一个权宜之计ser地带策略快速现场检测与长期的灵敏度和重复性

文摘

表面增强拉曼光谱(ser)吸引了大量的兴趣近年来学术和工业领域。长期的改善灵敏度和重复性是高度要求的现场应用。在此,我们提出一个权宜之计ser地带与这些期望的优势策略。具体来说,策略利用优秀的胶体粒子的稳定性维持ser材料在存储。使用后,加沙地带迅速准备现场,然后目标抽样浸涂和加热方法,旨在规范整个检测过程的敏感性。由于策略,只有三分之一的ser灵敏度衰减观察半年后对若丹明6 g。除了罗丹明6 g的ser光谱也不同动物的血液样本调查ser地带策略,初步证明了物种歧视的能力。

1。介绍

拉曼光谱是一种指纹光谱产生的化学键的振动,可用于识别分子和材料(1]。拉曼光谱的测量无创、快速、干扰和耐水。此外,表面增强拉曼光谱的应用(ser)扩展到跟踪检测领域(1- - - - - -5),如炸药的嗅探6)、药物(7),农药残留(8),禁止食品添加(9),而微生物识别(10,11]。随着手持式拉曼光谱仪的发展,检测方法已经证明现场跟踪探测和识别,潜力巨大,因此,传感材料与长期敏感性,可重复性和低成本成为高度期望12]。

所产生的电磁场放大局部表面等离子体的激发是ser的来源和粗糙面可以增强放大和目标分子的吸附13]。化学合成胶体纳米颗粒(NPs) Ag)和非盟的主要来源是ser材料由于其低成本、长寿命和高灵敏度14]。然而,问题可重复性和不便操作可能仍然阻碍ser应用程序。例如,由于离子,温度和有机溶剂、胶体容易迅速聚合胶体样品转移后,导致低均匀的样品和间接测量的不确定性15]。此外,使用胶体NPs需要精确液体转移操作微升的水平。实现有利的使用,更好的灵敏度,和可重复性,打印的纸质ser条捏造NPs探索,和NPs条紧密堆积在基板(16]。由于缺乏保护的高表面能和溶剂,NPs的奥斯特瓦尔德成熟,NPs与氧之间的反应,湿度甚至纸基板可以逐步降低传统ser的敏感性,导致寿命很短的日子。

增加操作的简便性,胶体NPs的重复性,和传统的ser的短生命周期,在此介绍一种混合策略提高ser的长期的灵敏度和重复性检测与简单的操作如计划所示1,适用于现场快速应用(17]。详细化学合成胶体AgNPs准备和维护成本低和伟大的贮存稳定性。使用,感应条伪造通过直接浸涂胶体NPs在空白纸,紧随其后的是microheater快速加热。在目标抽样,好带直接浸入样品溶液,然后加热相同的microheater加快操作,避免“咖啡环效应”(18,19]。因此,在一个单一的检测、胶体稳定的地带总是新鲜捏造NPs确保长期的敏感性,整个过程是标准化和浸渍和加热操作更好的一致性和可重复性,没有任何液体转移操作和意想不到的NPs的聚合。此外,带制造步骤和目标抽样步骤可以重复几次增加的总体敏感性条。这ser条策略,光谱的若丹明6 g (Rh6G)解决方案和稀释血液样本来自不同动物与手持式拉曼光谱仪研究了模拟现场应用程序场景。Rh6G和血液样本的拉曼光谱明显观察到,和血液样本可以进一步部分基于动物物种歧视。这个概念验证工作可能证明ser的潜在应用技术在法医和野生动物保护领域(20.]。

2。材料和方法

2.1。制备胶体AgNPs

相似的方法后的胶体AgNPs准备之前的文献[16]。增加AgNPs的浓度,前体的浓度是原始方法相比增加了两倍。在一个典型的准备,90毫克的AgNO₃加入160毫升超纯水然后在圆底烧瓶加热120°C的搅拌10分钟。然后,10毫升的解决方案包含100毫克的柠檬酸钠添加到瓶中一滴一滴地5分钟。半小时后,溶液变为棕色灰色和被加热浴冷却到室温。

