JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

מעקב אחר אלקטרוכימיה על ננו-חלקיקים בודדים באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן משופרת פני השטח ומיקרוסקופ

Published: May 12, 2023
doi:
10.3791/65486
, ,
1Department of Chemistry,University of Louisville

Summary

הפרוטוקול מתאר כיצד לנטר אירועים אלקטרוכימיים על ננו-חלקיקים בודדים באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן משופרת על פני השטח והדמיה.

Abstract

חקר תגובות אלקטרוכימיות על ננו-חלקיקים בודדים חשוב כדי להבין את הביצועים ההטרוגניים של ננו-חלקיקים בודדים. הטרוגניות ננומטרית זו נותרת חבויה במהלך האפיון הממוצע של ננו-חלקיקים. טכניקות אלקטרוכימיות פותחו כדי למדוד זרמים מננו-חלקיקים בודדים, אך אינן מספקות מידע על המבנה והזהות של המולקולות שעוברות תגובות על פני השטח של האלקטרודה. טכניקות אופטיות כגון מיקרוסקופ פיזור ראמאן משופר פני השטח (SERS) וספקטרוסקופיה יכולות לזהות אירועים אלקטרוכימיים על ננו-חלקיקים בודדים ובו זמנית לספק מידע על מצבי הרטט של מיני פני השטח של האלקטרודות. במאמר זה מודגם פרוטוקול למעקב אחר חיזור החמצון האלקטרוכימי של כחול הנילוס (NB) על ננו-חלקיקי Ag בודדים באמצעות מיקרוסקופ SERS וספקטרוסקופיה. ראשית, מתואר פרוטוקול מפורט לייצור ננו-חלקיקי Ag על סרט Ag חלק ושקוף למחצה. מצב פלסמון דיפולרי המיושר לאורך הציר האופטי נוצר בין ננו-חלקיק Ag יחיד לבין סרט Ag. פליטת SERS מ-NB הקבועה בין הננו-חלקיק לסרט מצומדת למצב פלסמון, והפליטה בזווית גבוהה נאספת על ידי מטרת מיקרוסקופ ליצירת תבנית פליטה בצורת סופגנייה. דפוסי פליטת SERS בצורת סופגנייה אלה מאפשרים זיהוי חד משמעי של ננו-חלקיקים בודדים על המצע, שממנו ניתן לאסוף את ספקטרום SERS. בעבודה זו ניתנת שיטה לשימוש במצע SERS כאלקטרודה עובדת בתא אלקטרוכימי התואם למיקרוסקופ אופטי הפוך. לבסוף, מוצג מעקב אחר חמצון-חיזור אלקטרוכימי של מולקולות NB על ננו-חלקיק Ag בודד. ניתן לשנות את ההתקנה ואת הפרוטוקול המתואר כאן כדי לחקור תגובות אלקטרוכימיות שונות על ננו-חלקיקים בודדים.

Introduction

אלקטרוכימיה היא מדע מדידה חשוב לחקר העברת מטען, אחסון מטען, תחבורה המונית וכו ‘, עם יישומים בתחומים מגוונים, כולל ביולוגיה, כימיה, פיזיקה והנדסה 1,2,3,4,5,6,7 . באופן קונבנציונלי, אלקטרוכימיה כוללת מדידות על פני אנסמבל – אוסף גדול של ישויות בודדות כגון מולקולות, תחומים גבישיים, ננו-חלקיקים ואתרי פני שטח. עם זאת, הבנת האופן שבו ישויות בודדות כאלה תורמות לתגובות ממוצעות היא המפתח להבאת הבנות בסיסיות ומכניסטיות חדשות בכימיה ובתחומים קשורים בגלל ההטרוגניות של משטחי אלקטרודות בסביבות אלקטרוכימיות מורכבות 8,9. לדוגמה, הפחתת אנסמבל חשפה פוטנציאלי חיזור/חמצון ספציפיים לאתר 10, היווצרות תוצרי ביניים וקטליזה מינורית 11, קינטיקה של תגובה ספציפית לאתר 12,13 ודינמיקה של נשא מטען 14,15. הפחתת ממוצע האנסמבל חשובה במיוחד לשיפור ההבנה שלנו מעבר למערכות מודל למערכות יישומיות, כגון תאים ביולוגיים, אלקטרוקטליזה וסוללות, שבהן הטרוגניות נרחבת נמצאת לעתים קרובות 16,17,18,19,20,21,22.

