Novel bio-inspired structures and sample translation approaches for the Raman detection of pharmaceutical agents in water

Abstract

Over the years the widespread use of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) has become an emerging environmental problem affecting agriculture, ecological systems, and water quality as well. Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) is emerging as a practical alternative for the detection and characterization of pharmaceuticals and bioactive compounds. This process demands the construction of new high performance substrates, with improved plasmonic responses to ensure sensitive and reproducible trace analysis determination. This research focused: (1) on the development of bio-inspired nanocomposite structures, which offer the opportunity to develop nanostructures with higher and more reproducible plasmonic fields. (2) The fabrication of an economical sample translational portable device (STPD), which could be used for on-site screening and real time analysis. The fabrication, characterization and evaluation of nine bioinspired nano plasmonic substrates was achieved with two of the arrays; the sunflower and the orchid. Both of these designs are the most promising patterns as SERS substrates with enhancement factor (EF) on the 108 – 109 range. This fact along with the development of a STPD have become an innovative tool for the Raman analysis of chemical agents such as Rhodamine 6G, 4-carboxybenzene sulfonamide and fluoroquinolones. The analytical capabilities to perform qualitative and quantitative analysis of such compounds will be discussed. Finally, the removal of PPCPs using transitions metals nanoparticles including cerium oxide was tested. The results show a promising potential for the fluoroquinolone and sulfonamide removal. This results promote the synthesis of zinc sulfide nanoparticles using an economical method involving the Stokes’ law for their future evaluation as a new tool for the removal of antimicrobial drugs.

A través de los años, el uso generalizado de productos farmacéuticos y de higiene personal (PPCPs) se ha convertido en un nuevo problema medioambiental que afecta a la agricultura, los sistemas ecológicos, y la calidad del agua también. La técnica de dispersión Raman de superficie está emergiendo como una alternativa práctica para la detección y caracterización de los productos farmacéuticos y compuestos bioactivos. Este proceso exige la construcción de nuevos sustratos q de alto rendimiento, con una mejor respuesta plasmónicas. Esto con el fin de realizar de forma más sensitiva y reproducible el análisis a nivel trazas de contaminantes ambientales. Esta investigación se enfoca: (1) en el desarrollo de nano compuestos estructuras inspiradas en la biología, que ofrecen la oportunidad de desarrollar nano estructuras con campos plasmónicos más altos y más reproducibles y (2) en la fabricación de un dispositivo de traslación portátil (STPD) de bajo costo, que podría ser utilizado para la detección in situ y análisis en tiempo real. La fabricación, caracterización y evaluación de nueve nano sustratos plasmónicas bio-inspiradas se logró con dos de las matrices (girasol y de la Orquídea); como los patrones más prometedores como sustratos SERS con un factor de intensificación (EF) en el 108 - 109 rango. Este hecho, junto con el desarrollo de un STPD se ha convertido en herramientas innovadoras para el análisis Raman de agentes químicos como la Rodamina 6G, la sulfonamida de benceno 4-carboxy y dos tipos de fluoroquinolonas. Las capacidades de análisis para llevar a cabo análisis cualitativo y cuantitativo de tales compuestos será discutido. Por último, se probó la eliminación de metales PPCP utilizando nanopartículas de óxido de cerio. Los resultados muestran un potencial prometedor para la eliminación de las fluoroquinolonas y sulfonamidas. Estos hallazgos impulsaron la síntesis de nanopartículas de sulfuro de zinc utilizando un método económico que implica la ley de Stokes para su evaluación en el futuro como una nueva herramienta para la eliminación de drogas antimicrobiales.