En Filter-baserte Surface Enhanced Raman Spektroskopiske analyse for rask påvisning av kjemiske forurensninger

Summary

En fremgangsmåte for fremstilling og utførelse av filterbaserte overflate forbedret Raman-spektroskopi (SERS) assay for påvisning av kjemiske forurensninger (dvs. plantevernmidler ferbam og antibiotika ampicillin) er presentert.

Introduction

Surface forbedret Raman-spektroskopi (SERS) er en teknikk som kombinerer Raman-spektroskopi med nanoteknologi. Intensiteten av Raman spredning av analytter på edle metallnano overflater er betydelig forbedret ved lokalisert overflate plasmon resonans. ¹ sølv nanopartikler (Ag NPS) er den klart mest brukte SERS underlag på grunn av sin høye ekstrautstyr evne. ² Opp til nå , forskjellige syntetiske fremgangsmåter for Ag NPS er blitt utviklet. ^3-6 Ag NPS kan anvendes alene som effektive SERS substrater, eller kombinert med andre materialer og strukturer for å øke dets følsomhet, og / eller funksjonalitet. ^7-11

SERS teknikker har vist stor kapasitet for påvisning av forskjellige spormengde forurensninger i mat og miljøprøver ¹² Tradisjonelt er det to vanlige måter for fremstilling av en SERS prøve:.. Løsningsbasert og substrat-baserte metoder ¹³ Løsningen basert metod bruker NP kolloider å blande med prøver. Deretter NP-analytt komplekset er oppsamlet ved hjelp av sentrifugering, og avsatt på en fast bærer for Raman-måling etter tørking. Substratet basert metode påføres vanligvis ved å avsette flere mikroliter flytende prøve på den pre-fabrikerte fast substrat. ¹⁴ Men ingen av disse to metodene er effektive og anvendelig for en stor mengde av prøvevolum. Flere modifikasjoner av de SERS analysene vant volum begrensninger, for eksempel integrering av et filtersystem ^15-21 eller inkorporering av en mikrofluidteknisk enhet. ^21-24 De modifiserte SERS analyser har vist stor forbedring i følsomhet og muligheten for å overvåke de kjemiske forurensninger i store vannprøver.

Her viser vi detaljert protokoll for fabrikasjon og anvendelse av en sprøyte filter basert SERS metode for å påvise spor mengde plantevernmiddel ferbam og antibiotika ampicillin.

Protocol

1. Silver Nanopartikkel Synthesis ¹⁵

1. Oppløs 18 mg sølvnitrat i 100 ml ultrarent vann (18,2 ΩU) og vortex i 5 sek.
2. Oppløs 27 mg natriumsitratdihydrat i 1 ml vann og vortex i 5 sek.
3. Overfør all den fremstilte sølvnitratoppløsning til en konisk kolbe inneholdende en rørestav og sette kolben på en magnetisk varm plate. Oppvarme kolben under kraftig omrøring med en rørehastighet på 700 rpm ved ~ 350 ° C (innstillingstemperatur på plate).
4. Når koking, legger all forberedt natriumsitrat løsning på erlenmeyerkolbe umiddelbart, og la blandingen koke i ytterligere 25 min før løsningen blir grønnlig brun, noe som indikerer dannelse av Ag NPs.
5. Fjern kolben fra den varme platen og legg den på en annen magnetisk plate (ikke varm) og rør O / N på samme omdreiningshastigheten ved RT inntil blandingen når en stabil tilstand, med en konstant farge og transparency. Bruker et UV-vis spektrometer for å bestemme absorbansen av de preparerte Ag NPs om nødvendig.
6. Fortynn den endelige blanding med ultrarent vann til 100 ml.
7. Bruk en Zetasizer å måle størrelsen på Ag NPs om nødvendig i henhold til produsentens protokoll.
8. Overfør Ag kolloid til en lukket beholder og beskytte den mot lys med aluminiumsfolie. Kolloidet kan lagres i et kjøleskap ved 4-7 ° C i 2 måneder ved behov.

