مقالة منهجية

تعليق السطح القائم على تصفية المحسن رامان الطيفي الفحص للكشف السريع من الملوثات الكيميائية

DOI:

10.3791/53791

⸱

فبراير 19, 2016

 ,  , 
1Department of Food Science, University of Massachusetts Amherst

في هذه المقالة

ملخص

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

ويرد الإجراء لتصنيع وأداء السطح القائم على تصفية تعزيز رامان الطيفي (SERS) فحص للكشف عن الملوثات الكيميائية (أي ferbam المبيدات والمضادات الحيوية الأمبيسلين).

الملخص

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

نعرض طريقة لتصنيع ركائز رامان الطيفية المعززة بالسطح (SERS) عالية الحساسية باستخدام نظام حقنة الترشيح الذي يمكن تطبيقه للكشف عن الملوثات الكيميائية المختلفة. يتم تصنيع جزيئات الفضة النانوية (Ag NPs) عن طريق اختزال نترات الفضة بواسطة سترات الصوديوم. ثم يتم تجميع NPs بواسطة كلوريد الصوديوم لتشكيل مجموعات نانوية يمكن أن تكون محاصرة في مسام غشاء المرشح. يتم توصيل حقنة بحامل الفلتر ، مع غشاء مرشح بداخله. عن طريق تحميل العناقيد النانوية في المحقنة والمرور عبر الغشاء ، يمر السائل عبر الغشاء ولكن ليس العناقيد النانوية ، مكونا غشاء نشطا ل SERS. عند اختبار المادة التحليلية ، يتم تحميل العينة السائلة في المحقنة وتتدفق عبر الغشاء المطلي ب Ag NPs. يرتبط التحليل ويركز على الغشاء المطلي ب Ag NPs. ثم يتم فصل الغشاء عن حامل الفلتر ، وتجفيفه بالهواء وقياسه بواسطة أداة رامان. نقدم هنا دراسة تأثير حجم Ag NPs والعينة على حساسية الكشف بالإضافة إلى الكشف عن 10 جزء في البليون ferbam و 1 جزء في المليون من الأمبيسلين باستخدام الفحص المطور.

المقدمة

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

سطح تعزيز التحليل الطيفي رامان (SERS) هو أسلوب يجمع بين أطياف رامان مع تكنولوجيا النانو. وما يزيد من شدة تشتت رامان من التحاليل في النبيلة المعدنية نانو الأسطح بشكل كبير من قبل صدى مأكل سطح المترجمة. 1 الفضة النانوية (حج NPS) هي حتى الآن الأكثر استخداما على نطاق واسع SERS ركائز نظرا لقدرته تعزيز عالية. 2 حتى الآن وقد تم تطوير أساليب اصطناعية مختلفة من حج مصادر القدرة النووية. 3-6 حج مصادر القدرة النووية يمكن استخدامها وحدها بمثابة ركائز SERS فعالة، أو جنبا إلى جنب مع المواد وغيرها من الهياكل لتعزيز حساسيتها و / أو وظيفة. 7-11

وقد أثبتت تقنيات SERS قدرة كبيرة للكشف عن مختلف الملوثات كمية ضئيلة في العينات الغذائية والبيئية 12 تقليديا، هناك نوعان من الطرق الشائعة لإعداد عينة SERS:. أساليب تعتمد على ركيزة وأساس الحل-13 metho القائم على حليستخدم د الغرويات NP خلط مع العينات. ثم يتم جمع مجمع NP-تحليلها باستخدام الطرد المركزي، وأودعت على دعم قوي لقياس رامان بعد التجفيف. عادة يتم تطبيق الأسلوب القائم على ركيزة بإيداع عدة ميكرولتر من عينة السائل على الركيزة الصلبة الجاهزة (14). ومع ذلك، لم يكن أي من هاتين الطريقتين تكون فعالة وقابلة للتطبيق لكمية كبيرة من حجم العينة. تغلبت عدة تعديلات من المقايسات SERS حدود الحجم، مثل إدماج نظام تصفية 15-21 أو دمج جهاز ميكروفلويديك. 21-24 وقد أظهرت فحوصات SERS تعديل تعزيز كبير في الحساسية والجدوى لرصد الملوثات الكيميائية في عينات المياه الكبيرة.