בעשור האחרון לערך, חלה הופעה של טכניקות לחקר אלקטרוכימיה של ישות אחת 1,2,9,10,11,12. מדידות אלקטרוכימיות אלה סיפקו את היכולות למדוד זרמים חשמליים ויונים קטנים במספר מערכות וחשפו תכונות כימיות ופיזיקליות בסיסיות חדשות 23,24,25,26,27,28. עם זאת, מדידות אלקטרוכימיות אינן מספקות מידע על הזהות או המבנה של מולקולות או מתווכים על פני האלקטרודה 29,30,31,32. מידע כימי בממשק אלקטרודה-אלקטרוליט הוא מרכזי להבנת תגובות אלקטרוכימיות. ידע כימי בין-פנים מתקבל בדרך כלל על ידי צימוד אלקטרוכימיה עם ספקטרוסקופיה31,32. ספקטרוסקופיית רטט, כגון פיזור ראמאן, מתאימה היטב לספק מידע כימי משלים על העברת מטען ואירועים קשורים במערכות אלקטרוכימיות המשתמשות בעיקר, אך אינן מוגבלות, לממסים מימיים30. בשילוב עם מיקרוסקופיה, ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן מספקת רזולוציה מרחבית עד לגבול העקיפה של אור33,34. עקיפה מהווה מגבלה, עם זאת, מכיוון שננו-חלקיקים ואתרי פני שטח פעילים קטנים באורכם ממגבלות עקיפה אופטיות, מה שמונע את המחקר של ישויות בודדות35.

פיזור ראמאן משופר פני השטח (SERS) הוכח ככלי רב עוצמה בחקר כימיה בין-פנים בתגובות אלקטרוכימיות 20,30,36,37,38. בנוסף לאספקת מצבי הרטט של מולקולות מגיבות, מולקולות ממס, תוספים וכימיות פני השטח של אלקטרודות, SERS מספק אות הממוקם לפני השטח של חומרים התומכים בתנודות אלקטרונים קולקטיביות על פני השטח, הידועות כתהודה פלסמונית פני שטח מקומית. העירור של תהודה פלסמונית מוביל לריכוז של קרינה אלקטרומגנטית על פני השטח של המתכת, ובכך להגדיל הן את שטף האור אל ואת פיזור ראמאן מן פני השטח adsorbates. מתכות אצילות ננו-מובנות כגון Ag ו- Au הן חומרים פלסמוניים נפוצים מכיוון שהן תומכות בתהודה פלסמונית של אור נראה, הרצויה לגילוי פליטה עם התקנים מצומדים למטען רגישים ויעילים במיוחד. למרות שהשיפורים הגדולים ביותר ב-SERS מגיעים מצברים של ננו-חלקיקים39,40, פותח מצע SERS חדש המאפשר מדידות SERS מננו-חלקיקים בודדים: מצע SERS במצב פער (איור 1)41,42. במצעי SERS במצב רווח, מראה מתכתית מיוצרת ומצופה באנליט. לאחר מכן, ננו-חלקיקים מתפזרים על המצע. כאשר מקרינים אור לייזר מקוטב בצורה מעגלית, מעוררת תהודה פלסמונית דיפולרית הנוצרת על ידי צימוד הננו-חלקיק והמצע, המאפשרת מדידות SERS על ננו-חלקיקים בודדים. פליטת SERS מצומדת לתהודה פלסמונית דיפולרית43,44,45, המכוונת לאורך הציר האופטי. עם היישור המקביל של הדיפול החשמלי המקרין ואופטיקת האיסוף, נאסף רק פליטה בזווית גבוהה, וכך נוצרות תבניות פליטה נפרדות בצורת סופגנייה46,47,48,49 ומאפשרות זיהוי של ננו-חלקיקים בודדים. צברים של ננו-חלקיקים על המצע מכילים דיפולים מקרינים שאינם מקבילים לציר האופטי50. במקרה אחרון זה, נאספות פליטות בזווית נמוכה ובזווית גבוהה ויוצרות דפוסי פליטה מוצקים46.

