A superfície à base de filtro avançado Raman espectroscópica Ensaio para a rápida detecção de contaminantes químicos

Resumo

Um processo para a fabricação e realizando a superfície à base de filtro reforçada Raman espectroscópica (SERS) ensaio para a detecção de contaminantes químicos (ou seja, ferbam pesticida e antibiótico ampicilina) é apresentada.

Resumo

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.

Introdução

Superfície reforçada espectroscopia Raman (SERS) é uma técnica que combina espectroscopia Raman com a nanotecnologia. A intensidade do espalhamento Raman de analitos em nano-superfícies metálicas nobres é bastante reforçada pela ressonância de plasma de superfície localizada. ¹ nanopartículas de prata (Ag PN) são de longe os SERS mais utilizados substratos, devido à sua alta capacidade de melhoria ^2. Até agora, , têm sido desenvolvidos vários métodos sintéticos da AG PN. ^3-6 Ag NPs pode ser usado sozinho como substratos SERS eficazes, ou combinado com outros materiais e estruturas para melhorar a sua sensibilidade e / ou funcionalidade. ^7-11

SERS técnicas demonstraram grande capacidade para a detecção de vários contaminantes quantidade vestigial em alimentos e amostras ambientais ¹² Tradicionalmente, existem dois modos comuns para a preparação de uma amostra de SERS:.. Métodos baseados em substratos à base de solução e ¹³ A meto à base de soluçãod usa colóides NP para misturar com as amostras. Em seguida, o complexo de NP-analito é recolhido utilizando centrifugação, e depositado sobre um suporte sólido para a medição de Raman após a secagem. O método baseia-substrato é normalmente aplicada por deposição de vários microlitros de amostra líquida no substrato sólido pré-fabricado. ¹⁴ No entanto, nenhum destes dois métodos são eficazes e aplicável a uma grande quantidade de volume de amostra. Diversas modificações dos ensaios SERS superou os limites de volume, tais como a integração de um sistema de filtro de ^15-21 ou a incorporação de um dispositivo microfluídico. ^21-24 Os ensaios SERS modificados têm mostrado grande aumento na sensibilidade e de viabilidade para o monitoramento dos contaminantes químicos em amostras de água de grande porte.

Aqui demonstramos o protocolo detalhado de fabrico e aplicação de um método baseado em SERS filtro de seringa para detectar quantidade vestigial de ferbame pesticida e antibiótico ampicilina.

Protocolo

1. prata nanopartículas Síntese ¹⁵

1. Dissolver 18 mg de nitrato de prata em 100 ml de água ultrapura (18,2 ΩU) e vortex por 5 s.
2. Dissolve-se 27 mg de di-hidrato de citrato de sódio em 1 ml de água e agitar com vortex durante 5 segundos.
3. Transfira a totalidade da solução de nitrato de prata preparados para um balão de Erlenmeyer contendo uma barra de agitação e o frasco colocado numa placa quente magnética. Aquecer o balão sob agitação vigorosa, com uma velocidade de agitação de 700 rpm a ~ 350 ° C (ajuste da temperatura sobre a placa).
4. Quando a ferver, adicionar toda a solução de citrato de sódio preparada para o frasco cónico imediatamente, e deixar a solução a ferver durante um adicional de 25 min, até a solução se tornar castanho esverdeado, o que indica a formação de NPs de Ag.
5. Retirar o balão da placa quente e colocá-lo em outra placa magnética (não aquecer) e mexa O / N na mesma velocidade de agitação à temperatura ambiente, até que a mistura atinja um estado estável, com uma cor constante e transparency. Usar um espectrómetro de UV-vis para determinar a absorvância das NPs de Ag preparados, se necessário.
6. Dilui-se a mistura final com água ultrapura até 100 ml.
7. Usar um Zetasizer para medir o tamanho das NPs de Ag, se necessário, de acordo com o protocolo do fabricante.
8. Transferir o colóide Ag para um recipiente selado e proteger da luz com folha de alumínio. O colóide pode ser armazenado num frigorífico a 4-7 ° C durante 2 meses, se necessário.

