Summary
Процедура изготовления и выполнения фильтрующей поверхности на основе расширенной комбинационного спектроскопического (SERS) тест для определения химических загрязнителей (т.е. пестицид ferbam и ампициллин антибиотик) представлена.
Introduction
Поверхность усиливается спектроскопия комбинационного рассеяния (ГКР) представляет собой метод комбинирования спектроскопии комбинационного рассеяния с нанотехнологиями. Интенсивность комбинационного рассеяния аналитов в благородных металлических нано-поверхностей значительно усиливается локализованного поверхностного плазмонного резонанса. 1 Наночастицы серебра (Ag NPS) являются на сегодняшний день наиболее широко используются ГКР субстраты из-за его высокой способностью повышения. 2 До сих пор , были разработаны различные синтетические методы Ag наночастиц. 3-6 Ag наночастицы могут быть использованы по отдельности в качестве эффективных SERS подложками, или в сочетании с другими материалами и структурами, чтобы повысить его чувствительность и / или функциональность. 7-11
Методы SERS показали большой потенциал для обнаружения различных следовых количествах загрязняющих веществ в пище и образцах окружающей среды 12 Традиционно существует два распространенных способа для получения образца ГКР:.. Решение на основе и подложки на основе метода 13 мето решение на основеd использует NP коллоидов смешать с образцами. Затем NP-аналит собирали центрифугированием, и нанесении на твердом носителе для измерения комбинационного после сушки. Способ субстрат на основе обычно применяется путем нанесения нескольких микролитров жидкого образца на фабрично твердом субстрате. 14 Тем не менее, ни один из этих двух методов являются эффективными и применимыми для большого количества объема образца. Несколько модификации SERS анализах преодолели пределы объема, такие как интеграция фильтрующую систему 15-21 или вхождения микрожидком устройства. 21-24 Модифицированные анализы SERS показали большое повышение чувствительности и целесообразности для мониторинга химических загрязнителей в больших проб воды.
Здесь мы демонстрируем подробный протокол изготовления и применения метода ГКР, основанной шприц фильтр для обнаружения следовых количеств пестицидов и ferbam ампициллин антибиотикам.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. наночастиц серебра Синтез 15
- Растворите 18 мг нитрата серебра в 100 мл сверхчистой воды (18,2 ΩU) и вихря в течение 5 сек.
- Растворите 27 мг дигидрата цитрата натрия в 1 мл воды и вихрь в течение 5 сек.
- Передача всего приготовленного раствора нитрата серебра в коническую колбу, содержащую стержень дл перемешивани и поставить колбу на магнитную горячей плите. Нагреть колбу при интенсивном перемешивании со скоростью перемешивания 700 оборотов в минуту при температуре ~ 350 ° С (температуры установки на плите).
- При кипячении, добавить все приготовленного раствора цитрата натрия в коническую колбу сразу, а оставить решение до кипения в течение дополнительного 25 мин, пока раствор не станет приобретать бурый, который указывает на формирование Ag наночастиц.
- Удалить колбу из горячей плите и поставить его на другой магнитной пластины (не нагреваются) и перемешать O / N с той же скоростью перемешивания при комнатной температуре, пока смесь не достигнет стабильного состояния, при постоянном цвете и Transparency. Используйте UV-VIS спектрометр для определения оптической плотности приготовленных Ag наночастиц при необходимости.
- Развести конечной смеси с сверхчистой водой до 100 мл.
- Используйте Zetasizer измерить размер Ag наночастиц при необходимости в соответствии с протоколом производителя.
- Перенести коллоид Ag чтобы герметичном контейнере и защитить его от света с алюминиевой фольгой. Коллоид может храниться в холодильнике при 4-7 ° С в течение 2-х месяцев, если это необходимо.
2. Изготовление в ГКР Активный мембранный фильтр
- Растворить 2,92 г хлорида натрия (NaCl) в 100 мл воды для получения раствора 50 мМ NaCl.
- Добавить 1 мл раствора 5 мМ NaCl в 1 мл приготовленных Ag наночастиц и смешивать их на нутационное смесителе в течение 10 мин при 20 оборотах в минуту. Этот шаг агрегировать Ag NPS в Ag нанокластеров.
- Поместите фильтрующую мембрану (PVDF, 0,1 мкм размер пор) в держатель фильтра, который можно прикрепить к шприцу. Чем меньше размер пор мембраны двух зунд более эффективным, чем больше размер пор мембраны (т.е. 0,22 мкм) в улавливания Ag нанокластеры и производить последовательные сигналы.