כאן, אנו מתארים פרוטוקול לייצור מצעי SERS במצב פער והליך להשתמש בהם כאלקטרודות עבודה לניטור אירועי חמצון-חיזור אלקטרוכימיים על ננו-חלקיקים Ag בודדים באמצעות SERS. חשוב לציין, הפרוטוקול המשתמש במצעי SERS במצב פער מאפשר זיהוי חד משמעי של ננו-חלקיקים בודדים על ידי הדמיית SERS, המהווה אתגר מרכזי עבור המתודולוגיות הנוכחיות באלקטרוכימיה של ננו-חלקיקים בודדים. כמערכת מודל, אנו מדגימים את השימוש ב-SERS כדי לספק קריאה של ההפחתה והחמצון האלקטרוכימיים של Nile Blue A (NB) על ננו-חלקיק Ag יחיד המונע על ידי סריקה או פוטנציאל מדורג (כלומר, וולטמטריה מחזורית, כרונואמפרומטריה). NB עובר תגובת חיזור/חמצון מרובת פרוטון, מרובת אלקטרונים, שבה המבנה האלקטרוני שלו מווסת מתוך / בתהודה עם מקור העירור, מה שמספק ניגוד בספקטרום SERSהמתאים 10,51,52. הפרוטוקול המתואר כאן ישים גם למולקולות פעילות חמצון-חיזור שאינן מהדהדות ולטכניקות אלקטרוכימיות, אשר עשויות להיות רלוונטיות ליישומים כגון אלקטרוקטליזה.

Protocol

1. הכנת מצע SERS במצב פער נקו את הכיסויים מס’ 1 (ראו טבלת חומרים) באמצעות אצטון ושטיפת מים, כמתואר להלן. בצעו שלב זה בחדר נקי כדי להבטיח שלא יושקעו לכלוך או חומר לא רצוי אחר על פתקי הכיסוי.הניחו את הכיסויים במדף שקופיות. השתמשו בפינצטה בעת הזזת הכיסויים/מצעים. הניחו את…

Representative Results

איור 2A מראה מצעי סרט דק Ag שהוכנו באמצעות מערכת שיקוע מתכת של קרן אלקטרונים. למצע ה”טוב” שמוצג באיור 2A יש כיסוי הומוגני של מתכת Ag מעל כיסוי הזכוכית, בעוד שלמצע “הרע” יש כיסוי לא אחיד של Ag. הספקטרום האולטרה-סגול הנראה לעין של סרט Ag דק “טוב” מוצג באיור 2B</…

Discussion

הפקדת יריעות מתכת דקות Cu ו- Ag על כיסויים נקיים חיונית כדי להבטיח שלסרט הסופי יהיה חספוס שאינו עולה על שתיים עד ארבע שכבות אטומיות (או חספוס ריבועי ממוצע שורש קטן או שווה לכ- 0.7 ננומטר). אבק, שריטות ולכלוך הקיימים על הכיסוי לפני שקיעת המתכת הם בעיות נפוצות המונעות את ייצור הסרט החלק הדרוש לייצ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי קרנות סטארט-אפ מאוניברסיטת לואיוויל ומימון מאוניברסיטאות Oak Ridge Associated Universities באמצעות פרס שיפור הפקולטה הצעירה ע”ש ראלף א. פואו (Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Award). המחברים מודים לד”ר קי-היון צ’ו על יצירת התמונה באיור 1. שיקוע המתכת וה-SEM בוצעו במרכז הטכנולוגי מיקרו/ננו באוניברסיטת לואיוויל.

