Ein Filter-basierten oberflächenverstärkter Raman-spektroskopische Assay zum schnellen Nachweis von chemischen Verunreinigungen
19. Februar 2016
Ein Verfahren zur Herstellung und Durchführung der filterbasierten oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) Assay zum Nachweis von chemischen Verunreinigungen (dh Pestizid Ferbam und Antibiotikum Ampicillin) dargestellt.
Das übergeordnete Ziel dieser filterbasierten Methode der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie ist es, verschiedene Zielmoleküle im Spurenbereich in flüssigen Proben zu detektieren. Zwei Vorteile dieser Technik sind die reduzierten Kosten für die Probenvorbereitungszeit, noch wichtiger ist, dass diese Technik eine höhere Empfindlichkeit bietet, indem größere Probenvolumina verwendet werden, wodurch die Nachweisgrenze gesenkt wird. Generally, individuals new to this method will struggle because nano-particles may not be trapped in the pores of the membranewithout a proper aggregation step or they may not be uniformly distributed on the membraneTo begin, prepare 100 milliliters of fresh silver nitrate solution and heat it to boiling on a 350 degree Celsius hotplate with magnetic stirring at 700 RPM.
Nach dem Kochen sofort einen Milliliter frisch zubereitete Natriumcitratlösung hinzufügen und die Lösung 25 Minuten kochen lassen. Wenn sich die Silbernanopartikel bilden, wird die Lösung grünlich-braun. Nach 25 Minuten den Kolben auf eine unbeheizte Rührplatte stellen und über Nacht bei 700 U/min rühren lassen.
Am Morgen sollte sich die Mischung in einem stabilen Zustand mit einer konstanten Farbe und Transparenz befinden. Falls gewünscht, messen Sie die Absorption der Nanopartikel. Fahren Sie fort, indem Sie die Mischung mit Reinstwasser auf 100 Milliliter verdünnen.
Verwenden Sie dann einen Zetasizer, um die Größe der Silbernanopartikel zu messen. Zur Lagerung die Silber-Nanopartikel in einen verschlossenen Behälter umfüllen. Schützen Sie es vor Licht durch eine Folienfolie.
Das Kolloid bleibt bei vier Grad Celsius bis zu zwei Monate gut. To make a SERS active filter membranefirst add one milliliter of five millimolar sodium chloride to one milliliter of prepared colloid. Und mischen Sie sie mit einem Nährstoffator bei 20 U/min für 10 Minuten.
As the silver nano-clusters form, prepare a PVDF membranewith a zero point one micron pores. Es ist wichtig, dass der Filterhalter vollständig trocken ist und sich in der richtigen Ausrichtung befindet. After 10 minutes of mixing, filter the two milliliters of nano-clusters by pushing them through the membraneat a rate of about one drop per second.
Schieben Sie die Lösung kontinuierlich ohne Pausen durch. The result is a SERS active filter membraneCarefully detach the active filter membraneusing tweezers. Stellen Sie es dann drei Minuten lang an der Luft trocknen.
Once dry transfer the SERS active membraneto a glass slide. Für die Raman-Detektion des SERS-Substrats stellen Sie das Instrument nun auf einen 780-Nanometer-Laser ein, der mit fünf Milliwatt arbeitet. Stellen Sie die Belichtungszeit auf eine Sekunde und die Belichtungsstärke auf zwei Sekunden ein.
Konzentrieren Sie sich mit einer 10-fachen Subjektivität auf die Stichprobe. Stellen Sie sicher, dass die Software auch auf 10 X subjektiv eingestellt ist. Now, randomly select eight to 10 spots on the membraneand use the instrument to collect data from them.
Öffnen Sie dann die Spektraldaten in der Software des Herstellers zur Analyse. Machen Sie zu Beginn eine serielle Verdünnung von 100 Teilen pro Million Ferbam-Lösung, um fünf Milliliter 10 Teile pro Milliarde Ferbam-Lösung und 50% Azitr-Nitril zu erhalten. Now, position the active membraneinto a filter holder with the nano-particle coating facing up.
Laden Sie dann die Fünf-Milliliter-Probe in eine neue Spritze und setzen Sie den Aktivfilter auf. Schieben Sie nun die Probe mit einem kontinuierlichen Fluss von etwa einem Tropfen pro Sekunde durch den Filter. Once the solution is filtered, carefully detach the membraneand allow it to air dry for three minutes.
