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Chemistry

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

Published: February 19, 2016 doi: 10.3791/53791
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Food Science, University of Massachusetts Amherst

Summary

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.

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.

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Protocol

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. </ Li>
    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. </ Li>
  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.

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Representative Results

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).

Nous avons pu détecter ferbame au niveau de 10 ppb et ampicilline à 1 ppm avec une grande intensité de signal par la SERS dosage à base de filtre-développé (Figure 1). Le spectre de ferbame SERS présente des pics caractéristiques distinctes à 10 ppb. Le pic à 1386 cm -1 est de la vibration mixte de CN et C = S étirement et symétrique CH 3 déformation. Le pic à 1516 cm-1 est associé à CH 3 et CN étirement. Le pic à 561 cm 25-27 Le spectre de 1 ppm ampicilline a aussi été clairement détecté. Le pic à 1594 cm -1 et 1447 cm -1 sont de C = C d'étirement et de CH 3 / CH 2 déformation, respectivement. La forte pic à 1001 cm -1 est de la vibration de cycle benzénique. Le pic à 852 cm-1 est associée à l'étirement symétrique CNC 28-29. La durée de l'essai pour l'analyse d'un échantillon est inférieur à 20 minutes comprenant la fabrication d'une membrane de filtration SERS-actives avec des IP Ag pré-synthétisées.

Avec l'augmentation de volume de l'échantillon, on peut en outre augmenter le seuil de détection, comme le montre la Figure 4. Nous avons observé une augmentation de l'intensité de crête lors de l'augmentation du volume de l'échantillon. Ce sont les avantages du procédé en fonction de filtre lorsque le volume est ajustable et la limite de détection est également réglable.

ether.within-page = "1"> Figure 1
Figure 1. Un schéma de dosage filtre SERS. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. SERS spectres de 5 ml 100 ppb FERBAM passant par les membranes revêtues par quantité différente de Ag IP De haut en bas:. 0,5 ml Ag colloïde avec 0,5 ml de NaCl, 1,0 ml Ag avec 1,0 ml de NaCl, 1,5 ml Ag avec 1,5 ml de NaCl, respectivement. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 3. SERS spectres de ferbame et l'ampicilline sur Ag IP membrane filtrante revêtue De haut en bas:. Le contrôle de 50% d'acétonitrile, 10 ppb ferbame, le contrôle de l'eau, 1 ppm ampicilline, respectivement. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4. SERS spectres des différents volumes de 100 ppb ferbame sur Ag IP membrane filtrante revêtue De haut en bas:. 3 ml ferbame, 5 ml ferbame, 7 ml ferbame, 9 ml ferbame, respectivement. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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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. En outre, le choix de la membrane est également critique que la membrane ayant une taille de pores inférieure a été trouvé plus efficace pour piéger les nanoclusters Ag. Pour la membrane particulière utilisée dans cette étude, il y a un côté avant et arrière où la face avant doit être mis en place dans le support pour relier la seringue. Si elle a été placée vers le bas, le revêtement était beaucoup moins efficace. En évitant les bulles lors du passage à travers la membrane est une autre clé d'un revêtement réussi.

Pour le dépannage de ce test, les étapes suivantessont recommandés. Si peu ou pas de signal est détecté, vérifiez les causes suivantes. La principale cause pourrait être les IP Ag ne sont pas agrégées suffit pas d'être piégé dans les pores de la membrane filtrante. L'augmentation de la concentration en sel et / ou le temps d'incubation peut améliorer l'agrégation. Dans le cas contraire, vérifier que la face arrière de la membrane filtrante est orientée vers le haut et que le volume ou la concentration de l'échantillon chargé sur la membrane ne soit pas trop faible. Si le signal de la molécule cible est non conforme, vérifier pour les causes suivantes: la distribution de taille des IP Ag peut être trop large ou les IP ne sont pas réparties uniformément sur la membrane, probablement à cause de trop de l'agrégation des IP ou trop vite passant à travers la membrane.

En comparaison avec nos données précédentes sur l'utilisation de dendrites Ag en tant que substrat de SERS, 30 à 31 la sensibilité de ce dosage à base de SERS de filtre est beaucoup plus élevé lors de la détection de ferbame. Cela est dû à l'avantage du système à base de filtre, qui peut couler large quantité d'échantillon, de sorte que plusieurs molécules d'analyte sont concentrées sur le substrat en SERS. Un autre avantage de l'utilisation du système à base de filtre par rapport au procédé à base de solution réside dans la facilité de fonctionnement et de mesure utilisables sur le terrain, étant donné qu'aucune centrifugation est nécessaire pour recueillir le complexe analyte-NP. La limitation de cette méthode est qu'elle ne peut pas être utilisée pour des matrices complexes liquides tels que le lait directement, en tant que composants complexes peuvent obstruer les pores de la membrane. Prétraitement est nécessaire pour éliminer les composants interférents avant de passer la membrane.

En résumé, nous démontrons une SERS dosage à base de filtre simple et sensible, qui pourrait être appliquée à la détection de contaminants ou de falsifications dans la matrice alimentaire liquide et des échantillons environnementaux. Pour pousser plus loin la limite de détection, l'optimisation des paramètres tels que la taille et la quantité de NP, la concentration en sel, le volume de l'échantillon et les paramètres de l'appareil est nécessaire.

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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

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References

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