化学汚染物質の迅速検出のためのラマン分光アッセイ強化フィルターベースの表面

サマリー

製造や化学汚染物質（ すなわち、農薬フェルバムと抗生物質アンピシリン）の検出のためのラマン分光（SERS）アッセイ強化フィルタベースの表面を実行するための手順が提示されています。

要約

私たちは、さまざまな化学汚染物質の検出に適用できるフィルターシリンジシステムを使用して、高感度の表面増強ラマン分光(SERS)基板を製造する方法を実証します。銀ナノ粒子(Ag NP)は、クエン酸ナトリウムによる硝酸銀の還元によって合成されます。次に、NPは塩化ナトリウムによって凝集し、フィルター膜の細孔に閉じ込められる可能性のあるナノクラスターを形成します。シリンジはフィルターホルダーに接続されており、内部にフィルターメンブレンがあります。ナノクラスターをシリンジに装填し、メンブレンを通過することにより、液体はメンブレンを通過しますが、ナノクラスターは通過せず、SERS活性メンブレンを形成します。分析対象物を試験するとき、液体サンプルはシリンジにロードされ、Ag NPsコーティングされたメンブレンを通って流れます。分析種は、Ag NPでコーティングされたメンブレンに結合して濃縮します。次に、メンブレンをフィルターホルダーから取り外し、風乾してラマン装置で測定します。ここでは、AgNPとサンプルの体積が検出感度に及ぼす影響の研究と、開発されたアッセイを使用した10 ppbのフェルバムと1 ppmのアンピシリンの検出について紹介します。

概要

表面増強ラマン分光法（SERS）は、ナノテクノロジーを用いて、ラマン分光法を組み合わせた手法です。貴金属ナノ表面における検体のラマン散乱光の強度が大幅に局在表面プラズモン共鳴により増強される^。1銀ナノ粒子（銀NPS）その高い拡張能力をはるかに最も広く使用されているSERS用基板である。今まで² Ag NPの様々な合成方法が開発されている^。3-6のAg NPは、その感度および/ ​​または機能を増強するのに有効なSERS基板として単独で使用、または他の材料及び構造と組み合わせることができる^。7-11

SERS技術は、食品や環境試料中の様々な微量汚染物質の検出のための偉大な能力を実証している^12は伝統的に、SERSのサンプルを調製するための2つの一般的な方法があります：。。溶液系と基板ベースの方法は^、13 ソリューションベースのメ​​トdは、サンプルと混合するNPコロイドを使用しています。次にNP - 分析物複合体は、遠心分離を用いて回収し、乾燥後のラマン測定のための固体支持体上に堆積されます。基板ベースの方法は、通常、事前に作製した固体基板上に液体試料のいくつかのマイクロリットルを堆積させることによって適用される^。14が、これら2つの方法のいずれもが、試料容量の大量のために有効かつ適用可能です。 SERSアッセイのいくつかの変更は、フィルターシステム^15-21またはマイクロ流体デバイスの組み込みの統合などの音量制限を、克服した^。21-24修正されたSERSアッセイは、化学汚染物質を監視するための感度と実現可能性に大きな向上を示しています大規模な水サンプルインチ

