Yöntem makalesi

Kimyasal bulaşanların Hızlı Algılama için Raman Spektroskopisi Tahlili Geliştirilmiş A Filtre tabanlı Yüzey

DOI:

10.3791/53791

⸱

19 Şubat 2016

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

Bu makalede

Özet

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

Imalat ve kimyasal kirleticilerin (örneğin, pestisid ferbam ve antibiyotik ampisilin) ​​tespiti için Raman spektroskopi (SERS) deneyi geliştirilmiş filtre tabanlı yüzey yapmak için bir prosedür sunulmuştur.

Özet

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

Çeşitli kimyasal kirleticilerin tespitine uygulanabilen bir filtre şırınga sistemi kullanarak son derece hassas yüzeyde geliştirilmiş Raman spektroskopik (SERS) substratlar üretmek için bir yöntem gösteriyoruz. Gümüş nanopartiküller (Ag NP'ler), gümüş nitratın sodyum sitrat ile indirgenmesi yoluyla sentezlenir. Daha sonra NP'ler, filtre zarının gözeneklerinde sıkışıp kalabilecek nanokümeler oluşturmak için sodyum klorür ile toplanır. Filtre tutucusuna, içinde bir filtre zarı bulunan bir şırınga bağlanır. Nanokümeleri şırıngaya yükleyerek ve zardan geçerek, sıvı zardan geçer, ancak nanokümelerden geçmez ve SERS aktif bir zar oluşturur. Analit test edilirken, sıvı numune şırıngaya yüklenir ve Ag NPs kaplı membrandan akıtılır. Analit, Ag NPs kaplı membrana bağlanır ve konsantre olur. Daha sonra membran filtre tutucusundan ayrılır, hava ile kurutulur ve bir Raman aleti ile ölçülür. Burada, Ag NP'lerin ve numunenin algılama duyarlılığı üzerindeki hacim etkisinin yanı sıra geliştirilen tahlil kullanılarak 10 ppb ferbam ve 1 ppm ampisilin tespitinin çalışmasını sunuyoruz.

Giriş

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

Yüzey Raman spektroskopisi (SERS) nanoteknoloji ile Raman spektroskopisi birleştiren bir tekniktir. Asil metalik nano-yüzeylerde analitlerin Raman saçılması yoğunluğu büyük ölçüde lokalize yüzey plazmon rezonansı ile geliştirilmiştir. 1 Gümüş nanopartiküller (Ag NPS) artık farkla en yaygın olarak kullanılan SERS nedeniyle yüksek geliştirme yeteneği yüzeylerde. 2 kadar olan Ag NPlerin çeşitli sentetik yöntemler geliştirilmiştir. 3-6 Ag NPS, sensitivite ve / veya işlevini geliştirmek için etkili bir SERS substratlar olarak tek başına ya da diğer malzemeler ve yapılar ile kombine edilebilir. 7-11

SERS teknikleri, gıda ve çevre örneklerinde çeşitli eser miktarda kirletici tespiti için büyük bir kapasiteye göstermiştir 12 Geleneksel olarak, bir SERS örneği hazırlamak için iki ortak yolu vardır:.. Çözüm tabanlı ve yüzey-temelli yöntemler 13 çözüm tabanlı yöntemiid örnekleri ile karıştırmak için NP kolloidler kullanır. Daha sonra NP-analit kompleksi santrifüj kullanılarak toplandı ve kurutulduktan sonra Raman ölçümü için bir katı destek üzerine tatbik edilir. Alt tabaka esas yöntem genellikle prefabrike bir katı alt-tabaka üzerine bir sıvı örneğinin birçok mikrolitre biriktirilmesi ile uygulanır. 14. Bununla birlikte, bu iki yöntem de, numune hacminin büyük bir miktarda etkin ve uygulanabilir. SERS testlerin bazı değişiklikler böyle bir filtre sistemi 15-21 entegrasyonu veya bir mikroakışkan cihazın dahil olarak hacim sınırları aştı. 21-24 modifiye SERS deneyleri, kimyasal kirleticiler izlemek için duyarlılık ve fizibilite büyük artışı göstermiştir büyük su örneklerinde.

