Summary
Imalat ve kimyasal kirleticilerin (örneğin, pestisid ferbam ve antibiyotik ampisilin) tespiti için Raman spektroskopi (SERS) deneyi geliştirilmiş filtre tabanlı yüzey yapmak için bir prosedür sunulmuştur.
Introduction
Yüzey Raman spektroskopisi (SERS) nanoteknoloji ile Raman spektroskopisi birleştiren bir tekniktir. Asil metalik nano-yüzeylerde analitlerin Raman saçılması yoğunluğu büyük ölçüde lokalize yüzey plazmon rezonansı ile geliştirilmiştir. 1 Gümüş nanopartiküller (Ag NPS) artık farkla en yaygın olarak kullanılan SERS nedeniyle yüksek geliştirme yeteneği yüzeylerde. 2 kadar olan Ag NPlerin çeşitli sentetik yöntemler geliştirilmiştir. 3-6 Ag NPS, sensitivite ve / veya işlevini geliştirmek için etkili bir SERS substratlar olarak tek başına ya da diğer malzemeler ve yapılar ile kombine edilebilir. 7-11
SERS teknikleri, gıda ve çevre örneklerinde çeşitli eser miktarda kirletici tespiti için büyük bir kapasiteye göstermiştir 12 Geleneksel olarak, bir SERS örneği hazırlamak için iki ortak yolu vardır:.. Çözüm tabanlı ve yüzey-temelli yöntemler 13 çözüm tabanlı yöntemiid örnekleri ile karıştırmak için NP kolloidler kullanır. Daha sonra NP-analit kompleksi santrifüj kullanılarak toplandı ve kurutulduktan sonra Raman ölçümü için bir katı destek üzerine tatbik edilir. Alt tabaka esas yöntem genellikle prefabrike bir katı alt-tabaka üzerine bir sıvı örneğinin birçok mikrolitre biriktirilmesi ile uygulanır. 14. Bununla birlikte, bu iki yöntem de, numune hacminin büyük bir miktarda etkin ve uygulanabilir. SERS testlerin bazı değişiklikler böyle bir filtre sistemi 15-21 entegrasyonu veya bir mikroakışkan cihazın dahil olarak hacim sınırları aştı. 21-24 modifiye SERS deneyleri, kimyasal kirleticiler izlemek için duyarlılık ve fizibilite büyük artışı göstermiştir büyük su örneklerinde.
Burada pestisit ferbam ve antibiyotik ampisilin kalıntılarını tespit etmek için, imalat ve şırıngalı bir filtre göre SERS yönteminin uygulamanın ayrıntılı protokol göstermektedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Gümüş Nanoparçacık Sentezi 15
- 5 saniye boyunca 100 mi, aşırı saf su (18.2 ΩU) ve vorteks 18 mg gümüş nitrat çözeltisi ile çözülmüştür.
- 5 saniye boyunca 1 ml su ve vorteks 27 mg sodyum sitrat dihidrat çözülür.
- Bir karıştırma çubuğu ihtiva eden bir erlene hazırlanan gümüş nitrat çözeltisi her aktarın ve manyetik bir sıcak plaka üzerinde akıtma koydu. ~ 350 ° C de, 700 rpm'lik bir karıştırma hızı ile kuvvetli karıştırma altında balon Isı (plaka sıcaklık ayarı).
- kaynar zaman hemen erlene hazırlanan sodyum sitrat çözeltisi tüm ekleyin ve çözüm Ag NPS oluşumunu gösteren yeşilimsi kahverengi, açılana kadar ilave 25 dakika kaynatın çözüm bırakın.
- Sıcak plaka şişeyi çıkarın ve sabit renk ve tran ile, başka bir manyetik plaka üzerine koydu (ısı değil) ve heyecan O / N oda sıcaklığında aynı karıştırma hızında karışım istikrarlı bir duruma ulaşana kadarsparency. Gerekirse hazırlanan Ag NPlerin emişi belirlemek üzere bir UV spektrometresi kullanarak.
- 100 ml saf su ile nihai karışımı ile seyreltilir.
- Gerekirse, üreticinin protokolüne uygun olarak Ag NPlerin boyutunu ölçmek için, bir Zetasizer kullanarak.
- kapalı bir kaba Ag kolloid aktarın ve alüminyum folyo ile ışıktan korumak. Gerekirse kolloid 2 ay boyunca 4-7 ° C'de buzdolabında saklanır.
Bir SERS Aktif Filtre Membran 2. Fabrikasyon
- 50 mM NaCI solüsyonu yapmak üzere, 100 ml su içinde 2.92 g sodyum klorür (NaCI) içinde çözülür.
- hazırlanan Ag NPlerin 1 ml 5 mM NaCI çözeltisi 1 ml ilave edilir ve 20 rpm'de 10 dakika için bir sallanan karıştırıcıda karıştırın. Bu adım Ag nanoclustere içine Ag NPS bir araya etmektir.
