Summary
Een werkwijze voor de productie en het uitvoeren van het filter gebaseerde Raman spectroscopische (SERS) assay voor de detectie van chemische verontreinigingen (bijvoorbeeld pesticiden ferbam en antibioticum ampicilline) behandeld.
Introduction
Oppervlakte versterkte Raman spectroscopie (SERS) is een techniek combinatie van Raman spectroscopie met nanotechnologie. De intensiteit van de Raman-verstrooiing van analyten edele metalen nano-oppervlakken sterk door de gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie. 1 zilvernanodeeltjes (Ag NP) veruit het meest gebruikte SERS substraten vanwege de hoge versterking vermogen. 2 Tot dusver verschillende synthesewerkwijzen van Ag NP ontwikkeld. 3-6 Ag NP kan alleen worden gebruikt als effectieve SERS substraten, of gecombineerd met andere materialen en structuren om de gevoeligheid en / of functionaliteit te verbeteren. 7-11
SERS technieken grote capaciteit voor detectie van verschillende sporenhoeveelheid verontreinigingen in levensmiddelen en milieumonsters aangetoond 12 Traditioneel zijn er twee algemene manieren voor het bereiden van een monster SERS:..-Oplossing op basis en substraat-gebaseerde methoden 13 The -Oplossing op basis method gebruikt NP colloïden te mengen met samples. Dan de NP-analyt-complex wordt verzameld met behulp van centrifugatie, en afgezet op een vaste drager voor Raman meting na droging. Het substraat gebaseerde methode wordt gewoonlijk aangebracht door het afzetten van een aantal microliter monstervloeistof op de geprefabriceerde vast substraat. 14 Geen van deze twee methoden effectief zijn en toepasbaar voor een grote hoeveelheid monstervolume. Verscheidene modificaties van de SERS assays overwon de volumebeperkingen, zoals de integratie van een filtersysteem 15-21 of de opname van een microfluïdische apparaat. 21-24 De gemodificeerde SERS assays grote verbetering in de gevoeligheid en haalbaarheid getoond bewaken van de chemische verontreinigingen in grote watermonsters.
Hier laten we gedetailleerd protocol van fabricage en toepassing van een spuitfilter gebaseerd SERS methode sporenhoeveelheid pesticide ferbam en antibioticum ampicilline detecteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Silver nanodeeltjes Synthesis 15
- Los op 18 mg zilvernitraat in 100 ml ultrapuur water (18,2 ΩU) en vortex gedurende 5 sec.
- Los op 27 mg natriumcitraatdihydraat in 1 ml water en vortex gedurende 5 sec.
- Breng alle van de bereide zilvernitraat oplossing voor een conische kolf met een roerstaafje en zet de kolf op een magnetische hete plaat. De kolf onder krachtig roeren met een roersnelheid van 700 opm bij ~ 350 ° C (temperatuur instellen op de plaat).
- Bij het koken, voeg alle bereide natriumcitraat oplossing in de conische kolf onmiddellijk, en laat de oplossing tot koken gedurende nog 25 min tot de kleur omslaat groenachtige bruine, die de vorming van Ag NP aangeeft.
- Neem de kolf uit de hete plaat en zet het op een andere magnetische plaat (niet verwarmen) en roer O / N op dezelfde roersnelheid bij kamertemperatuur tot het mengsel een stabiele toestand bereikt, met een constante kleur en transparency. Gebruik een UV-vis spectrometer om de absorptie van de bereide Ag NP bepalen indien nodig.
- Verdun het eindmengsel met ultrazuiver water tot 100 ml.
- Gebruik een Zetasizer om de grootte van de Ag-NPs meten eventueel volgens het protocol van de fabrikant.
- Breng de Ag colloïdale een verzegelde container en het te beschermen tegen licht met aluminiumfolie. Het colloïde kan worden bewaard in een koelkast bij 4-7 ° C gedurende 2 maanden, indien nodig.
