Jump to content

Рамановская спектроэлектрохимия

Рамановская спектроэлектрохимия (Раман-SEC) — это метод, изучающий неупругое рассеяние или комбинационное рассеяние монохроматического света, связанного с химическими соединениями, участвующими в электродном процессе. Этот метод предоставляет информацию о колебательных энергетических переходах молекул с использованием монохроматического источника света, обычно лазера , который принадлежит к УФ, видимой или ближней ИК-области. Спектроэлектрохимия комбинационного рассеяния света предоставляет конкретную информацию о структурных изменениях, составе и ориентации молекул на поверхности электрода , участвующих в электрохимической реакции, поскольку спектры комбинационного рассеяния света регистрируют реальные отпечатки пальцев соединений. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Когда луч монохроматического света исследует поверхность раздела электрод/раствор, большинство фотонов упруго рассеиваются с той же энергией, что и падающий свет. Однако небольшая часть рассеивается неупруго, поскольку энергия лазерных фотонов смещается вверх или вниз. Когда рассеяние является упругим, это явление обозначается как рэлеевское рассеяние , а когда оно неупругое, оно называется комбинационным рассеянием . Рамановская спектроскопия в сочетании с электрохимическими методами делает рамановскую спектроэлектрохимию мощным методом идентификации, характеристики и количественного определения молекул.

Основное преимущество рамановской спектроэлектрохимии состоит в том, что она не ограничивается выбранным растворителем и можно использовать водные и органические растворы. Однако основным недостатком является низкая интенсивность рамановского сигнала. Для улучшения чувствительности и селективности этого метода множественного ответа были разработаны различные методы, а также новые субстраты. [ 4 ]

Для исследователей несколько экспериментальных соображений, связанных с рамановской спектроэлектрохимией, включают подготовку электродов, конструкцию ячейки, параметры лазера, электрохимическую последовательность и обработку данных. [ 8 ]

  • Эффект RRS (резонансное комбинационное рассеяние)

Эффект комбинационного резонанса приводит к увеличению интенсивности комбинационного рассеяния света до 10 6 раз. В этом явлении взаимодействие монохроматического света с образцом приводит к переходу молекул из фундаментального состояния в возбужденное электронное состояние вместо виртуального состояния, как в обычной рамановской спектроскопии. Это явление повышенной интенсивности можно наблюдать в таких материалах, как углеродные нанотрубки. [ 9 ]

  • SERS (комбинационное рассеяние с поверхностным усилением)

Поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS) — это метод, позволяющий увеличить интенсивность комбинационного сигнала до 10 11 раз. Это явление основано на взаимодействии монохроматического света с материалами, проявляющими плазмонные свойства. Наиболее распространенными металлами, используемыми в SERS, являются наноструктурированные металлы с плазмонной полосой ( золото , серебро или медь ). Наноструктурированные поверхности электродов могут быть созданы путем нанесения металлических наноструктур из этих материалов. Недостатком этого явления иногда является отсутствие воспроизводимости спектров из-за сложности получения одинаковых наноструктурированных поверхностей в каждом эксперименте. [ 1 ] [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 10 ] [ 11 ]

  • SOERS (комбинационное рассеяние, усиленное поверхностным окислением)

Комбинационное рассеяние, усиленное поверхностным окислением (SOERS), — это процесс, аналогичный SERS, который позволяет усиливать рамановский сигнал, когда серебряный электрод окисляется в определенном составе электролита. Этот процесс осуществляется при достаточно положительных потенциалах, чтобы обеспечить окисление поверхности электрода. Существуют существенные различия с эффектом SERS, но это явление также усиливает рамановский сигнал. [ 1 ] [ 5 ]

  • SHINERS (рамановская спектроскопия, усиленная наночастицами)

В SHINERS металлические наночастицы с плазмонными свойствами покрыты ультратонкими однородными слоями кремнезема или оксида алюминия , образуя изолированные наночастицы . Металлическое ядро ​​(Au или Ag) отвечает за усиление рамановских сигналов близлежащих молекул, в то время как слои покрытия устраняют влияние металлического ядра на рамановские и электрохимические сигналы, предотвращая прямую адсорбцию молекул на них. Покрытие из кремнезема и оксида алюминия может улучшить химическую и термическую стабильность наночастиц. Этот факт имеет большое значение при in-situ изучении каталитических реакций. Высокая чувствительность поверхностей SHINERS делает эти наноструктуры перспективным инструментом для исследования границ раздела жидкость-твердое тело, особенно в спектроэлектрохимии . [ 3 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

  • TERS (комбинационное рассеяние с усиленным наконечником)

Комбинационное рассеяние света с усилением зонда (TERS) — это метод, который предоставляет молекулярную информацию на наноуровне. В этих экспериментах металлические наноструктуры заменяются острым металлическим наконечником нанометрического размера, концентрирующим шероховатость непосредственно на небольшой области, что улучшает пространственное разрешение методов сканирования в рамановской спектроскопии. [ 3 ] [ 11 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]


Схема различных энергетических уровней, показывающая состояния, участвующие в рамановском сигнале.

Конфигурация

[ редактировать ]

Для проведения экспериментов Raman-SEC можно использовать различные конфигурации. Комбинационное рассеяние дает спектры с очень слабыми полосами комбинационного рассеяния, поэтому требуется очень хорошо выровненная оптическая конфигурация. эффективный сбор рассеянных фотонов Лазер должен быть сфокусирован на поверхности электрода, и обязателен . Многие из инструментов, используемых для комбинационного рассеяния света, основаны на сочетании спектрометра , потенциостата и конфокального микроскопа , поскольку можно с высокой эффективностью фокусировать и собирать рассеянные фотоны. [ 4 ] [ 18 ] Также можно использовать рамановские спектрометры низкого разрешения, обеспечивающие подходящие результаты. При использовании такой установки площадь отбора проб увеличивается и получается усредненная информация о поверхности электрода.

Типичные конфигурации в Raman-SEC:

  • Нормальная конфигурация . Лазерный луч осуществляет отбор проб на границе раздела электрод/раствор обычным способом по отношению к поверхности электрода. [ 1 ] [ 4 ] Рассеянное излучение собирается, и монохроматор позволяет пропускать только световой луч с длиной волны, отличной от длины волны используемого лазера.
  • Инвертированный микроскоп . В этой конфигурации отбор проб электрода/раствора осуществляется сзади электрода с использованием оптически прозрачных электродов (ОТЕ). [ 4 ]
  • Угловая конфигурация . Эту конфигурацию обычно выбирают при сочетании электрохимических методов с TERS. [ 4 ]


Конфигурации Raman-SEC. На первом изображении показано нормальное расположение, на втором — инвертированная конфигурация микроскопа, а на последнем — угловое расположение. Все они показаны на электродах с трафаретной печатью.


Инструментарий

[ редактировать ]

Экспериментальная установка для проведения рамановской спектроэлектрохимии состоит из источника света, спектрометра , потенциостата , спектроэлектрохимической ячейки, трехэлектродной системы, устройств для проведения пучка излучения, устройств сбора и анализа данных. В настоящее время существуют коммерческие приборы, объединяющие все эти элементы в одном приборе, что значительно упрощает проведение спектроэлектрохимических экспериментов. [ 5 ] [ 19 ]

  • Источник света . Он обеспечивает монохроматическое электромагнитное излучение , которое взаимодействует с образцом во время электрохимического процесса. В рамановской SEC источником света обычно является лазер, соответствующий областям видимого или ближнего ИК-диапазона, который обычно излучает волны с длиной волны 532, 633, 785 или 1064 нм. [ 4 ] хотя есть возможность использования многих других лазеров, в том числе УФ-лазеров.
  • Спектрометр . Он регистрирует рассеянное излучение и предоставляет спектры комбинационного рассеяния молекул. В рамановской SEC спектрометры обычно комбинируются с конфокальными микроскопами (микрорамановскими) для удаления информации из фокуса и получения превосходного спектрального разрешения. [ 3 ] [ 4 ] Однако можно работать и с рамановскими спектрометрами низкого разрешения, получая очень хорошие результаты.
  • Спектроэлектрохимическая ячейка (ЭХ-ячейка) . Это устройство, включающее трехэлектродную систему и позволяющее одновременно регистрировать спектры комбинационного рассеяния частиц и электрохимический сигнал. Это связующее звено между оптическими и электрохимическими методами. [ 4 ] [ 18 ] [ 20 ]
  • Устройства для проведения пучка излучения : линзы, зеркала и/или оптические волокна . Последние проводят электромагнитное излучение на большие расстояния практически без потерь. Кроме того, они упрощают оптические схемы, поскольку позволяют работать с небольшим количеством раствора; таким образом, легче проводить и собирать свет вблизи электрода.
  • Устройства сбора и анализа данных. Он состоит из компьютера, который одновременно собирает сигналы, поступающие от спектрометра и электрохимического прибора. С помощью соответствующего программного обеспечения генерируемые сигналы можно собирать, преобразовывать, анализировать и интерпретировать.

Приложения

[ редактировать ]

В последние годы рамановская SEC стала важным инструментом в изучении электрохимических процессов и характеристике многих молекул, предоставляя in situ о них конкретную информацию . Некоторые приложения: [ 1 ] [ 10 ] [ 14 ] [ 20 ]

  • Качественный и количественный анализ: Raman-SEC может применяться к очень сложным образцам, таким как обнаружение меламина в молоке, идентификация бактерий, обнаружение ДНК биомаркеров и/или мочевой кислоты в моче , среди прочего. Кроме того, могут быть обнаружены очень низкие концентрации.
  • Энергия. Рамановская ЭХ использовалась при исследовании солнечных элементов, аккумуляторов и катализаторов для топливных элементов.
  • Процессы переноса на границах раздела жидкость/жидкость: Raman-SEC используется для мониторинга процессов переноса ионов или электронов на поляризуемых границах раздела между растворами несмешивающихся электролитов.
  1. ^ Jump up to: а б с д и Лоузман, Джаспер Дж.А.; фюрер Паскаль; Олтуис, Воутер; Одейк, Матье (2020). «Спектроэлектрохимия, будущее визуализации электродных процессов путем объединения электрохимии с помощью спектроскопических методов» . Аналитик . 145 (7): 2482–2509. Бибкод : 2020Ана...145.2482L . дои : 10.1039/C9AN02105A . ISSN   0003-2654 . ПМИД   31998878 .
  2. ^ Шмид, Томас; Дарис, Петра (14 июня 2019 г.). «Раман-микроспектроскопическая визуализация остатков связующего в исторических растворах позволяет выявить условия обработки» . Наследство . 2 (2): 1662–1683. дои : 10.3390/heritage2020102 . ISSN   2571-9408 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж Гароз-Руис, Хесус; Пералес-Рондон, Хуан Виктор; Герас, Аранзасу; Колина, Альваро (2019). «Спектроэлектрохимическое зондирование: современные тенденции и проблемы». Электроанализ . 31 (7): 1254–1278. дои : 10.1002/elan.201900075 . hdl : 10259/6122 . ISSN   1040-0397 . S2CID   133304199 .
  4. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Гароз-Руис, Хесус; Пералес-Рондон, Хуан В.; Герас, Аранзасу; Колина, Альваро (2019). «Спектроэлектрохимия квантовых точек». Израильский химический журнал . 59 (8): 679–694. дои : 10.1002/ijch.201900028 . hdl : 10259/6123 . ISSN   0021-2148 . S2CID   155767924 .
  5. ^ Jump up to: а б с д Пералес-Рондон, Хуан В.; Эрнандес, Шейла; Мартин-Йерга, Даниэль; Фанджул-Боладо, Пабло; Герас, Аранзасу; Колина, Альваро (2018). «Электрохимическое окисление поверхности усиливает комбинационное рассеяние света». Электрохимика Акта . 282 : 377–383. дои : 10.1016/j.electacta.2018.06.079 . hdl : 10259/4832 . S2CID   103005252 .
  6. ^ Jump up to: а б Хорио, А; Пимента, Массачусетс; Фильо, А.Г. Соуза; Сайто, Р; Дрессельхаус, Г; Дрессельхаус, MS (16 октября 2003 г.). «Характеристика образцов углеродных нанотрубок с помощью резонансного комбинационного рассеяния света» . Новый журнал физики . 5 (1): 139. Бибкод : 2003NJPh....5..139J . дои : 10.1088/1367-2630/5/1/139 . ISSN   1367-2630 .
  7. ^ Jump up to: а б Круликовская, Агата (26 июля 2013 г.), Вецковски, Анджей; Корженевски, Кэрол; Брауншвейг, Бьорн (ред.), «Исследования электронпереносящего редокс-активного белка, прикрепленного к тиол-модифицированному металлу: случай цитохрома с», «Вибрационная спектроскопия на электрифицированных интерфейсах » , Хобокен, Нью-Джерси, «Поверхностно-резонансное комбинационное рассеяние (SERRS)» США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 151–219, номер документа : 10.1002/9781118658871.ch5 , ISBN.  978-1-118-65887-1
  8. ^ Чжэн, Вейран (26 октября 2022 г.). «Руководство для начинающих по рамановской спектроэлектрохимии для изучения электрокатализа» . Химия: Методы . 3 (2). дои : 10.1002/cmtd.202200042 . ISSN   2628-9725 . S2CID   253166002 .
  9. ^ Хорио, А; Пимента, Массачусетс; Фильо, А.Г. Соуза; Сайто, Р; Дрессельхаус, Г; Дрессельхаус, MS (16 октября 2003 г.). «Характеристика образцов углеродных нанотрубок с помощью резонансного комбинационного рассеяния света» . Новый журнал физики . 5 (1): 139. Бибкод : 2003NJPh....5..139J . дои : 10.1088/1367-2630/5/1/139 . ISSN   1367-2630 .
  10. ^ Jump up to: а б Джойя, Хуррам С.; Сала, Ксавье (2015). «Комбинационное рассеяние света in situ и рамановская спектроскопия с поверхностным усилением на рабочих электродах: спектроэлектрохимическая характеристика электрокатализаторов окисления воды» . Физическая химия Химическая физика . 17 (33): 21094–21103. Бибкод : 2015PCCP...1721094J . дои : 10.1039/C4CP05053C . ISSN   1463-9076 . ПМИД   25698502 .
  11. ^ Jump up to: а б , ; Чэнчжоу Шаоцзюнь . 2018 ( ; ) , Чжу Чжицзюнь  Чжай 3364. PMID   29379916 .
  12. ^ Лопес-Лоренте, Анхела И.; Кранц, Кристина (2017). «Последние достижения в биомолекулярной колебательной спектроэлектрохимии». Современное мнение по электрохимии . 5 (1): 106–113. дои : 10.1016/j.coelec.2017.07.011 .
  13. ^ Ли, Цзянь-Фэн; Чжан, Юэ-Цзяо; Дин, Сун-Юань; Паннеерсельвам, Раджапандиян; Тянь, Чжун-Цюнь (12 апреля 2017 г.). «Раман-спектроскопия, усиленная наночастицами ядро-оболочка». Химические обзоры . 117 (7): 5002–5069. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00596 . ISSN   0009-2665 . ПМИД   28271881 .
  14. ^ Jump up to: а б Дин, Сун-Юань; Йи, Джун; Ли, Цзянь-Фэн; Рен, Бин; У, Дэ-Инь; Паннеерсельвам, Раджапандиян; Тянь, Чжун-Цюнь (2016). «Раман-спектроскопия на основе наноструктур с плазмонным усилением для анализа поверхности материалов» . Материалы обзоров природы . 1 (6): 16021. Бибкод : 2016NatRM...116021D . дои : 10.1038/natrevmats.2016.21 . ISSN   2058-8437 .
  15. ^ Чжан, Хуа; Дуан, Сай; Радженович, Петар М.; Тянь, Чжун-Цюнь; Ли, Цзянь-Фэн (21 апреля 2020 г.). «Раман-спектроскопия с усилением наноструктур ядро-оболочка для поверхностного катализа». Отчеты о химических исследованиях . 53 (4): 729–739. doi : 10.1021/acs.accounts.9b00545 . ISSN   0001-4842 . ПМИД   32031367 . S2CID   211046645 .
  16. ^ Байло, Елена; Декерт, Волкер (2008). «Комбинационное рассеяние, усиленное наконечником» . Обзоры химического общества . 37 (5): 921–930. дои : 10.1039/b705967c . ISSN   0306-0012 . ПМИД   18443677 .
  17. ^ Расмуссен, А.; Декерт, В. (2006). «Комбинационное рассеяние компонентов ДНК, усиленное поверхностью и кончиком». Журнал рамановской спектроскопии . 37 (1–3): 311–317. Бибкод : 2006JRSp...37..311R . дои : 10.1002/мл.1480 . ISSN   0377-0486 .
  18. ^ Jump up to: а б Тузалин, Томас; Жуаре, Сюзанна; Лукас, Иван Т.; Мезонот, Эммануэль (2019). «Электрохимическая рамановская спектроскопия с усилением на зонде и латеральным разрешением 8 нм» . Электрохимические коммуникации . 108 : 106557. дои : 10.1016/j.elecom.2019.106557 .
  19. ^ Чжэн, Вейран (26 октября 2022 г.). «Руководство для начинающих по рамановской спектроэлектрохимии для изучения электрокатализа» . Химия: Методы . 3 (2). дои : 10.1002/cmtd.202200042 . ISSN   2628-9725 . S2CID   253166002 .
  20. ^ Jump up to: а б Леон, Л.; Мозо, JD (2018). «Проектирование спектроэлектрохимических ячеек: обзор». TrAC Тенденции в аналитической химии . 102 : 147–169. дои : 10.1016/j.trac.2018.02.002 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2dc6b6a6496869001e2606262d195c3c__1693562160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2d/3c/2dc6b6a6496869001e2606262d195c3c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Raman spectroelectrochemistry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)