- Bir şırıngaya birleştirilebilen bir filtre tutucusu, bir membran filtre (PVDF, 0.1 um gözenek boyutu) yerleştirin. Daha küçük gözenek boyutu zar fo oldututarlı sinyalleri Ag nanoyığınlar yakalama ve üretiminde büyük gözenek boyutu membranı (yani, 0.22 mikron) daha und daha etkili.
- Yük filtrasyon için şırınga içine hazırlanmış Ag nanoclustere 2 ml. şırınga filtre yuvasını takın ve elle 1 damla / sn akış hızında zarından Ag nanoclustere tüm hacmini geçmektedir. Membran tuzakları Ag nanokümeler, bir SERS-aktif filtre membran oluşturur.
- Filtre tutucu filtre membran ayırın. zara hiçbir zarar sağlamak için bir cımbız kullanarak dış kenarında zarı tutarken özellikle dikkat gereklidir. Bir bardak slayt yaklaşık 3 dk ve yer zarının hava kuru.
- SERS substratın Raman algılama
- 5 mW, 10X mikroskobik hedefi ayarlayın 2. 1 sn ve maruziyet numarasının pozlama süresi bir lazer gücüne sahip bir 780 nm dalga boyundaki lazer Raman cihazı ayarlayın. yazılım üzerinde objektif çok buna ayarlanmış olduğundan emin olun. </ Li>
- Raman aracın platform üzerine üstündeki membran ile cam slayt yerleştirin ve membran yüzeyinde odaklanmak için mikroskop kullanıyoruz.
- Rasgele membran yüzeyinde 8-10 noktalar seçin ve enstrüman sırayla otomatik olarak toplayacaktır. analiz için üreticinin yazılımı açın spektral verileri.
SERS Aktif Filtre Sisteminin 3. Uygulama Kimyasal Bulaşanlar Algılama için
- 10 ppb ferbam çözeltisi hazırlayın.
Dikkat: ferbam çok uçucudur. önlemler (maske ve gözlük) katı ağırlığında kullanın.- 2 mg ferbam tozu tartılır ve bir stok çözeltisi (100 ppm) yapmak için 20 ml% 50 asetonitril (10 ml asetonitril ve 10 ml su) içinde çözülür. 30 saniye için şişeyi vorteksleyin.
- Bir test tüpü içinde, 100 ppm ferbam çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppm bir solüsyon hazırlamak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
- 1 ml alın10 ppm test tüpünde çözeltisi ve 9 ml% 50 asetonitril ilave 1 ppm bir solüsyon hazırlamak için. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
- Bir test tüpü içinde 1 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 100 ppb solüsyon yapmak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
- Bir test tüpü içinde, 100 ppb çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppb solüsyon yapmak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
- 1 ppm ampisilin çözeltisi hazırlayın.
- 10 mg ampisilin toz tartılır ve 100 ppm ampisilin solüsyon yapmak için, 100 ml su içinde çözülür. 30 saniye için şişeyi vorteksleyin.
- Bir test tüpü içinde, 100 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppm ampisilin çözeltisinin yapılması için 9 mL su ilave edilir. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
- Bir test tüpü içinde 10 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 1 ppm ampisilin çözeltisinin yapılması için 9 mL su ilave edilir. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
- yukarı bakacak şekilde NP kaplı tarafı, filtre yuvasına geri filtre membran koyun. </ Li>
- Yük 5 Yeni enjektöre bir örnek ml ve daha sonra içinde Ag kaplı membran ile filtre yuvasına takın.
- El 1 damla / sn arasında bir akış hızında zar içinden numunenin tüm hacmi geçmektedir. Hedef moleküller, filtre zarı kaplanmış NP üzerine adsorbe edildi ve konsantre edilebilir.
- yaklaşık 3 dakika boyunca filtre tutucu, hava kuru filtre zarı ayırmak ve adım 2.6 açıklandığı gibi aynı yöntemi kullanarak Raman aleti kullanılarak sinyalleri ölçmek.
- 2.6 adımı tekrarlayın 2.2 başka Ag kaplı membran hazırlamak ve diğer numune tespiti için adım 3,3 takip etmek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu deneyde önemli adımlar şematik diyagram (Şekil 1) gösterilmiştir. 2 maksimize hassasiyeti ulaşmak için membran kaplama olarak AGNPS optimize hacmini kullanmak için önemini göstermiştir Şekil. ferbam kullanıldığında 0.5 ml (yetersiz kaplama) ya da 2 ml (çok fazla kaplama) ile karşılaştırıldığında, Ag NPS 1 ml güçlü sinyali sağlar.
