Summary
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.
Introduction
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.
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Protocol
1. 실버 나노 입자 합성 (15)
- 5 초 동안 100 ㎖의 초순수 (18.2 ΩU)와 소용돌이에 18 mg의 질산은을 녹인다.
- 5 초 동안 1 ml의 물과 소용돌이에 27 mg의 구연산 나트륨 이수화 물을 녹인다.
- 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).
- 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.
- 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.
- 100ml의 초순수로 최종 혼합물을 희석.
- 필요한 경우 제조사의 프로토콜에 따라의 Ag NP에의 크기를 측정하는 제타를 사용합니다.
- 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
- 50 mM의 NaCl 용액을 100 mL의 물에 2.92 g의 염화나트륨 (염화나트륨)을 녹인다.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- SERS 기판의 라만 검출
- 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. </ 리>
- 라만 장비의 플랫폼 상 위에 막으로 유리 슬라이드에 놓고 막 표면에 초점 현미경을 사용한다.
- 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
- 10 PPB의 ferbam 솔루션을 준비합니다.
주의 : Ferbam 매우 휘발성이다. 주의 사항 (마스크와 고글) 고체 무게 사용합니다.- 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.
- 시험관에 100 ppm의 ferbam 용액 1 ㎖를 취하여 10 ppm의 용액을 만들기 위해 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
- 1 mL를 취하여10 ppm의 시험 관내 용액을 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가 1 ppm의 용액을 제조한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
- 시험관에 1 ppm의 용액 1 ㎖를 취하여 100 ppb의 용액을 만들기 위해 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
- 시험관에 100 ppb의 용액 1 ㎖를 취하여 10 ppb의 용액을 만들기 위해 9 ml의 50 % 아세토 니트릴을 추가한다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
- 1 ppm의 암피실린 솔루션을 준비합니다.
- 10 mg을 암피실린 분말을 달아 100 ppm의 암피실린 용액을 100 ml의 물에 용해. 30 초 동안 플라스크를 소용돌이.
- 시험관에 100 ppm의 용액 1 ㎖를 취하여 10 ppm의 암피실린 용액을 만들기 위해 9 ml의 물을 첨가 하였다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
- 시험관에 10 ppm의 용액 1 ㎖를 취하여 1 ppm의 암피실린 용액을 만들기 위해 9 ml의 물을 첨가 하였다. 5 초간 튜브를 소용돌이.
- 이 위를 향하도록 NP 코팅면, 필터 홀더에 다시 필터 멤브레인을 넣습니다. </ 리>
- 로드 5 새로운 주사기로 하나의 샘플 ml의 다음 내부의 Ag 코팅 멤브레인 필터 홀더에 부착합니다.
- 수동 1 방울 / 초의 유속으로 막을 통해 시료의 전체 볼륨을 통과한다. 대상 분자 여과막 코팅 NP에 흡착하고 농축 될 수있다.
- 약 3 분 동안 필터 홀더, 건조 공기의 필터 멤브레인을 분리하여 단계 2.6에 기재된 방법과 동일한 방법을 사용하여 라만 장비를 사용하여 신호를 측정한다.
- 2.6 단계를 반복 2.2 다른 AG-코팅 막을 제조하고, 다른 시료의 검출을위한 단계 3.3에서 수행합니다.
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Representative Results
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 SERS 기반 분석으로 큰 신호 강도 1 PPM (도 1)에서 10 ppb의 수준에 ferbam 암피실린을 검출 할 수 있었다. ferbam의 SERS 스펙트럼은 10 ppb의에 고유 한 특성 피크를 나타낸다. 1,386cm에서의 피크는 -1 혼합 스트레칭 CN 및 C = (S)의 진동 및 대칭 CH 3 변형이다. 1,516cm -1에서의 피크는 CH 3 CN 스트레칭과 연관되어 있습니다. 561cm의 피크
도 4에 도시 된 바와 같이, 샘플 부피가 증가함에 따라, 우리는 또한, 검출 한계를 증가시킬 수있다. 샘플 량을 증가 할 때 우리의 피크 강도의 증가를 관찰 하였다. 볼륨 조절하고 검출 한계는 조정 가능하다 이것은 필터 기반 방법의 장점이다.
