화학 오염 물질의 신속 검출을위한 라만 분광 분석 향상된 필터 기반의 표면

요약

제조 및 화학적 오염 물질 (예를 들어, 농약 ferbam 항생제 암피실린)의 검출을 위해 라만 분광 (SERS) 분석 향상된 필터 기반의 표면을 행하는 방법이 제시된다.

초록

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.

서문

표면 강화 라만 분광 (SERS)는 나노 기술에 라만 분광법을 조합 한 기술이다. 노블 금속 나노 표면에서의 분석 물질의 라만 산란 강도는 크게 국부 표면 플라스 몬 공명에 의해 강화된다. ^한 나노 입자은 (Ag NPS에서) 지금까지 의해 가장 널리 사용되는 SERS 높아 확장 능력 기판. 최대 ² 아르 ),은 (Ag NP는 다양한 합성 방법이 개발되었다. ^3-6의 Ag NPS는 감도 및 / 또는 기능을 향상시키는 것이 효과적 SERS 기판으로 단독으로 사용하거나 다른 재료 및 구조와 결합 할 수있다. ^7-11

SERS 기술은 식품 및 환경 시료에 다양한 미량 오염 물질의 검출을위한 훌륭한 능력을 증명하고있다 ⁽¹²⁾ 전통적으로, SERS 샘플 준비하기위한 일반적인 두 가지 방법이 있습니다 :.. 솔루션 기반 및 기판 기반의 방법 ^(13)을 솔루션 기반의 운전 방식d를 샘플로 혼합 NP 콜로이드를 사용합니다. 이어서 NP-분석 착체 원심 분리하여 수집하고, 건조 후의 라만 측정 용 고체 지지체 상에 증착된다. 기판 기반 방법은 일반적으로 예비 제작 된 고체 기판 상에 액체 시료 몇 ㎕를 증착에 의해 도포된다. ⁽¹⁴⁾ 그러나, 이들 두 가지 방법 중 어느 쪽의 샘플 볼륨 다량 효과적이고 적용 가능하다. SERS 분석의 여러 변형은 필터 시스템 ^15-21 통합 또는 미세 유동 장치의 혼입 부피 제한을 극복. ^21-24 변성 SERS 분석법은 화학 오염 물질을 모니터링하기위한 감도 및 타당성에 큰 개선을 보여 주었다 큰 물 샘플에서.

여기서 우리는 농약 ferbam 항생제 암피실린 미량 검출하도록 제조 및 주사기 필터 SERS 기반 방법의 적용에 대한 상세한 프로토콜을 보여준다.

프로토콜

1. 실버 나노 입자 합성 ⁽¹⁵⁾

1. 5 초 동안 100 ㎖의 초순수 (18.2 ΩU)와 소용돌이에 18 mg의 질산은을 녹인다.
2. 5 초 동안 1 ml의 물과 소용돌이에 27 mg의 구연산 나트륨 이수화 물을 녹인다.
3. 교반 막대를 함유하는 삼각 플라스크에 제조 된 질산은 용액을 모두 전송하고 자기 핫 플레이트 상 형틀을 넣어. ~ 350 ° C에서 700 rpm의 교반 속도로 격렬하게 교반하에 플라스크를 가열 (접시에 온도를 설정).
4. 끓는되면 바로 삼각 플라스크에 제조 된 구연산 나트륨 용액 모두를 추가하고, 용액의 Ag 된 NP의 형성을 나타내는 녹갈색을 변할 때까지 추가로 25 분 동안 비등 용액을 떠난다.
5. 핫 플레이트에서 플라스크를 제거하고 일정한 색상과 트란과 다른 자기 접시에 넣어 (가열하지 않음) 및 교반 O는 / N은 ​​실온에서 동일한 교반 속도에서 혼합물이 안정 상태에 도달 할 때까지sparency. 필요한 경우 제조 된 NP의 Ag의 흡광도를 결정하는 UV-힘 분광계를 사용한다.
6. 100ml의 초순수로 최종 혼합물을 희석.
7. 필요한 경우 제조사의 프로토콜에 따라의 Ag NP에의 크기를 측정하는 제타를 사용합니다.
8. 밀폐 용기에의 Ag 콜로이드를 전송하고, 알루미늄 호일로 광으로부터 보호한다. 필요한 경우 콜로이드 2 개월 동안 4-7 ℃에서 냉장고에 저장 될 수있다.