2. Fabricage van een SERS Active filtermembraan
- Ontbinden 2,92 g natriumchloride (NaCl) in 100 ml water tot een 50 mM NaCl-oplossing.
- Voeg 1 ml van de 5 mM NaCl oplossing in 1 ml van de bereide Ag NP en mengen op een schudder gedurende 10 min bij 20 opm. Deze stap is het Ag NP aggregeren tot Ag nanoclusters.
- Plaats een filtermembraan (PVDF, 0,1 urn poriegrootte) in een filterhouder die een injectiespuit kan worden bevestigd. De kleinere poriegrootte membraan bedroeg found effectiever dan de grotere poriegrootte membraan (dwz 0,22 pm) overvulling Ag nanoclusters en produceren consistente signalen.
- Load 2 ml van de bereide Ag nanoclusters in de spuit voor filtratie. Bevestig de filterhouder aan de injectiespuit en de volledige hoeveelheid Ag nanoclusters handmatig pass membraan met een stroomsnelheid van 1 druppel / sec. Het membraan vallen Ag nanoclusters, de vorming van een SERS-actief filter membraan.
- Maak de filter membraan uit de filterhouder. Speciale voorzichtigheid is geboden bij het vasthouden van het membraan op de buitenrand met een pincet geen schade aan het membraan te verzekeren. Lucht drogen gedurende ongeveer 3 minuten en plaats membraan op een glasplaatje.
- Raman detectie van de SERS substraat
- Stel de Raman instrument om een 780 nm golflengte laser met een laservermogen van 5 mW, belichtingstijd van 1 sec en de blootstelling aantal 2. Stel de microscopische doelstelling tot 10x. Controleer de doelstelling van de software dienovereenkomstig te stellen. </ Li>
- Plaats het glaasje met het membraan geplaatst op het platform van de Raman instrument en gebruik de microscoop te richten op het oppervlak van het membraan.
- selecteert willekeurig 8-10 spots van het membraanoppervlak en het toestel zal ze automatisch te verzamelen in de juiste volgorde. Open spectrale gegevens in softwarefabrikant voor analyse.
3. Toepassing van de SERS Active Filter Systeem om chemische contaminanten Detect
- Bereid een 10 ppb ferbam oplossing.
Let op: Ferbam is zeer volatiel. Gebruik voorzorgsmaatregelen (gasmasker en bril) bij het afwegen van de vaste stof.- Weeg 2 mg ferbam poeder en los het op in 20 ml 50% acetonitril (10 ml acetonitril en 10 ml water) om een voorraad-oplossing (100 ppm) te maken. Vortex de kolf gedurende 30 sec.
- Neem 1 ml van 100 ppm ferbam oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot een 10 ppm oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
- Neem 1 ml van het10 ppm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot een 1 ppm oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
- Neem 1 ml van de 1 ppm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot 100 ppb oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
- Neem 1 ml van 100 ppb oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot 10 ppb oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
- Bereid een 1 ppm ampicilline oplossing.
- Weeg 10 mg ampicilline poeder en oplossen in 100 ml water om een 100 ppm ampicilline oplossing. Vortex de kolf gedurende 30 sec.
- Neem 1 ml van de 100 dpm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml water een 10 ppm ampicilline oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
- Neem 1 ml van 10 ppm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml water tot een 1 ppm ampicilline oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
- Plaats het filter membraan terug naar de filterhouder, de NP gecoate zijde naar boven. </ Li>
- Belasting 5 ml van een monster in een nieuwe spuit, en dan bevestig deze aan de filterhouder met een Ag gecoate membraan binnen.
- Leid het gehele volume van het monster door het membraan met een stroomsnelheid van 1 druppel / sec. Doelmoleculen kunnen worden geadsorbeerd en geconcentreerd op de NPs gecoat op het filter membraan.
- Los filtermembraan van de filterhouder lucht drogen gedurende 3 minuten en de signalen te meten met de Raman instrument met dezelfde werkwijze als beschreven in stap 2.6.