نحن هنا لشرح مفصل من بروتوكول تصنيع وتطبيق طريقة SERS مرشح حقنة استنادا للكشف عن كمية ضئيلة من ferbam المبيدات والأمبيسلين المضادات الحيوية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

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

1. الفضة الجسيمات النانوية توليف 15

  1. حل 18 ملغ نترات الفضة في 100 مل من الماء عالى النقاء (18.2 ΩU) ودوامة لمدة 5 ثوان.
  2. حل 27 ملغ سترات الصوديوم ثنائي الهيدرات في الماء 1 مل ودوامة لمدة 5 ثوان.
  3. نقل كل من محلول نترات الفضة على استعداد للقارورة مخروطي يحتوي على شريط التحريك ووضع القارورة على طبق ساخن المغناطيسية. تسخين قارورة تحت التحريك القوي مع سرعة التحريك من 700 دورة في الدقيقة في ~ 350 درجة مئوية (تحديد درجة الحرارة على لوحة).
  4. عندما يغلي، إضافة كل من الحل سيترات الصوديوم على استعداد لقارورة مخروطي الشكل على الفور، وترك الحل ليغلي لمدة 25 دقيقة إضافية حتى يتحول الحل البني المخضر، مما يدل على تشكيل حج مصادر القدرة النووية.
  5. إزالة قارورة من صفيحة ساخنة ووضعها على لوحة مغناطيسية أخرى (لا تسخن) ويقلب O / N في نفس سرعة التحريك في RT حتى يصل إلى خليط دولة مستقرة، مع لون ثابت وترانsparency. استخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية تجاه لتحديد الامتصاصية من مصادر القدرة النووية حج استعداد إذا لزم الأمر.
  6. تمييع الخليط النهائي مع الماء عالى النقاء إلى 100 مل.
  7. استخدام Zetasizer لقياس حجم مصادر القدرة النووية حج إذا لزم الأمر وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
  8. نقل الغروانية حج إلى حاوية مغلقة وحمايتها من الضوء بورق الألمنيوم. الغروانية يمكن تخزينها في الثلاجة في 4-7 درجة مئوية لمدة 2 أشهر إذا لزم الأمر.

2. تلفيق من SERS غشاء تصفية نشط

  1. حل 2.92 غرام كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم) في 100 مل من الماء لجعل الحل 50 مم كلوريد الصوديوم.
  2. إضافة 1 مل من محلول كلوريد الصوديوم 5 مم في 1 مل من مصادر القدرة النووية حج إعداد ومزجها في الخلاط الإيماء لمدة 10 دقيقة في 20 دورة في الدقيقة. هذه الخطوة هي لتجميع مصادر القدرة النووية حج إلى nanoclusters حج.
  3. وضع غشاء فلتر (PVDF، 0.1 ميكرون حجم المسام) إلى حامل مرشح، والتي يمكن أن تعلق على حقنة. كان أصغر حجم المسام غشاء فواوند أكثر فعالية من الغشاء حجم أكبر المسام (أي 0.22 ميكرون) في محاصرة nanoclusters حج وإنتاج إشارات متسقة.
  4. تحميل 2 مل من nanoclusters حج أعدت في حقنة للترشيح. إرفاق حامل فلتر لحقنة ويدويا تمرير كامل حجم nanoclusters حج عبر الغشاء في معدل التدفق من 1 قطرة / ثانية. وnanoclusters الفخاخ غشاء حج، تشكيل مرشح غشاء SERS النشط.
  5. فصل غشاء فلتر من صاحب التصفية. وينبغي توخي الحذر خاصة عند عقد غشاء على الحافة الخارجية باستخدام زوج من ملاقط لضمان عدم وجود ضرر على الغشاء. الهواء الجاف لمدة 3 دقائق ومكان غشاء على شريحة زجاجية.
  6. كشف رامان الركيزة SERS
    1. تعيين أداة رامان إلى 780 نانومتر الطول الموجي ليزر مع قوة الليزر من 5 ميغاواط، وقت التعرض لل 1 ثانية والتعرض عدد من 2. تعيين الهدف المجهري إلى 10X. تأكد من تعيين الهدف على البرنامج وفقا لذلك أيضا.
    2. وضع شريحة زجاجية مع غشاء على قمة على منصة الصك رامان واستخدام المجهر للتركيز على سطح الغشاء.
    3. عشوائيا اختيار 8-10 البقع من على سطح الغشاء وسوف أداة جمع لهم تلقائيا في التسلسل. البيانات الطيفية المفتوحة في برنامج الشركة المصنعة لتحليلها.

