JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Imalat ve kimyasal kirleticilerin (örneğin, pestisid ferbam ve antibiyotik ampisilin) ​​tespiti için Raman spektroskopi (SERS) deneyi geliştirilmiş filtre tabanlı yüzey yapmak için bir prosedür sunulmuştur.

Özet

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.

Giriş

Yüzey Raman spektroskopisi (SERS) nanoteknoloji ile Raman spektroskopisi birleştiren bir tekniktir. Asil metalik nano-yüzeylerde analitlerin Raman saçılması yoğunluğu büyük ölçüde lokalize yüzey plazmon rezonansı ile geliştirilmiştir. 1 Gümüş nanopartiküller (Ag NPS) artık farkla en yaygın olarak kullanılan SERS nedeniyle yüksek geliştirme yeteneği yüzeylerde. 2 kadar olan Ag NPlerin çeşitli sentetik yöntemler geliştirilmiştir. 3-6 Ag NPS, sensitivite ve / veya işlevini geliştirmek için etkili bir SERS substratlar olarak tek başına ya da diğer malzemeler ve yapılar ile kombine edilebilir. 7-11

SERS teknikleri, gıda ve çevre örneklerinde çeşitli eser miktarda kirletici tespiti için büyük bir kapasiteye göstermiştir 12 Geleneksel olarak, bir SERS örneği hazırlamak için iki ortak yolu vardır:.. Çözüm tabanlı ve yüzey-temelli yöntemler 13 çözüm tabanlı yöntemiid örnekleri ile karıştırmak için NP kolloidler kullanır. Daha sonra NP-analit kompleksi santrifüj kullanılarak toplandı ve kurutulduktan sonra Raman ölçümü için bir katı destek üzerine tatbik edilir. Alt tabaka esas yöntem genellikle prefabrike bir katı alt-tabaka üzerine bir sıvı örneğinin birçok mikrolitre biriktirilmesi ile uygulanır. 14. Bununla birlikte, bu iki yöntem de, numune hacminin büyük bir miktarda etkin ve uygulanabilir. SERS testlerin bazı değişiklikler böyle bir filtre sistemi 15-21 entegrasyonu veya bir mikroakışkan cihazın dahil olarak hacim sınırları aştı. 21-24 modifiye SERS deneyleri, kimyasal kirleticiler izlemek için duyarlılık ve fizibilite büyük artışı göstermiştir büyük su örneklerinde.

Burada pestisit ferbam ve antibiyotik ampisilin kalıntılarını tespit etmek için, imalat ve şırıngalı bir filtre göre SERS yönteminin uygulamanın ayrıntılı protokol göstermektedir.

Protokol

1. Gümüş Nanoparçacık Sentezi 15

  1. 5 saniye boyunca 100 mi, aşırı saf su (18.2 ΩU) ve vorteks 18 mg gümüş nitrat çözeltisi ile çözülmüştür.
  2. 5 saniye boyunca 1 ml su ve vorteks 27 mg sodyum sitrat dihidrat çözülür.
  3. Bir karıştırma çubuğu ihtiva eden bir erlene hazırlanan gümüş nitrat çözeltisi her aktarın ve manyetik bir sıcak plaka üzerinde akıtma koydu. ~ 350 ° C de, 700 rpm'lik bir karıştırma hızı ile kuvvetli karıştırma altında balon Isı (plaka sıcaklık ayarı).
  4. kaynar zaman hemen erlene hazırlanan sodyum sitrat çözeltisi tüm ekleyin ve çözüm Ag NPS oluşumunu gösteren yeşilimsi kahverengi, açılana kadar ilave 25 dakika kaynatın çözüm bırakın.
  5. Sıcak plaka şişeyi çıkarın ve sabit renk ve tran ile, başka bir manyetik plaka üzerine koydu (ısı değil) ve heyecan O / N oda sıcaklığında aynı karıştırma hızında karışım istikrarlı bir duruma ulaşana kadarsparency. Gerekirse hazırlanan Ag NPlerin emişi belirlemek üzere bir UV spektrometresi kullanarak.
  6. 100 ml saf su ile nihai karışımı ile seyreltilir.
  7. Gerekirse, üreticinin protokolüne uygun olarak Ag NPlerin boyutunu ölçmek için, bir Zetasizer kullanarak.
  8. kapalı bir kaba Ag kolloid aktarın ve alüminyum folyo ile ışıktan korumak. Gerekirse kolloid 2 ay boyunca 4-7 ° C'de buzdolabında saklanır.

