En filterbaserad yta Enhanced Raman spektroskopiska analys för snabb detektion av kemiska föroreningar

Summary

Ett förfarande för tillverkning och utförande av filterbaserade ytförstärkt Raman spektroskopisk (SERS) analys för detektion av kemiska föroreningar (dvs., ferbam pesticid och antibiotika ampicillin) presenteras.

Introduction

Yta förbättrad Raman-spektroskopi (SERS) är en teknik som kombinerar Ramanspektroskopi med nanoteknik. Intensiteten av Ramanspridning av analyter på ädelmetallnanoytor har ökat avsevärt genom den lokaliserade ytplasmonresonans. ¹ Silvernanopartiklar (Ag NPS) är överlägset mest använda SERS substrat på grund av sin höga förstärkning förmåga. ² Hittills , olika syntetiska metoder för Ag NP har utvecklats. ^3-6 Ag NP kan användas ensamma som effektiva SERS-substrat, eller kombineras med andra material och konstruktioner för att förbättra dess känslighet och / eller funktionalitet. ^7-11

SERS tekniker har visat stor kapacitet för detektion av olika spårmängder främmande ämnen i livsmedel och miljöprover ¹² Traditionellt finns det två vanliga sätt för framställning av en SERS prov.. Lösningsbaserade och substratbaserade metoder ¹³ lösningsbaserade metod använder NP kolloider blandas med prover. Därefter NP-analyt-komplexet uppsamlas med användning av centrifugering, och avsattes på en fast bärare för Raman mätning efter torkning. Underlaget baserad metod är vanligen tillämpas genom att deponera flera mikroliter av vätskeprov på prefabricerade fast substrat. ¹⁴ Varken av dessa två metoder är effektiva och gäller för en stor mängd provvolymen. Flera modifieringar av SERS analyserna vann de volymgränser, såsom integrering av ett filtersystem ^15-21 eller införlivandet av en mikroflödessystem enhet. ^21-24 De modifierade SERS analyser har visat stor förbättring i känslighet och genomförbarhet för övervakning av kemiska föroreningar i stora vattenprov.

Här visar vi detaljerat protokoll för tillverkning och tillämpning av en spruta filter baserat SERS metod för att detektera spårmängder av ferbam bekämpningsmedel och antibiotika ampicillin.

Protocol

1. Silver Nanoparticle Synthesis ¹⁵

1. Lös 18 mg silvernitrat i 100 ml ultrarent vatten (18,2 ΩU) och skaka i 5 sek.
2. Lös 27 mg natriumcitratdihydrat i en ml vatten och skaka i 5 sek.
3. Överför alla beredda silvernitratlösning till en konisk kolv innehållande en omrörningsstav och sätta kolven på en magnetisk värmeplatta. Upphetta kolven under kraftig omröming med en omröringshastighet av 700 varv per minut vid ~ 350 ° C (inställning temperatur på plattan).
4. När kokning, lägga till alla av det beredda natriumcitratlösning till kolven omedelbart och lämna lösningen att koka i ytterligare 25 minuter tills lösningen blir grönbrun, vilket indikerar bildandet av Ag NPS.
5. Ta kolven från den varma plattan och placera den på en annan magnetplatta (inte värme) och rör om O / N vid samma omrörningshastighet vid RT tills blandningen når ett stabilt tillstånd, med en konstant färg och transparency. Använda en UV-vis spektrometer för att bestämma absorbansen hos de framställda Ag NP om nödvändigt.
6. Späd den slutliga blandningen med ultrarent vatten till 100 ml.
7. Använd en Zetasizer att mäta storleken på Ag NP vid behov enligt tillverkarens protokoll.
8. Överför Ag kolloid till en sluten behållare och skydda den från ljus med aluminiumfolie. Kolloiden kan förvaras i kylskåp vid 4-7 ° C under 2 månader om det behövs.