3. تطبيق نظام SERS النشطة تصفية لكشف الملوثات الكيميائية

  1. يعد حل ferbam 10 جزء في البليون.
    تحذير: Ferbam غير مستقرة إلى حد كبير. استخدام الاحتياطات (التنفس الصناعي ونظارات واقية) عندما يزن الصلبة.
    1. وزن مسحوق ferbam 2 ملغ و حله في 20 مل 50٪ الأسيتونتريل (10 مل الأسيتونتريل و 10 مل من الماء) لجعل حل الأسهم (100 جزء في المليون). دوامة القارورة لمدة 30 ثانية.
    2. خذ 1 مل من محلول ferbam 100 جزء في المليون في أنبوب اختبار وإضافة 9 مل 50٪ الأسيتونتريل لجعل حل 10 جزء في المليون. دوامة أنبوب لمدة 5 ثوان.
    3. خذ 1 مل من10 حل جزء في المليون في أنبوب اختبار وإضافة 9 مل 50٪ الأسيتونتريل لجعل الحل 1 جزء في المليون. دوامة أنبوب لمدة 5 ثوان.
    4. خذ 1 مل من محلول 1 جزء في المليون في أنبوب اختبار وإضافة 9 مل 50٪ الأسيتونتريل لجعل حل 100 جزء في البليون. دوامة أنبوب لمدة 5 ثوان.
    5. خذ 1 مل من محلول 100 جزء في البليون في أنبوب اختبار وإضافة 9 مل 50٪ الأسيتونتريل لجعل حل 10 جزء في البليون. دوامة أنبوب لمدة 5 ثوان.
  2. يعد حل الأمبيسلين 1 جزء في المليون.
    1. وزن مسحوق الأمبيسلين 10 ملغ و حله في 100 مل من الماء لجعل الحل الأمبيسلين 100 جزء في المليون. دوامة القارورة لمدة 30 ثانية.
    2. خذ 1 مل من محلول 100 جزء في المليون في أنبوب اختبار وإضافة 9 مل من الماء لجعل الحل الأمبيسلين 10 جزء في المليون. دوامة أنبوب لمدة 5 ثوان.
    3. خذ 1 مل من محلول 10 جزء في المليون في أنبوب اختبار وإضافة 9 مل من الماء لجعل الحل الأمبيسلين 1 جزء في المليون. دوامة أنبوب لمدة 5 ثوان.
  3. وضع غشاء مرشح إلى حامل مرشح، مع الجانب NP المغلفة مواجهة.
  4. تحميل 5 مل من عينة واحدة إلى حقنة جديدة، ومن ثم إرفاقه حامل فلتر بغشاء حج المغلفة داخل.
  5. تمرير يدويا كامل حجم العينة من خلال الغشاء في معدل التدفق من 1 قطرة / ثانية. الجزيئات المستهدفة يمكن أن كثف وتتركز على مصادر القدرة النووية المغلفة على الغشاء التصفية.
  6. فصل غشاء مرشح من حامل مرشح، والهواء الجاف لمدة 3 دقائق وقياس الإشارات باستخدام أداة رامان باستخدام نفس الطريقة كما هو موضح في الخطوة 2.6.
  7. كرر الخطوة 2،2-2،6 للتحضير الأغشية المغلفة آخر حج، ومتابعة من الخطوة 3.3 للكشف عن عينة أخرى.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

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

وقد أظهرت الخطوات الرئيسية لهذه التجربة في الرسم التخطيطي (الشكل 1). الشكل 2 يدل على أهمية استخدام الحجم الأمثل من AgNPs في طلاء غشاء من أجل الوصول إلى حساسية مكبر. 1 مل من حج مصادر القدرة النووية توفر أقوى إشارة عند استخدام ferbam، بالمقارنة مع 0.5 مل (كاف الطلاء) أو 2 مل (الكثير من الطلاء).

