Oparty na filtrze test spektroskopowy Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym do szybkiego wykrywania zanieczyszczeń chemicznych

Podsumowanie

Przedstawiono procedurę wytwarzania i przeprowadzania opartego na filtrze testu spektroskopowego Ramana (SERS) do wykrywania zanieczyszczeń chemicznych (np. pestycydu ferbamu i antybiotyku ampicyliny).

Streszczenie

Demonstrujemy metodę wytwarzania bardzo czułych substratów spektroskopowych Ramana (SERS) wzmocnionych powierzchniowo za pomocą systemu strzykawek filtrujących, który może być stosowany do wykrywania różnych zanieczyszczeń chemicznych. Nanocząstki srebra (Ag NPs) są syntetyzowane przez redukcję azotanu srebra przez cytrynian sodu. Następnie nanocząsteczki są agregowane przez chlorek sodu w celu utworzenia nanoklastrów, które mogą zostać uwięzione w porach membrany filtracyjnej. Strzykawka jest podłączona do uchwytu filtra, a wewnątrz znajduje się membrana filtracyjna. Ładując nanoklastry do strzykawki i przechodząc przez membranę, ciecz przechodzi przez membranę, ale nie przez nanoklastry, tworząc membranę aktywną przez SERS. Podczas badania analitu płynna próbka jest ładowana do strzykawki i przepływa przez membranę pokrytą Ag NPs. Analit wiąże się i koncentruje na membranie pokrytej Ag NPs. Następnie membranę odłącza się od uchwytu filtra, suszy powietrzem i mierzy za pomocą przyrządu Ramana. W tym artykule przedstawiono badanie wpływu objętości NP Ag i próbki na czułość detekcji oraz detekcję 10 ppb ferbamu i 1 ppm ampicyliny przy użyciu opracowanego testu.

Wprowadzenie

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana (SERS) to technika łącząca spektroskopię Ramana z nanotechnologią. Intensywność rozpraszania Ramana analitów na szlachetnych metalicznych nanopowierzchniach jest znacznie zwiększona przez zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy. ¹ Nanocząstki srebra (Ag NPs) są zdecydowanie najczęściej stosowanymi substratami SERS ze względu na ich wysoką zdolność wzmacniania. ² Do tej pory opracowano różne metody syntezy nanocząsteczek Ag. ^3-6 Nanocząsteczki Ag mogą być stosowane samodzielnie jako skuteczne podłoża SERS lub w połączeniu z innymi materiałami i strukturami w celu zwiększenia ich czułości i/lub funkcjonalności. ^7-11

Rozdział

Techniki SERS wykazały dużą zdolność do wykrywania różnych śladowych ilości zanieczyszczeń w próbkach żywności i środowiska. ¹² Tradycyjnie istnieją dwa popularne sposoby przygotowania próbki SERS: metody oparte na roztworze i metody oparte na substracie. ¹³ Metoda oparta na roztworze wykorzystuje koloidy NP do mieszania z próbkami. Następnie kompleks NP-analitu jest zbierany za pomocą wirowania i po wysuszeniu osadza się na stałym podłożu w celu pomiaru Ramana. Metodę opartą na podłożu zwykle stosuje się poprzez osadzenie kilku mikrolitrów próbki cieczy na prefabrykowanym podłożu stałym. ¹⁴ Żadna z tych dwóch metod nie jest jednak skuteczna i nie ma zastosowania w przypadku dużej objętości próbki. Kilka modyfikacji testów SERS pozwoliło przezwyciężyć ograniczenia objętościowe, takie jak integracja systemu filtrów^15-21 lub włączenie urządzenia mikroprzepływowego. ^21-24 Zmodyfikowane testy SERS wykazały znaczną poprawę czułości i wykonalności monitorowania zanieczyszczeń chemicznych w dużych próbkach wody.

Tutaj demonstrujemy szczegółowy protokół wytwarzania i stosowania metody SERS opartej na filtrze strzykawkowym do wykrywania śladowych ilości pestycydu ferbamu i antybiotyku ampicyliny.

