מאמר שיטה

משטח מסנן מבוססי משופר ראמאן Assay ספקטרוסקופיות עבור איתור מהיר של מזהמים כימיים

DOI:

10.3791/53791

⸱

19 בפברואר 2016

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

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הליך עבור ייצור וביצוע פני השטח מבוסס-מסנן משופרת ראמאן ספקטרוסקופיות (SERS) assay לצורך זיהוי של מזהמים כימיים (כלומר, הדברה ferbam ו אמפיצילין אנטיביוטי) מוצג.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מדגימים שיטה לייצור מצעי Raman ספקטרוסקופיים רגישים במיוחד (SERS) באמצעות מערכת מזרקים מסננים הניתנת ליישום לזיהוי מזהמים כימיים שונים. ננו-חלקיקי כסף (Ag NPs) מסונתזים באמצעות הפחתת חנקת הכסף על ידי נתרן ציטראט. לאחר מכן ה-NPs מצטברים על ידי נתרן כלורי ליצירת ננו-אשכולות שיכולים להילכד בנקבוביות של קרום המסנן. מזרק מחובר למחזיק המסנן, ובתוכו קרום פילטר. על ידי העמסת הננו-אשכולות לתוך המזרק ומעבר דרך הממברנה, הנוזל עובר דרך הממברנה אך לא דרך הננו-אשכולות, ויוצר ממברנה פעילה ב-SERS. בעת בדיקת האנליט, דגימת הנוזל נטענת לתוך המזרק וזורמת דרך הממברנה המצופה Ag NPs. האנליט נקשר ומתרכז על הממברנה המצופה Ag NPs. ואז הממברנה מנותקת ממחזיק המסנן, מיובשת באוויר ונמדדת על ידי מכשיר ראמאן. כאן אנו מציגים את מחקר השפעת הנפח של Ag NPs והדגימה על רגישות הגילוי, כמו גם את הזיהוי של 10 ppb ferbam ו-1 ppm ampicillin באמצעות הבדיקה שפותחה.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ספקטרוסקופיה Surface ראמאן משופרת (SERS) היא טכניקה המשלבת ספקטרוסקופיית ראמאן עם ננוטכנולוגיה. עוצמת פיזור ראמאן של analytes ב-משטחים ננו מתכתיים אציליים היא משפרת על ידי תהודת המשטח plasmon המקומית. 1 חלקיקי כסף (Ag NPS) הם ללא ספק מצעי SERS הנפוץ ביותר בשל יכולת השיפור הגבוה שלה. 2 עד כה , שיטות סינטטיות שונות של צירופי Ag פותחו. 3-6 Ag צירופים ניתן להשתמש לבד כמו מצעי SERS יעילים, או בשילוב עם חומרים ומבנים אחרים כדי לשפר את הרגישות ו / או את הפונקציונליות שלו. 7-11

טכניקות SERS הוכיחו יכולת רבה זיהוי של מזהמי עקבות סכום שונים במזון דגימות סביבתי 12 באופן מסורתי, ישנן שתי דרכים נפוצות להכנת מדגם SERS:.. פתרון המבוסס על שיטות המבוסס על מצע 13 פתרון המבוסס methoד משתמשת קולואידים NP לערבב עם דגימות. ואז המתחם-אנליטי NP נאסף באמצעות צנטריפוגה, ואת שהופקדו על תמיכה מוצקה למדידת ראמאן לאחר הייבוש. בשיטה המבוססת על המצע מיושם בדרך כלל על ידי הפקדת כמה מיקרוליטר של מדגם נוזלי על מצע מוצק מראש מפוברק. 14 עם זאת, אף אחת משתי שיטות אלה יעילים ישים עבור כמות גדולה של נפח דגימה. מספר שינויים של מבחני SERS התגבר על מגבלות נפח, כגון שילוב של מערכת סינון 15-21 או שילוב של מכשיר microfluidic. 21-24 מבחני SERS שונה הראו שיפור גדול ברגישות היתכנות לניטור מזהמים כימיים בדגימות מים גדולות.

