A superfície à base de filtro avançado Raman espectroscópica Ensaio para a rápida detecção de contaminantes químicos

Resumo

Um processo para a fabricação e realizando a superfície à base de filtro reforçada Raman espectroscópica (SERS) ensaio para a detecção de contaminantes químicos (ou seja, ferbam pesticida e antibiótico ampicilina) é apresentada.

Resumo

Demonstramos um método para fabricar substratos espectroscópicos Raman (SERS) aprimorados por superfície altamente sensíveis usando um sistema de seringa de filtro que pode ser aplicado à detecção de vários contaminantes químicos. As nanopartículas de prata (Ag NPs) são sintetizadas por meio da redução do nitrato de prata pelo citrato de sódio. Em seguida, os NPs são agregados por cloreto de sódio para formar nanoclusters que podem ficar presos nos poros da membrana do filtro. Uma seringa é conectada ao porta-filtro, com uma membrana de filtro dentro. Ao carregar os nanoclusters na seringa e passar pela membrana, o líquido atravessa a membrana, mas não os nanoclusters, formando uma membrana ativa no SERS. Ao testar o analito, a amostra líquida é carregada na seringa e flui através da membrana revestida com Ag NPs. O analito se liga e se concentra na membrana revestida com Ag NPs. Em seguida, a membrana é separada do porta-filtro, seca ao ar e medida por um instrumento Raman. Aqui apresentamos o estudo do efeito de volume de Ag NPs e amostra sobre a sensibilidade de detecção, bem como a detecção de 10 ppb de ferbam e 1 ppm de ampicilina usando o ensaio desenvolvido.

Introdução

Superfície reforçada espectroscopia Raman (SERS) é uma técnica que combina espectroscopia Raman com a nanotecnologia. A intensidade do espalhamento Raman de analitos em nano-superfícies metálicas nobres é bastante reforçada pela ressonância de plasma de superfície localizada. ¹ nanopartículas de prata (Ag PN) são de longe os SERS mais utilizados substratos, devido à sua alta capacidade de melhoria ^2. Até agora, , têm sido desenvolvidos vários métodos sintéticos da AG PN. ^3-6 Ag NPs pode ser usado sozinho como substratos SERS eficazes, ou combinado com outros materiais e estruturas para melhorar a sua sensibilidade e / ou funcionalidade. ^7-11

SERS técnicas demonstraram grande capacidade para a detecção de vários contaminantes quantidade vestigial em alimentos e amostras ambientais ¹² Tradicionalmente, existem dois modos comuns para a preparação de uma amostra de SERS:.. Métodos baseados em substratos à base de solução e ¹³ A meto à base de soluçãod usa colóides NP para misturar com as amostras. Em seguida, o complexo de NP-analito é recolhido utilizando centrifugação, e depositado sobre um suporte sólido para a medição de Raman após a secagem. O método baseia-substrato é normalmente aplicada por deposição de vários microlitros de amostra líquida no substrato sólido pré-fabricado. ¹⁴ No entanto, nenhum destes dois métodos são eficazes e aplicável a uma grande quantidade de volume de amostra. Diversas modificações dos ensaios SERS superou os limites de volume, tais como a integração de um sistema de filtro de ^15-21 ou a incorporação de um dispositivo microfluídico. ^21-24 Os ensaios SERS modificados têm mostrado grande aumento na sensibilidade e de viabilidade para o monitoramento dos contaminantes químicos em amostras de água de grande porte.

Aqui demonstramos o protocolo detalhado de fabrico e aplicação de um método baseado em SERS filtro de seringa para detectar quantidade vestigial de ferbame pesticida e antibiótico ampicilina.