- Нагрузка 2 мл приготовленных нанокластеров Ag в шприц для фильтрации. Установите держатель фильтра к шприцу и вручную передать весь объем Ag нанокластеров через мембрану при скорости потока 1 капля / сек. Нанокластеры мембранные ловушки Ag, образуя ГКР-активных фильтрующую мембрану.
- Отсоединение фильтрующую мембрану из держателя фильтра. Особую осторожность необходима при проведении мембрану на внешнем ободе с помощью пинцета, чтобы исключить повреждение мембраны. Воздух сухой в течение приблизительно 3 мин и место мембрану на предметное стекло.
- Обнаружение комбинационного рассеяния в ГКР подложки
- Установите прибор комбинационного чтобы длин волн лазера 780 нм с мощностью лазера 5 мВт, время экспозиции 1 сек и экспозиции ряда 2. Установите микроскопическую цель 10Х. Убедитесь, что цель на программное обеспечение установлено соответственно тоже. </ LI>
- Поместите стекло с мембраной сверху на платформу прибора комбинационного и использовать микроскоп, чтобы сосредоточить внимание на поверхности мембраны.
- Случайно выбрать 8-10 пятна от поверхности мембраны и прибор будет собирать их автоматически в определенной последовательности. Открытые спектральные данные в программном обеспечении производителя для анализа.
3. Применение ГКР активного фильтра системы для обнаружения химических загрязнителей
- Приготовьте раствор ferbam 10 частей на миллиард.
Внимание: Ferbam обладает высокой летучестью. Используйте меры предосторожности (респиратор и защитные очки) при взвешивании тела.- Взвешивание 2 мг ferbam порошок и растворить его в 20 мл 50% ацетонитрила (10 мл ацетонитрила и 10 мл воды) с получением концентрированного раствора (100 промилле). Vortex колбу в течение 30 сек.
- Принимать по 1 мл раствора ferbam 100 частей на миллион в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 10 частей на миллион. Vortex трубку в течение 5 сек.
- Возьмите 1 мл10 Раствор м.д. в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 1 промилле. Vortex трубку в течение 5 сек.
- Принимать по 1 мл раствора 1 промилле в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 100 частей на миллиард. Vortex трубку в течение 5 сек.
- Принимать по 1 мл раствора 100 частей на миллиард в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 10 частей на миллиард. Vortex трубку в течение 5 сек.
- Приготовьте раствор ампициллин в 1 миллион.
- Взвесить 10 мг ампициллина порошок и растворить его в 100 мл воды, чтобы сделать раствор ампициллину 100 частей на миллион. Vortex колбу в течение 30 сек.
- Принимать по 1 мл раствора 100 ппм в пробирке и добавить 9 мл воды, чтобы сделать раствор ампициллину 10 частей на миллион. Vortex трубку в течение 5 сек.
- Принимать по 1 мл раствора 10 частей на миллион в пробирке и добавить 9 мл воды, чтобы сделать раствор ампициллину в 1 промилле. Vortex трубку в течение 5 сек.
- Поместите мембрану фильтра обратно в держатель фильтра, со стороной, покрытой НП вверх. </ LI>
- Нагрузка 5 мл одного образца в новый шприц, а затем прикрепить его к держателю фильтра с мембраной в Ag покрытием внутри.
- Вручную пройти весь объем образца через мембрану при скорости потока 1 капля / сек. Молекулы-мишени могут адсорбироваться и концентрировали на НПС, нанесенные на мембрану фильтра.
- Отделить фильтрующую мембрану из держателя фильтра, воздух сухой в течение приблизительно 3 мин и измерять сигналы с помощью прибора комбинационного используя тот же метод, как описано в шаге 2.6.
- Повторите шаг 2,2 до 2,6, чтобы подготовить другой мембраны Ag-покрытую, и вытекают из шага 3.3 для обнаружения другой пробе.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Основные этапы этого эксперимента были показаны на схеме (рисунок 1). Рисунок 2 свидетельствует о важности использовать оптимизированный объем AgNPs в мембране покрытием для того, чтобы достичь развернутое чувствительность. 1 мл Ag наночастиц обеспечивает самый сильный сигнал при использовании ferbam, по сравнению с 0,5 мл (недостаточным для покрытия) или 2 мл (слишком много покрытие).