Immediately proceed with Raman detection once the membraneis dry. Führen Sie die Datenerfassung wie zuvor durch. Mit dieser Methode wurden verschiedene Volumina von Silber-Nanopartikeln getestet.
The volume of silver nano-particles solution used to coat the membranethat provided the maximized sensitivity was one milliliter. Die Messung der Raman-Verschiebung zeigt, dass das SERS-Spektrum von 10 Teilen pro Milliarde Ferbam nachweisbar war. Der Peak bei 1386 ist auf die gemischte Schwingung der Doppelbindungsdehnung von Cyanid und Schwefelkohlenstoff und auf die symmetrische Verformung der Methylgruppe zurückzuführen.
Der Peak bei 1516 ist mit der Dehnung der Methylgruppe und des Cyanids assoziiert und der Peak bei 561 wird durch die Dehnung der Schwefelbindung erzeugt. Auch ein Spektrum von einem Teil pro Million Ampicillin wurde eindeutig nachgewiesen. Die Peaks wie 1594 und 1447 sind auf die Dehnung der Kohlenstoff-Doppelbindung bzw. die Verformung der Methylinethylgruppe zurückzuführen.
Der starke Peak bei 1001 stammt von der Benzin-Ring-Schwingung. Der Peak bei 852 ist mit symmetrischem CNC-Strecken verbunden. Durch die Erhöhung des Probenvolumens erhöhte sich die Nachweisgrenze.
Zu den Vorteilen dieser filterbasierten Methode gehören ein einstellbares Volumen und eine einstellbare Nachweisgrenze. After watching this video you should have a good understanding of how to fabricate a uniform sensitive nanosubstrate using a filter membraneOnce mastered this technique can be done in 30 minutes if it is performed properly, following this procedure other methods like SEM or TEM can be performed in order to answer additional questions like the distribution of silver nano-particles on the membraneAfter its development, Diese Technik ebnete den Weg für Asserter auf dem Gebiet der analytischen Chemie, um chemische Spurenziele in verschiedenen Lebensmittel- und Umweltproben zu untersuchen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Pestiziden und biologischen Giftstoffen äußerst gefährlich sein kann.
Bei diesem Eingriff sollten immer ein Laborkittel, eine Atemschutzmaske und eine Schutzbrille getragen werden.
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Übersicht
Dieser Artikel stellt ein Verfahren zur Herstellung und Durchführung eines auf Filtern basierenden Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)-Assays zur Detektion chemischer Kontaminanten, insbesondere des Pestizids Ferbam und des Antibiotikums Ampicillin, vor. Die Methode erhöht die Empfindlichkeit und verkürzt die Probenvorbereitungszeit.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Analytische Chemie
- Umweltwissenschaften
- Biotechnologie
Hintergrund
- Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) ist eine leistungsstarke Technik zum Nachweis von Spurenmengen an Molekülen.
- Herkömmliche Methoden erfordern möglicherweise umfangreiche Probenvorbereitungen und erreichen gegebenenfalls nicht die gewünschte Empfindlichkeit.
- Diese Methode nutzt Silber-Nanopartikel zur Verstärkung des Raman-Signals.
- Eine geeignete Aggregation und Verteilung der Nanopartikel ist entscheidend für eine erfolgreiche Anwendung.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer kosteneffektiven Methode zum Nachweis chemischer Kontaminanten.
- Verbesserung der Empfindlichkeit beim Nachweis von Zielmolekülen in flüssigen Proben.
- Bereitstellung eines zuverlässigen Protokolls für Forscher, die neu in SERS-Techniken sind.
Verwendete Methoden
- Herstellung einer Silbernitratlösung und von Natriumcitrat für die Nanopartikelsynthese.
- Erhitzen und Rühren der Lösung zur Bildung von Silbernanopartikeln.
- Anwendung eines Filter-basierten Ansatzes zur Verbesserung des SERS-Nachweises.
- Testen der Methode an spezifischen Kontaminanten wie Ferbam und Ampicillin.
Hauptergebnisse
- Die Methode weist niedrige Konzentrationen chemischer Kontaminanten erfolgreich nach.
- Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wurde eine höhere Empfindlichkeit erreicht.