2. Fabrikasjon av en SERS Active Filter Membran

1. Oppløs 2,92 g natriumklorid (NaCl) i 100 ml vann for å lage en 50 mM NaCl-oppløsning.
2. Tilsett 1 ml av 5 mM NaCl-oppløsning i 1 ml av den tilberedte Ag NPS og blande dem på en nuterende blander i 10 min ved 20 rpm. Dette trinnet er å samle de Ag NPs inn Ag nanoclusters.
3. Plassere en filtermembran (PVDF, 0,1 um porestørrelse) inn i en filterholder, som kan festes til en sprøyte. Jo mindre porestørrelse membran var found mer effektiv enn de større porestørrelse membran (det vil si, 0,22 um) i å fange Ag nanoclusters og produsere konsistente signaler.
4. Load 2 ml av den tilberedte Ag nanoclusters i sprøyten for filtrering. Fest filterholderen til sprøyten og manuelt passere hele volumet av Ag nanoclusters gjennom membranen ved en strømningshastighet på 1 dråpe / sek. Membran feller Ag nanoclusters, danner en SERS aktivt filtermembran.
5. Løsne filtermembran fra filterholderen. Spesiell forsiktighet er nødvendig når du holder membranen på den ytre kanten ved hjelp av en pinsett for å sikre at ingen skade på membranen. Lufttørke i ca 3 min og sted membran på et objektglass.
6. Raman deteksjon av SERS underlaget
   1. Sett Raman instrument til en bølgelengde laser 780 nm med en lasereffekt på 5 MW, eksponeringstid på 1 sek og eksponering antall 2. Still mikroskopisk målet til 10X. Sørg for at målet om programvaren er satt tilsvarende også. </ Li>
   2. Plasser glass-slide med membranen på toppen på plattformen av Raman-instrumentet og bruke mikroskop for å fokusere på overflaten av membranen.
   3. Tilfeldig velge 8-10 flekker fra membranoverflaten og instrumentet vil samle dem automatisk i rekkefølge. Åpne spektrale data i produsentens programvare for analyse.

3. Bruk av SERS Active filtersystem for å oppdage kjemiske forurensninger

1. Forbered en 10 ppb ferbam løsning.
   Forsiktig: Ferbam er svært volatil. Bruk forholdsregler (respirator og briller) når veiing solid.
   1. Vei 2 mg ferbam pulver og oppløse den i 20 ml 50% acetonitril (10 ml acetonitril og 10 ml vann) for å gjøre en stamoppløsning (100 ppm). Vortex kolben i 30 sek.
   2. Ta 1 ml av 100 ppm ferbam oppløsning i et reagensrør og legge til 9 ml 50% acetonitril for å lage en 10 ppm oppløsning. Vortex røret i 5 sek.
   3. Ta 1 ml av10 ppm oppløsning i et reagensrør og legge til 9 ml 50% acetonitril for å lage en 1 ppm løsning. Vortex røret i 5 sek.
   4. Ta 1 ml av 1 ppm løsning i et reagensrør og legge til 9 ml 50% acetonitril for å lage en 100 ppb løsning. Vortex røret i 5 sek.
   5. Ta 1 ml av 100 ppb oppløsning i et reagensrør og legge til 9 ml 50% acetonitril for å lage en 10 ppb løsning. Vortex røret i 5 sek.
2. Forbered en 1 ppm ampicillin løsning.
   1. Veier 10 mg ampicillin pulver og oppløse den i 100 ml vann for å gi en 100 ppm ampicillin løsning. Vortex kolben i 30 sek.
   2. Ta 1 ml av 100 ppm oppløsning i et reagensrør og tilsett 9 ml vann for å lage en 10 ppm ampicillin løsning. Vortex røret i 5 sek.
   3. Ta 1 ml av 10 ppm oppløsning i et reagensrør og tilsett 9 ml vann for å lage en 1 ppm ampicillin løsning. Vortex røret i 5 sek.
3. Sett filtermembranen tilbake til filterholderen, med NP belagt siden opp. </ Li>
4. Load 5 ml en prøve til en ny sprøyte, og deretter koble den til filterholderen med en Ag belagt membran inne.
5. bestå manuelt hele volumet av prøven gjennom membranen ved en strømningshastighet på 1 dråpe / sek. Målmolekyler kan adsorberes og konsentrert på NPS belagt på filtermembranen.
6. Løsne filtermembran fra filterholderen, lufttørke i omtrent 3 minutter og måle signalene ved å bruke Raman-instrumentet ved hjelp av samme metode som beskrevet i trinn 2.6.
7. Gjenta trinn 2.2 til 2.6 for å fremstille en annen Ag-belagte membran, og følger fra trinn 3,3 til deteksjon av den andre prøven.

Representative Results

De viktigste trinn i dette forsøket ble vist i det skjematiske diagram (figur 1). Figur 2 viste viktigheten av å bruke optimalisert volum av AgNPs i membranbelegget for å nå maksimal følsomhet. 1 ml av Ag NPS gir det sterkeste signalet ved bruk av ferbam, sammenlignet med 0,5 ml (utilstrekkelig belegging) eller 2 ml (for mye belegg).

