Методическая статья

Фильтром на основе поверхностного Enhanced Raman Спектроскопическое Анализ на быстрое обнаружение химических загрязнителей

DOI:

10.3791/53791

⸱

19 февраля 2016 г.

 ,  , 
1Department of Food Science, University of Massachusetts Amherst

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Процедура изготовления и выполнения фильтрующей поверхности на основе расширенной комбинационного спектроскопического (SERS) тест для определения химических загрязнителей (т.е. пестицид ferbam и ампициллин антибиотик) представлена.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы демонстрируем метод изготовления высокочувствительных поверхностно-усиленных рамановских спектроскопических (SERS) субстратов с использованием системы фильтровальных шприцев, которые могут быть применены для обнаружения различных химических загрязнителей. Наночастицы серебра (Ag NPs) синтезируются путем восстановления нитрата серебра цитратом натрия. Затем НЧ агрегируются хлоридом натрия с образованием нанокластеров, которые могут быть захвачены в порах фильтрующей мембраны. К фильтродержателю подсоединен шприц, внутри которого находится фильтрующая мембрана. Загружая нанокластеры в шприц и проходя через мембрану, жидкость проходит через мембрану, но не через нанокластеры, образуя SERS-активную мембрану. При тестировании аналита жидкий образец загружается в шприц и протекает через мембрану, покрытую Ag NPs. Аналит связывается и концентрируется на мембране, покрытой Ag NPs. Затем мембрана отделяется от фильтродержателя, осушается на воздухе и измеряется с помощью рамановского инструмента. В данной работе мы представляем исследование объемного влияния Ag NPs и образца на чувствительность обнаружения, а также обнаружение 10 ppb ferbam и 1 ppm ампициллина с использованием разработанного анализа.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Поверхность усиливается спектроскопия комбинационного рассеяния (ГКР) представляет собой метод комбинирования спектроскопии комбинационного рассеяния с нанотехнологиями. Интенсивность комбинационного рассеяния аналитов в благородных металлических нано-поверхностей значительно усиливается локализованного поверхностного плазмонного резонанса. 1 Наночастицы серебра (Ag NPS) являются на сегодняшний день наиболее широко используются ГКР субстраты из-за его высокой способностью повышения. 2 До сих пор , были разработаны различные синтетические методы Ag наночастиц. 3-6 Ag наночастицы могут быть использованы по отдельности в качестве эффективных SERS подложками, или в сочетании с другими материалами и структурами, чтобы повысить его чувствительность и / или функциональность. 7-11

Методы SERS показали большой потенциал для обнаружения различных следовых количествах загрязняющих веществ в пище и образцах окружающей среды 12 Традиционно существует два распространенных способа для получения образца ГКР:.. Решение на основе и подложки на основе метода 13 мето решение на основеd использует NP коллоидов смешать с образцами. Затем NP-аналит собирали центрифугированием, и нанесении на твердом носителе для измерения комбинационного после сушки. Способ субстрат на основе обычно применяется путем нанесения нескольких микролитров жидкого образца на фабрично твердом субстрате. 14 Тем не менее, ни один из этих двух методов являются эффективными и применимыми для большого количества объема образца. Несколько модификации SERS анализах преодолели пределы объема, такие как интеграция фильтрующую систему 15-21 или вхождения микрожидком устройства. 21-24 Модифицированные анализы SERS показали большое повышение чувствительности и целесообразности для мониторинга химических загрязнителей в больших проб воды.

Здесь мы демонстрируем подробный протокол изготовления и применения метода ГКР, основанной шприц фильтр для обнаружения следовых количеств пестицидов и ferbam ампициллин антибиотикам.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. наночастиц серебра Синтез 15

  1. Растворите 18 мг нитрата серебра в 100 мл сверхчистой воды (18,2 ΩU) и вихря в течение 5 сек.
  2. Растворите 27 мг дигидрата цитрата натрия в 1 мл воды и вихрь в течение 5 сек.
  3. Передача всего приготовленного раствора нитрата серебра в коническую колбу, содержащую стержень дл перемешивани и поставить колбу на магнитную горячей плите. Нагреть колбу при интенсивном перемешивании со скоростью перемешивания 700 оборотов в минуту при температуре ~ 350 ° С (температуры установки на плите).
  4. При кипячении, добавить все приготовленного раствора цитрата натрия в коническую колбу сразу, а оставить решение до кипения в течение дополнительного 25 мин, пока раствор не станет приобретать бурый, который указывает на формирование Ag наночастиц.
  5. Удалить колбу из горячей плите и поставить его на другой магнитной пластины (не нагреваются) и перемешать O / N с той же скоростью перемешивания при комнатной температуре, пока смесь не достигнет стабильного состояния, при постоянном цвете и Transparency. Используйте UV-VIS спектрометр для определения оптической плотности приготовленных Ag наночастиц при необходимости.
  6. Развести конечной смеси с сверхчистой водой до 100 мл.
  7. Используйте Zetasizer измерить размер Ag наночастиц при необходимости в соответствии с протоколом производителя.
  8. Перенести коллоид Ag чтобы герметичном контейнере и защитить его от света с алюминиевой фольгой. Коллоид может храниться в холодильнике при 4-7 ° С в течение 2-х месяцев, если это необходимо.

