Ein Filter-basierten oberflächenverstärkter Raman-spektroskopische Assay zum schnellen Nachweis von chemischen Verunreinigungen

Zusammenfassung

Ein Verfahren zur Herstellung und Durchführung der filterbasierten oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) Assay zum Nachweis von chemischen Verunreinigungen (dh Pestizid Ferbam und Antibiotikum Ampicillin) dargestellt.

Zusammenfassung

We demonstrate a method to fabricate highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopic (SERS) substrates using a filter syringe system that can be applied to the detection of various chemical contaminants. Silver nanoparticles (Ag NPs) are synthesized via reduction of silver nitrate by sodium citrate. Then the NPs are aggregated by sodium chloride to form nanoclusters that could be trapped in the pores of the filter membrane. A syringe is connected to the filter holder, with a filter membrane inside. By loading the nanoclusters into the syringe and passing through the membrane, the liquid goes through the membrane but not the nanoclusters, forming a SERS-active membrane. When testing the analyte, the liquid sample is loaded into the syringe and flowed through the Ag NPs coated membrane. The analyte binds and concentrates on the Ag NPs coated membrane. Then the membrane is detached from the filter holder, air dried and measured by a Raman instrument. Here we present the study of the volume effect of Ag NPs and sample on the detection sensitivity as well as the detection of 10 ppb ferbam and 1 ppm ampicillin using the developed assay.

Einleitung

Oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) ist eine Technik, die Kombination von Raman-Spektroskopie mit Nanotechnologie. Die Intensität der Raman-Streuung von Analyten an Edelmetallnano Oberflächen wird durch die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz stark verbessert. ^{1 Silber-Nanopartikel} (Ag NPs) sind bei weitem die am häufigsten verwendeten SERS Substrate aufgrund seiner hohen Verstärkung Fähigkeit. ² Bisher wurden verschiedene Syntheseverfahren von Ag-NPs entwickelt. ^3-6 Ag-Nanopartikeln allein so wirksam SERS Substrate verwendet werden können, oder mit anderen Materialien und Strukturen kombiniert, um die Empfindlichkeit und / oder Funktionalität zu verbessern. ^7-11

SERS-Techniken haben große Kapazität für die Detektion verschiedener Spurenmengen von Kontaminanten in Lebensmitteln und Umweltproben zeigten ¹² Traditionell gibt es zwei allgemeine Möglichkeiten zur Herstellung eines SERS Beispiel:.. Lösungs-und-Substrat-basierte Verfahren ¹³ Die Lösungs-method verwendet NP Kolloide mit Proben zu mischen. Dann wird das NP-Analyt-Komplexes unter Verwendung von Zentrifugation gesammelt und auf einem festen Träger für die Raman-Messung nach dem Trocknen aufgebracht. Das Substrat-basierten Verfahren wird in der Regel durch Aufbringen von mehreren Mikroliter einer flüssigen Probe auf die vorgefertigte feste Substrat aufgebracht. ¹⁴ sind jedoch keine dieser beiden Methoden effektiv und geeignet für eine große Menge an Probenvolumen. Mehrere Änderungen der SERS-Assays überwand die Volumengrenzen, wie die Integration eines Filtersystems ^15-21 oder den Einbau einer Mikrofluidik-Vorrichtung. ^21-24 Die modifizierten SERS-Assays große Verbesserung in der Empfindlichkeit und Machbarkeit gezeigt haben, für die chemische Verunreinigungen Überwachung in großen Wasserproben.

Hier zeigen wir die detaillierte Protokoll der Herstellung und Anwendung einer Spritzenfilter basierend SERS Verfahren Spurenmenge an Pestizid Ferbam und Antibiotikum Ampicillin zu detektieren.

