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Detection of nitroexplosives by surface enhanced Raman spectroscopy on colloidal metal nanoparticles
Balaguera Gelves, Marcia del R.
Balaguera Gelves, Marcia del R.
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Abstract
Gold and silver colloids have been synthesized by chemical reduction methods, and they have been used for detecting molecules in solution with high sensitivity and molecular specificity. The present study focuses on metallic nanoparticles of silver and gold colloids with ~60-80 nm particle size in surface enhanced Raman and surface enhanced resonance Raman scattering (SERS). The nanoparticles were characterized using techniques such as UV-Vis spectroscopy using a Varian Cary-100 UV-visible double beam and Scanning Electron Microscopy (JEOL JSM 6460LV). Microscopy images were taken with 1μL of colloids. The colloids were developed for the identification of trace levels of nitroexplosives with detection limits down to femtomolar concentration. Detection of TNT deposited on gold and silver colloids was achieved at a wavelength of 785 nm with a laser operating at 6W power. TNT dye was detected at a wavelength of 532 nm with laser power set at 170 mW by Resonance Raman Scattering (SERS) at concentration levels as low as 1.1 X 10⁻¹⁷ grams at pH 10. The excitation source was a diode-pumped 532 nm green laser with a variable output power of up to 0.1 W (Millennia II laser from Spectra Physics). ARenishaw Raman Microspectrometer RM2000 with Leica objectives with 10xs magnifications was used. The spectra were obtained in the 100-3500 cm⁻¹ range acquiring 10 scans with 30 seconds of integration time. The azo structures, obtained by derivatizing the TNT, are highly colored derivatives which contain a functionality that will enable a strong bond with the metal surface. Recent experimental data have demonstrated the effect of metal nanostructures coated with hydrophilic copolymers (silver on thin-polymer film coated glass slide). Results indicated a decrease in the intensity of the SERS in TNT and TNT dye which was still detectable by the enhanced presence of the NO₂ out-of-plane bending modes at 820 and 850 cm⁻¹ and the NO₂ stretching mode at 1300-1370 cm⁻¹. It was also observed that the polymer film does not interfere with the signal of SERS in the film and some stretching bands of TNT were detected. In conclusion we found that polymers with carboxylic side chains like 2-hydroxyethylmethacrylate (Methacrylic Acid) cause the silver colloid surface layer to replace citrate ions by chemical species of like charge and similarly with aril carboxyl groups in polymer addition.
Se han sintetizado coloides de oro y plata por métodos de reducción química y han sido utilizados para detectar moléculas en solución con alta sensitividad y especificidad molecular. Este estudio se enfoca en nanopartículas metálicas de coloides de plata y oro en tamaños de partícula de ~60-80 nm usando dispersión amplificada por superficie y resonancia amplificad por superficie Raman (SERS). Las nanopartículas fueron caracterizadas usando técnicas tales como espectroscopia UV-Visible usando un instrumento Varian Cary-100 de doble haz y un microscopio de rastreo de electrones (JEOL JSM 6460LV). Imágenes en el microscopio se tomaron a 1μL de coloides. Los coloides fueron desarrollados para la identificación de niveles traza de nitroexplosivos con límites de detección hasta concentraciones femto-molares. La detección de TNT depositado en coloides de oro y plata se consiguió a una longitud de onda de 785 nm con un láser operando a una potencia de 6 W. El tinte de TNT fue detectado a una longitud de onda de 532 nm con una potencia de láser de 170 mW por dispersión de resonancia Raman (SERS) a niveles de concentración tan bajos como 1.1 X 10⁻¹⁷ gramos a pH = 9. La fuente de excitación fue un láser verde bombeado por diodo a 532 nm con una potencia de salida variable de hasta 0.1 W (laser Millennia II de Spectra Physics). Un