2. Tillverkning av en SERS Active filtermembran

1. Lös upp 2,92 g natriumklorid (NaCl) i 100 ml vatten för att göra en 50 mM NaCl-lösning.
2. Tillsätt 1 ml av 5 mM NaCl-lösning i 1 ml av de beredda Ag NP och blanda dem på en nuterande blandare under 10 minuter vid 20 rpm. Detta steg är att aggregera Ag NP i Ag nanokluster.
3. Placera ett filtermembran (PVDF, 0,1 | j, m porstorlek) in i en filterhållare, som kan fästas på en spruta. Den mindre porstorlek membranet var found effektivare än större porstorlek membran (dvs 0,22 um) i att fånga Ag nanokluster och producera konsekventa signaler.
4. Last 2 ml av den beredda Ag nanokluster i sprutan för filtrering. Montera filterhållaren till sprutan och manuellt passera hela volymen av Ag nanokluster genom membranet vid en flödeshastighet av 1 droppe / sekund. Membran fällor Ag nanokluster, som bildar en SERS-aktiv filtermembranet.
5. Lösgöra filtermembranet från filterhållaren. Särskild försiktighet krävs när man håller membranet på den yttre kanten med hjälp av en pincett för att säkerställa att inga skador på membranet. Lufttorka i ca 3 min och plats membran på ett objektglas.
6. Raman upptäckt av SERS-substrat
   1. Ställa in Raman instrumentet till en 780 nm våglängd laser med en lasereffekt av 5 mW, exponeringstid på 1 sek och exponering antal 2. Ställ den mikroskopiska mål att 10X. Se till att målet på programvaran ställs följaktligen också. </ Li>
   2. Placera objektglaset med membranet på toppen på plattformen av Raman-instrument och använda mikroskop för att fokusera på ytan av membranet.
   3. Slumpmässigt välja 8-10 fläckar från membranytan och instrumentet kommer att samla dem automatiskt i sekvens. Öppna spektraldata i tillverkarens programvara för analys.

3. Tillämpning av SERS aktiva filtersystem för att upptäcka kemiska föroreningar

1. Förbered en 10 ppb ferbam lösning.
   Varning: ferbam är mycket volatil. Använd försiktighetsåtgärder (respirator och skyddsglasögon) vid vägning fast.
   1. Väg 2 mg ferbam pulver och lös det i 20 ml 50% acetonitril (10 ml acetonitril och 10 ml vatten) för att göra en stamlösning (100 ppm). Virvel kolven under 30 sekunder.
   2. Ta 1 ml av 100 ppm ferbam lösning i ett provrör och tillsätt 9 ml 50% acetonitril för att göra en 10 ppm lösning. Vortexa röret i 5 sek.
   3. Ta 1 ml av10 ppm lösning i ett provrör och tillsätt 9 ml 50% acetonitril för att göra en 1 ppm lösning. Vortexa röret i 5 sek.
   4. Ta 1 ml av 1 ppm lösning i ett provrör och tillsätt 9 ml 50% acetonitril för att göra en 100 ppb lösning. Vortexa röret i 5 sek.
   5. Ta 1 ml av 100 ppb lösning i ett provrör och tillsätt 9 ml 50% acetonitril för att göra en 10 ppb lösning. Vortexa röret i 5 sek.
2. Bered en 1 ppm ampicillin lösning.
   1. Väg 10 mg ampicillin pulver och lös det i 100 ml vatten för att göra en 100 ppm ampicillin lösning. Virvel kolven under 30 sekunder.
   2. Ta 1 ml av 100 ppm lösning i ett provrör och tillsätt 9 ml vatten för att göra en 10 ppm ampicillin lösning. Vortexa röret i 5 sek.
   3. Ta 1 ml av 10 ppm lösning i ett provrör och tillsätt 9 ml vatten för att göra en 1 ppm ampicillin-lösning. Vortexa röret i 5 sek.
3. Sätt filtermembranet tillbaka till filterhållaren, med NP belagda sidan uppåt. </ Li>
4. Belastning 5 ml ett prov i en ny spruta, och sedan bifoga det till filterhållaren med en Ag belagd membran inuti.
5. Manuellt passera hela volymen av provet genom membranet vid en flödeshastighet av 1 droppe / sekund. Målmolekyler kan adsorberas och koncentreras på de NP belagda på filtermembranet.
6. Drag av filtermembranet från filterhållaren, lufttorka i ca 3 min och mät signalerna med användning av Raman-instrument med användning av samma metod som beskrivs i steg 2,6.
7. Upprepa steg 2,2 till 2,6 för att förbereda en annan Ag-belagda membran och följ från steg 3,3 för detektion av det andra provet.

Representative Results

De viktigaste stegen i detta experiment visas i det schematiska diagrammet (figur 1). Figur 2 visat betydelsen att använda den optimerade volymen AgNPs i membranbeläggningen i syfte att nå den maxim känslighet. 1 ml av Ag NP ger den starkaste signalen vid användning av ferbam, jämfört med 0,5 ml (otillräcklig beläggning) eller 2 ml (för mycket beläggnings).