Protokół

1. Synteza nanocząstek srebra¹⁵

1. Rozpuścić 18 mg azotanu srebra w 100 ml ultraczystej wody (18,2 ΩU) i wirować przez 5 sekund.
2. Rozpuścić 27 mg dwuwodnego cytrynianu sodu w 1 ml wody i wirować przez 5 sekund.
3. Przenieść cały przygotowany roztwór azotanu srebra do stożkowej kolby zawierającej pręt mieszający i umieścić kolbę na magnetycznej płycie grzejnej. Podgrzać kolbę podczas energicznego mieszania z prędkością mieszania 700 obr./min w temperaturze ~350 °C (ustawienie temperatury na płytce).
4. Podczas gotowania natychmiast dodać cały przygotowany roztwór cytrynianu sodu do kolby stożkowej i pozostawić roztwór do wrzenia przez dodatkowe 25 minut, aż roztwór zmieni kolor na zielonkawo-brązowy, co wskazuje na tworzenie się NP Ag.
5. Wyjąć kolbę z płyty grzejnej i umieścić ją na innej płycie magnetycznej (nie podgrzewać) i mieszać O/N z tą samą prędkością mieszania w temperaturze pokojowej, aż mieszanina osiągnie stan stabilny, o stałym kolorze i przezroczystości. W razie potrzeby użyć spektrometru UV-vis, aby określić absorbancję przygotowanych NP Ag.
6. Rozcieńczyć końcową mieszaninę ultraczystą wodą do 100 ml.
7. W razie potrzeby użyj Zetasizera, aby zmierzyć wielkość NP Ag zgodnie z protokołem producenta.
8. Przenieś koloid Ag do szczelnie zamkniętego pojemnika i zabezpiecz go przed światłem folią aluminiową. W razie potrzeby koloid można przechowywać w lodówce w temperaturze 4-7 °C przez 2 miesiące.

2. Produkcja aktywnej membrany filtracyjnej SERS

1. Rozpuścić 2,92 g chlorku sodu (NaCl) w 100 ml wody, aby uzyskać 50 mM roztworu NaCl.
2. Dodać 1 ml 5 mM roztworu NaCl do 1 ml przygotowanych NP-Ag i mieszać je w mieszalniku nutacyjnym przez 10 minut przy 20 obr./min. Ten krok polega na agregacji nanocząsteczek Ag w nanoklastry Ag.
3. Umieść membranę filtracyjną (PVDF, wielkość porów 0,1 μm) w uchwycie filtra, który można przymocować do strzykawki. Membrana o mniejszym rozmiarze porów okazała się bardziej skuteczna niż membrana o większym rozmiarze porów (tj. 0,22 μm) w wychwytywaniu nanoklastrów Ag i wytwarzaniu spójnych sygnałów.
4. Załadować 2 ml przygotowanych nanoklastrów Ag do strzykawki w celu filtracji. Przymocuj uchwyt filtra do strzykawki i ręcznie przepuść całą objętość nanoklastrów Ag przez membranę z natężeniem przepływu 1 kropli/sek. Membrana zatrzymuje nanoklastry Ag, tworząc aktywną membranę filtracyjną SERS.
5. Odłącz membranę filtra od uchwytu filtra. Należy zachować szczególną ostrożność podczas trzymania membrany na zewnętrznej krawędzi za pomocą pęsety, aby upewnić się, że membrana nie zostanie uszkodzona. Suszyć na powietrzu przez około 3 minuty i umieścić membranę na szkiełku podstawowym.
6. Detekcja ramanowska podłoża SERS
   1. Ustaw instrument Ramana na laser o długości fali 780 nm o mocy lasera 5 mW, czasie naświetlania 1 sekund i liczbie ekspozycji 2. Ustaw mikroskopijny obiektyw na 10X. Upewnij się, że cel w oprogramowaniu jest również odpowiednio ustawiony
   .
   2. Umieść szkiełko podstawowe z membraną na górze na platformie instrumentu Ramana i za pomocą mikroskopu ustaw ostrość na powierzchni membrany.
   3. Losowo wybierz 8-10 miejsc z powierzchni membrany, a instrument zbierze je automatycznie w sekwencji. Otwórz dane spektralne w oprogramowaniu producenta do analizy.