Burada pestisit ferbam ve antibiyotik ampisilin kalıntılarını tespit etmek için, imalat ve şırıngalı bir filtre göre SERS yönteminin uygulamanın ayrıntılı protokol göstermektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Gümüş Nanoparçacık Sentezi 15

  1. 5 saniye boyunca 100 mi, aşırı saf su (18.2 ΩU) ve vorteks 18 mg gümüş nitrat çözeltisi ile çözülmüştür.
  2. 5 saniye boyunca 1 ml su ve vorteks 27 mg sodyum sitrat dihidrat çözülür.
  3. Bir karıştırma çubuğu ihtiva eden bir erlene hazırlanan gümüş nitrat çözeltisi her aktarın ve manyetik bir sıcak plaka üzerinde akıtma koydu. ~ 350 ° C de, 700 rpm'lik bir karıştırma hızı ile kuvvetli karıştırma altında balon Isı (plaka sıcaklık ayarı).
  4. kaynar zaman hemen erlene hazırlanan sodyum sitrat çözeltisi tüm ekleyin ve çözüm Ag NPS oluşumunu gösteren yeşilimsi kahverengi, açılana kadar ilave 25 dakika kaynatın çözüm bırakın.
  5. Sıcak plaka şişeyi çıkarın ve sabit renk ve tran ile, başka bir manyetik plaka üzerine koydu (ısı değil) ve heyecan O / N oda sıcaklığında aynı karıştırma hızında karışım istikrarlı bir duruma ulaşana kadarsparency. Gerekirse hazırlanan Ag NPlerin emişi belirlemek üzere bir UV spektrometresi kullanarak.
  6. 100 ml saf su ile nihai karışımı ile seyreltilir.
  7. Gerekirse, üreticinin protokolüne uygun olarak Ag NPlerin boyutunu ölçmek için, bir Zetasizer kullanarak.
  8. kapalı bir kaba Ag kolloid aktarın ve alüminyum folyo ile ışıktan korumak. Gerekirse kolloid 2 ay boyunca 4-7 ° C'de buzdolabında saklanır.

Bir SERS Aktif Filtre Membran 2. Fabrikasyon

  1. 50 mM NaCI solüsyonu yapmak üzere, 100 ml su içinde 2.92 g sodyum klorür (NaCI) içinde çözülür.
  2. hazırlanan Ag NPlerin 1 ml 5 mM NaCI çözeltisi 1 ml ilave edilir ve 20 rpm'de 10 dakika için bir sallanan karıştırıcıda karıştırın. Bu adım Ag nanoclustere içine Ag NPS bir araya etmektir.
  3. Bir şırıngaya birleştirilebilen bir filtre tutucusu, bir membran filtre (PVDF, 0.1 um gözenek boyutu) yerleştirin. Daha küçük gözenek boyutu zar fo oldututarlı sinyalleri Ag nanoyığınlar yakalama ve üretiminde büyük gözenek boyutu membranı (yani, 0.22 mikron) daha und daha etkili.
  4. Yük filtrasyon için şırınga içine hazırlanmış Ag nanoclustere 2 ml. şırınga filtre yuvasını takın ve elle 1 damla / sn akış hızında zarından Ag nanoclustere tüm hacmini geçmektedir. Membran tuzakları Ag nanokümeler, bir SERS-aktif filtre membran oluşturur.
  5. Filtre tutucu filtre membran ayırın. zara hiçbir zarar sağlamak için bir cımbız kullanarak dış kenarında zarı tutarken özellikle dikkat gereklidir. Bir bardak slayt yaklaşık 3 dk ve yer zarının hava kuru.
  6. SERS substratın Raman algılama
    1. 5 mW, 10X mikroskobik hedefi ayarlayın 2. 1 sn ve maruziyet numarasının pozlama süresi bir lazer gücüne sahip bir 780 nm dalga boyundaki lazer Raman cihazı ayarlayın. yazılım üzerinde objektif çok buna ayarlanmış olduğundan emin olun.
    2. Raman aracın platform üzerine üstündeki membran ile cam slayt yerleştirin ve membran yüzeyinde odaklanmak için mikroskop kullanıyoruz.
    3. Rasgele membran yüzeyinde 8-10 noktalar seçin ve enstrüman sırayla otomatik olarak toplayacaktır. analiz için üreticinin yazılımı açın spektral verileri.