- Herhaal stap 2,2-2,6 ander Ag beklede membraan bereiden volgen uit stap 3.3 voor de detectie in de andere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De belangrijkste stappen van dit experiment worden getoond in het schema (figuur 1). Figuur 2 blijkt het belang voor de optimale hoeveelheid AgNPs in het membraan bekleding gebruiken om de gevoeligheid te bereiken gemaximaliseerd. 1 ml Ag NP biedt het sterkste signaal bij gebruik ferbam, vergeleken met 0,5 ml (onvoldoende coating) of 2 ml (teveel coating).
We konden ferbam op 10 ppb niveau ampicilline detecteren 1 ppm met grote signaalintensiteit door het ontwikkelde filter gebaseerde SERS assay (figuur 1). De SERS spectrum van ferbam vertoont verschillende karakteristieke pieken bij 10 ppb. De piek bij 1386 cm -1 is uit de gemengde vibratie van CN en C = S stretching, en symmetrische CH 3 vervorming. De piek bij 1516 cm -1 is geassocieerd met CH 3 CN en strekken. De piek bij 561 cm
Met toenemende monstervolume, kunnen we verdere versterking van de detectielimiet, zie figuur 4. We observeerden een verhoging van piekintensiteit bij verhoging van het monstervolume. Dit is het voordeel van het filter gebaseerde methode het volume instelbaar is en de detectiegrens is verstelbaar.
ether.within-page = "1"> 
Figuur 1. Een schematische weergave van filter SERS assay. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. SERS spectra van 5 ml 100 ppb ferbam passeren de membranen bekleed met verschillende hoeveelheden van Ag NP Van boven naar beneden:. 0,5 ml Ag colloïde met 0,5 ml NaCl, 1,0 ml Ag met 1,0 ml NaCl, 1,5 ml Ag met 1,5 ml NaCl, respectievelijk. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
91 / 53791fig3.jpg "/>
Figuur 3. SERS spectra van ferbam en ampicilline op Ag NP gecoate filter membraan Van boven naar beneden:. Controle over 50% acetonitril, 10 ppb ferbam, de controle van water, 1 ppm ampicilline, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.
Figuur 4. SERS spectra van verschillende volumes van 100 ppb ferbam op Ag NP gecoate filter membraan Van boven naar beneden:. 3 ml ferbam, 5 ml ferbam, 7 ml ferbam, 9 ml ferbam, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie te bekijken van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een van de cruciale stappen in dit protocol is de Ag NP synthese, waarbij uniforme Ag NP's zijn de sleutel voor consistente resultaten. De verwarmingstijd en de concentraties van precursoren moeten nauwkeurig worden geregeld. De gemiddelde grootte van dit preparaat AgNPs is 80 nm, die werd gemeten met de Zetasizer (gegevens niet getoond). Een andere belangrijke stap is het zout aggregatie waar de zoutconcentratie en aggregatie tijd nauwkeurig moeten worden gecontroleerd. Bovendien, de keuze van membraan eveneens belangrijk als het membraan met een kleinere poriegrootte effectiever te controleren Ag nanoclusters gevonden. Voor de specifieke membraan gebruikt in deze studie, is er een voor- en achterzijde waar de voorzijde in de houder worden geplaatst om de spuit te verbinden. Indien zij is geplaatst beneden de bekleding was veel minder effectief. Het vermijden van luchtbellen bij het passeren door het membraan is een sleutel tot een succesvolle coating.