3. Zastosowanie systemu filtrów aktywnych SERS do wykrywania zanieczyszczeń chemicznych

1. Przygotuj 10 ppb roztworu ferbamu.
   Uwaga: Ferbam jest bardzo niestabilny. Stosuj środki ostrożności (respirator i okulary) podczas ważenia ciała stałego.
   1. Odważyć 2 mg ferbamu w proszku i rozpuścić go w 20 ml 50% acetonitrylu (10 ml acetonitrylu i 10 ml wody) do sporządzenia roztworu podstawowego (100 ppm). Obracać kolbę przez 30 sekund.
   2. Weź 1 ml roztworu ferbamu o stężeniu 100 ppm do probówki i dodaj 9 ml 50% acetonitrylu, aby uzyskać roztwór o stężeniu 10 ppm. Obracaj rurkę przez 5 sekund.
   3. Weź 1 ml roztworu 10 ppm do probówki i dodaj 9 ml 50% acetonitrylu, aby uzyskać roztwór 1 ppm. Obracaj rurkę przez 5 sekund.
   4. Weź 1 ml roztworu 1 ppm do probówki i dodaj 9 ml 50% acetonitrylu, aby uzyskać roztwór 100 ppb. Obracaj rurkę przez 5 sekund.
   5. Weź 1 ml roztworu 100 ppb do probówki i dodaj 9 ml 50% acetonitrylu, aby uzyskać roztwór 10 ppb. Obracaj rurkę przez 5 sekund.
2. Przygotować 1 ppm roztworu ampicyliny.
   1. Odważyć 10 mg ampicyliny w proszku i rozpuścić ją w 100 ml wody, aby uzyskać roztwór ampicyliny o stężeniu 100 ppm. Obracać kolbę przez 30 sekund.
   2. Weź 1 ml roztworu 100 ppm do probówki i dodaj 9 ml wody, aby uzyskać roztwór ampicyliny o stężeniu 10 ppm. Obracaj rurkę przez 5 sekund.
   3. Weź 1 ml roztworu o stężeniu 10 ppm do probówki i dodaj 9 ml wody, aby uzyskać roztwór ampicyliny o stężeniu 1 ppm. Obracaj rurkę przez 5 sekund.
3. Umieść membranę filtra z powrotem w uchwycie filtra, stroną pokrytą NP skierowaną do góry.
4. Załadować 5 ml jednej próbki do nowej strzykawki, a następnie przymocować ją do uchwytu filtra z membraną pokrytą Ag w środku.
5. Ręcznie przepuścić całą objętość próbki przez membranę z natężeniem przepływu 1 kropli/sek. Cząsteczki docelowe mogą być adsorbowane i skoncentrowane na nanocząsteczkach pokrytych membraną filtracyjną.
6. Odłączyć membranę filtra od uchwytu filtra, wysuszyć na powietrzu przez około 3 minuty i zmierzyć sygnały za pomocą przyrządu Ramanowskiego, stosując tę samą metodę, jak opisano w kroku 2.6.
7. Powtórzyć kroki od 2.2 do 2.6 w celu przygotowania kolejnej membrany pokrytej Ag i postępować zgodnie z krokiem 3.3 w celu wykrycia drugiej próbki.

Wyniki

Główne etapy tego eksperymentu zostały pokazane na schemacie (Rysunek 1). Rysunek 2 pokazuje, jak ważne jest wykorzystanie zoptymalizowanej objętości AgNP w powłoce membrany w celu osiągnięcia maksymalnej czułości. 1 ml Ag NPs stanowi najsilniejszy sygnał podczas stosowania ferbamu, w porównaniu do 0,5 ml (niewystarczająca powłoka) lub 2 ml (zbyt duża powłoka).

Udało nam się wykryć ferbam na poz...

Dyskusja

Jednym z krytycznych etapów tego protokołu jest synteza Ag NPs, w której jednorodne Ag NPs są kluczem do spójnych wyników. Czas nagrzewania i stężenia prekursorów muszą być precyzyjnie kontrolowane. Średnia wielkość tego preparatu AgNPs wynosi 80 nm, co zostało zmierzone za pomocą Zetasizera (dane nie pokazane). Kolejnym krytycznym etapem jest agregacja soli, w której stężenie soli i czas agregacji muszą być precyzyjnie kontrolowane. Ponadto wybór membrany ma również kluczowe znaczenie, ponieważ membrana o mniejszym rozm...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Ampicillin	Fisher Scientific	BP1760-5	N/A
Ferbam	Chem Service	N-11970-250MG	98+%
Azotan srebra	Sigma Aldrich	209139	99,0+%
Cytrynian sodu odwadniający	Sigma Aldrich	W302600	99+%
Chlorek sodu	Sigma Aldrich	S7653	99,5+%
EMD Millipore Filtry membranowe Durapore PVDF	Fisher Scientific	VVLP01300	0,10 i mikro; m Wielkość porów, hydrofilowe
uchwyty filtrów z poliwęglanu	Cole-Parmer	EW-29550-40	Średnica 13 mm
Analogowy mikser wirowy	Fisher Scientific	02-215-365	Nie dotyczy
Mieszalniki nutacyjne	Fisher Scientific	05-450-213	Nie dotyczy
spektroskopu Ramana DXR	Thermo Scientific	IQLAADGABFFAHCMAPB	Moc lasera: 1 mW Czas ekspozycji: 5 sekund