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그림 1. 필터 SERS 분석의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5 ㎖의 100 ppb의 그림 2. SERS 스펙트럼의 Ag NP에 서로 다른 양에 의해 코팅 된 멤브레인을 통과 ferbam 위에서 아래로 :. 1.0 ML의 염화나트륨 0.5 ML의 염화나트륨 0.5 ml의의 Ag 콜로이드, 1.0 ml의의 Ag, 1.5와 1.5 ml의의 Ag ㎖의 염화나트륨은 각각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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의 Ag NP에 코팅 된 필터 멤브레인에 ferbam 암피실린 그림 3. SERS 스펙트럼 위에서 아래로 :. 50 % 아세토 니트릴의 제어, 10 PPB의 ferbam, 물 관리, 1 ppm의 암피실린, 각각. 의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림.
의 Ag NP에 코팅 된 필터 멤브레인 100 PPB의 ferbam의 다른 볼륨의 그림 4. SERS 스펙트럼 위에서 아래로 :. 3 ㎖ ferbam, 5 ml의 ferbam, 7 ㎖의 ferbam, 9 ml의 ferbam, 각각. 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의.
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Discussion
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 발견되었을뿐만 아니라, 막의 선택 또한 중요하다. 이 연구에서 사용되는 특정 막의 전면 측 주사기를 연결 홀더에 배치해야 앞면과 뒷면이있다. 이 아래에 배치 된 경우, 코팅은 훨씬 덜 효과적이었다. 막을 통과 할 때 거품을 방지하는 것은 성공적인 코팅 또 다른 열쇠이다.
이 분석의 문제를 들어, 다음과 같이추천합니다. 없거나 거의 신호가 검출되지 않으면, 다음의 원인을 확인한다. 주요 원인의 Ag NPS에서 여과막의 세공에 포집 될 정도로 응집하지 수 있었다. 염 농도 및 / 또는 배양 시간을 늘리면 응집을 향상시킬 수있다. 그렇지 않으면, 필터 멤브레인의 뒷면이 위를 향하고 있는지 확인하고 볼륨 또는 샘플의 농도는 막에로드 된 것을 너무 낮은되지 않습니다. 의 Ag 된 NP의 입도 분포가 너무 넓을 수 있거나, NPS는 균일 아마도 NP에 너무 빨리 너무 많은 응집, 막에 분산되지 않는다 : 표적 분자의 신호가 일치하지 않는 경우, 다음과 같은 원인을 확인 멤브레인을 통과.
, SERS 기판으로 30-31을의 Ag 수상 돌기 사용에 대한 우리의 이전 데이터와 비교하여이 필터 기반의 SERS 분석의 감도는 ferbam 검출에 훨씬 높다. 이는 라 흐를 수 필터 기반 시스템의 장점에 기인이상의 분석 분자가 SERS 기판 상에 집중되도록 시료 RGE 량. 더 원심 분리 NP-분석 물 복합체를 수집 할 필요가 없다로 용액 계 방법을 통해 필터 기반의 시스템을 사용하는 또 다른 이점은, 동작 및 fieldable 측정의 용이성이다. 이러한 방법의 한계는 복소 성분이 막의 세공을 차단할 수는, 예컨대 직접 우유 같은 복잡한 액체 매트릭스에 사용될 수있다. 전처리는 멤브레인을 통과하기 전에 간섭 성분을 제거하는데 필요하다.
요약하면, 우리는 액체 식품 매트릭스와 환경 시료의 오염이나 adulterations의 검출에 적용 할 수있는 간단하고 민감한 필터 SERS 기반 분석을 보여준다. 상기 검출 한계를 밀어 이러한 NP 크기 및 양, 염 농도, 시료의 부피 및 기기 매개 변수 등의 최적화가 필요하다.
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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 |
References
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