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Chemistry

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

Published: February 19, 2016 doi: 10.3791/53791
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Food Science, University of Massachusetts Amherst

Summary

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.

Introduction

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.

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Protocol

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. </ Li>
    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. </ Li>
  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.

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Representative Results

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.

Fomos capazes de detectar ferbam no nível 10 ppb e ampicilina em 1 ppm com grande intensidade do sinal pelo ensaio SERS baseado em filtro desenvolvido (Figura 1). O espectro de SERS de ferbame exibe picos característicos distintos a 10 ppb. O pico a 1.386 cm -1 é a partir da vibração misto de NC e C = S alongamento, e CH 3 simétrica deformação. O pico a 1.516 cm-1 está associado com CH 3 CN e alongamento. O pico em 561 cm 25-27. O espectro de ampicilina 1 ppm, também foi claramente detectada. O pico a 1594 cm -1 e 1447 cm-1 são a partir de C = C de alongamento e CH 3 / CH 2 deformação, respectivamente. A forte pico a 1001 cm-1 é a partir da vibração do anel benzeno. O pico a 852 cm-1 está associado com simétrica CNC alongamento. 28-29 O tempo experimental para a análise de uma amostra é inferior a 20 minutos, incluindo o fabrico da membrana de filtro SERS-activo com NPs de Ag pré-sintetizados.

Com o aumento do volume da amostra, que pode aumentar ainda mais o limite de detecção, como se mostra na Figura 4. Observou-se um aumento da intensidade de pico quando se aumenta o volume da amostra. Esta é a vantagem do método baseado filtro como o volume é ajustável e o limite de detecção é também ajustável.

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Figura 1. Um diagrama esquemático do ensaio SERS filtro. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Os espectros de SERS de 5 ml de 100 ppb ferbam que passa através das membranas revestidas por uma quantidade diferente de NPs de Ag De cima para baixo:. 0,5 ml Ag colóide com NaCl 0,5 ml, 1,0 ml Ag com NaCl 1,0 ml, 1,5 ml Ag com 1,5 ml de NaCl, respectivamente. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3. SERS espectros de ferbam e ampicilina em Ag NPs membrana de filtro revestido De cima para baixo:. Controle de 50% de acetonitrilo, 10 ppb ferbam, controle de água, 1 ppm Ampicilina, respectivamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior esta figura.

Figura 4
Figura 4. SERS espectros de diferentes volumes de 100 ppb ferbam sobre Ag NPs membrana de filtro revestido De cima para baixo:. 3 ml ferbam, 5 ml ferbam, 7 ml ferbam, 9 ml ferbam, respectivamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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 tamanho de poro mais pequeno foi encontrado mais eficaz para interceptar nanopartículas AG. Para a membrana particular utilizado neste estudo, tem um lado da frente e para trás, onde o lado da frente deve ser colocado no suporte para cima para ligar a seringa. Se ele foi colocado para baixo, o revestimento foi muito menos eficaz. Evitar bolhas quando passa através da membrana é outra chave para um revestimento bem sucedido.

Para solução de problemas deste ensaio, os passos a seguirsão recomendados. Se nenhum sinal ou pouco for detectado, verifique as seguintes causas. A causa principal poderia ser os PN AG não são agregados suficiente para ser retido nos poros da membrana de filtro. O aumento da concentração salina e / ou o tempo de incubação pode melhorar a agregação. Caso contrário, verificar que a parte de trás da membrana de filtro está virada para cima e que o volume ou a concentração da amostra carregada para a membrana não é demasiado baixa. Se o sinal da molécula alvo não é consistente, verifique as seguintes causas: a distribuição do tamanho das NPs de Ag pode ser muito amplo ou os PN não estão uniformemente distribuídos na membrana, provavelmente devido ao excesso de agregação de NPs ou demasiado rápido que passa através da membrana.

Comparado com os nossos dados anteriores sobre o uso dendrites Ag como substrato SERS, 30-31 a sensibilidade deste ensaio SERS baseado em filtro é muito maior na detecção ferbam. Isto é devido à vantagem do sistema baseado em filtro, que pode fluir large quantidade de amostra, de modo que mais moléculas de analito são concentrados sobre o substrato de SERS. Outra vantagem da utilização do sistema à base de filtro sobre o método baseado em solução é a facilidade de operação e medição fieldable, como não é necessária a centrifugação para recolher o complexo NP-analito. A limitação deste método é que não pode ser usado para as matrizes complexas de líquidos tais como o leite directamente, como os componentes do complexo podem bloquear os poros da membrana. O pré-tratamento é necessário para remover os componentes interferentes, antes de passar a membrana.

Em resumo, demonstramos um ensaio baseado em SERS filtro simples e sensível, o que poderia ser aplicada para a detecção de contaminantes ou adulterações em matriz alimentar líquido e amostras ambientais. Para empurrar ainda mais o limite de detecção, é necessário otimização dos parâmetros, como tamanhos de NP e quantidade, concentração de sal, o volume da amostra e parâmetros do instrumento.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ampicillin Fisher Scientific BP1760-5 N/A
Ferbam Chem Service N-11970-250MG 98+%
Silver nitrate Sigma Aldrich 209139 99.0+%
Sodium citrate dehydrate Sigma Aldrich W302600 99+%
Sodium chloride Sigma Aldrich S7653 99.5+%
EMD Millipore Durapore PVDF Membrane Filters Fisher Scientific VVLP01300 0.10 µm Pore Size, hydrophilic
Polycarbonate Filter Holders Cole-Parmer EW-29550-40 13 mm diameter
Analog Vortex Mixer Fisher Scientific 02-215-365 N/A
Nutating Mixers Fisher Scientific 05-450-213 N/A
DXR Raman spectroscope Thermo Scientific IQLAADGABFFAHCMAPB Laser power: 1 mW
Exposure time: 5 sec

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References

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Gao, S., Glasser, J., He, L. A Filter-based Surface Enhanced Raman Spectroscopic Assay for Rapid Detection of Chemical Contaminants. J. Vis. Exp. (108), e53791, doi:10.3791/53791 (2016).

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