A-filter op basis Surface Enhanced Raman spectroscopische test voor snelle opsporing van chemische verontreinigingen

Samenvatting

Een werkwijze voor de productie en het uitvoeren van het filter gebaseerde Raman spectroscopische (SERS) assay voor de detectie van chemische verontreinigingen (bijvoorbeeld pesticiden ferbam en antibioticum ampicilline) behandeld.

Samenvatting

We demonstreren een methode om zeer gevoelige oppervlakteverbeterde Raman-spectroscopische (SERS) substraten te fabriceren met behulp van een filterspuitsysteem dat kan worden toegepast op de detectie van verschillende chemische verontreinigingen. Zilveren nanodeeltjes (Ag NP's) worden gesynthetiseerd via reductie van zilvernitraat door natriumcitraat. Vervolgens worden de NP's geaggregeerd door natriumchloride om nanoclusters te vormen die in de poriën van het filtermembraan kunnen worden gevangen. Een spuit wordt aangesloten op de filterhouder, met een filtermembraan erin. Door de nanoclusters in de spuit te laden en door het membraan te laten passeren, gaat het vloeibaar door het membraan maar niet door de nanoclusters, waardoor een SERS-actief membraan wordt gevormd. Bij het testen van de analyt wordt het vloeibare monster in de spuit geladen en door het met Ag NP's beklede membraan geleid. De analyt bindt zich en concentreert op het met Ag NP's beklede membraan. Vervolgens wordt het membraan van de filterhouder losgemaakt, gedroogd aan de lucht en gemeten met een Raman-instrument. Hier presenteren we de studie van het volume-effect van Ag NP's en monster op de detectiegevoeligheid evenals de detectie van 10 ppb ferbam en 1 ppm ampicilline met behulp van de ontwikkelde test.

Inleiding

Oppervlakte versterkte Raman spectroscopie (SERS) is een techniek combinatie van Raman spectroscopie met nanotechnologie. De intensiteit van de Raman-verstrooiing van analyten edele metalen nano-oppervlakken sterk door de gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie. ¹ zilvernanodeeltjes (Ag NP) veruit het meest gebruikte SERS substraten vanwege de hoge versterking vermogen. ² Tot dusver verschillende synthesewerkwijzen van Ag NP ontwikkeld. ^3-6 Ag NP kan alleen worden gebruikt als effectieve SERS substraten, of gecombineerd met andere materialen en structuren om de gevoeligheid en / of functionaliteit te verbeteren. ^7-11

SERS technieken grote capaciteit voor detectie van verschillende sporenhoeveelheid verontreinigingen in levensmiddelen en milieumonsters aangetoond ¹² Traditioneel zijn er twee algemene manieren voor het bereiden van een monster SERS:..-Oplossing op basis en substraat-gebaseerde methoden ¹³ The -Oplossing op basis method gebruikt NP colloïden te mengen met samples. Dan de NP-analyt-complex wordt verzameld met behulp van centrifugatie, en afgezet op een vaste drager voor Raman meting na droging. Het substraat gebaseerde methode wordt gewoonlijk aangebracht door het afzetten van een aantal microliter monstervloeistof op de geprefabriceerde vast substraat. ¹⁴ Geen van deze twee methoden effectief zijn en toepasbaar voor een grote hoeveelheid monstervolume. Verscheidene modificaties van de SERS assays overwon de volumebeperkingen, zoals de integratie van een filtersysteem ^15-21 of de opname van een microfluïdische apparaat. ^21-24 De gemodificeerde SERS assays grote verbetering in de gevoeligheid en haalbaarheid getoond bewaken van de chemische verontreinigingen in grote watermonsters.

Hier laten we gedetailleerd protocol van fabricage en toepassing van een spuitfilter gebaseerd SERS methode sporenhoeveelheid pesticide ferbam en antibioticum ampicilline detecteren.