Protocolo

1. prata nanopartículas Síntese ¹⁵

1. Dissolver 18 mg de nitrato de prata em 100 ml de água ultrapura (18,2 ΩU) e vortex por 5 s.
2. Dissolve-se 27 mg de di-hidrato de citrato de sódio em 1 ml de água e agitar com vortex durante 5 segundos.
3. Transfira a totalidade da solução de nitrato de prata preparados para um balão de Erlenmeyer contendo uma barra de agitação e o frasco colocado numa placa quente magnética. Aquecer o balão sob agitação vigorosa, com uma velocidade de agitação de 700 rpm a ~ 350 ° C (ajuste da temperatura sobre a placa).
4. Quando a ferver, adicionar toda a solução de citrato de sódio preparada para o frasco cónico imediatamente, e deixar a solução a ferver durante um adicional de 25 min, até a solução se tornar castanho esverdeado, o que indica a formação de NPs de Ag.
5. Retirar o balão da placa quente e colocá-lo em outra placa magnética (não aquecer) e mexa O / N na mesma velocidade de agitação à temperatura ambiente, até que a mistura atinja um estado estável, com uma cor constante e transparency. Usar um espectrómetro de UV-vis para determinar a absorvância das NPs de Ag preparados, se necessário.
6. Dilui-se a mistura final com água ultrapura até 100 ml.
7. Usar um Zetasizer para medir o tamanho das NPs de Ag, se necessário, de acordo com o protocolo do fabricante.
8. Transferir o colóide Ag para um recipiente selado e proteger da luz com folha de alumínio. O colóide pode ser armazenado num frigorífico a 4-7 ° C durante 2 meses, se necessário.

2. Fabricação de uma membrana de filtro ativo SERS

1. Dissolve-se 2,92 g de cloreto de sódio (NaCl) em 100 ml de água para fazer uma solução 50 mM de NaCl.
2. Adicionar 1 ml de solução de NaCl a 5 mM em 1 ml das NPs de Ag preparados e misturá-los em um misturador de nutação durante 10 minutos a 20 rpm. Este passo é agregar as NPs de Ag em nanopartículas de Ag.
3. Coloque um filtro de membrana (PVDF, 0,1 um de tamanho de poro) para um suporte de filtro, que pode ser ligada a uma seringa. A membrana de tamanho de poro mais pequeno foi found mais eficaz do que o maior tamanho de poro da membrana (isto é, 0,22) na retenção de nanopartículas de Ag e produzir sinais consistentes.
4. Carga 2 ml das nanopartículas de Ag preparado para a seringa para filtração. Montar o suporte do filtro para a seringa e passar manualmente todo o volume de nanopartículas de Ag através da membrana a uma taxa de fluxo de 1 gota / seg. As nanopartículas de armadilhas de membrana AG, formando uma membrana de filtro de SERS-activo.
5. Retire a membrana do filtro do porta-filtro. cuidado especial é necessário ao segurar a membrana na borda exterior usando um par de pinças para garantir que nenhum dano à membrana. Secar ao ar durante cerca de 3 min e o lugar da membrana em uma lâmina de vidro.
6. detecção de Raman do substrato de SERS
   1. Defina o instrumento Raman a um laser de comprimento de onda de 780 nm com uma potência de laser de 5 mW, tempo de exposição de 1 segundo e a exposição número de 2. Defina o objetivo microscópica para 10X. Certifique-se o objetivo do software é definido de acordo também.
   2. Colocar a lâmina de vidro com a membrana na parte superior para a plataforma do instrumento Raman e utilizar o microscópio para focalizar sobre a superfície da membrana.
   3. Aleatoriamente selecionar 8-10 manchas da superfície da membrana e o instrumento irá recolher-las automaticamente em sequência. Os dados espectrais abertos no software do fabricante para análise.