- Es wurde eine verkürzte Probenvorbereitungszeit festgestellt.
- Herausforderungen bezüglich der Aggregation und Verteilung von Nanopartikeln wurden bewältigt.
Schlussfolgerungen
- Der filterbasierte SERS-Assay ist ein aussichtsreiches Werkzeug für die Umweltüberwachung.
- Zukünftige Anwendungen könnten sich auf verschiedene Bereiche erstrecken, die eine Spurenerkennung erfordern.
- Weitere Optimierungen könnten die Wirksamkeit der Methode verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Ein schneller und empfindlicher Nachweis chemischer Kontaminanten ist entscheidend für die Risikobewertung in frühen Stadien und die Qualitätskontrolle in der biopharmazeutischen und biotechnologischen Forschung und Entwicklung. Der filterbasierte SERS-Assay ermöglicht die quantifizierbare Bestimmung von Analyten auf Spurenlevel in flüssigen Matrizen und unterstützt so eine vorausschauende Risikobewertung sowie die Aufklärung von Wirkmechanismen an entscheidenden Wendepunkten der Entdeckung. Diese Fähigkeit verbessert die Auswahl von Wirkstoffkandidaten und beschleunigt Entscheidungen über deren Weiterentwicklung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Überprüfung von Hypothesen zu chemischen Expositionen durch die Detektion von Spurenkontaminanten.
- Ermöglicht die funktionelle Validierung analytischer Zielstrukturen durch die Quantifizierung von Molekülen mit geringer Häufigkeit.
- Unterstützt die mechanistische Risikominderung, indem empfindliche und reproduzierbare Messgrößen für die Zielinteraktion bereitgestellt werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte SERS-aktive Substrate für nachgeschaltete Kontaminantenscreening-Workflows vor.
- Liefert standardisierte, quantitative Raman-Signale für die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit von Assays.
- Ermöglicht ein skalierbares, schnelles Screening verschiedener chemischer Analyten in flüssigen Proben.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht die Detektion von Spurenkontaminanten, die für Sicherheits- und Wirksamkeitsstudien relevant sind, und ist damit auf Translationsstrategien für Biomarker abgestimmt.
- Unterstützt die Kontinuität von der analytischen Entdeckung bis zur präklinischen Validierung durch robuste und empfindliche Nachweisplattformen.
- Bietet eine prädiktive Risikominimierung hinsichtlich umwelt- und formulierungsbedingter Risiken.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieser filterbasierte SERS-Assay integriert sich in den analytischen Entdeckungs- bis präklinischen Kontinuum und ermöglicht die frühe Erkennung und Quantifizierung chemischer Kontaminanten, die die Kandidatenauswahl oder die Formulierungsentwicklung beeinflussen könnten.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und Klärung von Wegen durch die Detektion von Spurenanalysen.
- Screening: Stellt assaysfertige, reproduzierbare SERS-Substrate für die hochsensible Kontaminantenscreening bereit.
- Analytik: Liefert quantitative Raman-Spektraldaten für eine robuste Vergleichbarkeit über verschiedene experimentelle Bedingungen hinweg.
- Translationale Forschung: Erleichtert die Abstimmung mit Biomarker- und Sicherheitsbewertungsstrategien, wenn Spurenkontaminanten relevant sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine wiederverwendbare analytische Plattform, die an verschiedene chemische Zielstrukturen und Probenarten angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei der Kontaminantendetektion.
- Operationaler Wert: Standardisiert die Probenpräparation und Messung und verbessert dadurch die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit.
- Strategischer Wert: Ermöglicht schnellere Go/No-Go-Entscheidungen und reduziert das Risiko in späteren Phasen durch unentdeckte Kontaminanten.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Kandidaten mit geringeren analytischen Risiken.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Synthese von Nanopartikeln und der Herstellung von SERS-Substraten.
- Benötigt Zugang zu Raman-Spektroskopie-Geräten und analytischer Software.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise bei der Probenpräparation und Messprotokollen über mehrere Arbeitsgruppen hinweg.
- Anpassbar an verschiedene flüssige Probenmatrizes unter Berücksichtigung der Aggregation von Nanopartikeln und der Kompatibilität mit Membranen.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören die gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel und die Handhabung der Membranen, wie im Protokoll beschrieben.
