Name: Ein Filter-basierten oberflächenverstärkter Raman-spektroskopische Assay zum schnellen Nachweis von chemischen Verunreinigungen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 13 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie ein filterbasiertes SERS-Verfahren zur schnellen Detektion chemischer Kontaminanten wie Pestizide und Antibiotika in Flüssigproben anwenden. Diese Methode bietet höhere Sensitivität und verkürzte Probenaufbereitungszeit.

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Dieses Material basiert auf einer Arbeit, die vom U.S. Department of Homeland Security unter der Fördernummer 2010-ST-061-FD0001 durch ein Stipendium des National Center for Food Protection and Defense an der Universität von Minnesota unterstützt wurde. Haftungsausschluss: Die in diesem Dokument enthaltenen Ansichten und Schlussfolgerungen sind die der Autoren und sollten nicht so interpretiert werden, dass sie notwendigerweise die offizielle Politik des US-Heimatschutzministeriums oder des National Center for Food Protection and Defense darstellen, weder ausdrücklich noch stillschweigend.

1. Silbernanopartikelsynthese 15 <ol><li> Man löst 18 mg Silbernitrat in 100 ml Reinstwasser (18.2 ΩU) und Vortex für 5 Sek. </li><li> Man löst 27 mg Natriumzitratdihydrat in 1 ml Wasser und Vortex für 5 Sek. </li><li> Übertragen Sie alle der hergestellten Silbernitratlösung zu einem Erlenmeyerkolben mit Rührstab und stellte die Flasche auf einem Magnet heißen Platte enthält. Wird der Kolben unter kräftigem Rühren mit einer Rührgeschwindigkeit von 700 Umdrehungen pro Minute bei ~ 350 ° C (Einstellung Temperatur auf der Platte). </li><li> Beim Kochen, fügen sofort alle der vorbereiteten Natriumcitratlösung zu den Erlenmeyerkolben gegeben und die Lösung verlassen für weitere 25 min zum Sieden, bis die Lösung grünlich braun wird, die die Bildung von Ag-Nanopartikeln zeigt. </li><li> Entfernen Sie den Kolben von der heißen Platte und legen Sie sie auf einem anderen Magnetplatte (nicht erhitzen) und rühren O / N in der gleichen Rührgeschwindigkeit bei RT, bis die Mischung erreicht einen stabilen Zustand, mit einer konstanten Farbe und Transparency. Verwenden Sie ein UV-VIS-Spektrometer der Absorption der hergestellten Silber-Nanopartikel, um festzustellen, wenn nötig. </li><li> Verdünne die Endmischung mit ultrareinem Wasser auf 100 ml. </li><li> Verwenden Sie einen Zetasizer die Größe der Silber-Nanopartikel zu messen, wenn notwendig, nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Übertragen Sie die Ag-Kolloid zu einem verschlossenen Behälter und schützen sie vor Licht mit Aluminiumfolie. Das Kolloid kann bei Bedarf für 2 Monate bei 4-7 ° C im Kühlschrank aufbewahrt werden. </li></ol> 2. Herstellung eines SERS Aktive Filter Membrane <ol><li> Man löst 2,92 g Natriumchlorid (NaCl) in 100 ml Wasser, um eine 50 mM NaCl-Lösung herzustellen. </li><li> 1 ml der 5 mM NaCl-Lösung in 1 ml der hergestellten Silber-Nanopartikel und mischen sie auf einem Taumelmischer für 10 Minuten bei 20 Umdrehungen pro Minute. Dieser Schritt ist die Silber-Nanopartikel in Ag-Nanocluster zu aggregieren. </li><li> Platzieren einer Filtermembran (PVDF, 0,1 um Porengrße) in einem Filterhalter, die an einer Spritze befestigt werden kann. Der kleinere Porengröße Membran war found wirksamer als die größere Porengröße Membran (dh 0,22 um) in Trapping Ag-Nanocluster und Erzeugen konsistenter Signale. </li><li> Last 2 ml der hergestellten Ag-Nanocluster in die Spritze für die Filtration. Bringen Sie den Filterhalter an der Spritze und manuell das gesamte Volumen von Ag-Nanocluster durch die Membran in einer Fließrate von 1 Tropfen / s übergeben. Die Membran Fallen Ag-Nanocluster, eine SERS-aktiven Filtermembran bilden. </li><li> Nehmen Sie die Filtermembran aus dem Filterhalter. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn die Membran am äußeren Rand, die eine Pinzette keine Beschädigung der Membran zu gewährleisten. Luft trocknen für ca. 3 min und Platz Membran auf einem Glasträger. </li><li> Raman Detektion des SERS-Substrat <ol><li> Stellen Sie die Raman Instrument zu einem 780 nm Wellenlängenlaser mit einer Laserleistung von 5 mW, Bestrahlungszeit von 1 sec und Belichtungszahl von 2. Stellen Sie die mikroskopische Objektiv zu 10X. Stellen Sie sicher, das Ziel auf der Software entsprechend zu gesetzt ist. &lt;/ Li&gt; <li> Setzen Sie den Glasobjektträger mit der Membran auf der Oberseite auf die Plattform des Raman-Instruments und verwenden das Mikroskop auf der Oberfläche der Membran zu konzentrieren. </li><li> Wähle zufällig 8-10 Flecken von der Membranoberfläche und das Instrument wird sie automatisch in Folge sammeln. Offene spektralen Daten im Hersteller-Software für die Analyse. </li></ol></li></ol> 3. Anwendung der Active Filter System SERS zum Nachweis chemischer Kontaminanten <ol><li> Bereiten Sie eine 10 ppb Ferbam Lösung. Achtung: Ferbam ist sehr volatil. Vorsichtsmaßnahmen (Atemschutzmaske und Schutzbrille), wenn die feste wiegen. <ol><li> Wiegen Sie 2 mg Ferbam Pulver und löst ihn in 20 ml 50% Acetonitril (10 ml Acetonitril und 10 ml Wasser), um eine Stammlösung (100 ppm) zu machen. Mischen Sie den Kolben für 30 Sekunden. </li><li> Nehmen Sie 1 ml der 100 ppm Ferbam Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril 10 ppm-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek. </li><li> Nehmen Sie 1 ml der10 ppm Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril eine 1 ppm-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek. </li><li> Nehmen Sie 1 ml der 1 ppm Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril eine 100-ppb-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek. </li><li> Nehmen Sie 1 ml der 100-ppb-Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril 10 ppb Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek. </li></ol></li><li> Bereiten Sie eine 1 ppm Ampicillin Lösung. <ol><li> Wiegen 10 mg Ampicillin Pulver und löst ihn in 100 ml Wasser auf 100 ppm Ampicillin-Lösung zu machen. Mischen Sie den Kolben für 30 Sekunden. </li><li> Nehmen Sie 1 ml der 100 ppm-Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml Wasser zu einer 10 ppm Ampicillin-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek. </li><li> Nehmen Sie 1 ml der 10-ppm-Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml Wasser zu einer 1 ppm Ampicillin-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek. </li></ol></li><li> Setzen Sie die Filtermembran zurück in den Filterhalter, mit dem NP beschichtete Seite nach oben zeigt. &lt;/ Li&gt; <li> Last 5 ml einer Probe in eine neue Spritze, und dann hängen Sie es an den Filterhalter mit einer Ag-beschichtete Membran im Inneren. </li><li> geben manuell das gesamte Volumen der Probe durch die Membran in einer Fließrate von 1 Tropfen / s. Zielmoleküle können auf den auf der Filtermembran beschichteten Nanopartikeln adsorbiert und konzentriert werden. </li><li> Trennen Filtermembran aus dem Filterhalter, der Luft trocknen lassen für etwa 3 min und Messen der Signale des Raman-Instrument unter Verwendung der gleichen Methode wie in Schritt 2.6 beschrieben. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 2,2 bis 2,6, um eine weitere Ag-beschichteten Membran vor, und ergeben sich aus Schritt 3.3 für den Nachweis der anderen Probe. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Einer der kritischen Schritte in diesem Protokoll ist das Silber-Nanopartikel-Synthese, wo gleichmäßige Silber-Nanopartikel der Schlüssel für konsistente Ergebnisse sind. Die Erwärmungszeit und die Konzentrationen von Vorstufen werden müssen präzise gesteuert. Die durchschnittliche Größe von 80 nm AGNPS Zubereitung ist, die durch die Zetasizer gemessen wurde (Daten nicht gezeigt). Ein weiterer kritischer Schritt ist das Salz Aggregation, wo die Salzkonzentration und Aggregationszeit müssen genau gesteuert werden. Darübe...

Oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) ist eine Technik, die Kombination von Raman-Spektroskopie mit Nanotechnologie. Die Intensität der Raman-Streuung von Analyten an Edelmetallnano Oberflächen wird durch die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz stark verbessert. 1 Silber-Nanopartikel (Ag NPs) sind bei weitem die am häufigsten verwendeten SERS Substrate aufgrund seiner hohen Verstärkung Fähigkeit. 2 Bisher wurden verschiedene Syntheseverfahren von Ag-NPs entwickelt. 3-6 Ag-Nanopartikeln allein so wirksam SERS Substrate verwendet werden können, oder mit anderen Materialien und Strukturen kombiniert, um die Empfindlichkeit und / oder Funktionalität zu verbessern. 7-11 SERS-Techniken haben große Kapazität für die Detektion verschiedener Spurenmengen von Kontaminanten in Lebensmitteln und Umweltproben zeigten 12 Traditionell gibt es zwei allgemeine Möglichkeiten zur Herstellung eines SERS Beispiel:.. Lösungs-und-Substrat-basierte Verfahren 13 Die Lösungs-method verwendet NP Kolloide mit Proben zu mischen. Dann wird das NP-Analyt-Komplexes unter Verwendung von Zentrifugation gesammelt und auf einem festen Träger für die Raman-Messung nach dem Trocknen aufgebracht. Das Substrat-basierten Verfahren wird in der Regel durch Aufbringen von mehreren Mikroliter einer flüssigen Probe auf die vorgefertigte feste Substrat aufgebracht. 14 sind jedoch keine dieser beiden Methoden effektiv und geeignet für eine große Menge an Probenvolumen. Mehrere Änderungen der SERS-Assays überwand die Volumengrenzen, wie die Integration eines Filtersystems 15-21 oder den Einbau einer Mikrofluidik-Vorrichtung. 21-24 Die modifizierten SERS-Assays große Verbesserung in der Empfindlichkeit und Machbarkeit gezeigt haben, für die chemische Verunreinigungen Überwachung in großen Wasserproben. Hier zeigen wir die detaillierte Protokoll der Herstellung und Anwendung einer Spritzenfilter basierend SERS Verfahren Spurenmenge an Pestizid Ferbam und Antibiotikum Ampicillin zu detektieren.

<table><tbody><tr><td>Ampicillin</td><td>Fisher Scientific</td><td>BP1760-5</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Ferbam</td><td>Chem Service</td><td>N-11970-250MG</td><td>98+%</td></tr><tr><td>Silbernitrat</td><td>Sigma Aldrich</td><td>209139</td><td>99,0+%</td></tr><tr><td>Natriumcitrat Dehydrierung</td><td>Sigma Aldrich</td><td>W302600</td><td>99+%</td></tr><tr><td>Natriumchlorid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S7653</td><td>99,5+%</td></tr><tr><td>EMD Millipore Durapore PVDF-Membranfilter</td><td>Fisher Scientific</td><td>VVLP01300</td><td>0,10 & Mikro; m Porengröße, hydrophile</td></tr><tr><td>Polycarbonat-Filterhalter</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-29550-40</td> Analoger Vortex-Mischer <td>mit 13 mm Durchmesser</td></tr><tr><td></td><td>Fisher Scientific</td><td>02-215-365</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Nutating Mixer</td><td>Fisher Scientific</td><td>05-450-213</td><td>N/A</td></tr><tr><td>DXR Raman-Spektroskop</td><td>Thermo Scientific</td><td>IQLAADGABFFAHCMAPB</td><td>Laserleistung: 1 mW Belichtungszeit: 5 sec</td></tr></tbody></table>

ein filter-basierten oberflächenverstärkter raman-spektroskopische assay zum schnellen nachweis von chemischen verunreinigungen

A Filter-based Surface Enhanced Raman Spectroscopic Assay for Rapid Detection of Chemical Contaminants