Protocol

1. Silver nanodeeltjes Synthesis ¹⁵

1. Los op 18 mg zilvernitraat in 100 ml ultrapuur water (18,2 ΩU) en vortex gedurende 5 sec.
2. Los op 27 mg natriumcitraatdihydraat in 1 ml water en vortex gedurende 5 sec.
3. Breng alle van de bereide zilvernitraat oplossing voor een conische kolf met een roerstaafje en zet de kolf op een magnetische hete plaat. De kolf onder krachtig roeren met een roersnelheid van 700 opm bij ~ 350 ° C (temperatuur instellen op de plaat).
4. Bij het koken, voeg alle bereide natriumcitraat oplossing in de conische kolf onmiddellijk, en laat de oplossing tot koken gedurende nog 25 min tot de kleur omslaat groenachtige bruine, die de vorming van Ag NP aangeeft.
5. Neem de kolf uit de hete plaat en zet het op een andere magnetische plaat (niet verwarmen) en roer O / N op dezelfde roersnelheid bij kamertemperatuur tot het mengsel een stabiele toestand bereikt, met een constante kleur en transparency. Gebruik een UV-vis spectrometer om de absorptie van de bereide Ag NP bepalen indien nodig.
6. Verdun het eindmengsel met ultrazuiver water tot 100 ml.
7. Gebruik een Zetasizer om de grootte van de Ag-NPs meten eventueel volgens het protocol van de fabrikant.
8. Breng de Ag colloïdale een verzegelde container en het te beschermen tegen licht met aluminiumfolie. Het colloïde kan worden bewaard in een koelkast bij 4-7 ° C gedurende 2 maanden, indien nodig.

2. Fabricage van een SERS Active filtermembraan

1. Ontbinden 2,92 g natriumchloride (NaCl) in 100 ml water tot een 50 mM NaCl-oplossing.
2. Voeg 1 ml van de 5 mM NaCl oplossing in 1 ml van de bereide Ag NP en mengen op een schudder gedurende 10 min bij 20 opm. Deze stap is het Ag NP aggregeren tot Ag nanoclusters.
3. Plaats een filtermembraan (PVDF, 0,1 urn poriegrootte) in een filterhouder die een injectiespuit kan worden bevestigd. De kleinere poriegrootte membraan bedroeg found effectiever dan de grotere poriegrootte membraan (dwz 0,22 pm) overvulling Ag nanoclusters en produceren consistente signalen.
4. Load 2 ml van de bereide Ag nanoclusters in de spuit voor filtratie. Bevestig de filterhouder aan de injectiespuit en de volledige hoeveelheid Ag nanoclusters handmatig pass membraan met een stroomsnelheid van 1 druppel / sec. Het membraan vallen Ag nanoclusters, de vorming van een SERS-actief filter membraan.
5. Maak de filter membraan uit de filterhouder. Speciale voorzichtigheid is geboden bij het vasthouden van het membraan op de buitenrand met een pincet geen schade aan het membraan te verzekeren. Lucht drogen gedurende ongeveer 3 minuten en plaats membraan op een glasplaatje.
6. Raman detectie van de SERS substraat
   1. Stel de Raman instrument om een ​​780 nm golflengte laser met een laservermogen van 5 mW, belichtingstijd van 1 sec en de blootstelling aantal 2. Stel de microscopische doelstelling tot 10x. Controleer de doelstelling van de software dienovereenkomstig te stellen.
   2. Plaats het glaasje met het membraan geplaatst op het platform van de Raman instrument en gebruik de microscoop te richten op het oppervlak van het membraan.
   3. selecteert willekeurig 8-10 spots van het membraanoppervlak en het toestel zal ze automatisch te verzamelen in de juiste volgorde. Open spectrale gegevens in softwarefabrikant voor analyse.