Protokoll

1. Silbernanopartikelsynthese ¹⁵

1. Man löst 18 mg Silbernitrat in 100 ml Reinstwasser (18.2 ΩU) und Vortex für 5 Sek.
2. Man löst 27 mg Natriumzitratdihydrat in 1 ml Wasser und Vortex für 5 Sek.
3. Übertragen Sie alle der hergestellten Silbernitratlösung zu einem Erlenmeyerkolben mit Rührstab und stellte die Flasche auf einem Magnet heißen Platte enthält. Wird der Kolben unter kräftigem Rühren mit einer Rührgeschwindigkeit von 700 Umdrehungen pro Minute bei ~ 350 ° C (Einstellung Temperatur auf der Platte).
4. Beim Kochen, fügen sofort alle der vorbereiteten Natriumcitratlösung zu den Erlenmeyerkolben gegeben und die Lösung verlassen für weitere 25 min zum Sieden, bis die Lösung grünlich braun wird, die die Bildung von Ag-Nanopartikeln zeigt.
5. Entfernen Sie den Kolben von der heißen Platte und legen Sie sie auf einem anderen Magnetplatte (nicht erhitzen) und rühren O / N in der gleichen Rührgeschwindigkeit bei RT, bis die Mischung erreicht einen stabilen Zustand, mit einer konstanten Farbe und Transparency. Verwenden Sie ein UV-VIS-Spektrometer der Absorption der hergestellten Silber-Nanopartikel, um festzustellen, wenn nötig.
6. Verdünne die Endmischung mit ultrareinem Wasser auf 100 ml.
7. Verwenden Sie einen Zetasizer die Größe der Silber-Nanopartikel zu messen, wenn notwendig, nach dem Protokoll des Herstellers.
8. Übertragen Sie die Ag-Kolloid zu einem verschlossenen Behälter und schützen sie vor Licht mit Aluminiumfolie. Das Kolloid kann bei Bedarf für 2 Monate bei 4-7 ° C im Kühlschrank aufbewahrt werden.

2. Herstellung eines SERS Aktive Filter Membrane

1. Man löst 2,92 g Natriumchlorid (NaCl) in 100 ml Wasser, um eine 50 mM NaCl-Lösung herzustellen.
2. 1 ml der 5 mM NaCl-Lösung in 1 ml der hergestellten Silber-Nanopartikel und mischen sie auf einem Taumelmischer für 10 Minuten bei 20 Umdrehungen pro Minute. Dieser Schritt ist die Silber-Nanopartikel in Ag-Nanocluster zu aggregieren.
3. Platzieren einer Filtermembran (PVDF, 0,1 um Porengrße) in einem Filterhalter, die an einer Spritze befestigt werden kann. Der kleinere Porengröße Membran war found wirksamer als die größere Porengröße Membran (dh 0,22 um) in Trapping Ag-Nanocluster und Erzeugen konsistenter Signale.
4. Last 2 ml der hergestellten Ag-Nanocluster in die Spritze für die Filtration. Bringen Sie den Filterhalter an der Spritze und manuell das gesamte Volumen von Ag-Nanocluster durch die Membran in einer Fließrate von 1 Tropfen / s übergeben. Die Membran Fallen Ag-Nanocluster, eine SERS-aktiven Filtermembran bilden.
5. Nehmen Sie die Filtermembran aus dem Filterhalter. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn die Membran am äußeren Rand, die eine Pinzette keine Beschädigung der Membran zu gewährleisten. Luft trocknen für ca. 3 min und Platz Membran auf einem Glasträger.
6. Raman Detektion des SERS-Substrat
   1. Stellen Sie die Raman Instrument zu einem 780 nm Wellenlängenlaser mit einer Laserleistung von 5 mW, Bestrahlungszeit von 1 sec und Belichtungszahl von 2. Stellen Sie die mikroskopische Objektiv zu 10X. Stellen Sie sicher, das Ziel auf der Software entsprechend zu gesetzt ist.
   2. Setzen Sie den Glasobjektträger mit der Membran auf der Oberseite auf die Plattform des Raman-Instruments und verwenden das Mikroskop auf der Oberfläche der Membran zu konzentrieren.
   3. Wähle zufällig 8-10 Flecken von der Membranoberfläche und das Instrument wird sie automatisch in Folge sammeln. Offene spektralen Daten im Hersteller-Software für die Analyse.