3. Aplicação do Sistema SERS Filtro Ativo para detectar contaminantes químicos

1. Preparar uma solução ferbam 10 ppb.
   Cuidado: ferbame é altamente volátil. Use precauções (respirador e óculos de proteção) ao pesar o sólido.
   1. Pesar 2 mg ferbame pó e dissolvê-lo em 20 ml de acetonitrilo a 50% (10 ml de acetonitrilo e 10 ml de água) para produzir uma solução stock (100 ppm). Vortex o balão durante 30 seg.
   2. Tomar 1 ml da solução ferbame 100 ppm em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução a 10 ppm. Vortex o tubo por 5 s.
   3. Tomar 1 ml da10 ppm de solução em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução de 1 ppm. Vortex o tubo por 5 s.
   4. Tomar 1 ml da solução de 1 ppm em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução de 100 ppb. Vortex o tubo por 5 s.
   5. Tomar 1 ml da solução de 100 ppb num tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução de 10 ppb. Vortex o tubo por 5 s.
2. Prepara-se uma solução de 1 ppm de ampicilina.
   1. Pesar 10 mg de ampicilina em pó e dissolvê-lo em 100 ml de água para fazer uma solução de ampicilina de 100 ppm. Vortex o balão durante 30 seg.
   2. Tomar 1 ml da solução de 100 ppm em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de água para fazer uma solução de 10 ppm de ampicilina. Vortex o tubo por 5 s.
   3. Tomar 1 ml da solução a 10 ppm num tubo de ensaio e adicionar 9 ml de água para fazer uma solução de 1 ppm de ampicilina. Vortex o tubo por 5 s.
3. Coloque a membrana de filtro de volta para o suporte do filtro, com o lado revestido NP voltado para cima.
4. Carga 5 ml de uma amostra em uma seringa nova, e depois anexá-lo para o suporte do filtro com uma membrana Ag revestido por dentro.
5. passar manualmente todo o volume da amostra através da membrana a uma taxa de fluxo de 1 gota / seg. moléculas-alvo podem ser adsorvidas e concentrada sobre os PN na membrana de filtro.
6. Retire membrana de filtro do porta-filtro, o ar seco durante cerca de 3 min e medir os sinais de Raman utilizando o instrumento utilizando o mesmo método tal como descrito na etapa 2.6.
7. Repetir o passo 2,2 a 2,6 para preparar uma outra membrana de Ag-revestido, e siga do passo 3.3 para a detecção da outra amostra.

Resultados

Os principais passos desta experiência foram mostrado no diagrama esquemático (Figura 1). A Figura 2 demonstra a importância de usar o volume optimizado de AGNPS no revestimento da membrana, a fim de atingir a sensibilidade maximizada. 1 ml de NPs de Ag fornece o sinal mais forte quando se usa ferbame, em comparação com 0,5 ml (revestimento insuficiente) ou 2 ml (excesso) de revestimento.

Fomo...

Discussão

Um dos passos críticos neste protocolo é a síntese Ag PN, onde uniformes Ag NPs são a chave para resultados consistentes. O tempo de aquecimento e as concentrações de precursores deve ser precisamente controlada. A dimensão média da preparação AGNPS é de 80 nm, que foi medido pela Zetasizer (dados não mostrados). Um outro passo crucial é a agregação de sal, onde a concentração de sal e tempo de agregação deve ser precisamente controlada. Além disso, a escolha de uma membrana, também é crítico que a membrana com um taman...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Ampicilina	Fisher Scientific	BP1760-5	N / A
Ferbam	Chem Service	N-11970-250MG	98 +%
Nitrato de prata	Sigma Aldrich	209139	99,0 +%
Citrato de sódio desidratado	Sigma Aldrich	W302600	99+%
Cloreto de sódio	Sigma Aldrich	S7653	99,5+%
EMD Millipore Filtros de Membrana PVDF Durapore	Fisher Scientific	VVLP01300	0.10 µ m Tamanho dos poros, suportes
de filtro de policarbonato	Cole-Parmer	EW-29550-40	Misturador
de vórtice analógico	Fisher Scientific	02-215-365	N/A
Misturadores de nutação	Fisher Scientific	05-450-213	N/A
DXR Raman espectroscópio	Thermo Scientific	IQLAADGABFFAHCMAPB	Potência do laser: 1 mW Tempo de exposição: 5 seg