Bir SERS Aktif Filtre Membran 2. Fabrikasyon

  1. 50 mM NaCI solüsyonu yapmak üzere, 100 ml su içinde 2.92 g sodyum klorür (NaCI) içinde çözülür.
  2. hazırlanan Ag NPlerin 1 ml 5 mM NaCI çözeltisi 1 ml ilave edilir ve 20 rpm'de 10 dakika için bir sallanan karıştırıcıda karıştırın. Bu adım Ag nanoclustere içine Ag NPS bir araya etmektir.
  3. Bir şırıngaya birleştirilebilen bir filtre tutucusu, bir membran filtre (PVDF, 0.1 um gözenek boyutu) yerleştirin. Daha küçük gözenek boyutu zar fo oldututarlı sinyalleri Ag nanoyığınlar yakalama ve üretiminde büyük gözenek boyutu membranı (yani, 0.22 mikron) daha und daha etkili.
  4. Yük filtrasyon için şırınga içine hazırlanmış Ag nanoclustere 2 ml. şırınga filtre yuvasını takın ve elle 1 damla / sn akış hızında zarından Ag nanoclustere tüm hacmini geçmektedir. Membran tuzakları Ag nanokümeler, bir SERS-aktif filtre membran oluşturur.
  5. Filtre tutucu filtre membran ayırın. zara hiçbir zarar sağlamak için bir cımbız kullanarak dış kenarında zarı tutarken özellikle dikkat gereklidir. Bir bardak slayt yaklaşık 3 dk ve yer zarının hava kuru.
  6. SERS substratın Raman algılama
    1. 5 mW, 10X mikroskobik hedefi ayarlayın 2. 1 sn ve maruziyet numarasının pozlama süresi bir lazer gücüne sahip bir 780 nm dalga boyundaki lazer Raman cihazı ayarlayın. yazılım üzerinde objektif çok buna ayarlanmış olduğundan emin olun.
    2. Raman aracın platform üzerine üstündeki membran ile cam slayt yerleştirin ve membran yüzeyinde odaklanmak için mikroskop kullanıyoruz.
    3. Rasgele membran yüzeyinde 8-10 noktalar seçin ve enstrüman sırayla otomatik olarak toplayacaktır. analiz için üreticinin yazılımı açın spektral verileri.

SERS Aktif Filtre Sisteminin 3. Uygulama Kimyasal Bulaşanlar Algılama için

  1. 10 ppb ferbam çözeltisi hazırlayın.
    Dikkat: ferbam çok uçucudur. önlemler (maske ve gözlük) katı ağırlığında kullanın.
    1. 2 mg ferbam tozu tartılır ve bir stok çözeltisi (100 ppm) yapmak için 20 ml% 50 asetonitril (10 ml asetonitril ve 10 ml su) içinde çözülür. 30 saniye için şişeyi vorteksleyin.
    2. Bir test tüpü içinde, 100 ppm ferbam çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppm bir solüsyon hazırlamak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    3. 1 ml alın10 ppm test tüpünde çözeltisi ve 9 ml% 50 asetonitril ilave 1 ppm bir solüsyon hazırlamak için. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    4. Bir test tüpü içinde 1 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 100 ppb solüsyon yapmak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    5. Bir test tüpü içinde, 100 ppb çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppb solüsyon yapmak için 9 ml% 50 asetonitril ekleyin. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
  2. 1 ppm ampisilin çözeltisi hazırlayın.
    1. 10 mg ampisilin toz tartılır ve 100 ppm ampisilin solüsyon yapmak için, 100 ml su içinde çözülür. 30 saniye için şişeyi vorteksleyin.
    2. Bir test tüpü içinde, 100 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 10 ppm ampisilin çözeltisinin yapılması için 9 mL su ilave edilir. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
    3. Bir test tüpü içinde 10 ppm çözeltisi 1 ml alın ve 1 ppm ampisilin çözeltisinin yapılması için 9 mL su ilave edilir. 5 saniye boyunca tüp vorteksleyin.
  3. yukarı bakacak şekilde NP kaplı tarafı, filtre yuvasına geri filtre membran koyun.
  4. Yük 5 Yeni enjektöre bir örnek ml ve daha sonra içinde Ag kaplı membran ile filtre yuvasına takın.
  5. El 1 damla / sn arasında bir akış hızında zar içinden numunenin tüm hacmi geçmektedir. Hedef moleküller, filtre zarı kaplanmış NP üzerine adsorbe edildi ve konsantre edilebilir.
  6. yaklaşık 3 dakika boyunca filtre tutucu, hava kuru filtre zarı ayırmak ve adım 2.6 açıklandığı gibi aynı yöntemi kullanarak Raman aleti kullanılarak sinyalleri ölçmek.
  7. 2.6 adımı tekrarlayın 2.2 başka Ag kaplı membran hazırlamak ve diğer numune tespiti için adım 3,3 takip etmek.