Vi kunde upptäcka ferbam på 10 ppb nivå och ampicillin på 1 ppm med stor signalstyrka från den utvecklade filterbaserade SERS analys (Figur 1). SERS spektrum av ferbam uppvisar distinkta karakteristiska toppar vid 10 ppb. Toppen vid 1,386 cm ^-1 är från den blandade vibration till KN och C = S stretching, och symmetrisk CH ₃ deformation. Toppen på 1,516 cm ^-1 är förknippad med CH ₃ och CN stretching. Toppen vid 561 cm 25-27 Spektrumet av en ppm ampicillin också tydligt detekteras. Toppen på 1,594 cm ^-1 och 1.447 cm ^-1 är från C = C stretching och CH ₃ / CH ₂ deformation, respektive. Den starka toppen vid 1001 cm ^-1 är från bensenringen vibrationer. Toppen vid 852 ^cm-1 är förknippad med symmetrisk CNC stretching. ^28-29 Den experimentella tid för analys av ett prov är mindre än 20 min inklusive tillverkning av SERS-aktiva filtermembran med pre-syntetiserade Ag NP.

Med ökande provvolym, kan vi ytterligare öka detektionsgränsen, såsom visas i figur 4. Vi observerade en ökning av toppintensitet vid ökning av provvolymen. Detta är fördelen med filtret baserad metod eftersom volymen är inställbar och detektionsgränsen är också justerbar.

ether.within-page = "1">
Figur 1. En schematisk bild av filter SERS analys. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. SERS-spektra av 5 ml 100 ppb ferbam passerar genom membranen belagda med olika mängd Ag NP Från toppen till botten. 0,5 ml Ag kolloid med 0,5 ml NaCl, 1,0 ml Ag med 1,0 ml NaCl, 1,5 ml Ag med 1,5 ml NaCl, respektive. klicka här för att se en större version av denna siffra.

91 / 53791fig3.jpg "/>
Figur 3. SERS-spektra av ferbam och ampicillin på Ag NP belagda filtermembran Från toppen till botten. Kontroll av 50% acetonitril, 10 ppb ferbam, kontroll av vatten, 1 ppm Ampicillin, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. SERS-spektra av olika volymer av 100 ppb ferbam på Ag NP belagda filtermembran Från toppen till botten. 3 ml ferbam, 5 ml ferbam, 7 ml ferbam, 9 ml ferbam respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

En av de kritiska stegen i detta protokoll är Ag NP syntes, där enhetliga Ag NP är nyckeln till konsekventa resultat. Uppvärmningstiden och koncentrationerna av prekursorer måste styras exakt. Den genomsnittliga storleken på denna AgNPs preparat är 80 nm, vilket mättes genom Zetasizer (data ej visade). En annan avgörande steg är saltet sammanläggning där saltkoncentrationen och aggregering tid måste kontrolleras exakt. Dessutom är också kritisk valet av membran såsom membranet med en mindre porstorlek befanns mer effektivt att fånga Ag nanokluster. För den speciella membranet som används i denna studie, finns det en fram- och baksida, där den främre sidan måste placeras upp i hållaren för att koppla sprutan. Om den placerades ned, beläggningen var mycket mindre effektiva. Undvika bubblor när de passerar genom membranet är en annan nyckel till en lyckad beläggning.

För felsökning av denna analys, följande stegrekommenderas. Om ingen eller liten signal upptäcks, kontrollera följande orsaker. Den främsta orsaken kan vara Ag NP är inte samman tillräckligt för att bli instängd i porerna i filtermembranet. Ökning av saltkoncentrationen och / eller inkuberingstiden kan förbättra aggregation. Annars kontrollera att baksidan av filtermembranet är vänd uppåt och att volymen eller koncentrationen av provet laddades på membranet inte är för låg. Om signalen från målmolekylen är inte konsekvent, kontrollera följande orsaker: storleksfördelningen av Ag NP kan vara för bred eller de nationella parlamenten är inte jämnt fördelade på membranet, förmodligen på grund av för mycket aggregering av NPS eller för snabbt att passera genom membranet.

Jämfört med våra tidigare uppgifter om att använda Ag dendriter som SERS substrat, ^30-31 känsligheten för detta filter baserade SERS analysen är mycket högre på ferbam upptäckt. Detta beror på att fördelen av filterbaserat system, som kan strömma laRGE mängd prov, så att fler analytmolekyler är koncentrerade på SERS substratet. En annan fördel med att använda filterbaserat system över den lösningsbaserade metod är enkel drift och fieldable mätning, som behövs ingen centrifugering för att samla in den NP-analyt-komplexet. Begränsningen med denna metod är att det inte kan användas för komplexa flytande matriser såsom mjölk direkt, eftersom de komplexa komponenter kan blockera membranporerna. Förbehandling behövs för att avlägsna störande komponenter innan de passerar membranet.

Sammanfattningsvis visar vi en enkel och känslig filterbaserad SERS-analysen, som skulle kunna tillämpas på detektering av föroreningar eller förfalskningar i matris med flytande livsmedel och miljöprover. För att ytterligare driva detektionsgränsen, behövs optimering av parametrar, såsom NP storlekar och mängd, saltkoncentration, provvolym och instrumentparametrar.

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