كنا قادرين على كشف fer...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

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

واحدة من الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول هو تركيب حج مصادر القدرة النووية، حيث موحدة حج مصادر القدرة النووية هي المفتاح لتحقيق نتائج متسقة. الوقت التدفئة وتركيزات السلائف يجب أن تسيطر على وجه التحديد. متوسط ​​حجم هذا المستحضر AgNPs 80 نانومتر، والتي تم قياسها من خلال Zetasizer (لا تظهر البيانات). خطوة حاسمة أخرى هي تجميع الملح حيث تركيز الملح ووقت التجميع يجب أن تسيطر على وجه التحديد. وبالإضافة إلى ذلك، فإن اختيار الغشاء هو أيضا عاملا حاسما كما تم العثور على الغشاء مع حجم المسام...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

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

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

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

تستند هذه المادة إلى العمل المدعوم من وزارة الأمن الداخلي الأمريكية بموجب رقم المنحة 2010-ST-061-FD0001 من خلال منحة مقدمة من المركز الوطني لحماية الأغذية والدفاع عنها في جامعة مينيسوتا. إخلاء المسؤولية: الآراء والاستنتاجات الواردة في هذه الوثيقة هي آراء المؤلفين ولا ينبغي تفسيرها على أنها تمثل بالضرورة السياسات الرسمية ، سواء كانت صريحة أو ضمنية ، لوزارة الأمن الداخلي الأمريكية أو المركز الوطني لحماية الأغذية والدفاع.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
أمبيسلينفيشر العلميBP1760-5N / A
FerbamChem ServiceN-11970-250MG98 +٪
نترات الفضةسيجما ألدريتش20913999.0 +٪
سترات الصوديوم المجففسيجما ألدريتشW30260099 +٪
كلوريد الصوديومسيجما ألدريتشS765399.5 + ٪
EMD Millipore مرشحات غشاء Durapore PVDFفيشر ScientificVVLP013000.10 & micro ؛ م حجم المسام ،
حاملي مرشح البولي كربوناتCole-ParmerEW-29550-40قطر 13 مم
خلاط دوامة تناظريةفيشر ساينتفيك02-215-365N / A
خلاطات الجوزفيشر Scientific05-450-213N / A
DXR مطياف رامانحراري علميIQLAADGABFFAHCMAPBطاقة الليزر: 1 ميجاواط
وقت التعرض: 5 ثوان
المحبة للماء

