב SERS נותחה באמצעות הפונקציה autocorrelation, אשר ניתן לחשב את מקדם דיפוזיה וריכוז של מולקולות נע פנימה והחוצה משופרת EM שדה12,13,14 . יתר על כן, ציון מנורמל סטיית תקן, אשר מייצג את חוסר היציבות בעוצמה מוחלטת, יש כבר נגזר לפרופיל זמן של אות ה-15. עם זאת, גישות אנליטיות אלה עשויה להתבסס על ההתנהגות של מספר מולקולות. לעומת זאת, בתחום ההדמיה סופר רזולוציה של מהבהב SERS, מולקולה בודדת התנהגות בשדה EM משופרת יכול להיות מזוהה16. עם זאת, שיטות אלה ניתן לקבל פרמטרים כגון רק ב שדה EM משופרת. התנהגות אקראית של מולקולה בודדת בתוך מגוון רחב (למשל, ב מהבהב SERS) יכול להיות מיוצג חוק החשמל במקום ממוצע4,5,6,7,8 ,9,10,11, הדומה פלורסצנטיות מהבהב מ18,19נקודה (QD) קוונטית בודדת מוליכים למחצה. על-ידי שימוש של כוח החוק ניתוח4,5,6,7,8,9,10,11, ההתנהגות המולקולרית יכול להיות משוער ב מדינת בהיר (בתחום EM משופרת) והן המדינה כהה10; כלומר, אופן הפעולה של המולקולה על פני השטח כולו כסף יכול להיות מוערך.
טכניקה זו, nanoaggregates colloidal כסף הם בשימוש4,5,6,7,8,9,10,11. Nanoaggregates אלה מראים להקות תהודה (LSPR) שונות המותאמות לשפות אחרות פלזמון משטח חזק להשפיע על שדות אלקטרו-מגנטיים משופרת כאשר הם מתרגשים באורכי גל מסוימים. לפיכך, פעיל SERS סילבר חלקיקים קיים צמיגי, חלק מהנתונים מיד ניתן להשיג. במקרה של nanostructures פשוט, שבו יש, ספציפית הסדרים, צורות וגדלים, התלות LSPR של SERS מהבהב יכול להסתיר אחרים dependences7; כלומר, אם ננו-מבנה טוב או רע כדי LSPR, הפרמטרים יהיה קבועים, dependences אחרים לכן יוסתרו. ניתוח החוק כוח שימש לגלות dependences שונים של SERS מהבהב כסף colloidal nanoaggregates4,5,6,7,8, 9 , 10 , 11.
Protocol
Representative Results
Discussion
מצומת nanoaggregate כסף, נפלטת SERS. לפיכך, עלינו להכין את nanoaggregates יותר מאשר colloidal חלקיקי, אשר מכוסים אניונים ציטראט. אגרגטים כסף נוצרות מן שיטת salting out האפקט שנוצר על-ידי התוספת של פולי-L-ליזין, אשר יש -NH3+ , והוא המקור של SERS, או קטיונים Na+ של NaCl, כפי שמוצג באיור S2 של חומר משלים. ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחבר תודה פרופסור י’ וזאקי (אוניברסיטת Gakuin Kwansei), ד ר טי Itoh (הלאומי מכון מתקדם תעשייתי למדעים וטכנולוגיה) לצורך דיון פורה של עבודה זו. עבודה זו נתמכה על ידי KAKENHI (מענק הסיוע עבור C מחקר מדעי) של משרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע, והטכנולוגיה (מס 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).
