משטח מסנן מבוססי משופר ראמאן Assay ספקטרוסקופיות עבור איתור מהיר של מזהמים כימיים

Summary

הליך עבור ייצור וביצוע פני השטח מבוסס-מסנן משופרת ראמאן ספקטרוסקופיות (SERS) assay לצורך זיהוי של מזהמים כימיים (כלומר, הדברה ferbam ו אמפיצילין אנטיביוטי) מוצג.

Abstract

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

ספקטרוסקופיה Surface ראמאן משופרת (SERS) היא טכניקה המשלבת ספקטרוסקופיית ראמאן עם ננוטכנולוגיה. עוצמת פיזור ראמאן של analytes ב-משטחים ננו מתכתיים אציליים היא משפרת על ידי תהודת המשטח plasmon המקומית. ¹ חלקיקי כסף (Ag NPS) הם ללא ספק מצעי SERS הנפוץ ביותר בשל יכולת השיפור הגבוה שלה. ² עד כה , שיטות סינטטיות שונות של צירופי Ag פותחו. ^3-6 Ag צירופים ניתן להשתמש לבד כמו מצעי SERS יעילים, או בשילוב עם חומרים ומבנים אחרים כדי לשפר את הרגישות ו / או את הפונקציונליות שלו. ^7-11

טכניקות SERS הוכיחו יכולת רבה זיהוי של מזהמי עקבות סכום שונים במזון דגימות סביבתי ¹² באופן מסורתי, ישנן שתי דרכים נפוצות להכנת מדגם SERS:.. פתרון המבוסס על שיטות המבוסס על מצע ¹³ פתרון המבוסס methoד משתמשת קולואידים NP לערבב עם דגימות. ואז המתחם-אנליטי NP נאסף באמצעות צנטריפוגה, ואת שהופקדו על תמיכה מוצקה למדידת ראמאן לאחר הייבוש. בשיטה המבוססת על המצע מיושם בדרך כלל על ידי הפקדת כמה מיקרוליטר של מדגם נוזלי על מצע מוצק מראש מפוברק. ¹⁴ עם זאת, אף אחת משתי שיטות אלה יעילים ישים עבור כמות גדולה של נפח דגימה. מספר שינויים של מבחני SERS התגבר על מגבלות נפח, כגון שילוב של מערכת סינון ^15-21 או שילוב של מכשיר microfluidic. ^21-24 מבחני SERS שונה הראו שיפור גדול ברגישות היתכנות לניטור מזהמים כימיים בדגימות מים גדולות.

כאן אנו מדגימים את פרוטוקול מפורט של ייצור ויישום של שיטת SERS מבוסס מזרק מסנן לזיהוי עקבות לכמות חומר ההדברה ferbam ו אמפיצילין אנטיביוטי.

Protocol

1. Nanoparticle כסף סינתזה ¹⁵

1. ממיסים כסף חנקתי 18 מ"ג במים ultrapure 100 מ"ל (18.2 ΩU) ו מערבולת למשך 5 שניות.
2. ממסים מימיים נתרן ציטרט 27 מ"ג במי 1 מיליליטר ו מערבולת למשך 5 שניות.
3. להעביר את כל הפתרון חנק כסף המוכן בבקבוק חרוטים המכיל בר ערבוב ולשים את הבקבוק על פלטה חשמלית מגנטי. מחממת את הבקבוק תחת בחישה נמרצת עם מהירויות ערבוב של 700 סל"ד ב ~ 350 ° C (קביעת הטמפרטורה על הצלחת).
4. כאשר רותחים, מוסיפים את כל הפתרון נתרן ציטרט מוכן הבקבוק חרוטי מיד, ולהשאיר הפתרון להרתיח במשך 25 דקות נוספות עד הפתרון הופך חום ירקרק, מה שמלמד על היווצרות של Ag צירופים.
5. הסר את הבקבוק מהצלחת חם והניח אותו על צלחת מגנטית אחרת (לא לחמם) ומערבבים O / N באותה מהירות בחישה ב RT עד לקבלת תערובת מגיע למצב יציב, עם צבע טראן מתמידsparency. השתמש ספקטרומטר UV-VIS כדי לקבוע את הספיגה של צירופי Ag המוכנים במידת הצורך.
6. לדלל את התערובת הסופית עם מים ultrapure ל -100 מ"ל.
7. השתמש Zetasizer למדוד את גודל צירופי Ag במידת צורך על פי פרוטוקול של היצרן.
8. מעבירים את קולואיד Ag כדי במיכל אטום ולהגן עליו מפני האור עם רדיד אלומיניום. קולואיד ניתן לאחסן במקרר ב 4-7 מעלות צלזיוס למשך 2 חודשים אם יש צורך.