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Albrecht, M. G., Creighton, J. A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode. J. Am. Chem. Soc. 99 (15), 5215-5217 (1977).
  2. Schatz, G. C., Young, M. A., Van Duyne, R. P. Electromagnetic mechanism of SERS. Surface-enhanced Raman scattering. , Springer Berlin Heidelberg. 19-45 (2006).
  3. Matijevic, E. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 5 (4), 412-426 (1993).
  4. Nickel, U., zu Castell, A., Pöppl, K., Schneider, S. A silver colloid produced by reduction with hydrazine as support for highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopy. Langmuir. 16 (23), 9087-9091 (2000).
  5. Khanna, P. K., Subbarao, V. V. V. S. Nanosized silver powder via reduction of silver nitrate by sodium formaldehydesulfoxylate in acidic pH medium. Mater. Lett. 57 (15), 2242-2245 (2003).
  6. Henglein, A., Giersig, M. Formation of colloidal silver nanoparticles: capping action of citrate. J. Phys. Chem. B. 103 (44), 9533-9539 (1999).
  7. Sun, X., Li, Y. Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles. Angew. Chem. Int. Edit. 43 (5), 597-601 (2004).
  8. Lu, L., et al. Seed-mediated growth of large, monodisperse core-shell gold-silver nanoparticles with Ag-like optical properties. Chem. Commun. (2), 144-145 (2002).
  9. Aslan, K., Wu, M., Lakowicz, J. R., Geddes, C. D. Fluorescent core-shell Ag@SiO2 nanocomposites for metal-enhanced fluorescence and single nanoparticle sensing platforms. J. Am. Chem. Soc. 129 (6), 1524-1525 (2007).
  10. Lu, Y., Yin, Y., Li, Z. Y., Xia, Y. Synthesis and self-assembly of Au@ SiO2 core-shell colloids. Nano. Lett. 2 (7), 785-788 (2002).
  11. Link, S., Wang, Z. L., El-Sayed, M. A. Alloy formation of gold-silver nanoparticles and the dependence of the plasmon absorption on their composition. J. Phys. Chem. B. 103 (18), 3529-3533 (1999).
  12. He, L., et al. Rapid Detection of Ricin in Milk Using Immunomagnetic Separation Combined with Surface Enhanced Raman Spectroscopy. J. Food. Sci. 76 (5), N49-N53 (2011).
  13. Zheng, J., He, L. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for the Chemical Analysis of Food. Compr. Rev. Food. Sci. F. 13 (3), 317-328 (2014).
  14. He, L., Haynes, C. L., Diez-Gonzalez, F., Labuza, T. P. Rapid detection of a foreign protein in milk using IMS-SERS. J. Raman. Spectrosc. 42 (6), 1428-1434 (2011).
  15. Wei, W. Y., White, I. M. A simple filter-based approach to surface enhanced Raman spectroscopy for trace chemical detection. Analyst. 137 (5), 1168-1173 (2012).
  16. Cheng, M. L., Tsai, B. C., Yang, J. Silver nanoparticle-treated filter paper as a highly sensitive surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for detection of tyrosine in aqueous solution. Anal. Chim. Acta. 708 (1), 89-96 (2011).
  17. Fierro-Mercado, P. M., Hernández-Rivera, S. P. Highly sensitive filter paper substrate for SERS trace explosives detection. Int. J. Spectrosc. 2012, 716527(2012).
  18. Tran, C. D. Subnanogram detection of dyes on filter paper by surface-enhanced Raman scattering spectrometry. Anal. Chem. 56 (4), 824-826 (1984).
  19. Wu, D., Fang, Y. The adsorption behavior of p-hydroxybenzoic acid on a silver-coated filter paper by surface enhanced Raman scattering. J. Colloid Interface Sci. 265 (2), 234-238 (2003).
  20. Wigginton, K. R., Vikesland, P. J. Gold-coated polycarbonate membrane filter for pathogen concentration and SERS-based detection. Analyst. 135 (6), 1320-1326 (2010).
  21. Berthod, A., Laserna, J. J., Winefordner, J. D. Analysis by surface enhanced Raman spectroscopy on silver hydrosols and silver coated filter papers. J Pharm Biomed Anal. 6 (6), 599-608 (1988).
  22. Ackermann, K. R., Henkel, T., Popp, J. Quantitative Online Detection of Low-Concentrated Drugs via a SERS Microfluidic System. ChemPhysChem. 8 (18), 2665-2670 (2007).
  23. Walter, A., März, A., Schumacher, W., Rösch, P., Popp, J. Towards a fast, high specific and reliable discrimination of bacteria on strain level by means of SERS in a microfluidic device. Lab. Chip. 11 (6), 1013-1021 (2011).
  24. Lee, S., et al. Fast and sensitive trace analysis of malachite green using a surface-enhanced Raman microfluidic sensor. Anal. Chim. Acta. 590 (2), 139-144 (2007).
  25. Guo, H., et al. Analysis of Silver Nanoparticles in Antimicrobial Products Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Environ. Sci. Technol. 49 (7), 4317-4324 (2015).
  26. Narayanan, V. A., Begun, G. M., Stokes, D. L., Sutherland, W. S., Vo-Dinh, T. Normal Raman and surface enhanced Raman scattering (SERS) spectra of some fungicides and related chemical compounds. J. Raman. Spectrosc. 23 (5), 281-286 (1992).
  27. Kang, J. S., Hwang, S. Y., Lee, C. J., Lee, M. S. SERS of dithiocarbamate pesticides adsorbed on silver surface; thiram. Bull. Korean. Chem. Soc. 23 (11), 1604-1610 (2002).
  28. Li, Y. T., et al. Rapid and sensitive in-situ detection of polar antibiotics in water using a disposable Ag-graphene sensor based on electrophoretic preconcentration and surface-enhanced Raman spectroscopy. Biosens. Bioelectron. 43, 94-100 (2013).
  29. Clarke, S. J., Littleford, R. E., Smith, W. E., Goodacre, R. Rapid monitoring of antibiotics using Raman and surface enhanced Raman spectroscopy. Analyst. 130 (7), 1019-1026 (2005).
  30. Zheng, J., Pang, S., Labuza, T. P., He, L. Semi-quantification of surface-enhanced Raman scattering using a handheld Raman spectrometer: a feasibility study. Analyst. 138 (23), 7075-7078 (2013).
  31. Zheng, J., Pang, S., Labuza, T. P., He, L. Evaluation of surface-enhanced Raman scattering detection using a handheld and a bench-top Raman spectrometer: A comparative study. Talanta. 129, 79-85 (2014).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

SERS

مقالات ذات صلة