כאן אנו מדגימים את פרוטוקול מפורט של ייצור ויישום של שיטת SERS מבוסס מזרק מסנן לזיהוי עקבות לכמות חומר ההדברה ferbam ו אמפיצילין אנטיביוטי.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Nanoparticle כסף סינתזה 15

  1. ממיסים כסף חנקתי 18 מ"ג במים ultrapure 100 מ"ל (18.2 ΩU) ו מערבולת למשך 5 שניות.
  2. ממסים מימיים נתרן ציטרט 27 מ"ג במי 1 מיליליטר ו מערבולת למשך 5 שניות.
  3. להעביר את כל הפתרון חנק כסף המוכן בבקבוק חרוטים המכיל בר ערבוב ולשים את הבקבוק על פלטה חשמלית מגנטי. מחממת את הבקבוק תחת בחישה נמרצת עם מהירויות ערבוב של 700 סל"ד ב ~ 350 ° C (קביעת הטמפרטורה על הצלחת).
  4. כאשר רותחים, מוסיפים את כל הפתרון נתרן ציטרט מוכן הבקבוק חרוטי מיד, ולהשאיר הפתרון להרתיח במשך 25 דקות נוספות עד הפתרון הופך חום ירקרק, מה שמלמד על היווצרות של Ag צירופים.
  5. הסר את הבקבוק מהצלחת חם והניח אותו על צלחת מגנטית אחרת (לא לחמם) ומערבבים O / N באותה מהירות בחישה ב RT עד לקבלת תערובת מגיע למצב יציב, עם צבע טראן מתמידsparency. השתמש ספקטרומטר UV-VIS כדי לקבוע את הספיגה של צירופי Ag המוכנים במידת הצורך.
  6. לדלל את התערובת הסופית עם מים ultrapure ל -100 מ"ל.
  7. השתמש Zetasizer למדוד את גודל צירופי Ag במידת צורך על פי פרוטוקול של היצרן.
  8. מעבירים את קולואיד Ag כדי במיכל אטום ולהגן עליו מפני האור עם רדיד אלומיניום. קולואיד ניתן לאחסן במקרר ב 4-7 מעלות צלזיוס למשך 2 חודשים אם יש צורך.

ייצור 2. של ממברנה מסנן פעיל SERS

  1. ממיסים 2.92 גרם נתרן כלורי (NaCl) ב 100 מ"ל מים כדי ליצור פתרון mM NaCl 50.
  2. הוסף 1 מ"ל של הפתרון 5 mM NaCl לתוך 1 מ"ל של צירופים Ag מוכן לערבב אותם על מערבל nutating במשך 10 דקות ב 20 סל"ד. שלב זה הוא כדי לצבור את Ag צירופים לתוך nanoclusters Ag.
  3. מניח קרום מסנן (PVDF, 0.1 גודל נקבובי מיקרומטר) לתוך מחזיק מסנן, אשר יכול להיות מצורפות מזרק. קרום הגודל הנקבובי הקטן היה עבורund יעיל יותר מאשר הממברנה הגודל הנקבובי גדול יותר (כלומר, 0.22 מיקרומטר) ב שמנת nanoclusters Ag והפקה אותות עקביים.
  4. טען 2 מיליליטר של nanoclusters Ag המוכן לתוך מזרק לסינון. צרף בעל מסנן כדי המזרק באופן ידני להעביר את כל נפח nanoclusters Ag דרך הממברנה בשיעור זרימת 1 טיפה / sec. מלכודות קרום nanoclusters Ag, ויצר קרום מסנן SERS הפעיל.
  5. לנתק את קרום מסנן מבעל המסנן. זהירות מיוחדת נדרשת כאשר מחזיקים את קרום על השפה החיצונית באמצעות פינצטה כדי להבטיח שאין נזק הממברנה. אוויר יבש קרום 3 דקות ומניחים על בשקופית זכוכית.
  6. איתור ראמאן של מצע SERS
    1. כווננו את המכשיר ראמאן כדי לייזר באורך גל 780 ננומטר עם כוח לייזר של 5 mW, זמן החשיפה של 1 מספר שניות וחשיפה של 2. הגדרת המטרה מיקרוסקופיים 10X. ודא אובייקטיבית על התוכנה המוגדרת גם בהתאם.
    2. מניח את שקף הזכוכית עם קרום על גבי על גבי פלטפורמה של מכשיר רמן להשתמש במיקרוסקופ כדי להתמקד על פני הממברנה.
    3. אקראי לבחור 8-10 כתמים ממשטח הממברנה המכשיר יאסוף אותם באופן אוטומטי ברצף. נתונים ספקטרליים Open in התוכנה של היצרן לניתוח.

