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

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

Kimyasal bulaşanların Hızlı Algılama için Raman Spektroskopisi Tahlili Geliştirilmiş A Filtre tabanlı Yüzey

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

Summary

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.

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

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.

Protocol

1. Gümüş Nanoparçacık Sentezi 15 5 saniye boyunca 100 mi, aşırı saf su (18.2 ΩU) ve vorteks 18 mg gümüş nitrat çözeltisi ile çözülmüştür. 5 saniye boyunca 1 ml su ve vorteks 27 mg sodyum sitrat dihidrat çözülür. 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 altınd…

Representative Results

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…

Discussion

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…

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