ここでは、農薬フェルバムおよび抗生物質アンピシリンの微量を検出するために製造およびシリンジフィルターベースのSERS法の適用の詳細なプロトコルを示します。

プロトコル

1.銀ナノ粒子の合成¹⁵

1. 5秒間100ミリリットルの超純水（18.2ΩU）とボルテックスで18 mgの硝酸銀を溶解させます。
2. 5秒間1ミリリットルの水とボルテックスで27 mgのクエン酸ナトリウム二水和物を溶解させます。
3. 撹拌棒を含む三角フラスコに準備された硝酸銀溶液のすべてを転送し、磁気ホットプレート上にフラスコを置きます。 〜350℃で700rpmでの撹拌速度で激しく撹拌しながらフラスコを加熱（プレート上で温度を設定）。
4. 沸騰した場合、直ちに三角フラスコに準備されたクエン酸ナトリウム溶液のすべてを追加し、解決策は、Ag NPの形成を示す緑がかった茶色を、なるまでさらに25分間沸騰するソリューションを残します。
5. ホットプレートからフラスコを外し、一定の色やトランで、別の磁性板の上に置いた（加熱しないでください）​​、攪拌O / NがRTで同じ撹拌速度で混合物が安定状態に達するまでsparency。必要に応じて用意したAg NPの吸光度を決定するために、紫外可視分光光度計を使用してください。
6. 100mlに超純水を用いて最終混合物を希釈します。
7. 必要に応じて、製造業者のプロトコルに従ってのAg NPのサイズを測定するゼータサイザーを使用してください。
8. 密閉容器に銀コロイドを移し、アルミホイルで光から保護します。必要に応じてコロイドを2ヶ月間4-7℃の冷蔵庫に保存することができます。

SERSアクティブフィルタ膜の2製作

1. 50mMのNaCl溶液を作るために水100mlに2.92はグラムの塩化ナトリウム（食塩）を溶解します。
2. 用意したAg NPの1ミリリットル中に5 mMのNaCl溶液の1ミリリットルを追加し、20 rpmで10分間章動ミキサーで混ぜます。このステップでは、Agナノクラスターの中に銀のNPを集約することです。
3. 注射器に取り付けることができるフィルタホルダにフィルター膜（PVDF、0.1μmの孔径）を置きます。より小さい孔サイズ膜FOました銀ナノクラスターを捕捉し、一貫性のある信号を生成する際に、より大きな細孔サイズの膜（ すなわち、0.22μmの）よりウントより効果的。
4. 濾過のための注射器にロード用意したAgナノクラスターの2ミリリットルを。シリンジにフィルターホルダーを取り付け、手動で1滴/秒の流量で膜を通してのAgナノクラスターのボリューム全体を渡します。膜トラップのAgナノクラスターは、SERS活性フィルター膜を形成します。
5. フィルターホルダーからフィルター膜を外します。膜への損傷を受けないためにピンセットを使用して、外リムに膜を保持している場合には、特別な注意が必要とされています。スライドガラス上に約3分と場所膜用の空気乾燥。
6. SERS基板のラマン検出
   1. 5mWと、10倍の顕微鏡対物レンズをセット2の1秒、露出数の露光時間のレーザパワーと波長780nmのレーザにラマン測定器を設定します。ソフトウェア上の目的は、あまりにもそれに応じて設定されていることを確認します。
   2. ラマン計測器のプラットフォーム上に上に膜を有するガラススライドを配置し、膜の表面に集中する顕微鏡を使用しています。
   3. ランダム膜表面8から10のスポットを選択し、機器が順番に自動的にそれらを収集します。分析のための製造元のソフトウェアでのスペクトルデータを開きます。

化学汚染物質を検出するために、SERSアクティブフィルタシステムの3.アプリケーション

1. 10 ppbでのフェルバム溶液を調製します。
   注意：フェルバムは非常に揮発性です。固体を計量する際の注意事項（人工呼吸器やゴーグル）を使用します。
   1. 2ミリグラムフェルバム粉末を秤量し、ストック溶液（100 ppm）を行う20 50mlの％アセトニトリル（10mLのアセトニトリルおよび10mlの水）の中に溶解します。 30秒間フラスコを渦。
   2. 試験管に100ppmのフェルバム溶液1mlを取り、10ppmの溶液を作る9 50mlの％アセトニトリルを加えます。 5秒間チューブをボルテックス。
   3. の1ミリリットルを取り10 ppmの試験管内の溶液と9ミリリットルの50％アセトニトリルを追加するには、1 ppmの溶液を作製します。 5秒間チューブをボルテックス。
   4. 試験管内では1ppm溶液1mlを取り、100ppbの溶液を作製するために9ミリリットルの50％アセトニトリルを追加します。 5秒間チューブをボルテックス。
   5. 試験管内で100ppbの溶液1mlを取り、10 ppbの溶液を作製するために9ミリリットルの50％アセトニトリルを追加します。 5秒間チューブをボルテックス。
2. 1ppmのアンピシリン溶液を調製します。
   1. 10 mgのアンピシリン粉末を秤量し、100ppmのアンピシリン溶液を作るために100 mLの水に溶解します。 30秒間フラスコを渦。
   2. 試験管内で100ppmの溶液1mlを取り、10 ppmのアンピシリン溶液を作製するために9ミリリットルの水を追加します。 5秒間チューブをボルテックス。
   3. 試験管に10ppmの溶液1mlを取り、1 ppmのアンピシリン溶液を作製するために9ミリリットルの水を追加します。 5秒間チューブをボルテックス。
3. NPコーティングされた側を上に向けて、バックフィルターホルダーにフィルター膜を置きます。
4. その後、新しいシリンジにロード一つのサンプルの5ミリリットルを、そして内側の銀コーティングされた膜でフィルターホルダーに取り付けます。
5. 手動で1滴/秒の流量で膜を通してサンプルのボリューム全体を渡します。標的分子は、フィルター膜上に塗布されたNPを吸着させ、濃縮することができます。
6. 、フィルターホルダーからフィルタ膜を取り外し、約3分間空気乾燥し、ステップ2.6に記載したのと同じ方法を用いて、ラマン装置を使用して信号を測定します。
7. 別の銀コーティングされた膜を作成し、他のサンプルの検出のためのステップ3.3から追従する2.6を繰り返しステップ2.2。