Voor het oplossen van problemen van deze test, de volgende stappenworden aanbevolen. Als er geen of weinig signaal wordt gedetecteerd, controleert u voor de volgende oorzaken. De belangrijkste oorzaak zijn de Ag NP niet genoeg om te worden gevangen in de poriën van het filtermembraan geaggregeerd. Verhogen van de zoutconcentratie en / of incubatietijd kan worden gecombineerd. Zo niet, controleer dan of de achterkant van het filter membraan naar boven is gericht en dat het volume of de concentratie van het monster geladen op het membraan is niet te laag. Als het signaal van het doelmolecuul niet consistent, controleert de volgende oorzaken: de grootteverdeling van de Ag-NPs kan te breed of NP zijn niet gelijkmatig verdeeld over het membraan, waarschijnlijk te wijten aan te veel aggregatie van NP of te snel door het membraan.
In vergelijking met onze eerdere gegevens over het gebruik Ag dendrieten als SERS substraat, 30-31 de gevoeligheid van het filter-gebaseerde assay SERS veel hoger ferbam detectie. Dit komt door het voordeel van de filter-systeem, dat kan stromen laRGE hoeveelheid monster, zodat meer analysemonstermoleculen geconcentreerd op de SERS substraat. Een ander voordeel van het filter-systeem via-oplossing gebaseerde werkwijze het bedieningsgemak en fieldable meting, omdat er geen centrifugeren nodig NP-analyt complex te verzamelen. De beperking van deze werkwijze kan niet worden gebruikt voor complexe vloeistoffen zoals melk rechtstreeks, zoals de complexe componenten van de membraan poriën blokkeren. Voorbehandeling nodig om storende componenten te verwijderen alvorens het membraan.
Samengevat tonen we een eenvoudige en gevoelige-filter gebaseerde SERS assay die kan worden toegepast op de detectie van verontreinigingen of vervalsingen in vloeibare voedselmatrix en milieumonsters. Om verder te duwen de detectiegrens wordt optimalisatie van de parameters, zoals NP afmetingen en hoeveelheid, zoutconcentratie, monstervolume en instrumentparameters nodig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ampicillin | Fisher Scientific | BP1760-5 | N/A |
| Ferbam | Chem Service | N-11970-250MG | 98+% |
| Silver nitrate | Sigma Aldrich | 209139 | 99.0+% |
| Sodium citrate dehydrate | Sigma Aldrich | W302600 | 99+% |
| Sodium chloride | Sigma Aldrich | S7653 | 99.5+% |
| EMD Millipore Durapore PVDF Membrane Filters | Fisher Scientific | VVLP01300 | 0.10 µm Pore Size, hydrophilic |
| Polycarbonate Filter Holders | Cole-Parmer | EW-29550-40 | 13 mm diameter |
| Analog Vortex Mixer | Fisher Scientific | 02-215-365 | N/A |
| Nutating Mixers | Fisher Scientific | 05-450-213 | N/A |
| DXR Raman spectroscope | Thermo Scientific | IQLAADGABFFAHCMAPB | Laser power: 1 mW Exposure time: 5 sec |
References
- 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).
- Schatz, G. C., Young, M. A., Van Duyne, R. P. Electromagnetic mechanism of SERS. Surface-enhanced Raman scattering. , Springer Berlin Heidelberg. 19-45 (2006).
- Matijevic, E. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 5 (4), 412-426 (1993).
- 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).
- 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).
- Henglein, A., Giersig, M. Formation of colloidal silver nanoparticles: capping action of citrate. J. Phys. Chem. B. 103 (44), 9533-9539 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zheng, J., He, L. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for the Chemical Analysis of Food. Compr. Rev. Food. Sci. F. 13 (3), 317-328 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fierro-Mercado, P. M., Hernández-Rivera, S. P. Highly sensitive filter paper substrate for SERS trace explosives detection. Int. J. Spectrosc. 2012, 716527 (2012).
- Tran, C. D. Subnanogram detection of dyes on filter paper by surface-enhanced Raman scattering spectrometry. Anal. Chem. 56 (4), 824-826 (1984).
- 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).
- Wigginton, K. R., Vikesland, P. J. Gold-coated polycarbonate membrane filter for pathogen concentration and SERS-based detection. Analyst. 135 (6), 1320-1326 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