2. Изготовление в ГКР Активный мембранный фильтр

  1. Растворить 2,92 г хлорида натрия (NaCl) в 100 мл воды для получения раствора 50 мМ NaCl.
  2. Добавить 1 мл раствора 5 мМ NaCl в 1 мл приготовленных Ag наночастиц и смешивать их на нутационное смесителе в течение 10 мин при 20 оборотах в минуту. Этот шаг агрегировать Ag NPS в Ag нанокластеров.
  3. Поместите фильтрующую мембрану (PVDF, 0,1 мкм размер пор) в держатель фильтра, который можно прикрепить к шприцу. Чем меньше размер пор мембраны двух зунд более эффективным, чем больше размер пор мембраны (т.е. 0,22 мкм) в улавливания Ag нанокластеры и производить последовательные сигналы.
  4. Нагрузка 2 мл приготовленных нанокластеров Ag в шприц для фильтрации. Установите держатель фильтра к шприцу и вручную передать весь объем Ag нанокластеров через мембрану при скорости потока 1 капля / сек. Нанокластеры мембранные ловушки Ag, образуя ГКР-активных фильтрующую мембрану.
  5. Отсоединение фильтрующую мембрану из держателя фильтра. Особую осторожность необходима при проведении мембрану на внешнем ободе с помощью пинцета, чтобы исключить повреждение мембраны. Воздух сухой в течение приблизительно 3 мин и место мембрану на предметное стекло.
  6. Обнаружение комбинационного рассеяния в ГКР подложки
    1. Установите прибор комбинационного чтобы длин волн лазера 780 нм с мощностью лазера 5 мВт, время экспозиции 1 сек и экспозиции ряда 2. Установите микроскопическую цель 10Х. Убедитесь, что цель на программное обеспечение установлено соответственно тоже.
    2. Поместите стекло с мембраной сверху на платформу прибора комбинационного и использовать микроскоп, чтобы сосредоточить внимание на поверхности мембраны.
    3. Случайно выбрать 8-10 пятна от поверхности мембраны и прибор будет собирать их автоматически в определенной последовательности. Открытые спектральные данные в программном обеспечении производителя для анализа.

3. Применение ГКР активного фильтра системы для обнаружения химических загрязнителей

  1. Приготовьте раствор ferbam 10 частей на миллиард.
    Внимание: Ferbam обладает высокой летучестью. Используйте меры предосторожности (респиратор и защитные очки) при взвешивании тела.
    1. Взвешивание 2 мг ferbam порошок и растворить его в 20 мл 50% ацетонитрила (10 мл ацетонитрила и 10 мл воды) с получением концентрированного раствора (100 промилле). Vortex колбу в течение 30 сек.
    2. Принимать по 1 мл раствора ferbam 100 частей на миллион в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 10 частей на миллион. Vortex трубку в течение 5 сек.
    3. Возьмите 1 мл10 Раствор м.д. в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 1 промилле. Vortex трубку в течение 5 сек.
    4. Принимать по 1 мл раствора 1 промилле в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 100 частей на миллиард. Vortex трубку в течение 5 сек.
    5. Принимать по 1 мл раствора 100 частей на миллиард в пробирке и добавить 9 мл 50% ацетонитрила, чтобы сделать раствор 10 частей на миллиард. Vortex трубку в течение 5 сек.
  2. Приготовьте раствор ампициллин в 1 миллион.
    1. Взвесить 10 мг ампициллина порошок и растворить его в 100 мл воды, чтобы сделать раствор ампициллину 100 частей на миллион. Vortex колбу в течение 30 сек.
    2. Принимать по 1 мл раствора 100 ппм в пробирке и добавить 9 мл воды, чтобы сделать раствор ампициллину 10 частей на миллион. Vortex трубку в течение 5 сек.
    3. Принимать по 1 мл раствора 10 частей на миллион в пробирке и добавить 9 мл воды, чтобы сделать раствор ампициллину в 1 промилле. Vortex трубку в течение 5 сек.
  3. Поместите мембрану фильтра обратно в держатель фильтра, со стороной, покрытой НП вверх.
  4. Нагрузка 5 мл одного образца в новый шприц, а затем прикрепить его к держателю фильтра с мембраной в Ag покрытием внутри.
  5. Вручную пройти весь объем образца через мембрану при скорости потока 1 капля / сек. Молекулы-мишени могут адсорбироваться и концентрировали на НПС, нанесенные на мембрану фильтра.
  6. Отделить фильтрующую мембрану из держателя фильтра, воздух сухой в течение приблизительно 3 мин и измерять сигналы с помощью прибора комбинационного используя тот же метод, как описано в шаге 2.6.
  7. Повторите шаг 2,2 до 2,6, чтобы подготовить другой мембраны Ag-покрытую, и вытекают из шага 3.3 для обнаружения другой пробе.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Основные этапы этого эксперимента были показаны на схеме (рисунок 1). Рисунок 2 свидетельствует о важности использовать оптимизированный объем AgNPs в мембране покрытием для того, чтобы достичь развернутое чувствительность. 1 мл Ag наночастиц обеспечивает самый сильный сигнал при использовании ferbam, по сравнению с 0,5 мл (недостаточным для покрытия) или 2 мл (слишком много покрытие).

Мы смог...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Одним из важнейших шагов в этом протоколе является синтез Ag наночастицы, где однородные Ag наночастицы являются ключевыми для получения стабильных результатов. Время нагревания и концентрации предшественников должны быть точно контролироваться. Средний размер этого препарата AgNPs 80 нм, что было измерено Zetasizer (данные не показаны). Другим важным шагом является объединение соль, где должны быть точно контролировать концентрацию соли и время агрегации. Кроме того, выбор мембраны также имеет важное значение, поскольк...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот материал основан на работе, поддержанной Министерством внутренней безопасности США в рамках гранта No 2010-ST-061-FD0001 в рамках гранта, предоставленного Национальным центром защиты и защиты пищевых продуктов при Университете Миннесоты. Отказ от ответственности: Взгляды и выводы, содержащиеся в этом документе, принадлежат авторам и не должны толковаться как обязательно представляющие официальную политику, выраженную или подразумеваемую, Министерства внутренней безопасности США или Национального центра защиты и обороны пищевых продуктов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
АмпициллинФишер ScientificBP1760-5н/а
ФербамХим СервисN-11970-250MG98+%
Нитрат серебраSigma Aldrich20913999,0+%
Дегидрат цитрата натрия SigmaAldrichW30260099+%
Хлорид натрияSigma AldrichS765399,5+%
EMD Millipore Мембранные фильтры Durapore PVDFFisher ScientificVVLP013000.10 &; m Размер пор, гидрофильный
поликарбонат Держатели фильтраCole-ParmerEW-29550-40Диаметр 13 мм
Аналоговый вихревой смесительFisher Scientific02-215-365Н/Д
Нутирующие смесителиFisher Scientific05-450-213Н/Д
DXR Рамановский спектроскопThermoScientific IQLAADGABFFAHCMAPBМощность лазера: 1 мВт
Время экспозиции: 5 сек

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Albrecht, M. G., Creighton, J. A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode. J. Am. Chem. Soc. 99 (15), 5215-5217 (1977).
  2. Schatz, G. C., Young, M. A., Van Duyne, R. P. Electromagnetic mechanism of SERS. Surface-enhanced Raman scattering. , Springer Berlin Heidelberg. 19-45 (2006).
  3. Matijevic, E. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 5 (4), 412-426 (1993).
  4. Nickel, U., zu Castell, A., Pöppl, K., Schneider, S. A silver colloid produced by reduction with hydrazine as support for highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopy. Langmuir. 16 (23), 9087-9091 (2000).
  5. Khanna, P. K., Subbarao, V. V. V. S. Nanosized silver powder via reduction of silver nitrate by sodium formaldehydesulfoxylate in acidic pH medium. Mater. Lett. 57 (15), 2242-2245 (2003).
  6. Henglein, A., Giersig, M. Formation of colloidal silver nanoparticles: capping action of citrate. J. Phys. Chem. B. 103 (44), 9533-9539 (1999).
  7. Sun, X., Li, Y. Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles. Angew. Chem. Int. Edit. 43 (5), 597-601 (2004).
  8. Lu, L., et al. Seed-mediated growth of large, monodisperse core-shell gold-silver nanoparticles with Ag-like optical properties. Chem. Commun. (2), 144-145 (2002).
  9. Aslan, K., Wu, M., Lakowicz, J. R., Geddes, C. D. Fluorescent core-shell Ag@SiO2 nanocomposites for metal-enhanced fluorescence and single nanoparticle sensing platforms. J. Am. Chem. Soc. 129 (6), 1524-1525 (2007).
  10. Lu, Y., Yin, Y., Li, Z. Y., Xia, Y. Synthesis and self-assembly of Au@ SiO2 core-shell colloids. Nano. Lett. 2 (7), 785-788 (2002).
  11. Link, S., Wang, Z. L., El-Sayed, M. A. Alloy formation of gold-silver nanoparticles and the dependence of the plasmon absorption on their composition. J. Phys. Chem. B. 103 (18), 3529-3533 (1999).
  12. He, L., et al. Rapid Detection of Ricin in Milk Using Immunomagnetic Separation Combined with Surface Enhanced Raman Spectroscopy. J. Food. Sci. 76 (5), N49-N53 (2011).
  13. Zheng, J., He, L. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for the Chemical Analysis of Food. Compr. Rev. Food. Sci. F. 13 (3), 317-328 (2014).
  14. He, L., Haynes, C. L., Diez-Gonzalez, F., Labuza, T. P. Rapid detection of a foreign protein in milk using IMS-SERS. J. Raman. Spectrosc. 42 (6), 1428-1434 (2011).
  15. Wei, W. Y., White, I. M. A simple filter-based approach to surface enhanced Raman spectroscopy for trace chemical detection. Analyst. 137 (5), 1168-1173 (2012).
  16. Cheng, M. L., Tsai, B. C., Yang, J. Silver nanoparticle-treated filter paper as a highly sensitive surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for detection of tyrosine in aqueous solution. Anal. Chim. Acta. 708 (1), 89-96 (2011).
  17. Fierro-Mercado, P. M., Hernández-Rivera, S. P. Highly sensitive filter paper substrate for SERS trace explosives detection. Int. J. Spectrosc. 2012, 716527(2012).
  18. Tran, C. D. Subnanogram detection of dyes on filter paper by surface-enhanced Raman scattering spectrometry. Anal. Chem. 56 (4), 824-826 (1984).
  19. Wu, D., Fang, Y. The adsorption behavior of p-hydroxybenzoic acid on a silver-coated filter paper by surface enhanced Raman scattering. J. Colloid Interface Sci. 265 (2), 234-238 (2003).
  20. Wigginton, K. R., Vikesland, P. J. Gold-coated polycarbonate membrane filter for pathogen concentration and SERS-based detection. Analyst. 135 (6), 1320-1326 (2010).
  21. Berthod, A., Laserna, J. J., Winefordner, J. D. Analysis by surface enhanced Raman spectroscopy on silver hydrosols and silver coated filter papers. J Pharm Biomed Anal. 6 (6), 599-608 (1988).
  22. Ackermann, K. R., Henkel, T., Popp, J. Quantitative Online Detection of Low-Concentrated Drugs via a SERS Microfluidic System. ChemPhysChem. 8 (18), 2665-2670 (2007).
  23. Walter, A., März, A., Schumacher, W., Rösch, P., Popp, J. Towards a fast, high specific and reliable discrimination of bacteria on strain level by means of SERS in a microfluidic device. Lab. Chip. 11 (6), 1013-1021 (2011).
  24. Lee, S., et al. Fast and sensitive trace analysis of malachite green using a surface-enhanced Raman microfluidic sensor. Anal. Chim. Acta. 590 (2), 139-144 (2007).
  25. Guo, H., et al. Analysis of Silver Nanoparticles in Antimicrobial Products Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Environ. Sci. Technol. 49 (7), 4317-4324 (2015).
  26. Narayanan, V. A., Begun, G. M., Stokes, D. L., Sutherland, W. S., Vo-Dinh, T. Normal Raman and surface enhanced Raman scattering (SERS) spectra of some fungicides and related chemical compounds. J. Raman. Spectrosc. 23 (5), 281-286 (1992).
  27. Kang, J. S., Hwang, S. Y., Lee, C. J., Lee, M. S. SERS of dithiocarbamate pesticides adsorbed on silver surface; thiram. Bull. Korean. Chem. Soc. 23 (11), 1604-1610 (2002).
  28. Li, Y. T., et al. Rapid and sensitive in-situ detection of polar antibiotics in water using a disposable Ag-graphene sensor based on electrophoretic preconcentration and surface-enhanced Raman spectroscopy. Biosens. Bioelectron. 43, 94-100 (2013).
  29. Clarke, S. J., Littleford, R. E., Smith, W. E., Goodacre, R. Rapid monitoring of antibiotics using Raman and surface enhanced Raman spectroscopy. Analyst. 130 (7), 1019-1026 (2005).
  30. Zheng, J., Pang, S., Labuza, T. P., He, L. Semi-quantification of surface-enhanced Raman scattering using a handheld Raman spectrometer: a feasibility study. Analyst. 138 (23), 7075-7078 (2013).
  31. Zheng, J., Pang, S., Labuza, T. P., He, L. Evaluation of surface-enhanced Raman scattering detection using a handheld and a bench-top Raman spectrometer: A comparative study. Talanta. 129, 79-85 (2014).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

SERSSERS

Похожие статьи