Article de méthode

Une surface à base de filtre-Enhanced Raman spectroscopique test pour la détection rapide des contaminants chimiques

DOI :

10.3791/53791

⸱

19 février 2016

 ,  , 
1Department of Food Science, University of Massachusetts Amherst

Dans cet article

Résumé

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Un procédé pour la fabrication et la réalisation de la surface de filtrage du type spectroscopique Raman améliorée (SERS) essai pour la détection de contaminants chimiques (par exemple, un pesticide et ferbame antibiotique ampicilline) est présentée.

Résumé

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Nous démontrons une méthode pour fabriquer des substrats spectroscopiques Raman améliorés en surface (SERS) hautement sensibles à l’aide d’un système de seringue filtrante qui peut être appliqué à la détection de divers contaminants chimiques. Les nanoparticules d’argent (NP Ag) sont synthétisées par réduction du nitrate d’argent par le citrate de sodium. Ensuite, les NP sont agrégés par du chlorure de sodium pour former des nanoclusters qui pourraient être piégés dans les pores de la membrane filtrante. Une seringue est reliée au porte-filtre, avec une membrane filtrante à l’intérieur. En chargeant les nanoclusters dans la seringue et en passant à travers la membrane, le liquide traverse la membrane mais pas les nanoclusters, formant une membrane active SERS. Lors de l’analyse de l’analyte, l’échantillon liquide est chargé dans la seringue et acheminé à travers la membrane enrobée de NP Ag. L’analyte se lie et se concentre sur la membrane enrobée de NPs Ag. Ensuite, la membrane est détachée du porte-filtre, séchée à l’air et mesurée par un instrument Raman. Nous présentons ici l’étude de l’effet volumique des NPs d’Ag et de l’échantillon sur la sensibilité de détection ainsi que la détection de 10 ppb de ferbam et de 1 ppm d’ampicilline à l’aide du test développé.

Introduction

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Surface spectroscopie Raman améliorée (SERS) est une technique combinant la spectroscopie Raman avec la nanotechnologie. L'intensité de la diffusion Raman des analytes à nano-surfaces métalliques nobles est grandement améliorée par la résonance plasmonique de surface localisée. 1 nanoparticules d'argent (Ag IP) sont de loin les SERS plus largement utilisés substrats en raison de sa capacité d'amélioration de haute 2. Jusqu'à présent, , diverses méthodes de synthèse de Ag IP ont été développés. 3-6 Ag IP peut être utilisé seul en tant que substrats SERS efficaces, ou combinés avec d'autres matériaux et des structures pour améliorer sa sensibilité et / ou la fonctionnalité. 7-11

Techniques de SERS ont démontré une grande capacité de détection de divers contaminants de l'état de traces dans les échantillons alimentaires et environnementaux 12 Traditionnellement, il y a deux façons communes pour la préparation d'un échantillon de SERS:.. Et les méthodes à base de substrat à base de solution 13 La métho à base de solutiond utilise colloïdes NP se mélanger avec les échantillons. Ensuite, le complexe analyte-NP est recueilli par centrifugation, et déposé sur un support solide pour la mesure Raman après séchage. La méthode à base de substrat est généralement appliqué en déposant plusieurs microlitres d'échantillon liquide sur le substrat solide préfabriqué. 14 Cependant, aucun de ces deux méthodes sont efficaces et applicables pour une grande quantité de volume d'échantillon. Plusieurs modifications des tests de SERS surmonté les limites de volume, tels que l'intégration d'un système de filtre 15-21 ou l'incorporation d'un dispositif microfluidique. 21-24 Les tests de SERS modifiés ont montré une grande amélioration de la sensibilité et de la faisabilité de la surveillance des contaminants chimiques dans les grands échantillons d'eau.

Ici, nous démontrons le protocole détaillé de la fabrication et de l'application d'une méthode de SERS base filtre à seringue pour détecter des traces de pesticides ferbame et antibiotique ampicilline.

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Protocole

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1. Argent nanoparticules de synthèse 15

  1. Dissoudre 18 mg de nitrate d'argent dans 100 ml d'eau ultra-pure (18,2 ΩU) et vortex pendant 5 sec.
  2. Dissoudre 27 mg de citrate de sodium dihydraté dans de l'eau de 1 ml et vortex pendant 5 sec.
  3. Transférer la totalité de la solution de nitrate d'argent préparé dans une fiole conique contenant une barre d'agitation et de mettre le ballon sur une plaque chauffante magnétique. Chauffer le ballon sous agitation vigoureuse avec une vitesse d'agitation de 700 tours par minute à ~ 350 ° C (réglage de la température sur la plaque).
  4. Lorsque l'ébullition, ajouter la totalité de la solution préparée de citrate de sodium à la fiole conique immédiatement, et de laisser la solution à ébullition pour un 25 minutes supplémentaires jusqu'à ce que la solution vire au brun verdâtre, ce qui indique la formation d'Ag IP.
  5. Enlever le ballon de la plaque chauffante et le mettre sur une autre plaque magnétique (ne pas chauffer) et remuer O / N à la même vitesse d'agitation à température ambiante jusqu'à ce que le mélange atteigne un état stable, avec une couleur et tran constantesparency. Utiliser un spectromètre UV-visible pour déterminer l'absorbance des IP Ag préparés si nécessaire.
  6. Diluer le mélange final avec de l'eau ultra pure à 100 ml.
  7. Utilisez un Zetasizer pour mesurer la taille des IP Ag si nécessaire selon le protocole du fabricant.
  8. Transférer le colloïde Ag dans un récipient étanche et protéger de la lumière d'une feuille d'aluminium. Le colloïde peut être stocké dans un réfrigérateur à 4-7 ° C pendant 2 mois, si nécessaire.

2. Fabrication d'un filtre actif Membrane SERS

  1. Dissoudre 2,92 g de chlorure de sodium (NaCl) dans 100 ml d'eau pour obtenir une solution de NaCl 50 mM.
  2. Ajouter 1 ml de la solution NaCl 5 mM dans 1 ml de PN Ag préparés et les mélanger dans un mélangeur oscillant pendant 10 minutes à 20 tours par minute. Cette étape consiste à agréger les IP Ag dans nanograppes AG.
  3. Placer une membrane filtrante (PVDF, 0,1 um de taille des pores) dans un porte-filtre, qui peut être fixé à une seringue. La membrane ayant une taille de pores inférieure était found plus efficace que la membrane de plus grande taille de pores (par exemple, 0,22 um) dans piégeage nanoclusters Ag et produire des signaux cohérents.
  4. 2 ml charge des nanoclusters Ag préparés dans la seringue pour la filtration. Fixez le porte-filtre sur la seringue et de passer manuellement la totalité du volume de nanograppes Ag à travers la membrane à raison de 1 goutte / s de débit. Les pièges à membrane nanoclusters Ag, formant une membrane filtrante SERS-active.
  5. Détacher la membrane du filtre du porte-filtre. Une attention particulière est nécessaire lors de la tenue de la membrane sur le bord extérieur à l'aide d'une paire de pinces pour ne pas endommager la membrane. Sécher à l'air pendant environ 3 min membrane et le placer sur une lame de verre.
  6. détection Raman du substrat SERS
    1. Réglez l'instrument Raman à un laser de longueur d'onde de 780 nm avec une puissance laser de 5 mW, temps d'exposition de 1 sec et l'exposition nombre de 2. Définissez l'objectif microscopique 10X. Assurez-vous que l'objectif du logiciel est réglé en conséquence aussi.
    2. Placer la lame de verre avec la membrane sur le dessus de la plate-forme de l'instrument Raman et en utilisant le microscope à se concentrer sur la surface de la membrane.
    3. choisir au hasard 8-10 points de la surface de la membrane et l'instrument va les collecter automatiquement dans l'ordre. données spectrales ouverts dans le logiciel du fabricant pour l'analyse.