Wir demonstrieren eine Methode zur Herstellung hochempfindlicher oberflächenverstärkter Raman-spektroskopischer (SERS) Substrate unter Verwendung eines Filterspritzensystems, das zur Detektion verschiedener chemischer Verunreinigungen angewendet werden kann. Silbernanopartikel (Ag-NPs) werden durch Reduktion von Silbernitrat durch Natriumcitrat synthetisiert. Dann werden die NPs durch Natriumchlorid zu Nanoclustern aggregiert, die in den Poren der Filtermembran eingeschlossen werden könnten. An den Filterhalter wird eine Spritze angeschlossen, in der sich eine Filtermembran befindet. Durch das Laden der Nanocluster in die Spritze und das Passieren der Membran gelangt die Flüssigkeit durch die Membran, nicht aber durch die Nanocluster, und bildet eine SERS-aktive Membran. Bei der Untersuchung des Analyten wird die flüssige Probe in die Spritze geladen und durch die mit Ag NPs beschichtete Membran geleitet. Der Analyt bindet und konzentriert sich auf der mit Ag NP beschichteten Membran. Dann wird die Membran vom Filterhalter gelöst, an der Luft getrocknet und mit einem Raman-Instrument vermessen. Hier präsentieren wir die Untersuchung des Volumeneffekts von Ag-NPs und Probe auf die Nachweisempfindlichkeit sowie den Nachweis von 10 ppb Ferbam und 1 ppm Ampicillin unter Verwendung des entwickelten Assays.

Die wichtigsten Schritte dieses Versuches wurden in der schematischen Darstellung (Abbildung 1). Abbildung 2 demonstriert die Bedeutung der optimierten Volumen AGNPS in der Membranbeschichtung zu verwenden, um die Empfindlichkeit maximiert zu erreichen. 1 ml der Silber-Nanopartikel bietet das stärkste Signal, wenn Ferbam verwenden, im Vergleich zu 0,5 ml (unzureichende Beschichtung) oder 2 ml (zuviel Beschichtung). <p class="jove_content" fo:keep-tog...

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.

Ein Filter-basierten oberflächenverstärkter Raman-spektroskopische Assay zum schnellen Nachweis von chemischen Verunreinigungen

We demonstrate a method to fabricate highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopic (SERS) substrates using a filter syringe system that can be ...

Das übergeordnete Ziel dieser filterbasierten, oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopiemethode besteht darin, verschiedene Zielmoleküle in flüssigen Proben auf Spurenebene nachzuweisen. Zwei Vorteile dieser Technik sind die geringeren Kosten und die verkürzte Probenvorbereitungszeit; noch wichtiger ist, dass die Technik durch die Verwendung größerer Probenvolumina eine höhere Empfindlichkeit bietet und dadurch die Nachweisgrenze senkt. Im Allgemeinen haben Anfänger Schwierigkeiten mit dieser Methode, da die Nanopartikel ohne einen geeigneten Aggregationsschritt möglicherweise nicht in den Poren der Membran festgehalten werden oder ungleichmäßig auf der Membran verteilt sind. Zunächst bereiten Sie 100 Milliliter frische Silbernitratlösung vor und erhitzen diese unter magnetischem Rühren mit 700 U/min auf einem 350 Grad Celsius heißen Heizblock zum Sieden.Wenn die Lösung kocht, sofort einen Milliliter frisch zubereitete Natriumcitrat-Lösung hinzufügen und die Lösung 25 Minuten lang kochen lassen. Während sich die Silber-Nanopartikel bilden, verfärbt sich die Lösung grünlich-braun. Nach 25 Minuten das Kolben auf eine nicht beheizte Rührplatte stellen und über Nacht bei 700 U/min rühren lassen.Am Morgen sollte die Mischung einen stabilen Zustand erreichen, gekennzeichnet durch eine konstante Farbe und Transparenz. Falls gewünscht, messen Sie die Absorption der Nano-Partikel. Fahren Sie fort, indem Sie die Mischung mit ultrareinem Wasser auf 100 Milliliter verdünnen.Verwenden Sie anschließend einen Zetasizer, um die Größe der Silber-Nanopartikel zu messen. Zum Aufbewahren füllen Sie die Silber-Nanopartikel in einen verschlossenen Behälter um. Schützen Sie diesen vor Licht, indem Sie ihn mit einer Folie umwickeln.Das Kolloid bleibt bis zu zwei Monate lang bei vier Grad Celsius stabil. Um eine SERS-aktive Filtermembran herzustellen, geben Sie zunächst ein Milliliter fünfmillimolares Natriumchlorid zu einem Milliliter des hergestellten Kolloids hinzu und mischen Sie beides zehn Minuten lang mit einem Nutaschüttler bei 20 U/min.Während sich die silbernen Nanocluster bilden, bereiten Sie eine PVDF-Membran mit 0,1-Mikrometer-Poren vor. Es ist entscheidend, dass der Filterhalter vollständig trocken ist und der Filter in der richtigen Orientierung eingesetzt wird. Nach 10 Minuten Mischen filtrieren Sie die zwei Milliliter Nanocluster, indem Sie sie mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Tropfen pro Sekunde durch die Membran drücken.Drücken Sie die Lösung kontinuierlich ohne Unterbrechungen durch. Das Ergebnis ist eine SERS-aktive Filtermembran. Lösen Sie die aktive Filtermembran vorsichtig mit einer Pinzette ab. Anschließend lassen Sie sie drei Minuten lang an der Luft trocknen.Nach dem Trocknen die SERS-aktive Membran auf einen Objektträger übertragen. Stellen Sie nun für die Raman-Detektion des SERS-Substrats das Instrument auf einen 780 Nanometer-Laser ein, der mit fünf Milliwatt arbeitet. Stellen Sie die Belichtungszeit auf eine Sekunde und die Belichtungsintensität auf zwei ein.Verwenden Sie ein 10×-Objektiv, um das Probenmaterial scharfzustellen. Stellen Sie sicher, dass die Software ebenfalls auf ein 10×-Objektiv eingestellt ist. Wählen Sie nun zufällig acht bis zehn Stellen auf der Membran aus und sammeln Sie mithilfe des Geräts Daten von diesen Stellen.Öffnen Sie anschließend die Spektraldaten in der Software des Herstellers zur Analyse. Beginnen Sie damit, eine serielle Verdünnung einer 100 Parts per Million starken Ferbam-Lösung durchzuführen, um fünf Milliliter einer 10 Parts per Billion starken Ferbam-Lösung und 50 % Acetonitril zu erhalten. Platzieren Sie nun die aktive Membran in einen Filterhalter, wobei die Nanopartikel-Beschichtung nach oben zeigen soll.Danach die fünf Milliliter Probe in eine neue Spritze füllen und den aktiven Filter anschließen. Nun die Probe mit einem kontinuierlichen Fluss von etwa einem Tropfen pro Sekunde durch den Filter drücken. Sobald die Lösung filtriert ist, die Membran vorsichtig ablösen und sie drei Minuten lang an der Luft trocknen lassen.Führen Sie unverzüglich die Raman-Detektion durch, sobald die Membran trocken ist. Führen Sie die Datensammlung wie zuvor durch. Verschiedene Volumina von Silber-Nanopartikeln wurden mit dieser Methode getestet.Das Volumen der Silber-Nanopartikellösung, das zum Beschichten der Membran verwendet wurde und die maximale Empfindlichkeit ergab, betrug ein Milliliter. Die Messung der Raman-Verschiebung zeigt, dass das SERS-Spektrum von 10 Teilen pro Milliarde Ferbam nachweisbar war. Der Peak bei 1386 resultiert aus der gemischten Schwingung der Dehnung der Cyanid- und Kohlenstoff-Schwefel-Doppelbindung sowie aus der symmetrischen Deformation der Methylgruppe.Das Signal bei 1516 wird mit der Dehnung der Methylgruppe und der Cyanidgruppe assoziiert, und das Signal bei 561 entsteht durch die Dehnung der Schwefelbindung. Ein Spektrum von einer Teil pro Million Ampicillin wurde ebenfalls eindeutig nachgewiesen. Die Signale bei 1594 und 1447 stammen von der Dehnung der Kohlenstoff-Doppelbindung bzw. von der Deformation der Methylgruppe in der Ethylgruppe.Das starke Signal bei 1001 stammt aus der Schwingung des Benzolrings. Das Signal bei 852 ist mit der symmetrischen CNC-Streckung assoziiert. Durch die Erhöhung des Probenvolumens stieg die Nachweisgrenze an. Die Vorteile dieser filterbasierten Methode umfassen ein einstellbares Volumen und eine einstellbare Nachweisgrenze. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein gleichmäßiges, empfindliches Nanosubstrat unter Verwendung einer Filtermembran herstellt. Sobald diese Technik beherrscht ist, kann sie bei korrekter Durchführung innerhalb von 30 Minuten durchgeführt werden; nach dieser Prozedur können weitere Methoden wie REM oder TEM angewendet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, beispielsweise zur Verteilung von Silber-Nanopartikeln auf der Membran. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik Analytikern im Bereich der analytischen Chemie den Weg, Spuren von chemischen Zielsubstanzen in verschiedenen Lebensmittel- und Umweltproben zu untersuchen. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit Pestiziden und biologischen Toxinen äußerst gefährlich sein kann.Während der Durchführung dieses Verfahrens sollten stets ein Laborkittel, ein Atemschutzgerät und Schutzbrille getragen werden.

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Research

Forschung

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Chemistry

Chemie

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