3. יישום של מערכת סינון SERS פעיל לזהות מזהמים כימיים

  1. כן פתרון ferbam 10 ppb.
    זהירות: Ferbam הוא תנודתי מאוד. השתמש באמצעי זהירות (הנשמה ומשקפים) כאשר השקילה המוצקה.
    1. לשקול אבקת 2 מ"ג ferbam לפזר אותו 20 מ"ל 50% אצטוניטריל (אצטוניטריל 10 מ"ל ו -10 מ"ל מים) כדי להפוך פתרון מניות (100 עמודים לדקה). וורטקס הבקבוק למשך 30 שניות.
    2. קח 1 מ"ל של הפתרון ferbam 100 ppm במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לעשות פתרון 10 עמודים לדקה. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
    3. קח 1 מ"ל שלפתרון 10 עמודים לדקה במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לבצע פתרון 1 ppm. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
    4. קח 1 מ"ל של הפתרון 1 ppm במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לבצע פתרון 100 ppb. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
    5. קח 1 מ"ל של הפתרון 100 ppb במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לעשות פתרון 10 ppb. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
  2. כן פתרון אמפיצילין 1 ppm.
    1. לשקול 10 מ"ג אבקת אמפיצילין לפזר אותו 100 מ"ל מים כדי להפוך פתרון אמפיצילין 100 ppm. וורטקס הבקבוק למשך 30 שניות.
    2. קח 1 מ"ל של הפתרון 100 ppm במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל מים כדי ליצור פתרון אמפיצילין 10 עמודים לדקה. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
    3. קח 1 מ"ל של הפתרון 10 עמודים לדקה במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל מים כדי ליצור פתרון אמפיצילין 1 ppm. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
  3. שים את הממברנה מסנן בחזרה אל בעל מסנן, עם הצד מצופה NP פונה כלפי מעלה.
  4. טען 5 מ"ל של דגימה אחת לתוך מזרק חדש, ולאחר מכן חבר אותו בעל מסנן עם קרום מצופה Ag בפנים.
  5. באופן ידני להעביר את כל הנפח של מדגם דרך הממברנה את קצב זרימה של 1 טיפה / sec. מולקולות מטרה ניתן adsorbed ומרוכזות על הצירופים צופה על הקרום המסנן.
  6. ניתוק קרום מסנן מבעל מסנן, אוויר יבש במשך כ -3 דקות ולמדוד את האותות באמצעות מכשיר ראמאן תוך שימוש באותה שיטה כמתואר בשלב 2.6.
  7. חזור על שלב 2.2 עד 2.6 להכין עוד קרום Ag-מצופה, אחרי משלב 3.3 עבור זיהוי של מדגם אחר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השלבים העיקריים של הניסוי הזה הוצגו תרשים סכמטי (איור 1). איור 2 מראים את החשיבות להשתמש נפח אופטימיזציה של AgNPs בציפוי הממברנה כדי להגיע לרגישות המוגדלת. 1 מ"ל של Ag צירופים מספק את האות החזק ביותר בעת שימוש ferbam, לעומת 0.5 מ"ל (ציפוי מספיק) או 2 מ"ל (ציפוי מדי).