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.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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 Society Reviews. 23 (4), 289-297 (1994).
  3. Frackowiak, E., Béguin, F. Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors. Carbon. 39 (6), 937-950 (2001).
  4. Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , (2001).
  5. Gerischer, H. The impact of semiconductors on the concepts of electrochemistry. Electrochimica Acta. 35 (11), 1677-1699 (1990).
  6. Savéant, J. -. M. Molecular catalysis of electrochemical reactions. Mechanistic aspects. Chemical Reviews. 108 (7), 2348-2378 (2008).
  7. Maduraiveeran, G., Sasidharan, M., Ganesan, V. Electrochemical sensor and biosensor platforms based on advanced nanomaterials for biological and biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics. 103, 113-129 (2018).
  8. Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
  9. Wang, Y., Shan, X., Tao, N. Emerging tools for studying single entity electrochemistry. Faraday Discussions. 193, 9-39 (2016).
  10. Wilson, A. J., Willets, K. A. Visualizing site-specific redox potentials on the surface of plasmonic nanoparticle aggregates with superlocalization SERS microscopy. Nano Letters. 14 (2), 939-945 (2014).
  11. Devasia, D., Wilson, A. J., Heo, J., Mohan, V., Jain, P. K. A rich catalog of C-C bonded species formed in CO2 reduction on a plasmonic photocatalyst. Nature Communications. 12 (1), 2612 (2021).
  12. Sambur, J. B., et al. Sub-particle reaction and photocurrent mapping to optimize catalyst-modified photoanodes. Nature. 530 (7588), 77-80 (2016).
  13. Sambur, J. B., Chen, P. Approaches to single-nanoparticle catalysis. Annual Review of Physical Chemistry. 65 (1), 395-422 (2014).
  14. Sambur, J. B., Chen, P. Distinguishing direct and indirect photoelectrocatalytic oxidation mechanisms using quantitative single-molecule reaction imaging and photocurrent measurements. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 20668-20676 (2016).
  15. Wang, L., Tahir, M., Chen, H., Sambur, J. B. Probing charge carrier transport and recombination pathways in monolayer MoS2/WS2 heterojunction photoelectrodes. Nano Letters. 19 (12), 9084-9094 (2019).
  16. Rubin, H. The significance of biological heterogeneity. Cancer and Metastasis Reviews. 9 (1), 1-20 (1990).
  17. Altschuler, S. J., Wu, L. F. Cellular heterogeneity: Do differences make a difference. Cell. 141 (4), 559-563 (2010).
  18. Guerrette, J. P., Percival, S. J., Zhang, B. Fluorescence coupling for direct imaging of electrocatalytic heterogeneity. Journal of the American Chemical Society. 135 (2), 855-861 (2013).
  19. Chen, Y., et al. In situ imaging facet-induced spatial heterogeneity of electrocatalytic reaction activity at the subparticle level via electrochemiluminescence microscopy. Analytical Chemistry. 91 (10), 6829-6835 (2019).
  20. Zaleski, S., et al. Investigating nanoscale electrochemistry with surface- and tip-enhanced Raman spectroscopy. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 2023-2030 (2016).
  21. Xu, R., et al. Heterogeneous damage in Li-ion batteries: Experimental analysis and theoretical modeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 129, 160-183 (2019).
  22. Liu, H., et al. Quantifying reaction and rate heterogeneity in battery electrodes in 3D through operando X-ray diffraction computed tomography. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (20), 18386-18394 (2019).
  23. Heinze, J. Ultramicroelectrodes in electrochemistry. Angewandte Chemie International Edition in English. 32 (9), 1268-1288 (1993).
  24. Arrigan, D. W. M. Nanoelectrodes, nanoelectrode arrays and their applications. Analyst. 129 (12), 1157-1165 (2004).
  25. Grall, S., et al. Attoampere nanoelectrochemistry. Small. 17 (29), 2101253 (2021).
  26. Sa, N., Lan, W. -. J., Shi, W., Baker, L. A. Rectification of ion current in nanopipettes by external substrates. ACS Nano. 7 (12), 11272-11282 (2013).
  27. Zhu, C., Huang, K., Siepser, N. P., Baker, L. A. Scanning ion conductance microscopy. Chemical Reviews. 121 (19), 11726-11768 (2021).
  28. Fu, K., Kwon, S. -. R., Han, D., Bohn, P. W. Single entity electrochemistry in nanopore electrode arrays: Ion transport meets electron transfer in confined geometries. Accounts of Chemical Research. 53 (4), 719-728 (2020).