Мы смогли обнаружить ferbam на уровне 10 частей на миллиард и ампициллин на 1 минуту с большой интенсивностью сигнала по разработанной фильтра на основе SERS анализа (рисунок 1). SERS спектр ferbam демонстрирует хорошо выраженные характеристические пики при 10 частей на миллиард. Пик при 1386 см -1 от смешанной вибрации CN и C = S растяжения и симметричной CH 3 деформации. Пик при 1,516 см -1 связан с СН 3 CN и растяжения. Пик при 561 см
С увеличением объема образца, мы можем дополнительно увеличить предел обнаружения, как показано на рисунке 4. Мы наблюдали повышение пиковой интенсивности при увеличении объема пробы. Это преимущество способа, основанного фильтра, как громкость можно регулировать и предел обнаружения также регулируется.
ether.within страницах = "1"> 
Рисунок 1. Принципиальная схема фильтра ГКР анализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.
Рисунок 2. SERS-спектры 5 мл 100 частей на миллиард ferbam прохождения через мембраны, покрытых разным количеством Ag наночастиц Сверху вниз:. 0,5 мл Ag коллоидной с NaCl 0,5 мл, 1,0 мл Ag с NaCl 1,0 мл, 1,5 мл Ag с 1,5 мл NaCl, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.
91 / 53791fig3.jpg "/>
Рисунок 3. спектры ГКР из ferbam и ампициллин по Ag NPS мембраны, покрытой фильтровальной Сверху вниз:. Контроль 50% ацетонитрила, 10 частей на миллиард ferbam, контроль воды, 1 часть на миллион Ампициллин, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию эта фигура.
Рисунок 4. спектры ГКР различных объемов 100 частей на миллиард ferbam на Ag NPS мембраны, покрытой фильтровальной Сверху вниз:. 3 мл ferbam, 5 мл ferbam, 7 мл ferbam, 9 мл ferbam, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию из этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Одним из важнейших шагов в этом протоколе является синтез Ag наночастицы, где однородные Ag наночастицы являются ключевыми для получения стабильных результатов. Время нагревания и концентрации предшественников должны быть точно контролироваться. Средний размер этого препарата AgNPs 80 нм, что было измерено Zetasizer (данные не показаны). Другим важным шагом является объединение соль, где должны быть точно контролировать концентрацию соли и время агрегации. Кроме того, выбор мембраны также имеет важное значение, поскольку мембрана с меньшим размером пор было найдено более эффективной для улавливания Ag нанокластеров. Для конкретного мембраны, используемой в данном исследовании, существует передняя и задняя сторона, где передняя сторона должна быть помещен в держатель для подсоединения шприца. Если он был помещен вниз, покрытие было гораздо менее эффективным. Как избежать пузырьков при прохождении через мембрану является еще одним ключом к успешному покрытия.
Для устранения неисправностей этом анализе, следующие шагиРекомендуется. Если нет или мало сигнал не обнаружен, проверьте по следующим причинам. Основной причиной может быть то Ag наночастицы не будут объединены, чтобы они были в ловушке в поры мембраны фильтра. Повышение концентрации соли и / или времени инкубации может повысить агрегацию. В противном случае, проверьте, что задняя сторона мембраны фильтра вверх и что объем или концентрация образца, нанесенного на мембрану не слишком низка. Если сигнал молекулы-мишени не соответствует, проверить по следующим причинам: распределение по размерам из Ag наночастиц может быть слишком широким или НПС не равномерно распределены по мембране, вероятно, из-за слишком большого скопления наночастиц или слишком быстро проходя через мембрану.
По сравнению с нашими предыдущими данными об использовании Ag дендриты, как ГКР подложки, 30-31 чувствительность этого фильтра на основе SERS анализа гораздо выше по обнаружению ferbam. Это связано с тем преимуществом системы фильтров на основе, которая может протекать LARGE количество образца, так что больше молекулы аналита сконцентрированы на SERS подложке. Другим преимуществом использования системы, основанной на фильтре перед методом раствора на основе является простота в эксплуатации и fieldable измерения, а не центрифугирование не требуется, чтобы собрать NP-комплекса с исследуемым веществом. Ограничением этого метода является то, не может быть использован для сложных жидких средах, таких как молоко непосредственно, как сложные компоненты могут блокировать поры мембраны. Предварительная обработка необходима, чтобы удалить мешающие компоненты перед прохождением через мембрану.
Таким образом, мы демонстрируем простой и чувствительный фильтр на основе SERS анализа, который может быть применен к обнаружению загрязнителей или adulterations в жидкой матрице пищевого и проб окружающей среды. Для дальнейшего толкать предел обнаружения, оптимизация параметров, таких как размеры NP и суммы, концентрации соли, объем образца и параметров прибора требуется.
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).