2. Fabricação de uma membrana de filtro ativo SERS

1. Dissolve-se 2,92 g de cloreto de sódio (NaCl) em 100 ml de água para fazer uma solução 50 mM de NaCl.
2. Adicionar 1 ml de solução de NaCl a 5 mM em 1 ml das NPs de Ag preparados e misturá-los em um misturador de nutação durante 10 minutos a 20 rpm. Este passo é agregar as NPs de Ag em nanopartículas de Ag.
3. Coloque um filtro de membrana (PVDF, 0,1 um de tamanho de poro) para um suporte de filtro, que pode ser ligada a uma seringa. A membrana de tamanho de poro mais pequeno foi found mais eficaz do que o maior tamanho de poro da membrana (isto é, 0,22) na retenção de nanopartículas de Ag e produzir sinais consistentes.
4. Carga 2 ml das nanopartículas de Ag preparado para a seringa para filtração. Montar o suporte do filtro para a seringa e passar manualmente todo o volume de nanopartículas de Ag através da membrana a uma taxa de fluxo de 1 gota / seg. As nanopartículas de armadilhas de membrana AG, formando uma membrana de filtro de SERS-activo.
5. Retire a membrana do filtro do porta-filtro. cuidado especial é necessário ao segurar a membrana na borda exterior usando um par de pinças para garantir que nenhum dano à membrana. Secar ao ar durante cerca de 3 min e o lugar da membrana em uma lâmina de vidro.
6. detecção de Raman do substrato de SERS
   1. Defina o instrumento Raman a um laser de comprimento de onda de 780 nm com uma potência de laser de 5 mW, tempo de exposição de 1 segundo e a exposição número de 2. Defina o objetivo microscópica para 10X. Certifique-se o objetivo do software é definido de acordo também.
   2. Colocar a lâmina de vidro com a membrana na parte superior para a plataforma do instrumento Raman e utilizar o microscópio para focalizar sobre a superfície da membrana.
   3. Aleatoriamente selecionar 8-10 manchas da superfície da membrana e o instrumento irá recolher-las automaticamente em sequência. Os dados espectrais abertos no software do fabricante para análise.

3. Aplicação do Sistema SERS Filtro Ativo para detectar contaminantes químicos

1. Preparar uma solução ferbam 10 ppb.
   Cuidado: ferbame é altamente volátil. Use precauções (respirador e óculos de proteção) ao pesar o sólido.
   1. Pesar 2 mg ferbame pó e dissolvê-lo em 20 ml de acetonitrilo a 50% (10 ml de acetonitrilo e 10 ml de água) para produzir uma solução stock (100 ppm). Vortex o balão durante 30 seg.
   2. Tomar 1 ml da solução ferbame 100 ppm em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução a 10 ppm. Vortex o tubo por 5 s.
   3. Tomar 1 ml da10 ppm de solução em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução de 1 ppm. Vortex o tubo por 5 s.
   4. Tomar 1 ml da solução de 1 ppm em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução de 100 ppb. Vortex o tubo por 5 s.
   5. Tomar 1 ml da solução de 100 ppb num tubo de ensaio e adicionar 9 ml de acetonitrilo a 50% para fazer uma solução de 10 ppb. Vortex o tubo por 5 s.
2. Prepara-se uma solução de 1 ppm de ampicilina.
   1. Pesar 10 mg de ampicilina em pó e dissolvê-lo em 100 ml de água para fazer uma solução de ampicilina de 100 ppm. Vortex o balão durante 30 seg.
   2. Tomar 1 ml da solução de 100 ppm em um tubo de ensaio e adicionar 9 ml de água para fazer uma solução de 10 ppm de ampicilina. Vortex o tubo por 5 s.
   3. Tomar 1 ml da solução a 10 ppm num tubo de ensaio e adicionar 9 ml de água para fazer uma solução de 1 ppm de ampicilina. Vortex o tubo por 5 s.
3. Coloque a membrana de filtro de volta para o suporte do filtro, com o lado revestido NP voltado para cima.
4. Carga 5 ml de uma amostra em uma seringa nova, e depois anexá-lo para o suporte do filtro com uma membrana Ag revestido por dentro.
5. passar manualmente todo o volume da amostra através da membrana a uma taxa de fluxo de 1 gota / seg. moléculas-alvo podem ser adsorvidas e concentrada sobre os PN na membrana de filtro.
6. Retire membrana de filtro do porta-filtro, o ar seco durante cerca de 3 min e medir os sinais de Raman utilizando o instrumento utilizando o mesmo método tal como descrito na etapa 2.6.
7. Repetir o passo 2,2 a 2,6 para preparar uma outra membrana de Ag-revestido, e siga do passo 3.3 para a detecção da outra amostra.

Resultados

Os principais passos desta experiência foram mostrado no diagrama esquemático (Figura 1). A Figura 2 demonstra a importância de usar o volume optimizado de AGNPS no revestimento da membrana, a fim de atingir a sensibilidade maximizada. 1 ml de NPs de Ag fornece o sinal mais forte quando se usa ferbame, em comparação com 0,5 ml (revestimento insuficiente) ou 2 ml (excesso) de revestimento.

...

Discussão

Um dos passos críticos neste protocolo é a síntese Ag PN, onde uniformes Ag NPs são a chave para resultados consistentes. O tempo de aquecimento e as concentrações de precursores deve ser precisamente controlada. A dimensão média da preparação AGNPS é de 80 nm, que foi medido pela Zetasizer (dados não mostrados). Um outro passo crucial é a agregação de sal, onde a concentração de sal e tempo de agregação deve ser precisamente controlada. Além disso, a escolha de uma membrana, também é crítico que ...

Materiais

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