Sonuçlar

Bu deneyde önemli adımlar şematik diyagram (Şekil 1) gösterilmiştir. 2 maksimize hassasiyeti ulaşmak için membran kaplama olarak AGNPS optimize hacmini kullanmak için önemini göstermiştir Şekil. ferbam kullanıldığında 0.5 ml (yetersiz kaplama) ya da 2 ml (çok fazla kaplama) ile karşılaştırıldığında, Ag NPS 1 ml güçlü sinyali sağlar.

Biz geliştiri...

Tartışmalar

Bu protokol kritik adımlardan biri üniforma Ag NPS tutarlı sonuçlar için anahtar Ag NPS sentezi vardır. Isıtma süresi ve ön-maddeleri konsantrasyonları kesin olarak kontrol edilmelidir. Bu AGNPS hazırlanması ortalama büyüklüğü Zetasizer ile ölçülmüştür 80 nm, (veri gösterilmemiştir). Diğer önemli adım tuz konsantrasyonu ve toplama zamanı kesin olarak kontrol edilmelidir tuz toplanmasıdır. daha küçük bir gözenek boyutuna sahip membran tuzağı Ag nanoklastırlaar daha etkili bulunmuştu...

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Teşekkürler

This material is based upon work supported by the U.S. Department of Homeland Security under Grant Award Number 2010-ST-061-FD0001 through a grant awarded by the National Center for Food Protection and Defense at the University of Minnesota. Disclaimer: The views and conclusions contained in this document are those of the authors and should not be interpreted as necessarily representing the official policies, either expressed or implied, of the U.S. Department of Homeland Security or the National Center for Food Protection and Defense.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
AmpicillinFisher ScientificBP1760-5N/A
FerbamChem ServiceN-11970-250MG98+%
Silver nitrateSigma Aldrich20913999.0+%
Sodium citrate dehydrateSigma AldrichW30260099+%
Sodium chlorideSigma AldrichS765399.5+%
EMD Millipore Durapore PVDF Membrane FiltersFisher ScientificVVLP013000.10 µm Pore Size, hydrophilic
Polycarbonate Filter HoldersCole-ParmerEW-29550-4013 mm diameter
Analog Vortex MixerFisher Scientific02-215-365N/A
Nutating MixersFisher Scientific05-450-213N/A
DXR Raman spectroscopeThermo ScientificIQLAADGABFFAHCMAPBLaser power: 1 mW
Exposure time: 5 sec

