Chapter 1 Introduction
1.5 Preliminary work
Comenzaremos describiendo el electrodo de trabajo (y superficie SERS activa) utilizado en este Capítulo. Como mencionamos anteriormente el mismo consiste en una lámina de Ag sobre la que se depositan NPs de Ag (de ̴ 50±10 nm de diámetro). Las mismas fueron sintetizadas de acuerdo al procedimiento de Creighton, et al. (utilizando borohidruro de sodio como agente reductor).32 La finalidad de depositar NPs de Ag sobre el sustrato es la de generar agregados
coloidales de las mismas (“clusters”) donde la presencia de intensos plasmones superficiales permiten amplificar las señales Raman varios órdenes de magnitud.33 Por este motivo, antes de ser
depositadas, las NPs son mezcladas con la muestra que se desea analizar y una pequeña cantidad de KCl 20 mM, con la intención de desestabilizarlas y agregarlas (aumentando la fuerza iónica del medio), favoreciendo la formación de clusters. La mezcla es centrifugada durante 10 minutos y evaporada sobre el sustrato de Ag (ver Figura 7.1). Las NPs interaccionan mediante fuerzas de van der Waals con el sustrato evitando su desorción una vez que el electrodo se encuentra inmerso en la solución electrolítica. Varias regiones con agregados de NPs de Ag pueden distinguirse utilizando la cámara del microscopio Raman una vez inmerso el electrodo. De esta forma, la muestra a analizar no se encuentra disuelta en la solución sino que la misma es previamente
154 Capítulo 7 mezclada con las NPs con la intención de maximizar la probabilidad de que las moléculas de interés se encuentren en regiones de gran amplificación SERS. Nuestro electrodo de trabajo consiste entonces en el sustrato de Ag con las NPs de Ag depositadas formando clusters y las moléculas de interés fisisorbidas en el mismo. De esta forma, coexisten en el electrodo las condiciones bajo las cuales es posible: observar concentraciones moleculares muy bajas (gran amplificación) y realizar electroquímica de las moléculas fisisorbidas. Como electrolito soporte se utilizó buffer fosfato de pH = 6. En la Figura 7.1 se muestra una imagen SEM de las NPs de Ag sobre el sustrato (formando agregados) y la respuesta voltamperométrica típica del mismo (sin la muestra problema).
Figura 7.1. a) Arreglo experimental de la celda electroquímica utilizada acoplada al microscopio Raman. Se muestra además un esquema del electrodo de trabajo. En la Figura interna se muestra una imagen SEM de las NPs de Ag utilizadas. La barra de escala celeste (dentro de la imagen) corresponde a 100 nm. b) Voltamperograma del electrodo de trabajo (sin la muestra a analizar) en buffer fosfato pH = 6 a 0.1 V.s-1 donde se observa el comportamiento i vs E típico de superficies
de Ag. Inset b) Notar la doble capa eléctrica del electrodo de trabajo en la región de potenciales que utilizaremos a continuación.
El arreglo experimental utilizado consiste en una celda electroquímica de tres electrodos especialmente diseñada para ser colocada bajo el objetivo del microscopio Raman (ver esquema del arreglo experimental en la Figura 7.1a). Como electrodo de referencia se utilizó Ag/AgCl (1M Cl-) y como electrodo auxiliar una malla de Pt de alta área. Se utilizó un potenciostato con
adquisición digital de datos (marca Teq). El electrodo de trabajo se encuentra en el centro de la celda y en la parte superior se encuentra el objetivo del microscopio Raman (microscopio Olympus BX41 acoplado a un espectrómetro LabRam Jobin-Yvon), el cual se focaliza sobre el mismo. En este caso, como estamos interesados en señales “promedio” de la muestra el objetivo
utilizado es x10 (diámetro de spot de 10 m, apertura numérica 0.2) que permite focalizarnos sobre el sustrato a través de la interface agua/aire. A su vez la celda se encuentra soportada sobre una plataforma motorizada (x-y) lo que permite realizar mapas y exploración del sustrato. Los resultados SERS mostrados en este Capítulo fueron adquiridos utilizando un láser HeNe (633 nm) con una potencia de 3 mW sobre la muestra.
Capítulo 7 155 Para una mejor comprensión de los ejemplos de modulación electroquímica del espectro SERS comenzaremos mostrando los voltamperogramas y espectros Raman de las moléculas por separado. A lo largo de los ejemplos que describiremos en este Capítulo se utilizan tres colorantes: azul del nilo (NB), rodamina 6G (RH6G) y cristal violeta (CV). En la Figura 7.2 se muestran los voltamperogramas (adquiridos en la celda electroquímica y utilizando el electrodo de trabajo previamente descriptos) y las fórmulas moleculares de los colorantes.
Figura 7.2. Voltamperogramas y fórmulas moleculares de a) Azul del Nilo (NB), b) Cristal violeta (CV) y c) Rodamina 6G (RH6G). Las medidas electroquímicas fueron realizadas en la celda electroquímica y electrodo de trabajo descriptos en la Figura 7.1 utilizando buffer fosfato pH = 6 como electrolito soporte y a una velocidad de barrido de 0.1 V.s-1,
En cuanto a su respuesta SERS, en la Figura 7.3 se presentan los espectros típicos adquiridos (a circuito abierto) sobre el electrodo de trabajo para cada una de las moléculas utilizadas.
156 Capítulo 7
Figura 7.3. Espectros SERS de CV, RH6G y NB a circuito abierto.
En el rango de potenciales que trabajaremos (-0.05 a -0.55 V vs Ag/AgCl) solo NB presenta una cupla redox definida, centrada en -0.35 V (vs Ag/AgCl), Figura 7.2. La respuesta SERS de NB con la aplicación de potenciales (en la región de la cupla redox) ya ha sido estudiada por algunos autores.34-38 Brevemente, hay dos mecanismos redox para NB adsorbido en un sustrato
de Ag y dependen del pH del electrolito soporte.34 Para valores de pH < 6.1 el espectro SERS de
NB en Ag es muy similar al espectro Raman de NB en solución, con lo cual la adsorción de NB ocurriría en forma perpendicular a la superficie del electrodo y en este caso el mecanismo redox que opera es de 2e-2H+. Por otro lado, a valores más altos de pH (pH > 6.1) el espectro Raman de
las moléculas de NB adsorbidas difiere considerablemente del de las moléculas libres de NB. Este comportamiento podría deberse a la mayor influencia del sustrato en la estructura electrónica de la molécula, la cual se adsorbería paralelamente al mismo. En este caso, se demostró que el mecanismo redox que opera es de 2e-1H+.34 Bajo nuestras condiciones experimentales (pH = 6)
ambos mecanismos redox podrían estar operando simultáneamente. Sin embargo, nosotros verificamos que en nuestra celda electroquímica y en nuestras condiciones de trabajo el espectro de NB adsorbido es prácticamente idéntico al de NB en solución, con lo cual el mecanismo de 2e-
2H+ es el principal, con las moléculas de NB representando especies catiónicas tanto en el estado
oxidado como en el reducido (Figura 7.2a).
Como mencionamos en la introducción del presente Capítulo, el cambio en la intensidad del espectro Raman entre el estado reducido y oxidado de NB (producto de un cambio en la condiciones de resonancia de la molécula) es la principal diferencia entre ambos estados. Tal como señalamos anteriormente, este comportamiento es observado generalmente para moléculas redox. En la Figura 7.4 se muestran los espectros SERS de NB oxidado y reducido. Se presenta además una rampa de potencial aplicado y la consecuente variación de la intensidad SERS a lo
Capítulo 7 157
largo de ese período. Esta variación “modulada” de la intensidad SERS con el potencial aplicado será la herramienta de partida en el método propuesto. Volveremos sobre este punto en la próxima sección. Es importante resaltar que el rango de potenciales utilizados no cruza en ningún momento el potencial de carga cero (pzc) de este electrodo (-0.9 V).39 De esta forma, los
fenómenos observados no pueden estar relacionados a procesos de adsorción/desorción producto del cambio de polaridad de la superficie del electrodo, sino que son debidos a procesos de oxido/reducción de las especies presentes. Por otro lado, los procesos de migración de moléculas (impulsados por cambios electrostáticos) ocurren a una velocidad muy baja (lentos) comparada a la utilizada en nuestras experiencias.7
Figura 7.4. a) Espectro SERS de NB en estado oxidado (azul) y reducido (rojo). b) Rampa de potencial aplicado (v = 0.01 V.s-1) y c) respuesta simultanea de la intensidad SERS de NB.
Respecto de la electroquímica y respuesta SERS de RH6G y CV la información previa es mucho menor que para el caso de NB. En el caso de RH6G, los estudios electroquímicos acoplados con espectroscopia están centrados mayormente en los cambios de la fluorescencia que sufre este colorante.40-41 Recientemente ha sido reportado que a potenciales cercanos a -0.45 V (vs
Ag/AgCl) la RH6G comenzaría a reducirse.6 Para la ventana de potenciales que utilizaremos a lo
largo de este trabajo, los cambios en la intensidad del espectro SERS de RH6G son prácticamente imperceptibles (menores a 5%).
En el caso de CV ocurre algo diferente. En primer lugar no hay procesos redox acoplados en la ventana de potenciales que utilizaremos (tal como se ve en la Figura 7.2). Sin embargo, en los estudios SERS de CV en esta región de potenciales, se observa la presencia de una transferencia de carga parcial que modifica levemente las intensidades relativas de algunas bandas del espectro.42-44 Nuevamente al igual que en RH6G, el cambio en el espectro SERS en función del
potencial de CV es sutil comparado con el dramático cambio de intensidades de NB.
En las secciones siguientes utilizaremos toda esta información para ejemplificar el método de modulación electroquímica del espectro SERS para discriminar señales.
158 Capítulo 7