  29. Iwasita, T., Nart, F. C., Rodes, A., Pastor, E., Weber, M. Vibrational spectroscopy at the electrochemical interface. Surface Structure and Electrochemical Reactivity. 40 (1), 53-59 (1995).
  30. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Understanding electrocatalysis at nanoscale electrodes and single atoms with operando vibrational spectroscopy. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 38, 100682 (2022).
  31. Kaim, W., Fiedler, J. Spectroelectrochemistry: The best of two worlds. Chemical Society Reviews. 38 (12), 3373-3382 (2009).
  32. Zhai, Y., Zhu, Z., Zhou, S., Zhu, C., Dong, S. Recent advances in spectroelectrochemistry. Nanoscale. 10 (7), 3089-3111 (2018).
  33. Zheng, X., Zong, C., Xu, M., Wang, X., Ren, B. Raman imaging from microscopy to nanoscopy, and to macroscopy. Small. 11 (28), 3395-3406 (2015).
  34. Opilik, L., Schmid, T., Zenobi, R. Modern Raman imaging: Vibrational spectroscopy on the micrometer and nanometer scales. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 379-398 (2013).
  35. Wilson, A. J., Devasia, D., Jain, P. K. Nanoscale optical imaging in chemistry. Chemical Society Reviews. 49 (16), 6087-6112 (2020).
  36. Willets, K. A. Probing nanoscale interfaces with electrochemical surface-enhanced Raman scattering. Current Opinion in Electrochemistry. 13, 18-24 (2019).
  37. Tian, Z. -. Q., Ren, B. Adsorption and reaction at electrochemical interfaces as probed by surface-enhanced Raman spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 55 (1), 197-229 (2004).
  38. Wu, D. -. Y., Li, J. -. F., Ren, B., Tian, Z. -. Q. Electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy of nanostructures. Chemical Society Reviews. 37 (5), 1025-1041 (2008).
  39. Bosnick Jiang, K., Maillard, M., Brus, L. Single molecule Raman spectroscopy at the junctions of large Ag nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (37), 9964-9972 (2003).
  40. Camden, J. P., et al. Probing the structure of single-molecule surface-enhanced Raman scattering hot spots. Journal of the American Chemical Society. 130 (38), 12616-12617 (2008).
  41. Daniels, J. K., Chumanov, G. Nanoparticle−mirror sandwich substrates for surface-enhanced Raman scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 109 (38), 17936-17942 (2005).
  42. Ciracì, C., et al. Probing the ultimate limits of plasmonic enhancement. Science. 337 (6098), 1072-1074 (2012).
  43. Ausman, L. K., Schatz, G. C. On the importance of incorporating dipole reradiation in the modeling of surface enhanced Raman scattering from spheres. The Journal of Chemical Physics. 131 (8), 084708 (2009).
  44. Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution optical imaging of single-molecule SERS hot spots. Nano Letters. 10 (9), 3777-3784 (2010).
  45. Titus, E. J., Weber, M. L., Stranahan, S. M., Willets, K. A. Super-resolution SERS imaging beyond the single-molecule limit: An isotope-edited approach. Nano Letters. 12 (10), 5103-5110 (2012).
  46. Bartko, A. P., Dickson, R. M. Imaging three-dimensional single molecule orientations. The Journal of Physical Chemistry B. 103 (51), 11237-11241 (1999).
  47. Chen, S. -. Y., et al. Gold nanoparticles on polarizable surfaces as Raman scattering antennas. ACS Nano. 4 (11), 6535-6546 (2010).
  48. Du, L., Tang, D., Yuan, G., Wei, S., Yuan, X. Emission pattern of surface-enhanced Raman scattering from single nanoparticle-film junction. Applied Physics Letters. 102 (8), 081117 (2013).
  49. Joshi, P. B., Anthony, T. P., Wilson, A. J., Willets, K. A. Imaging out-of-plane polarized emission patterns on gap mode SERS substrates: From high molecular coverage to the single molecule regime. Faraday Discussions. 205, 245-259 (2017).
  50. Stranahan, S. M., Titus, E. J., Willets, K. A. SERS orientational imaging of silver nanoparticle dimers. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2 (21), 2711-2715 (2011).
  51. Cortés, E., et al. Monitoring the electrochemistry of single molecules by surface-enhanced Raman spectroscopy. Journal of the American Chemical Society. 132 (51), 18034-18037 (2010).
  52. Wilson, A. J., Molina, N. Y., Willets, K. A. Modification of the electrochemical properties of Nile Blue through covalent attachment to gold as revealed by electrochemistry and SERS. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 21091-21098 (2016).
  53. E-beam evaporator SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/Ebaeam_SOP.pdf (2020)