Referanslar

  1. Albrecht, M. G., Creighton, J. A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode. J. Am. Chem. Soc. 99 (15), 5215-5217 (1977).
  2. Schatz, G. C., Young, M. A., Van Duyne, R. P. . Electromagnetic mechanism of SERS. Surface-enhanced Raman scattering. , 19-45 (2006).
  3. Matijevic, E. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 5 (4), 412-426 (1993).
  4. Nickel, U., zu Castell, A., Pöppl, K., Schneider, S. A silver colloid produced by reduction with hydrazine as support for highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopy. Langmuir. 16 (23), 9087-9091 (2000).
  5. Khanna, P. K., Subbarao, V. V. V. S. Nanosized silver powder via reduction of silver nitrate by sodium formaldehydesulfoxylate in acidic pH medium. Mater. Lett. 57 (15), 2242-2245 (2003).
  6. Henglein, A., Giersig, M. Formation of colloidal silver nanoparticles: capping action of citrate. J. Phys. Chem. B. 103 (44), 9533-9539 (1999).
  7. Sun, X., Li, Y. Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles. Angew. Chem. Int. Edit. 43 (5), 597-601 (2004).
  8. Lu, L., et al. Seed-mediated growth of large, monodisperse core-shell gold-silver nanoparticles with Ag-like optical properties. Chem. Commun. (2), 144-145 (2002).
  9. Aslan, K., Wu, M., Lakowicz, J. R., Geddes, C. D. Fluorescent core-shell Ag@SiO2 nanocomposites for metal-enhanced fluorescence and single nanoparticle sensing platforms. J. Am. Chem. Soc. 129 (6), 1524-1525 (2007).
  10. Lu, Y., Yin, Y., Li, Z. Y., Xia, Y. Synthesis and self-assembly of Au@ SiO2 core-shell colloids. Nano. Lett. 2 (7), 785-788 (2002).
  11. Link, S., Wang, Z. L., El-Sayed, M. A. Alloy formation of gold-silver nanoparticles and the dependence of the plasmon absorption on their composition. J. Phys. Chem. B. 103 (18), 3529-3533 (1999).
  12. He, L., et al. Rapid Detection of Ricin in Milk Using Immunomagnetic Separation Combined with Surface Enhanced Raman Spectroscopy. J. Food. Sci. 76 (5), N49-N53 (2011).
  13. Zheng, J., He, L. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for the Chemical Analysis of Food. Compr. Rev. Food. Sci. F. 13 (3), 317-328 (2014).
  14. He, L., Haynes, C. L., Diez-Gonzalez, F., Labuza, T. P. Rapid detection of a foreign protein in milk using IMS-SERS. J. Raman. Spectrosc. 42 (6), 1428-1434 (2011).
  15. Wei, W. Y., White, I. M. A simple filter-based approach to surface enhanced Raman spectroscopy for trace chemical detection. Analyst. 137 (5), 1168-1173 (2012).
  16. Cheng, M. L., Tsai, B. C., Yang, J. Silver nanoparticle-treated filter paper as a highly sensitive surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for detection of tyrosine in aqueous solution. Anal. Chim. Acta. 708 (1), 89-96 (2011).
  17. Fierro-Mercado, P. M., Hernández-Rivera, S. P. Highly sensitive filter paper substrate for SERS trace explosives detection. Int. J. Spectrosc. 2012, 716527 (2012).
  18. Tran, C. D. Subnanogram detection of dyes on filter paper by surface-enhanced Raman scattering spectrometry. Anal. Chem. 56 (4), 824-826 (1984).
  19. Wu, D., Fang, Y. The adsorption behavior of p-hydroxybenzoic acid on a silver-coated filter paper by surface enhanced Raman scattering. J. Colloid Interface Sci. 265 (2), 234-238 (2003).
  20. Wigginton, K. R., Vikesland, P. J. Gold-coated polycarbonate membrane filter for pathogen concentration and SERS-based detection. Analyst. 135 (6), 1320-1326 (2010).
  21. Berthod, A., Laserna, J. J., Winefordner, J. D. Analysis by surface enhanced Raman spectroscopy on silver hydrosols and silver coated filter papers. J Pharm Biomed Anal. 6 (6), 599-608 (1988).
  22. Ackermann, K. R., Henkel, T., Popp, J. Quantitative Online Detection of Low-Concentrated Drugs via a SERS Microfluidic System. ChemPhysChem. 8 (18), 2665-2670 (2007).
  23. Walter, A., März, A., Schumacher, W., Rösch, P., Popp, J. Towards a fast, high specific and reliable discrimination of bacteria on strain level by means of SERS in a microfluidic device. Lab. Chip. 11 (6), 1013-1021 (2011).
  24. Lee, S., et al. Fast and sensitive trace analysis of malachite green using a surface-enhanced Raman microfluidic sensor. Anal. Chim. Acta. 590 (2), 139-144 (2007).
  25. Guo, H., et al. Analysis of Silver Nanoparticles in Antimicrobial Products Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Environ. Sci. Technol. 49 (7), 4317-4324 (2015).
  26. Narayanan, V. A., Begun, G. M., Stokes, D. L., Sutherland, W. S., Vo-Dinh, T. Normal Raman and surface enhanced Raman scattering (SERS) spectra of some fungicides and related chemical compounds. J. Raman. Spectrosc. 23 (5), 281-286 (1992).
  27. Kang, J. S., Hwang, S. Y., Lee, C. J., Lee, M. S. SERS of dithiocarbamate pesticides adsorbed on silver surface; thiram. Bull. Korean. Chem. Soc. 23 (11), 1604-1610 (2002).
  28. Li, Y. T., et al. Rapid and sensitive in-situ detection of polar antibiotics in water using a disposable Ag-graphene sensor based on electrophoretic preconcentration and surface-enhanced Raman spectroscopy. Biosens. Bioelectron. 43, 94-100 (2013).
  29. Clarke, S. J., Littleford, R. E., Smith, W. E., Goodacre, R. Rapid monitoring of antibiotics using Raman and surface enhanced Raman spectroscopy. Analyst. 130 (7), 1019-1026 (2005).
  30. Zheng, J., Pang, S., Labuza, T. P., He, L. Semi-quantification of surface-enhanced Raman scattering using a handheld Raman spectrometer: a feasibility study. Analyst. 138 (23), 7075-7078 (2013).
  31. Zheng, J., Pang, S., Labuza, T. P., He, L. Evaluation of surface-enhanced Raman scattering detection using a handheld and a bench-top Raman spectrometer: A comparative study. Talanta. 129, 79-85 (2014).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

KimyaSay 108G m nanopartik llerSERSfiltre r ngaferbamampisilin

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır