Une surface à base de filtre-Enhanced Raman spectroscopique test pour la détection rapide des contaminants chimiques

Résumé

Un procédé pour la fabrication et la réalisation de la surface de filtrage du type spectroscopique Raman améliorée (SERS) essai pour la détection de contaminants chimiques (par exemple, un pesticide et ferbame antibiotique ampicilline) est présentée.

Résumé

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.

Introduction

Surface spectroscopie Raman améliorée (SERS) est une technique combinant la spectroscopie Raman avec la nanotechnologie. L'intensité de la diffusion Raman des analytes à nano-surfaces métalliques nobles est grandement améliorée par la résonance plasmonique de surface localisée. ¹ nanoparticules d'argent (Ag IP) sont de loin les SERS plus largement utilisés substrats en raison de sa capacité d'amélioration de haute ^2. Jusqu'à présent, , diverses méthodes de synthèse de Ag IP ont été développés. ^3-6 Ag IP peut être utilisé seul en tant que substrats SERS efficaces, ou combinés avec d'autres matériaux et des structures pour améliorer sa sensibilité et / ou la fonctionnalité. ^7-11

Techniques de SERS ont démontré une grande capacité de détection de divers contaminants de l'état de traces dans les échantillons alimentaires et environnementaux ¹² Traditionnellement, il y a deux façons communes pour la préparation d'un échantillon de SERS:.. Et les méthodes à base de substrat à base de solution ¹³ La métho à base de solutiond utilise colloïdes NP se mélanger avec les échantillons. Ensuite, le complexe analyte-NP est recueilli par centrifugation, et déposé sur un support solide pour la mesure Raman après séchage. La méthode à base de substrat est généralement appliqué en déposant plusieurs microlitres d'échantillon liquide sur le substrat solide préfabriqué. ¹⁴ Cependant, aucun de ces deux méthodes sont efficaces et applicables pour une grande quantité de volume d'échantillon. Plusieurs modifications des tests de SERS surmonté les limites de volume, tels que l'intégration d'un système de filtre ^15-21 ou l'incorporation d'un dispositif microfluidique. ^21-24 Les tests de SERS modifiés ont montré une grande amélioration de la sensibilité et de la faisabilité de la surveillance des contaminants chimiques dans les grands échantillons d'eau.

Ici, nous démontrons le protocole détaillé de la fabrication et de l'application d'une méthode de SERS base filtre à seringue pour détecter des traces de pesticides ferbame et antibiotique ampicilline.

Protocole

1. Argent nanoparticules de synthèse ¹⁵

1. Dissoudre 18 mg de nitrate d'argent dans 100 ml d'eau ultra-pure (18,2 ΩU) et vortex pendant 5 sec.
2. Dissoudre 27 mg de citrate de sodium dihydraté dans de l'eau de 1 ml et vortex pendant 5 sec.
3. Transférer la totalité de la solution de nitrate d'argent préparé dans une fiole conique contenant une barre d'agitation et de mettre le ballon sur une plaque chauffante magnétique. Chauffer le ballon sous agitation vigoureuse avec une vitesse d'agitation de 700 tours par minute à ~ 350 ° C (réglage de la température sur la plaque).
4. Lorsque l'ébullition, ajouter la totalité de la solution préparée de citrate de sodium à la fiole conique immédiatement, et de laisser la solution à ébullition pour un 25 minutes supplémentaires jusqu'à ce que la solution vire au brun verdâtre, ce qui indique la formation d'Ag IP.
5. Enlever le ballon de la plaque chauffante et le mettre sur une autre plaque magnétique (ne pas chauffer) et remuer O / N à la même vitesse d'agitation à température ambiante jusqu'à ce que le mélange atteigne un état stable, avec une couleur et tran constantesparency. Utiliser un spectromètre UV-visible pour déterminer l'absorbance des IP Ag préparés si nécessaire.
6. Diluer le mélange final avec de l'eau ultra pure à 100 ml.
7. Utilisez un Zetasizer pour mesurer la taille des IP Ag si nécessaire selon le protocole du fabricant.
8. Transférer le colloïde Ag dans un récipient étanche et protéger de la lumière d'une feuille d'aluminium. Le colloïde peut être stocké dans un réfrigérateur à 4-7 ° C pendant 2 mois, si nécessaire.