SERS 액티브 필터 멤브레인 2. 제작

1. 50 mM의 NaCl 용액을 100 mL의 물에 2.92 g의 염화나트륨 (염화나트륨)을 녹인다.
2. 제조의 Ag NP에 1 ㎖에 5 mM의 NaCl 용액 1 ㎖를 첨가하고 20 rpm에서 10 분 동안 하향 경사 믹서 섞는다. 이 단계의 Ag 나노 클러스터로의 Ag NPS를 집계하는 것입니다.
3. 주사기에 부착 될 수있는 필터 홀더에 필터 막 (PVDF, 0.1㎛의 공극 크기)을 놓는다. 작은 기공 크기의 막 fo를이었다일치 신호의 Ag 나노 클러스터를 포착 및 생성에 큰 기공 크기 막 (즉, 0.22 μm의)보다 더 효과 싶게.
4. 로드 여과 주사기에 제조의 Ag 나노 클러스터 2 ㎖. 주사기 필터 홀더를 부착하여 수동 1 방울 / 초의 유속으로 막을 통과의 Ag 나노 클러스터의 전체 볼륨을 통과한다. 막 트랩의 Ag 나노 클러스터는 SERS 활성 여과막을 형성한다.
5. 필터 홀더에 필터 멤브레인을 분리. 멤브레인에 손상이 없도록 핀셋을 사용하여 외부 테두리에 멤브레인을 들고 때 특별한주의가 필요합니다. 유리 슬라이드에 약 3 분 장소 막의 건조 공기.
6. SERS 기판의 라만 검출
   1. 5 mW의, 10X 현미경 대물 렌즈로 설정 (2)의 1 초간 노출 수 노출 시간의 레이저 출력과 파장 780 nm 레이저 라만 악기를 설정한다. 소프트웨어의 목적은 너무 따라 설정되어 있는지 확인합니다.
   2. 라만 장비의 플랫폼 상 위에 막으로 유리 슬라이드에 놓고 막 표면에 초점 현미경을 사용한다.
   3. 무작위로 막 표면에서 8-10 지점을 선택하고 기기는 순서대로 자동으로 수집합니다. 분석을위한 제조업체의 소프트웨어에서 열기 스펙트럼 데이터.

SERS 액티브 필터 시스템 3. 응용 화학 오염 물질을 감지하는

1. 10 PPB의 ferbam 솔루션을 준비합니다.
   주의 : Ferbam 매우 휘발성이다. 주의 사항 (마스크와 고글) 고체 무게 사용합니다.
   1. 2 mg을 ferbam 분말을 달아 원액 (100 PPM)를 만들기 위해 20 ㎖ 50 % 아세토 니트릴 (10 ㎖의 아세토 니트릴과 물 10 ㎖)에 용해. 30 초 동안 플라스크를 소용돌이.
   2. 시험관에 100 ppm의 ferbam 용액 1 ㎖를 취하여 10 ppm의 용액을 만들기 위해 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
   3. 1 mL를 취하여10 ppm의 시험 관내 용액을 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가 1 ppm의 용액을 제조한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
   4. 시험관에 1 ppm의 용액 1 ㎖를 취하여 100 ppb의 용액을 만들기 위해 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
   5. 시험관에 100 ppb의 용액 1 ㎖를 취하여 10 ppb의 용액을 만들기 위해 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
2. 1 ppm의 암피실린 솔루션을 준비합니다.
   1. 10 mg을 암피실린 분말을 달아 100 ppm의 암피실린 용액을 100 ml의 물에 용해. 30 초 동안 플라스크를 소용돌이.
   2. 시험관에 100 ppm의 용액 1 ㎖를 취하여 10 ppm의 암피실린 용액을 만들기 위해 9 ml의 물을 첨가 하였다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
   3. 시험관에 10 ppm의 용액 1 ㎖를 취하여 1 ppm의 암피실린 용액을 만들기 위해 9 ml의 물을 첨가 하였다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
3. 이 위를 향하도록 NP 코팅면, 필터 홀더에 다시 필터 멤브레인을 넣습니다.
4. 로드 5 새로운 주사기로 하나의 샘플 ml의 다음 내부의 Ag 코팅 멤브레인 필터 홀더에 부착합니다.
5. 수동 1 방울 / 초의 유속으로 막을 통해 시료의 전체 볼륨을 통과한다. 대상 분자 여과막 코팅 NP에 흡착하고 농축 될 수있다.
6. 약 3 분 동안 필터 홀더, 건조 공기의 필터 멤브레인을 분리하여 단계 2.6에 기재된 방법과 동일한 방법을 사용하여 라만 장비를 사용하여 신호를 측정한다.
7. 2.6 단계를 반복 2.2 다른 AG-코팅 막을 제조하고, 다른 시료의 검출을위한 단계 3.3에서 수행합니다.

결과

이 실험의 주요 단계는 개략도 (도 1)에 도시 하였다.도 2는 최대 감도를 달성하기 위해, 막 코팅 AGNPS의 최적 체적을 사용하는 중요성을 보여주고있다. ferbam을 사용하는 경우 0.5 ㎖ (불충분 한 코팅) 2 ㎖ (너무 코팅)에 비해의 Ag NP에 1 ㎖, 가장 강한 신호를 제공한다.

우리가 개발 한 필터 SE...

토론

이 프로토콜의 중요한 단계 중 하나는 유니폼의 Ag NPS에서 일관된 결과의 핵심의 Ag NP에 합성이다. 가열 시간 및 전구체의 농도를 정밀하게 제어되어야한다. 이 AGNPS 제제의 평균 크기를 측정 하였다 제타는 80nm이다 (데이터는 보이지 않음). 다른 중요한 단계는 염 농도 응집 시간을 정확하게 제어해야 염 집합이다. 작은 기공 크기를 갖는 멤브레인 트랩의 Ag 나노 클러스터로 더 효과적 발견되었을?...

자료

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