3. Application du système SERS de filtre actif pour détecter les contaminants chimiques

  1. Préparer une solution de ferbame 10 ppb.
    Attention: Ferbam est très volatil. Les précautions à prendre (respirateurs et lunettes) lors de la pesée du solide.
    1. Peser 2 mg ferbame poudre et le dissoudre dans 20 ml de 50% d'acétonitrile (10 ml d'acétonitrile et 10 ml d'eau) pour obtenir une solution de stock (100 ppm). Vortexer le flacon pendant 30 secondes.
    2. Prélever 1 ml de la solution de ferbame 100 ppm dans un tube à essai et 9 ml 50% d'acétonitrile pour obtenir une solution de 10 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
    3. Prélever 1 ml de la10 ppm de la solution dans un tube à essai et 9 ml 50% d'acétonitrile pour obtenir une solution à 1 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
    4. Prélever 1 ml de la solution à 1 ppm dans un tube à essai et ajoute 9 ml de 50% d'acétonitrile pour former une solution de 100 ppb. Vortex le tube pendant 5 sec.
    5. Prélever 1 ml de la solution de 100 ppb dans un tube à essai et 9 ml 50% d'acétonitrile pour obtenir une solution de 10 ppb. Vortex le tube pendant 5 sec.
  2. Préparer une solution d'ampicilline à 1 ppm.
    1. Peser 10 mg ampicilline poudre et le dissoudre dans 100 ml d'eau pour obtenir une solution à l'ampicilline de 100 ppm. Vortexer le flacon pendant 30 secondes.
    2. Prélever 1 ml de la solution à 100 ppm dans un tube à essai et 9 ml d'eau pour obtenir une solution d'ampicilline à 10 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
    3. Prélever 1 ml de la solution à 10 ppm dans un tube à essai et 9 ml d'eau pour obtenir une solution d'ampicilline à 1 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
  3. Mettez la membrane du filtre dans le porte-filtre, avec le côté NP enduit vers le haut.
  4. Charge 5 ml d'un échantillon dans une nouvelle seringue, puis le fixer à la porte-filtre avec une membrane revêtue Ag intérieur.
  5. passer manuellement l'ensemble du volume de l'échantillon à travers la membrane à raison de 1 goutte / s de débit. Les molécules cibles peuvent être adsorbés et concentrés sur les PN appliquées sur la membrane filtrante.
  6. Détachez membrane filtrante du porte-filtre, l'air sec pendant environ 3 min et mesurer les signaux en utilisant l'instrument Raman en utilisant la même méthode que celle décrite dans l'étape 2.6.
  7. Répéter l'étape de 2,2 à 2,6 pour préparer une membrane revêtue de Ag, et le suivi de l'étape 3.3 pour la détection de l'autre échantillon.

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Résultats

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Les principales étapes de cette expérience sont montrés dans le schéma (Figure 1). La figure 2 montré l'importance d'utiliser le volume optimisé de AGNPS dans le revêtement de membrane en vue d'atteindre la sensibilité maximisée. 1 ml d'Ag IP fournit le signal le plus fort lors de l'utilisation ferbame, par rapport à 0,5 ml de revêtement (insuffisante) ou 2 ml (trop de revêtement).

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Discussion

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L'une des étapes importantes de ce protocole est la synthèse Ag IP, où uniformes IP Ag sont la clé pour des résultats cohérents. Le temps de chauffage et la concentration des précurseurs doivent être contrôlés avec précision. La taille moyenne de cette préparation est AGNPS 80 nm, qui est mesuré par le Zetasizer (données non présentées). Une autre étape essentielle est l'agrégation de sel, dans lequel la concentration en sel et le temps d'agrégation doit être contrôlée avec précision. En outre, le choix de l...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le Département de la sécurité intérieure des États-Unis sous le numéro de subvention 2010-ST-061-FD0001 par le biais d’une subvention accordée par le National Center for Food Protection and Defense de l’Université du Minnesota. Avis de non-responsabilité : Les points de vue et les conclusions contenus dans ce document sont ceux des auteurs et ne doivent pas être interprétés comme représentant nécessairement les politiques officielles, expresses ou implicites, du Département de la sécurité intérieure des États-Unis ou du Centre national de protection et de défense des aliments.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AmpicillineFisher ScientificBP1760-5N/A
FerbamChem ServiceN-11970-250MG98+ %Nitrate
d’argent Sigma Aldrich20913999.0+ %Citrate
sodium déshydratéSigma AldrichW30260099+ %
Chlorurede sodium Sigma AldrichS765399.5+ %
EMD Millipore Filtres à membrane PVDF DuraporeFisher ScientificVVLP013000.10 µ ; m Taille des pores, hydrophile
Porte-filtres en polycarbonateCole-ParmerEW-29550-40de 13 mm de diamètre
Fisher Scientific02-215-365N/A
Mélangeurs à nutationFisher Scientific05-450-213N/A
DXR Spectroscope RamanThermo ScientificIQLAADGABFFAHCMAPBPuissance laser : 1 mW
Temps d’exposition : 5 sec
de Mélangeur à vortex analogique

Références

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Mots-clés

Spectroscopie Raman exalt e de surfaceSynth se de nanoparticules d argentEssai sur membrane filtranteD tection de contaminants chimiquesAgr gation de nanoparticulesFabrication de substrats SERSAnalyse par spectroscopie RamanD tection l tat de tracesOptimisation de l effet de volumeD tection du Ferbam et de l ampicilline

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