  54. FEI Apreo C SEM SOP. Micro/Nano Technology Center, University of Louisville Available from: https://louisville.edu/micronano/files/documents/standard-operating-procedures/ApreoSEMSOPn.pdf (2023)
  55. Benz, F., et al. SERS of individual nanoparticles on a mirror: Size does matter, but so does shape. The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (12), 2264-2269 (2016).
  56. Sundaresan, V., Monaghan, J. W., Willets, K. A. Visualizing the effect of partial oxide formation on single silver nanoparticle electrodissolution. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (5), 3138-3145 (2018).
  57. Wilson, A. J., Mohan, V., Jain, P. K. Mechanistic understanding of plasmon-enhanced electrochemistry. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (48), 29360-29369 (2019).
  58. Wilson, A. J., Jain, P. K. Light-induced voltages in catalysis by plasmonic nanostructures. Accounts of Chemical Research. 53 (9), 1773-1781 (2020).
  59. Wang, J., Heo, J., Chen, C., Wilson, A. J., Jain, P. K. Ammonia oxidation enhanced by photopotential generated by plasmonic excitation of a bimetallic electrocatalyst. Angewandte Chemie International Edition. 59 (42), 18430-18434 (2020).
  60. Joshi, P. B., Wilson, A. J. Plasmonically enhanced electrochemistry boosted by nonaqueous solvent. The Journal of Chemical Physics. 156 (24), 241101 (2022).
  61. Xiao, X., Fan, F. -. R. F., Zhou, J., Bard, A. J. Current transients in single nanoparticle collision events. Journal of the American Chemical Society. 130 (49), 16669-16677 (2008).
  62. Kwon, S. J., et al. Stochastic electrochemistry with electrocatalytic nanoparticles at inert ultramicroelectrodes-theory and experiments. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (12), 5394-5402 (2011).
  63. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  64. Sun, T., Yu, Y., Zacher, B. J., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of individual catalytic nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 53 (51), 14120-14123 (2014).
  65. Yu, Y., Sun, T., Mirkin, M. V. Scanning electrochemical microscopy of single spherical nanoparticles: Theory and particle size evaluation. Analytical Chemistry. 87 (14), 7446-7453 (2015).
  66. Yu, Y., et al. Electrochemistry and electrocatalysis at single gold nanoparticles attached to carbon nanoelectrodes. ChemElectroChem. 2 (1), 58-63 (2015).
  67. Bentley, C. L., Kang, M., Unwin, P. R. Nanoscale structure dynamics within electrocatalytic materials. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16813-16821 (2017).
  68. Wahab, O. J., Kang, M., Unwin, P. R. Scanning electrochemical cell microscopy: A natural technique for single entity electrochemistry. Current Opinion in Electrochemistry. 22, 120-128 (2020).
  69. Bentley, C. L., et al. Local surface structure and composition control the hydrogen evolution reaction on iron nickel sulfides. Angewandte Chemie International Edition. 57 (15), 4093-4097 (2018).
  70. Wright, D., et al. Mechanistic study of an immobilized molecular electrocatalyst by in situ gap-plasmon-assisted spectro-electrochemistry. Nature Catalysis. 4 (2), 157-163 (2021).
  71. Peng, J., et al. In-situ spectro-electrochemistry of conductive polymers using plasmonics to reveal doping mechanisms. ACS Nano. 16 (12), 21120-21128 (2022).
  72. Yan, M., Kawamata, Y., Baran, P. S. Synthetic organic electrochemical methods since 2000: On the verge of a renaissance. Chemical Reviews. 117 (21), 13230-13319 (2017).
  73. Kingston, C., et al. A survival guide for the "electro-curious.&#34. Accounts of Chemical Research. 53 (1), 72-83 (2020).
  74. Patrice, F. T., Qiu, K., Ying, Y. -. L., Long, Y. -. T. Single nanoparticle electrochemistry. Annual Review of Analytical Chemistry. 12 (1), 347-370 (2019).
  75. Sekretareva, A. Single-entity electrochemistry of collision in sensing applications. Sensors and Actuators Reports. 3, 100037 (2021).

Tags

Single NanoparticleSurface-enhanced Raman Scattering (SERS)ElectrochemistryMicroscopyCatalysisReaction IntermediatesChemical TransformationsEnsemble Average MeasurementsVibrational SpectroscopyHeterogeneous PerformanceNanoscale HeterogeneityNile BlueAg Nanoparticles

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Hemmer, J. V., Joshi, P. B., Wilson, A. J. Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy. J. Vis. Exp. (195), e65486, doi:10.3791/65486 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image