ייצור 2. של ממברנה מסנן פעיל SERS

1. ממיסים 2.92 גרם נתרן כלורי (NaCl) ב 100 מ"ל מים כדי ליצור פתרון mM NaCl 50.
2. הוסף 1 מ"ל של הפתרון 5 mM NaCl לתוך 1 מ"ל של צירופים Ag מוכן לערבב אותם על מערבל nutating במשך 10 דקות ב 20 סל"ד. שלב זה הוא כדי לצבור את Ag צירופים לתוך nanoclusters Ag.
3. מניח קרום מסנן (PVDF, 0.1 גודל נקבובי מיקרומטר) לתוך מחזיק מסנן, אשר יכול להיות מצורפות מזרק. קרום הגודל הנקבובי הקטן היה עבורund יעיל יותר מאשר הממברנה הגודל הנקבובי גדול יותר (כלומר, 0.22 מיקרומטר) ב שמנת nanoclusters Ag והפקה אותות עקביים.
4. טען 2 מיליליטר של nanoclusters Ag המוכן לתוך מזרק לסינון. צרף בעל מסנן כדי המזרק באופן ידני להעביר את כל נפח nanoclusters Ag דרך הממברנה בשיעור זרימת 1 טיפה / sec. מלכודות קרום nanoclusters Ag, ויצר קרום מסנן SERS הפעיל.
5. לנתק את קרום מסנן מבעל המסנן. זהירות מיוחדת נדרשת כאשר מחזיקים את קרום על השפה החיצונית באמצעות פינצטה כדי להבטיח שאין נזק הממברנה. אוויר יבש קרום 3 דקות ומניחים על בשקופית זכוכית.
6. איתור ראמאן של מצע SERS
   1. כווננו את המכשיר ראמאן כדי לייזר באורך גל 780 ננומטר עם כוח לייזר של 5 mW, זמן החשיפה של 1 מספר שניות וחשיפה של 2. הגדרת המטרה מיקרוסקופיים 10X. ודא אובייקטיבית על התוכנה המוגדרת גם בהתאם.
   2. מניח את שקף הזכוכית עם קרום על גבי על גבי פלטפורמה של מכשיר רמן להשתמש במיקרוסקופ כדי להתמקד על פני הממברנה.
   3. אקראי לבחור 8-10 כתמים ממשטח הממברנה המכשיר יאסוף אותם באופן אוטומטי ברצף. נתונים ספקטרליים Open in התוכנה של היצרן לניתוח.

3. יישום של מערכת סינון SERS פעיל לזהות מזהמים כימיים

1. כן פתרון ferbam 10 ppb.
   זהירות: Ferbam הוא תנודתי מאוד. השתמש באמצעי זהירות (הנשמה ומשקפים) כאשר השקילה המוצקה.
   1. לשקול אבקת 2 מ"ג ferbam לפזר אותו 20 מ"ל 50% אצטוניטריל (אצטוניטריל 10 מ"ל ו -10 מ"ל מים) כדי להפוך פתרון מניות (100 עמודים לדקה). וורטקס הבקבוק למשך 30 שניות.
   2. קח 1 מ"ל של הפתרון ferbam 100 ppm במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לעשות פתרון 10 עמודים לדקה. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
   3. קח 1 מ"ל שלפתרון 10 עמודים לדקה במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לבצע פתרון 1 ppm. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
   4. קח 1 מ"ל של הפתרון 1 ppm במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לבצע פתרון 100 ppb. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
   5. קח 1 מ"ל של הפתרון 100 ppb במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל 50% אצטוניטריל לעשות פתרון 10 ppb. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
2. כן פתרון אמפיצילין 1 ppm.
   1. לשקול 10 מ"ג אבקת אמפיצילין לפזר אותו 100 מ"ל מים כדי להפוך פתרון אמפיצילין 100 ppm. וורטקס הבקבוק למשך 30 שניות.
   2. קח 1 מ"ל של הפתרון 100 ppm במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל מים כדי ליצור פתרון אמפיצילין 10 עמודים לדקה. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
   3. קח 1 מ"ל של הפתרון 10 עמודים לדקה במבחנה ולהוסיף 9 מ"ל מים כדי ליצור פתרון אמפיצילין 1 ppm. וורטקס הצינור במשך 5 שניות.
3. שים את הממברנה מסנן בחזרה אל בעל מסנן, עם הצד מצופה NP פונה כלפי מעלה.
4. טען 5 מ"ל של דגימה אחת לתוך מזרק חדש, ולאחר מכן חבר אותו בעל מסנן עם קרום מצופה Ag בפנים.
5. באופן ידני להעביר את כל הנפח של מדגם דרך הממברנה את קצב זרימה של 1 טיפה / sec. מולקולות מטרה ניתן adsorbed ומרוכזות על הצירופים צופה על הקרום המסנן.
6. ניתוק קרום מסנן מבעל מסנן, אוויר יבש במשך כ -3 דקות ולמדוד את האותות באמצעות מכשיר ראמאן תוך שימוש באותה שיטה כמתואר בשלב 2.6.
7. חזור על שלב 2.2 עד 2.6 להכין עוד קרום Ag-מצופה, אחרי משלב 3.3 עבור זיהוי של מדגם אחר.

תוצאות

השלבים העיקריים של הניסוי הזה הוצגו תרשים סכמטי (איור 1). איור 2 מראים את החשיבות להשתמש נפח אופטימיזציה של AgNPs בציפוי הממברנה כדי להגיע לרגישות המוגדלת. 1 מ"ל של Ag צירופים מספק את האות החזק ביותר בעת שימוש ferbam, לעומת 0.5 מ"ל (ציפוי ...

Discussion

אחד השלבים קריטיים בפרוטוקול זה הוא סינתזת צירופי Ag, שבו צירופי Ag אחידים הם מפתח עבור תוצאות עקביות. שעת החימום ועל ריכוזי מבשרים חייבות להיות מבוקרת בדיוק. הגודל הממוצע של הכנת AgNPs זה 80 ננומטר, אשר נמדד על ידי Zetasizer (מידע לא מוצג). עוד צעד קריטי הוא צבירת המלח שבו ריכוז ?...

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