3. Anwendung der Active Filter System SERS zum Nachweis chemischer Kontaminanten

1. Bereiten Sie eine 10 ppb Ferbam Lösung.
   Achtung: Ferbam ist sehr volatil. Vorsichtsmaßnahmen (Atemschutzmaske und Schutzbrille), wenn die feste wiegen.
   1. Wiegen Sie 2 mg Ferbam Pulver und löst ihn in 20 ml 50% Acetonitril (10 ml Acetonitril und 10 ml Wasser), um eine Stammlösung (100 ppm) zu machen. Mischen Sie den Kolben für 30 Sekunden.
   2. Nehmen Sie 1 ml der 100 ppm Ferbam Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril 10 ppm-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek.
   3. Nehmen Sie 1 ml der10 ppm Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril eine 1 ppm-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek.
   4. Nehmen Sie 1 ml der 1 ppm Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril eine 100-ppb-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek.
   5. Nehmen Sie 1 ml der 100-ppb-Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml 50% Acetonitril 10 ppb Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek.
2. Bereiten Sie eine 1 ppm Ampicillin Lösung.
   1. Wiegen 10 mg Ampicillin Pulver und löst ihn in 100 ml Wasser auf 100 ppm Ampicillin-Lösung zu machen. Mischen Sie den Kolben für 30 Sekunden.
   2. Nehmen Sie 1 ml der 100 ppm-Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml Wasser zu einer 10 ppm Ampicillin-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek.
   3. Nehmen Sie 1 ml der 10-ppm-Lösung in einem Reagenzglas und fügen 9 ml Wasser zu einer 1 ppm Ampicillin-Lösung zu machen. Mischen Sie den Schlauch für 5 Sek.
3. Setzen Sie die Filtermembran zurück in den Filterhalter, mit dem NP beschichtete Seite nach oben zeigt.
4. Last 5 ml einer Probe in eine neue Spritze, und dann hängen Sie es an den Filterhalter mit einer Ag-beschichtete Membran im Inneren.
5. geben manuell das gesamte Volumen der Probe durch die Membran in einer Fließrate von 1 Tropfen / s. Zielmoleküle können auf den auf der Filtermembran beschichteten Nanopartikeln adsorbiert und konzentriert werden.
6. Trennen Filtermembran aus dem Filterhalter, der Luft trocknen lassen für etwa 3 min und Messen der Signale des Raman-Instrument unter Verwendung der gleichen Methode wie in Schritt 2.6 beschrieben.
7. Wiederholen Sie Schritt 2,2 bis 2,6, um eine weitere Ag-beschichteten Membran vor, und ergeben sich aus Schritt 3.3 für den Nachweis der anderen Probe.

Ergebnisse

Die wichtigsten Schritte dieses Versuches wurden in der schematischen Darstellung (Abbildung 1). Abbildung 2 demonstriert die Bedeutung der optimierten Volumen AGNPS in der Membranbeschichtung zu verwenden, um die Empfindlichkeit maximiert zu erreichen. 1 ml der Silber-Nanopartikel bietet das stärkste Signal, wenn Ferbam verwenden, im Vergleich zu 0,5 ml (unzureichende Beschichtung) oder 2 ml (zuviel Beschichtung).

Diskussion

Einer der kritischen Schritte in diesem Protokoll ist das Silber-Nanopartikel-Synthese, wo gleichmäßige Silber-Nanopartikel der Schlüssel für konsistente Ergebnisse sind. Die Erwärmungszeit und die Konzentrationen von Vorstufen werden müssen präzise gesteuert. Die durchschnittliche Größe von 80 nm AGNPS Zubereitung ist, die durch die Zetasizer gemessen wurde (Daten nicht gezeigt). Ein weiterer kritischer Schritt ist das Salz Aggregation, wo die Salzkonzentration und Aggregationszeit müssen genau gesteuert werd...

Materialien

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