JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
français

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
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
, ,
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.

Abstract

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.

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.

Protocol

1. Argent nanoparticules de synthèse 15 Dissoudre 18 mg de nitrate d'argent dans 100 ml d'eau ultra-pure (18,2 ΩU) et vortex pendant 5 sec. Dissoudre 27 mg de citrate de sodium dihydraté dans de l'eau de 1 ml et vortex pendant 5 sec. 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 vigou…

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). <p class="jove_conte…

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. …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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 s
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Filter-based SERSRapid DetectionChemical ContaminantsSilver NanoparticlesPVDF MembraneSERS SubstrateRaman Detection

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Gao, S., Glasser, J., He, L. A Filter-based Surface Enhanced Raman Spectroscopic Assay for Rapid Detection of Chemical Contaminants. J. Vis. Exp. (108), e53791, doi:10.3791/53791 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image