Biz geliştirilen filtre tabanlı SERS deneyi ile büyük bir sinyal yoğunluğu ile 1 ppm (Şekil 1) 10 ppb seviyesinde ve ampisilin de ferbam tespit başardık. ferbam arasında SERS spektrumu 10 ppb tat karakteristik tepeler sergiler. 1386 cm tepe -1 karışık germe CN ve C = S titreşim ve simetrik CH 3 deformasyon değil. 1.516 cm-1 tepe CH3 veya CN ile germe ile ilişkilidir. 561 cm tepe
Şekil 4'te gösterildiği gibi örnek hacmini arttırmak, biz ayrıca tespit limitini artırabilir. Numune hacmi artan Biz zirve yoğunlukta bir artış gözlendi. hacim ayarlanabilir ve algılama sınırı da ayarlanabilir olduğu gibi bu filtre tabanlı yöntemin avantajı olduğunu.
ether.within-page = "1"> 
Şekil 1. Filtre SERS testinin şematik diyagramı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
5 mi, 100 ppb Şekil 2. SERS spektrumları Ag NPS farklı miktarda kaplanmış zarlardan geçen ferbam Yukarıdan aşağıya:. 1.0 mi NaCl ile 0.5 mi NaCl ile 0.5 mi Ag kolloid, 1.0 mi, Ag, 1.5, 1.5 mi, Ag ml NaCl, sırasıyla. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
91 / 53791fig3.jpg "/>
Ag NPS kaplı filtre zarı üzerinde ferbam ve ampisilin Şekil 3. SERS spektrumları Yukarıdan aşağıya:.% 50 asetonitril kontrolü, 10 ppb ferbam su kontrolü, 1 ppm Ampisilin, sırasıyla. Büyük halini görmek için tıklayınız bu figür.
Ag NPS kaplı filtre zarı üzerinde 100 ppb ferbam farklı hacimlerde Şekil 4. SERS spektrumları Yukarıdan aşağıya:. 3 ml ferbam, 5 ml ferbam, 7 ml ferbam, 9 ml ferbam, sırasıyla. Büyük halini görmek için tıklayınız bu rakamın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu protokol kritik adımlardan biri üniforma Ag NPS tutarlı sonuçlar için anahtar Ag NPS sentezi vardır. Isıtma süresi ve ön-maddeleri konsantrasyonları kesin olarak kontrol edilmelidir. Bu AGNPS hazırlanması ortalama büyüklüğü Zetasizer ile ölçülmüştür 80 nm, (veri gösterilmemiştir). Diğer önemli adım tuz konsantrasyonu ve toplama zamanı kesin olarak kontrol edilmelidir tuz toplanmasıdır. daha küçük bir gözenek boyutuna sahip membran tuzağı Ag nanoklastırlaar daha etkili bulunmuştur Buna ek olarak, membran seçimi de önemlidir. Bu çalışmada kullanılan özel membran için, ön yüz şırınga bağlamak için tutucu içerisine yerleştirilmesi gerekir, bir ön ve arka yan vardır. aşağı yerleştirilmişse, kaplama daha az etkili olmuştur. zarından geçerken kabarcıklar kaçınmak başarılı bir kaplamaya başka anahtarıdır.
Bu testin sorun giderme için, adımları izleyerektavsiye edilmektedir. hiç veya çok az bir sinyal tespit edilirse, aşağıdaki nedenler için kontrol edin. ana nedeni Ag NPS filtre membran gözenekleri içinde sıkışıp için yeterli toplanmaz olabilir. tuz konsantrasyonu ve / veya kuluçka süresi artan toplama artırabilir. Aksi takdirde, filtre membran arka yukarı bakacak kontrol edin ve hacim veya numune konsantrasyonu membran yüklü olduğu çok düşük değil. Ag NPS boyut dağılımı çok geniş olabilir veya NPS eşit muhtemelen NP ya da çok hızlı çok fazla toplama için, membran üzerine dağıtılmış değildir: hedef molekülün sinyal tutarlı değilse, aşağıdaki nedenleri kontrol zarından geçen.
, SERS substrat olarak 30-31 Ag dendritler kullanarak önceki verilerle karşılaştırıldığında bu filtre tabanlı SERS testinin duyarlılığı ferbam algılama çok daha yüksektir. Bu la akabilir filtre tabanlı sistemin avantajı, nedeniyleDaha fazla analit molekülleri SERS substrat üzerine konsantre edilir, böylece numunenin RGE miktarı. Resim santrifüj NP-analit kompleksinin toplanması için gerekli olduğu gibi, solüsyon bazlı yönteme göre filtre tabanlı sistemi kullanmanın bir diğer avantajı, işletme ve fieldable ölçüm kolaylığıdır. Bu yöntemin sınırlama karmaşık bileşenleri membran gözenekleri bloke edebilir gibi, örneğin doğrudan süt gibi karmaşık sıvı matrisler için kullanılamaz olduğunu. Tedavi öncesi membran geçirmeden önce müdahale bileşenleri kaldırmak için gereklidir.
Özet olarak, sıvı gıda matris ve çevresel numuneler kontaminant veya yabancı madde katılmasını tespiti için kullanılabilecek olan, basit ve hassas bir filtre tabanlı SERS deneyi göstermektedir. ayrıca tespit sınırını zorlamaya, böyle NP boyutları ve miktarı, tuz konsantrasyonu, örnek hacmi ve enstrüman parametreleri gibi parametrelerin optimizasyonu gereklidir.
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).