2. Fabrication d'un filtre actif Membrane SERS

1. Dissoudre 2,92 g de chlorure de sodium (NaCl) dans 100 ml d'eau pour obtenir une solution de NaCl 50 mM.
2. Ajouter 1 ml de la solution NaCl 5 mM dans 1 ml de PN Ag préparés et les mélanger dans un mélangeur oscillant pendant 10 minutes à 20 tours par minute. Cette étape consiste à agréger les IP Ag dans nanograppes AG.
3. Placer une membrane filtrante (PVDF, 0,1 um de taille des pores) dans un porte-filtre, qui peut être fixé à une seringue. La membrane ayant une taille de pores inférieure était found plus efficace que la membrane de plus grande taille de pores (par exemple, 0,22 um) dans piégeage nanoclusters Ag et produire des signaux cohérents.
4. 2 ml charge des nanoclusters Ag préparés dans la seringue pour la filtration. Fixez le porte-filtre sur la seringue et de passer manuellement la totalité du volume de nanograppes Ag à travers la membrane à raison de 1 goutte / s de débit. Les pièges à membrane nanoclusters Ag, formant une membrane filtrante SERS-active.
5. Détacher la membrane du filtre du porte-filtre. Une attention particulière est nécessaire lors de la tenue de la membrane sur le bord extérieur à l'aide d'une paire de pinces pour ne pas endommager la membrane. Sécher à l'air pendant environ 3 min membrane et le placer sur une lame de verre.
6. détection Raman du substrat SERS
   1. Réglez l'instrument Raman à un laser de longueur d'onde de 780 nm avec une puissance laser de 5 mW, temps d'exposition de 1 sec et l'exposition nombre de 2. Définissez l'objectif microscopique 10X. Assurez-vous que l'objectif du logiciel est réglé en conséquence aussi.
   2. Placer la lame de verre avec la membrane sur le dessus de la plate-forme de l'instrument Raman et en utilisant le microscope à se concentrer sur la surface de la membrane.
   3. choisir au hasard 8-10 points de la surface de la membrane et l'instrument va les collecter automatiquement dans l'ordre. données spectrales ouverts dans le logiciel du fabricant pour l'analyse.

3. Application du système SERS de filtre actif pour détecter les contaminants chimiques

1. Préparer une solution de ferbame 10 ppb.
   Attention: Ferbam est très volatil. Les précautions à prendre (respirateurs et lunettes) lors de la pesée du solide.
   1. Peser 2 mg ferbame poudre et le dissoudre dans 20 ml de 50% d'acétonitrile (10 ml d'acétonitrile et 10 ml d'eau) pour obtenir une solution de stock (100 ppm). Vortexer le flacon pendant 30 secondes.
   2. Prélever 1 ml de la solution de ferbame 100 ppm dans un tube à essai et 9 ml 50% d'acétonitrile pour obtenir une solution de 10 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
   3. Prélever 1 ml de la10 ppm de la solution dans un tube à essai et 9 ml 50% d'acétonitrile pour obtenir une solution à 1 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
   4. Prélever 1 ml de la solution à 1 ppm dans un tube à essai et ajoute 9 ml de 50% d'acétonitrile pour former une solution de 100 ppb. Vortex le tube pendant 5 sec.
   5. Prélever 1 ml de la solution de 100 ppb dans un tube à essai et 9 ml 50% d'acétonitrile pour obtenir une solution de 10 ppb. Vortex le tube pendant 5 sec.
2. Préparer une solution d'ampicilline à 1 ppm.
   1. Peser 10 mg ampicilline poudre et le dissoudre dans 100 ml d'eau pour obtenir une solution à l'ampicilline de 100 ppm. Vortexer le flacon pendant 30 secondes.
   2. Prélever 1 ml de la solution à 100 ppm dans un tube à essai et 9 ml d'eau pour obtenir une solution d'ampicilline à 10 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
   3. Prélever 1 ml de la solution à 10 ppm dans un tube à essai et 9 ml d'eau pour obtenir une solution d'ampicilline à 1 ppm. Vortex le tube pendant 5 sec.
3. Mettez la membrane du filtre dans le porte-filtre, avec le côté NP enduit vers le haut.
4. Charge 5 ml d'un échantillon dans une nouvelle seringue, puis le fixer à la porte-filtre avec une membrane revêtue Ag intérieur.
5. passer manuellement l'ensemble du volume de l'échantillon à travers la membrane à raison de 1 goutte / s de débit. Les molécules cibles peuvent être adsorbés et concentrés sur les PN appliquées sur la membrane filtrante.
6. Détachez membrane filtrante du porte-filtre, l'air sec pendant environ 3 min et mesurer les signaux en utilisant l'instrument Raman en utilisant la même méthode que celle décrite dans l'étape 2.6.
7. Répéter l'étape de 2,2 à 2,6 pour préparer une membrane revêtue de Ag, et le suivi de l'étape 3.3 pour la détection de l'autre échantillon.

Résultats

Les principales étapes de cette expérience sont montrés dans le schéma (Figure 1). La figure 2 montré l'importance d'utiliser le volume optimisé de AGNPS dans le revêtement de membrane en vue d'atteindre la sensibilité maximisée. 1 ml d'Ag IP fournit le signal le plus fort lors de l'utilisation ferbame, par rapport à 0,5 ml de revêtement (insuffisante) ou 2 ml (trop de revêtement).

Discussion

L'une des étapes importantes de ce protocole est la synthèse Ag IP, où uniformes IP Ag sont la clé pour des résultats cohérents. Le temps de chauffage et la concentration des précurseurs doivent être contrôlés avec précision. La taille moyenne de cette préparation est AGNPS 80 nm, qui est mesuré par le Zetasizer (données non présentées). Une autre étape essentielle est l'agrégation de sel, dans lequel la concentration en sel et le temps d'agrégation doit être contrôlée avec précision. ...

matériels

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