microespectrómetro Raman Renishaw RM2000 con objetivos Leica con magnificación de 10xs fue usado. Los espectros se obtuvieron en el intervalo de 100-3500 cm⁻¹ adquiriendo 10 rastreos con 30 segundos de tiempo de integración. Las estructuras azo, obtenidas de la derivatización de TNT, son derivados altamente coloreados que contienen funcionalidad que permitirá la formación de un enlace fuerte con la superficie del metal. Datos experimentales recientes han demostrado el efecto de las nanoestructuras del metal cubiertas con copolímeros hidrofílicos (plata en laminilla de vidrio cubierta con capa polimérica fina). Los resultados indican una disminución en la intensidad de SER(R)S en TNT y tinte de TNT que aún era detectable por la presencia de los modos amplificados de torsión fuera del plano del NO₂ a 820 y 850 cm⁻¹ y el modo de estiramiento del NO₂ a 1300-1370 cm-1. Se observó también que la capa polimérica no interfiere con la señal SERS en la capa y algunas bandas de estiramiento del TNT fueron detectadas. En conclusión se encontró que polímeros con cadenas laterales carboxílicas como 2-hidroxietilmetacrilato (ácido metacrílico) causan que la capa de superficie del coloide de plata reemplace iones citrato por especies químicas de igual carga y de igual forma con grupos aril carboxilo en adición polimérica.
Se han sintetizado coloides de oro y plata por métodos de reducción química y han sido utilizados para detectar moléculas en solución con alta sensitividad y especificidad molecular. Este estudio se enfoca en nanopartículas metálicas de coloides de plata y oro en tamaños de partícula de ~60-80 nm usando dispersión amplificada por superficie y resonancia amplificad por superficie Raman (SERS). Las nanopartículas fueron caracterizadas usando técnicas tales como espectroscopia UV-Visible usando un instrumento Varian Cary-100 de doble haz y un microscopio de rastreo de electrones (JEOL JSM 6460LV). Imágenes en el microscopio se tomaron a 1μL de coloides. Los coloides fueron desarrollados para la identificación de niveles traza de nitroexplosivos con límites de detección hasta concentraciones femto-molares. La detección de TNT depositado en coloides de oro y plata se consiguió a una longitud de onda de 785 nm con un láser operando a una potencia de 6 W. El tinte de TNT fue detectado a una longitud de onda de 532 nm con una potencia de láser de 170 mW por dispersión de resonancia Raman (SERS) a niveles de concentración tan bajos como 1.1 X 10⁻¹⁷ gramos a pH = 9. La fuente de excitación fue un láser verde bombeado por diodo a 532 nm con una potencia de salida variable de hasta 0.1 W (laser Millennia II de Spectra Physics). Un microespectrómetro Raman Renishaw RM2000 con objetivos Leica con magnificación de 10xs fue usado. Los espectros se obtuvieron en el intervalo de 100-3500 cm⁻¹ adquiriendo 10 rastreos con 30 segundos de tiempo de integración. Las estructuras azo, obtenidas de la derivatización de TNT, son derivados altamente coloreados que contienen funcionalidad que permitirá la formación de un enlace fuerte con la superficie del metal. Datos experimentales recientes han demostrado el efecto de las nanoestructuras del metal cubiertas con copolímeros hidrofílicos (plata en laminilla de vidrio cubierta con capa polimérica fina). Los resultados indican una disminución en la intensidad de SER(R)S en TNT y tinte de TNT que aún era detectable por la presencia de los modos amplificados de torsión fuera del plano del NO₂ a 820 y 850 cm⁻¹ y el modo de estiramiento del NO₂ a 1300-1370 cm-1. Se observó también que la capa polimérica no interfiere con la señal SERS en la capa y algunas bandas de estiramiento del TNT fueron detectadas. En conclusión se encontró que polímeros con cadenas laterales carboxílicas como 2-hidroxietilmetacrilato (ácido metacrílico) causan que la capa de superficie del coloide de plata reemplace iones citrato por especies químicas de igual carga y de igual forma con grupos aril carboxilo en adición polimérica.
Description
Date
2006