2.2。一般检测ser地带的操作策略

ser地带策略对于现场应用程序需要一个microheater包含一个精确闭环温度控制面板,空白带由Fisherbrand纯纤维素层析纸,包含准备胶体AgNPs瓶,空瓶液体样品,和一个手持式拉曼光谱仪。和一般的检测操作包括三个步骤。第一步是一个测试条的制造。microheater进行优化的温度为65°C带制造。一个空白地带(∼4厘米×0.5厘米)是直接浸入胶体AgNPs瓶5秒钟,然后迅速退出了后与microheater烤1分钟。第一步可以执行几次提高检测灵敏度。第二步是样品制备和转移。目标分子或材料应在液态本身或溶解在某种溶剂中形成均匀的状态,这是适合地带倾斜。不溶性材料取样前应该过滤,以避免可能的干扰在带钢表面。然后,捏造带降至5秒的样品瓶,其中包含目标样品的解决方案。 Similar to the first step, the strip is taken out and baked for 1 minute with the microheater, and this process could also be done for multiple times to accumulate the target molecules within the strip. The temperature of the microheater should be optimized for different samples. For Rh6G and blood samples, the temperature was kept as 65°C. The third step is the spectrum measurement. The freshly prepared strip with target molecules is directly measured with a hand-held Raman spectrometer. The central area of a strip is recommended to avoid the edge effect of the strip. All the blood samples were kept in −20°C refrigerator and contained trisodium citrate as the anticoagulant. Before sampling, they were diluted by 10 times with 0.9% NaCl water solution. In the experiments, the strips were dip-coated and heated for three times, and the blood samples were dipped and heated for once.

2.3。形态和光谱特征

拉曼光谱具有一个手持式拉曼光谱仪(模型cr - 2000, HT-NOVA有限公司)在所有的实验。激发激光785海里,检测波长范围200∼3200厘米⁻¹与光谱分辨率4∼6厘米不等⁻¹。形态学观察结果进行了扫描电子显微镜(SEM、卡尔蔡司上55)和透射电子显微镜(TEM、范Tecnai + 30)。

3所示。结果与讨论

3.1。准备测试条和形态特征

图1(一)展览的设计microheater ser条策略。闭环控制加热器的加热区由针对65°C和空心覆盖允许逃避在烘烤产生的水蒸气。快速蒸发的溶剂可以抑制“咖啡环效应”,这是一个常见的原因异质性的湿涂层工艺。准备AgNPs有很好的分散的胶体溶液,确保浸涂的均匀的条状。开始检测,空白试验片浸入含有胶体的瓶AgNPs 5秒钟,如图1 (b)。然后,加沙地带被放在microheater制造快速测试条。烘烤后的颜色与AgNPs似乎浅灰色地带。控制,空白试验片也烤遵循同样的步骤,虽然仍是白色,表示颜色的变化应该是由于粘附AgNPs到纸上。当第一个周期的浸涂和加热完成后,有一个选项重复制造进一步丰富AgNPs表面上。图1 (c)显示条具有不同周期的白衬衫从0到5。相应地,这些条的颜色变暗,展示的净积累AgNPs表面上在每个加工步骤。ser条的准备时,他们准备目标抽样一步接触液体样品的解决方案。图1 (d)显示这一步Rh6G水解决方案,这非常类似于加沙地带制造步骤,这对更好的整体抽样步骤也是accumulable敏感性,如果必要的。

确认颜色变化之间的一致性测试条和AgNPs的积累和进一步研究AgNPs分布带,胶体的形态AgNPs和捏造条与TEM和SEM表征,分别。图2(一个)显示了一个典型的TEM AgNPs的形象。AgNPs的形状是球形和多面体之间有多个方面。他们的直径范围从35到50 nm窄分布。这些AgNPs清晰的表面。加工后,中央地带的一部分被切断SEM表征确保代表性。数据2 (b)∼2 (f)显示表面状态条的1∼5浸涂和加热周期,和数字S1 (a)∼S1 (e)也证实了类似的形态地位在较大的区域,分别。第一个周期后,AgNPs显然是发现在测试条上,形成小集群包含数万AgNPs,而不是均匀分布在整个界面。这样的cluster-like结构可能表明之间的交互AgNPs自己比AgNPs之间的交互和纸。所以,即使有少量的AgNPs接触,聚合也可以有效地实现。第二次循环后,几个小集群“增长”小岛和集群形成,指示的积累是围绕现有AgNPs首选有利的互动。在接下来的周期,岛屿倾向于继续成长为大面积,和一些集群开始合并成大岛屿。第五个周期后,包含大量的大型岛屿AgNPs成为占主导地位的表面的纸。因此,SEM图像可能支持颜色之间的正相关变化和AgNPs的数量。另外,很明显,即使一次浸涂和加热,AgNPs聚合或“热点”,有效地形成,应该有能力提供ser的敏感性。更多的制造周期会导致顺向聚合这地带的敏感性也将增加。

3.2。ser Rh6G基于条策略的效果

根据形态学研究,加沙地带策略隐含巨大的潜力在ser应用可调的敏感性。定量评估的性能捏造,几个一系列Rh6G ser光谱测量水的解决方案。图3(一个)显示第一系列不同浓度的ser光谱Rh6G抽样的测试条和三个制造周期。Rh6G的浓度范围从2×10⁻⁴毫米,0.1毫米,除了2×10的光谱⁻⁴Rh6G毫米,其他浓度的光谱显示清晰的Rh6G山峰。在图S2、多光谱的5×10⁻³mM Rh6G解决来自不同条确认的良好重现性策略。不同浓度,从低拉曼转变方面,六个最强峰也相同,位于612厘米⁻¹,771厘米⁻¹,1183厘米⁻¹,1312厘米⁻¹,1364厘米⁻¹,1510厘米⁻¹与先前的文献,他们一致,表明加热温度是适合Rh6G [21]。因为Rh6G的光谱相似,峰值强度(与基线校正)1364厘米⁻¹计算和绘制在图吗3 (b)。明确选择的浓度和峰强度正相关关系,表明地带的定性和定量能力策略。

在第二个系列中,通过制造周期的数量可调敏感性进行了研究。与制造周期从一到五条准备测量0.6毫米的ser光谱Rh6G解决方案,如图3 (c)。结果表明,即使只有1循环的制造,加沙地带极其敏感,足以提供ser光谱具有高信噪比,这是符合表面AgNPs集群形态的研究中发现带制造的一个周期。事实上,随着制造周期的增加,所有的特征峰Rh6G逐渐增长,表明AgNPs可以提高ser信号。这种效应也观察不同浓度Rh6G,如图3。根据峰值强度(与基线校正)1364厘米⁻¹,相同的浓度和测量拉曼光谱仪的配置、强度可调范围由制造周期4 - 5倍,如图3 (d)。有趣的是,的魅力比2^nd4^th周期相对高于数量从1^圣的2^nd周期从4^th到5^th周期。考虑到形态研究中,2之间的阶段^nd和4^th周期很可能对应的形成更大的岛屿AgNPs表面上。而在1^圣周期,只有小集群形成和5^th周期,岛屿的净积累可能会受到溶解平衡。此外,结合灵活的浸渍时间采样步骤,该方法的灵敏度可调窗口总在20倍。考虑到目标分子的浓度现场测量通常是未知的和丰富的目标分子质量的工作和需要额外的工具,这种独特的敏感性的灵活性可能极大地协助现场检测对不同目标和应用程序。

3.3。ser地带的稳定策略

作为一个实际的策略进行现场检测,除了敏感性和易用性,长期稳定性能是至关重要的,特别是对于定量或半定量的应用程序。根据以前的文献,胶体体系相对稳定如果存储在一个受控的环境中,而纸质条满足灵敏度的快速衰减了预存款(16]。这一事实是一个动机的策略NPs存储在胶体状态,然后刚准备成条状快速、可控microheater在球场上。为了证明这种方法的优点,一系列的长期测试Rh6G光谱带了预存款和现场制作的带是用同一批次的胶体AgNPs进行的。一半的NPs被用来制造带初浸涂和加热的实验方法。这条被算作带了预存款,并立即与铝薄膜塑料袋真空包装。的另一半胶体AgNPs一直在瓶ser条策略。所有的条和胶体保持在4°C的温度和在黑暗。每2天,然后,在0.5毫米的Rh6G水溶液测定密封条了预存款和新鲜与存储胶体AgNPs条制作的。十天之后,测量光谱比较图4(一)。很明显,带了预存款的敏感性显著降低虽然他们仔细密封,而条捏造的敏感性策略几乎是基于1364厘米⁻¹峰值强度图,如图4 (b)。然后,在后续的实验中,带了预存款几乎不能检测Rh6G解决方案后一个月,而条策略,Rh6G光谱的峰值强度仅六个月后遭受损失三分之一,比最初的强度。因此,这种现场制造策略证实有助于防止灵敏度衰减与小牺牲地带制造时间。长期稳定的优势,除了灵敏度可调,为现场应用提供了一种方便的工具。

3.4。动物血液样本检测和歧视

确认的敏感性、长期稳定和可重复性,ser地带策略应用于研究一系列的血液样本,因为血液快速识别通常是法医和野生动物保护领域的需要,和一些先前的文献报道,拉曼光谱可以用于检测血液和歧视(22- - - - - -24]。虽然加热会改变血液样本的生物活性,加热温度仍设置为65°C,因为拉曼光谱基本化学键主要揭示了信息,而不是《生物高分子的折叠结构。七种动物的血液样本测量后的一般操作每30倍的物种,和所有的光谱图演示了4。高光谱从某个物种的相似性表明良好的再现性的策略。图5显示平均拉曼光谱,与空白试验,血液样本显示几个特定的山峰,山峰等480厘米⁻¹,660厘米⁻¹,1128厘米⁻¹,1221厘米⁻¹,1315厘米⁻¹,1439厘米⁻¹,1578厘米⁻¹也观察到其他文献[25,26]。具体地说,660厘米⁻¹和1221厘米⁻¹与血液中的血红蛋白;1128厘米⁻¹和1315厘米⁻¹可能从精胺磷酸盐六水合物;和1439厘米⁻¹匹配的喇曼乐队血清白蛋白(27,28]。

然而,大型动物的血液成分很复杂,所以基于特征峰的解释成化学键和分子可能是复杂的。识别目标是不仅化学成分也该物种的信息。因此,在很多情况下,分类算法对最终的标签,而不是匹配的特征峰,更频繁的应用。这样的算法主要是需要良好的再现性和标签之间的一致性和发现未知的样本和样本相对较少的影响诗的化学或物理变化在测试期间如果同样的改变发生在标签样本和检测到未知的样本。这里,我们应用主成分分析(PCA),这是经常申请分类目标(29日),这些光谱试图集群基于物种的光谱。总体而言,前两个组件覆盖超过95%的信息的原始光谱,表明这些光谱主成分分析方法的可行性。图6显示了PCA聚类分析95%自信的每个集群范围。重叠的不同物种,ser信号条可以完全区分5种,如袋鼠、狗,金丝猴,梅花鹿。另一方面,一部分猫血液样本的光谱重叠和空白带,这可能是由于这些光谱的相对较弱的信号。自信的椭圆的牛和丹顶鹤ser光谱共享大约三分之一的样品,这可能会导致不准确的预测对于这两个动物。进一步验证了分类的潜力,第三主成分,进行大约1.5%的信息,也被考虑在内。在这种情况下,猫的光谱可以成功分离的空白带在95%信心而牛和丹顶鹤仍不能完全区分ser条和手持式拉曼光谱仪。总之,在初步实验,动物物种可以通过拉曼光谱可能歧视的血低于95%的信心。如果目标只是是的/不二元分类对一种特定的物种,真阳性率应该更高。

4所示。结论

在本文中,我们提出一个ser地带策略具有巨大的潜力与长期现场测量灵敏度和可重复性。与专用microheater ser条可以轻松高效地制作。此外,浸涂和快速加热组合方法也可以应用到目标抽样过程,这不仅增加了一致性和检测效率,而且使可调窗口的敏感性地带策略约20倍。这种灵活性可以提供很大帮助的实际检测浓度时目标是未知的或默认的范围。进一步证明的实际潜在地带策略,不同动物物种的血样测量与ser地带策略后,一般操作。ser条,所有样本的拉曼光谱观察,并通过应用主成分分析算法的光谱,光谱部分歧视。这样有前途的结果显示ser地带策略可能有助于法医,野生动物保护和许多其他领域,现场的检测和筛选解决方案所需的。

数据可用性

手稿中的数据是通过实验获得的。如果有必要,原始数据可以提供的作者(请联系xiong.shengjun@htnova.com),以保证实验的可重复性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的基金从中国的国家重点研发项目(2018 yfc1200203)。

补充材料

图S1:大面积测试条表面的扫描电镜图像。图S2: Rh6G的再现性测试解决方案。图S3:不同浓度的并行数据Rh6G条从不同的制造周期。图S4:光谱总结不同的动物的血液样本。(补充材料)

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