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

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

Summary

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.

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

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.

Protocol

1. prata nanopartículas Síntese 15 Dissolver 18 mg de nitrato de prata em 100 ml de água ultrapura (18,2 ΩU) e vortex por 5 s. Dissolve-se 27 mg de di-hidrato de citrato de sódio em 1 ml de água e agitar com vortex durante 5 segundos. 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…

Representative Results

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. …

Discussion

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 …

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
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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).

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Filter-based SERSRapid DetectionChemical ContaminantsSilver NanoparticlesPVDF MembraneSERS SubstrateRaman Detection

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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).
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