SERS Aktif Filtre Sisteminin 3. Uygulama Kimyasal Bulaşanlar Algılama için

  1. 10 ppb ferbam çözeltisi hazırlayın.
    Dikkat: ferbam çok uçucudur. önlemler (maske ve gözlük) katı ağırlığında kullanın.
    1. 2 mg ferbam tozu tartılır ve bir stok çözeltisi (100 ppm) yapmak için 20 ml% 50 asetonitril (10 ml asetonitril ve 10 ml su) içinde çözülür. 30 saniye için şişeyi vorteksleyin.
    2. Bir test tüpü içinde, 100 ppm ferbam çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppm bir solüsyon hazırlamak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    3. 1 ml alın10 ppm test tüpünde çözeltisi ve 9 ml% 50 asetonitril ilave 1 ppm bir solüsyon hazırlamak için. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    4. Bir test tüpü içinde 1 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 100 ppb solüsyon yapmak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    5. Bir test tüpü içinde, 100 ppb çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppb solüsyon yapmak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
  2. 1 ppm ampisilin çözeltisi hazırlayın.
    1. 10 mg ampisilin toz tartılır ve 100 ppm ampisilin solüsyon yapmak için, 100 ml su içinde çözülür. 30 saniye için şişeyi vorteksleyin.
    2. Bir test tüpü içinde, 100 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppm ampisilin çözeltisinin yapılması için 9 mL su ilave edilir. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    3. Bir test tüpü içinde 10 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 1 ppm ampisilin çözeltisinin yapılması için 9 mL su ilave edilir. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
  3. yukarı bakacak şekilde NP kaplı tarafı, filtre yuvasına geri filtre membran koyun.
  4. Yük 5 Yeni enjektöre bir örnek ml ve daha sonra içinde Ag kaplı membran ile filtre yuvasına takın.
  5. El 1 damla / sn arasında bir akış hızında zar içinden numunenin tüm hacmi geçmektedir. Hedef moleküller, filtre zarı kaplanmış NP üzerine adsorbe edildi ve konsantre edilebilir.
  6. yaklaşık 3 dakika boyunca filtre tutucu, hava kuru filtre zarı ayırmak ve adım 2.6 açıklandığı gibi aynı yöntemi kullanarak Raman aleti kullanılarak sinyalleri ölçmek.
  7. 2.6 adımı tekrarlayın 2.2 başka Ag kaplı membran hazırlamak ve diğer numune tespiti için adım 3,3 takip etmek.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Bu deneyde önemli adımlar şematik diyagram (Şekil 1) gösterilmiştir. 2 maksimize hassasiyeti ulaşmak için membran kaplama olarak AGNPS optimize hacmini kullanmak için önemini göstermiştir Şekil. ferbam kullanıldığında 0.5 ml (yetersiz kaplama) ya da 2 ml (çok fazla kaplama) ile karşılaştırıldığında, Ag NPS 1 ml güçlü sinyali sağlar.

Biz geliştirilen filtre tabanlı SERS deneyi ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Bu protokol kritik adımlardan biri üniforma Ag NPS tutarlı sonuçlar için anahtar Ag NPS sentezi vardır. Isıtma süresi ve ön-maddeleri konsantrasyonları kesin olarak kontrol edilmelidir. Bu AGNPS hazırlanması ortalama büyüklüğü Zetasizer ile ölçülmüştür 80 nm, (veri gösterilmemiştir). Diğer önemli adım tuz konsantrasyonu ve toplama zamanı kesin olarak kontrol edilmelidir tuz toplanmasıdır. daha küçük bir gözenek boyutuna sahip membran tuzağı Ag nanoklastırlaar daha etkili bulunmuştur Buna ek olarak, membran seçimi de öne...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

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

Bu materyal, Minnesota Üniversitesi Ulusal Gıda Koruma ve Savunma Merkezi tarafından verilen bir hibe aracılığıyla 2010-ST-061-FD0001 Hibe Ödülü Numarası altında ABD İç Güvenlik Bakanlığı tarafından desteklenen çalışmaya dayanmaktadır. Yasal Uyarı: Bu belgede yer alan görüşler ve sonuçlar yazarlara aittir ve ABD İç Güvenlik Bakanlığı veya Ulusal Gıda Koruma ve Savunma Merkezi'nin açık veya zımni resmi politikalarını temsil ettiği şeklinde yorumlanmamalıdır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
AmpisilinFisher ScientificBP1760-5N/A
FerbamKimya HizmetiN-11970-250MG%98+%
Gümüş nitratSigma Aldrich20913999.0+%
Sodyum sitrat dehidratSigma AldrichW30260099+%
Sodyum klorürSigma AldrichS765399.5+%
EMD Millipore Durapore PVDF Membran FiltrelerFisher ScientificVVLP013000.10 & mikro; m Gözenek Boyutu, hidrofilik
Polikarbonat Filtre TutucularCole-ParmerEW-29550-4013 mm çap
Analog Vorteks KarıştırıcıFisher Scientific02-215-365Yok
Somunlama MikserleriFisher Scientific05-450-213N/A
DXR Raman spektroskopuThermo ScientificIQLAADGABFFAHCMAPBLazer gücü: 1 mW
Pozlama süresi: 5 sn

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Y zey G lendirmeli Raman SpektroskopisiG m Nanopar ac k SenteziFiltre Membran AnaliziKimyasal Kontaminant TespitiNanopar ac k AgregasyonuSERS Substrat FabrikasyonuRaman Spektroskopi AnaliziEser Seviye TespitiHacim Etkisi OptimizasyonuFerbam Ampisilin Tespiti

İlgili makaleler