Vi var i stand til å detektere ferbam på 10 ppb-nivå og ampicillin ved 1 ppm med god signalintensiteten ved den utviklede filterbaserte SERS analysen (figur 1). Den SERS spekteret av ferbam oppviser distinkte karakteristiske topper ved 10 ppb. Toppen ved 1386 ^cm-1 er fra den blandede vibrasjon av CN og C = S strekking, og symmetrisk _CH3 deformasjon. Den topp ved 1,516 ^cm-1 er forbundet med _CH3 og CN strekking. Den topp på 561 cm 25-27 Spekteret av 1 ppm ampicillin ble også klart påvist. Toppen ved 1.594 ^cm-1 og 1,447 ^cm-1 er fra C = C stretching og CH ₃ / CH ₂ deformasjon, respektivt. Den sterke topp på 1001 cm ^-1 er fra benzenringen vibrasjon. Toppen ved 852 ^cm-1 er forbundet med symmetrisk CNC strekking. ^28-29 Den eksperimentelle tid for å analysere en prøve er mindre enn 20 min inklusive fremstillingen av SERS-aktiv filtermembran med pre-syntetisert Ag NPS.

Med økende prøvevolum, kan vi ytterligere øke påvisningsgrensen, som vist i figur 4. Det ble observert en økning av toppintensitet ved økning av prøvevolum. Dette er fordelen med filterbasert metode som volumet er justerbar og påvisningsgrensen er også justerbar.

ether.within-page = "1">
Figur 1. En prinsippskisse av filter SERS analysen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. SERS spektra av 5 ml 100 ppb ferbam passerer gjennom membranene belagt med forskjellig mengde av Ag NPS Fra topp til bunn:. 0,5 ml Ag kolloid med 0,5 ml NaCl, 1,0 ml Ag med 1,0 ml NaCl, 1,5 ml Ag med 1,5 ml NaCl, henholdsvis. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

91 / 53791fig3.jpg "/>
Figur 3. SERS spektra av ferbam og ampicillin på Ag NPs belagt filter membran Fra topp til bunn. Kontroll av 50% acetonitril, 10 ppb ferbam, kontroll av vann, 1 ppm Ampicillin hhv. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4. SERS spektra av ulike volumer av 100 ppb ferbam på Ag NPs belagt filter membran Fra topp til bunn. 3 ml ferbam, 5 ml ferbam, 7 ml ferbam, 9 ml ferbam hhv. Klikk her for å se en større versjon av denne figur.

Discussion

En av de kritiske trinn i denne protokollen er Ag NPs syntese, hvor ensartede Ag NPs er nøkkelen for konsistente resultater. Oppvarmingstiden og konsentrasjonen av forløperne må være nøyaktig kontrollert. Den gjennomsnittlige størrelsen på denne AgNPs preparat er 80 nm, som ble målt ved Zetasizer (data ikke vist). Et annet kritisk punkt er saltet aggregering hvor saltkonsentrasjonen og aggregering tid må kontrolleres nøyaktig. I tillegg, er valget av membran er også viktig ettersom membranen med en mindre porestørrelse ble funnet mer effektivt å felle Ag nanoclusters. For den spesielle membran brukt i denne studien, er det en for- og bakside hvor frontsiden må plasseres opp i holderen for å koble sprøyten. Hvis den ble plassert i bakken, belegget var mye mindre effektiv. Unngå bobler når du passerer gjennom membranen er en annen nøkkelen til en vellykket belegg.

For feilsøking av denne analysen, er følgende trinnanbefales. Hvis det oppdages ingen eller lite signal, se etter følgende årsaker. Den viktigste årsaken kan være at Ag NPS ikke aggregeres nok til å bli fanget i porene i filtermembranen. Økning av saltkonsentrasjonen og / eller inkubasjonstid kan øke aggregeringen. Ellers sjekk at baksiden av filtermembranen vender opp og at volumet eller konsentrasjonen av prøven lastet på membranen ikke er for lav. Hvis signalet til målet molekylet er ikke konsekvent, se etter følgende årsaker: størrelsen fordelingen av Ag NPs kan være for bred eller NPs er ikke jevnt fordelt på membranen, sannsynligvis på grunn av for mye aggregering av NPs eller for fort som passerer gjennom membranen.

Sammenlignet med våre tidligere data om bruk av Ag dendritter som SERS substrat, ^30-31 følsomheten av dette filteret baserte SERS analysen er mye høyere på ferbam deteksjon. Dette er på grunn av fordelen med filterbasert system, som kan flyte large mengde av prøven, slik at flere analytt-molekyler er konsentrert på den SERS substratet. En annen fordel med å bruke filterbasert system over oppløsningen basert metode er enkel operasjon og fieldable måling, som ingen sentrifugering er nødvendig for å samle opp NP-analytt kompleks. Begrensningen med denne metoden er at det ikke kan anvendes for komplekse flytende matriser slik som melk direkte, som de komplekse komponenter kan blokkere membranporene. Forbehandling er nødvendig for å fjerne interfererende komponenter før passering av membranen.

I sammendrag viser vi en enkel og sensitiv filter-baserte SERS analysen som kan brukes til påvisning av forurensninger eller adulterations i flytende mat-matriks og miljøprøver. For ytterligere å presse deteksjonsgrensen, er optimalisering av parametre, som NP størrelser og beløp, saltkonsentrasjon, prøvevolum og instrumentparametre nødvendig.

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