הצלחנו לזהות ferbam ב -10 ppb רמת אמפיצילין ב 1 ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אחד השלבים קריטיים בפרוטוקול זה הוא סינתזת צירופי Ag, שבו צירופי Ag אחידים הם מפתח עבור תוצאות עקביות. שעת החימום ועל ריכוזי מבשרים חייבות להיות מבוקרת בדיוק. הגודל הממוצע של הכנת AgNPs זה 80 ננומטר, אשר נמדד על ידי Zetasizer (מידע לא מוצג). עוד צעד קריטי הוא צבירת המלח שבו ריכוז המלח וזמן צבירה חייבים להיות מבוקרים בדיוק. בנוסף, בחירה של הממברנה הוא גם קריטי כמו הקרום עם גודל נקבובי קטן יותר נמצא יעיל יותר nanoclusters מלכודת Ag. לקבלת קרום מסוים נעשה שימוש במחקר זה, יש גם צד מלפ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי המחלקה לביטחון המולדת של ארה"ב תחת מענק מספר 2010-ST-061-FD0001 באמצעות מענק שהוענק על ידי המרכז הלאומי להגנה והגנה על מזון באוניברסיטת מינסוטה. כתב ויתור: הדעות והמסקנות הכלולות במסמך זה הן של המחברים ואין לפרש אותן כמייצגות בהכרח את המדיניות הרשמית, מפורשת או משתמעת, של המחלקה לביטחון המולדת של ארה"ב או המרכז הלאומי להגנה על מזון והגנה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
AmpicillinFisher ScientificBP1760-5N/A
FerbamChem ServiceN-11970-250MG98+%
כסף חנקתיסיגמא אולדריץ'20913999.0+%
נתרן ציטראט מיובשסיגמא אולדריץ'W30260099+%
נתרן כלוריסיגמא אולדריץ'S765399.5+%
EMD Millipore מסנני ממברנה Durapore PVDFפישר סיינטיפיקVVLP013000.10 ומיקרו; m גודל נקבוביות,
מחזיקי מסנן פוליקרבונטCole-ParmerEW-29550-40קוטר 13 מ"מ
מערבולת אנלוגית מערבולתמיקסר פישר סיינטיפיק02-215-365N/A
מערבלי אגוזיםפישר סיינטיפיק05-450-213N/A
DXR ספקטרוסקופ רמאןThermo ScientificIQLAADGABFFAHCMAPBעוצמת לייזר: 1 mW
זמן חשיפה: 5 שניות
הידרופיליים

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Schatz, G. C., Young, M. A., Van Duyne, R. P. Electromagnetic mechanism of SERS. Surface-enhanced Raman scattering. , Springer Berlin Heidelberg. 19-45 (2006).
  3. Matijevic, E. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 5 (4), 412-426 (1993).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Henglein, A., Giersig, M. Formation of colloidal silver nanoparticles: capping action of citrate. J. Phys. Chem. B. 103 (44), 9533-9539 (1999).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Zheng, J., He, L. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for the Chemical Analysis of Food. Compr. Rev. Food. Sci. F. 13 (3), 317-328 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Fierro-Mercado, P. M., Hernández-Rivera, S. P. Highly sensitive filter paper substrate for SERS trace explosives detection. Int. J. Spectrosc. 2012, 716527(2012).
  18. Tran, C. D. Subnanogram detection of dyes on filter paper by surface-enhanced Raman scattering spectrometry. Anal. Chem. 56 (4), 824-826 (1984).
  19. 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).
  20. Wigginton, K. R., Vikesland, P. J. Gold-coated polycarbonate membrane filter for pathogen concentration and SERS-based detection. Analyst. 135 (6), 1320-1326 (2010).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

SERSFerbam Ampicillin

מאמרים קשורים