結果

この実験の主要な工程を示す模式図（ 図1）に示した。2が最大感度に達するために、膜コーティングでAgNPsの最適化されたボリュームを使用する重要性を示した図 。フェルバムを使用している場合0.5ミリリットル（不十分なコーティング）または2ミリリットル（あまりにも多くのコーティング）と比較したAg NPの1ミリリットルは、最も強い信号を提供します。

我々は開発したフィルタベースのSERSアッセイ（ 図1）によって、大きな信号強度で1 ppmには10ppbレベルとアンピシリンでフェルバムを検出することができました。フェルバムのSERSスペクトルは、10 ppbので明瞭な特徴的なピークを示します。 1386センチメートル^-1のピークは混合CN伸縮およびC = Sの振動、および対称CH ₃

ディスカッション

このプロトコルにおいて重要なステップの一つは、均一のAg NPは一貫性のある結果を得るための鍵である銀のNP合成、です。加熱時間及び前駆体の濃度を正確に制御しなければなりません。このAgNPs製剤の平均サイズはゼータサイザーで測定した80ナノメートルである（データは示さず）。別の重要なステップは、塩濃度及び凝集時間を正確に制御しなければならない塩の集合体です。小さい細孔径を有する膜は、トラップのAgナノクラスターへのより効果的であることが見出されたように加えて、膜の選択も重要です。本研究で使用される特定の膜は、正面側のシリンジを接続するホルダー中に配置しなければならない前面及び裏面があります。それは下に置かれた場合には、コーティングは、それほど効果的でした。膜を通過する際に気泡を回避することは、成功したコーティングに別のキーです。

このアッセイのトラブルシューティングのために、次の手順推奨されています。何か少しシグナルが検出されない場合、以下の原因を確認してください。主な原因は、Ag NPはフィルター膜の細孔中に閉じ込めされるのに十分に集約されていない可能性があります。塩濃度および...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アンピシリン	フィッシャー サイエンティフィック	BP1760-5	N/A
ファーバム	ケム サービス	N-11970-250MG	98+%
硝酸銀	シグマ アルドリッチ	209139	99.0+%
クエン酸ナトリウム脱水	シグマ アルドリッチ	W302600	99+%
塩化ナトリウム	シグマ アルドリッチ	S7653	99.5+%
EMD ミリポアデュラポアPVDFメンブレンフィルター	フィッシャーサイエンティフィック	VVLP01300	0.10 µm 細孔サイズ、親水性
ポリカーボネートフィルターホルダー	コールパーマー	EW-29550-40	直径13 mm
アナログボルテックスミキサー	フィッシャーサイエンティフィック	02-215-365	該当なし ナ
マチックミキサー	フィッシャーサイエンティフィ	05-450-213	該当なし
DXR ラマン分光器	サーモサイエンティフィック	IQLAADGABFFAHCMAPB	レーザー出力:1 mW 露光時間:5秒