3. Toepassing van de SERS Active Filter Systeem om chemische contaminanten Detect

1. Bereid een 10 ppb ferbam oplossing.
   Let op: Ferbam is zeer volatiel. Gebruik voorzorgsmaatregelen (gasmasker en bril) bij het afwegen van de vaste stof.
   1. Weeg 2 mg ferbam poeder en los het op in 20 ml 50% acetonitril (10 ml acetonitril en 10 ml water) om een ​​voorraad-oplossing (100 ppm) te maken. Vortex de kolf gedurende 30 sec.
   2. Neem 1 ml van 100 ppm ferbam oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot een 10 ppm oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
   3. Neem 1 ml van het10 ppm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot een 1 ppm oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
   4. Neem 1 ml van de 1 ppm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot 100 ppb oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
   5. Neem 1 ml van 100 ppb oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml 50% acetonitril tot 10 ppb oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
2. Bereid een 1 ppm ampicilline oplossing.
   1. Weeg 10 mg ampicilline poeder en oplossen in 100 ml water om een ​​100 ppm ampicilline oplossing. Vortex de kolf gedurende 30 sec.
   2. Neem 1 ml van de 100 dpm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml water een 10 ppm ampicilline oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
   3. Neem 1 ml van 10 ppm oplossing in een reageerbuis en voeg 9 ml water tot een 1 ppm ampicilline oplossing. Vortex de buis gedurende 5 sec.
3. Plaats het filter membraan terug naar de filterhouder, de NP gecoate zijde naar boven.
4. Belasting 5 ml van een monster in een nieuwe spuit, en dan bevestig deze aan de filterhouder met een Ag gecoate membraan binnen.
5. Leid het gehele volume van het monster door het membraan met een stroomsnelheid van 1 druppel / sec. Doelmoleculen kunnen worden geadsorbeerd en geconcentreerd op de NPs gecoat op het filter membraan.
6. Los filtermembraan van de filterhouder lucht drogen gedurende 3 minuten en de signalen te meten met de Raman instrument met dezelfde werkwijze als beschreven in stap 2.6.
7. Herhaal stap 2,2-2,6 ander Ag beklede membraan bereiden volgen uit stap 3.3 voor de detectie in de andere.

Resultaten

De belangrijkste stappen van dit experiment worden getoond in het schema (figuur 1). Figuur 2 blijkt het belang voor de optimale hoeveelheid AgNPs in het membraan bekleding gebruiken om de gevoeligheid te bereiken gemaximaliseerd. 1 ml Ag NP biedt het sterkste signaal bij gebruik ferbam, vergeleken met 0,5 ml (onvoldoende coating) of 2 ml (teveel coating).

We konden ferbam op 10 ppb niveau amp...

Discussie

Een van de cruciale stappen in dit protocol is de Ag NP synthese, waarbij uniforme Ag NP's zijn de sleutel voor consistente resultaten. De verwarmingstijd en de concentraties van precursoren moeten nauwkeurig worden geregeld. De gemiddelde grootte van dit preparaat AgNPs is 80 nm, die werd gemeten met de Zetasizer (gegevens niet getoond). Een andere belangrijke stap is het zout aggregatie waar de zoutconcentratie en aggregatie tijd nauwkeurig moeten worden gecontroleerd. Bovendien, de keuze van membraan eveneens bel...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Ampicillin	Fisher Scientific	BP1760-5	N/A
Ferbam	Chem Service	N-11970-250MG	98+%
Zilvernitraat	Sigma Aldrich	209139	99.0+%
Natriumcitraat dehydraat	Sigma Aldrich	W302600	99+%
Natriumchloride	Sigma Aldrich	S7653	99.5+%
EMD Millipore Durapore PVDF-membraanfilters	Fisher Scientific	VVLP01300	0.10 µm poriëngrootte, hydrofiel
Polycarbonaat filterhouders	Cole-Parmer	EW-29550-40	13 mm diameter
Analoge Vortex Mixer	Fisher Scientific	02-215-365	N/A
Nutating Mixers	Fisher Scientific	05-450-213	N/A
DXR Raman spectroscoop	Thermo Scientific	IQLAADGABFFAHCMAPB	Laservermogen: 1 mW Belichtingstijd: 5 sec