Title: SERS detection of urea and ammonium sulfate adulterants in milk with coffee ring effect

Abstract: In the current work, surface-enhanced Raman scattering (SERS) based on gold nanoparticles (AuNPs) and silver-coated gold nanoparticles (Au@AgNPs) with coffee ring effect was employed to simultaneously ascertain urea and ammonium sulfate (AmS) in milk. A small drop (2 uL) of milk with adulterants was dried on a gold-coated slide to examine concentrations ranging from 5, 10, 20, 40 and 80 mg/dL based on spectra ranging from 400 to 1500 cm.- A uniform distribution of analytes, with enhanced Raman signals was detected in a small region (maximum 1.9 mm) of coffee ring across the centre of coffee ring pattern. Nanoparticles with core (Au) diameter of 26 nm and shell thickness (Ag) of 6.5 nm were confirmed using transmission electron microscopy (TEM) images. A strong Raman peak at 980 cm- was assigned to AmS, while that at 1001 cm- was ascribed to urea. With AuNPs, coefficients of determination (R2) of 0.9873 and 0.9859 were achieved for urea and AmS, respectively, while for Au@AgNPs values of 0.9827 and 0.9855 were obtained for urea and AmS, respectively. This study revealed that SERS based on coffee ring effect has the potential to be further exploited for detecting other banned and hazardous adulterants in milk and milk products.

Introduction:

Introduction and renal failure, cancers and even deaths are Milk is a nutritious food commodity with macro reported in some parts of the world due to illegal and microconstituents necessary for a healthy life. adulteration (Cheng et al. 2010; Kandpal et al. 2012; Unfortunately, like other valuable agricultural pro- Domingo et al. 2014; Toledo et al., 2017). ducts, milk is also prone to adulteration with inex- Urea and AmS are among the most common pensive and hazardous substances for various adulterants added to milk to deceive the lact- purposes. For example, water is added as diluent, ometer readings (Nieuwoud et al., 2016). In while borax, salicylic acid, formaldehyde, hydrogen order to examine such water-soluble nitrogen- peroxide, hypochlorite and dichromate are adulter- rich compounds, conventional techniques possess ated to enhance shelf life or mask poor quality of numerous negative aspects. For example, Kjeldahl milk (Hussain et al. 2013; Moore et al. 2012; Jeong technique commonly used for urea determination et al. 2015). Likewise, surfactants, fats and oils are in milk samples is time-consuming (about 3 h) mixed to raise the fat content (Garcia et al. 2012), and requires high temperatures, and the method and urea, ammonium sulphate, dicyandiamide, cannot distinguish between protein and non- melamine and cheese whey are added to boost its protein nitrogen and is destructive in nature nitrogen content (Carvalho et al., 2015; Nieuwoudt (Ritota and Manzi 2018). Recently, non-destruc- et al. 2016). Such chemical adulterants can cause tive techniques such as computer vision (Sun and serious health issues like kidney and liver problems, Brosnan 2003; Wang and Sun 2003; Du and Sun 2005; Zheng et al. 2006; Jackman et al. 2011), spectroscopy (Morsy and Sun 2013; He and Sun 2015; Wang et al. 2017a, 2017b), and hyperspectral imaging (Dai et al. 2016; Cheng et al. 2016a, 2016b, 2017, 2018; Liu et al. 2017, 2018; Ma et al. 2017, 2018; Pan et al. 2018c) have thus been developed for food quality and safety evalua- tion. the emerging techniques reported to detect urea and AmS in liquid milk include liquid chro- matography-isotope dilution mass spectrometry, attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy, portable Raman spectro- meter, diffuse reflectance spectroscopy, near- infrared Raman spectroscopy, infrared micro- spectroscopy and two-dimensional infrared corre- lation spectroscopy. However, some of these methods exhibit poor limits of detection (600 to 780 mg/L) (Santos et al. 2013; Khan et al. 2015), while others require complex instrumentation set- ups. In addition, some methods also involve a number of sample preparation steps and require more chemicals (Dai et al. 2012; Yang et al. 2014; Toledo de et al. 2017; Nieuwoudt et al. 2016). Fourier transform mid-infrared spectroscopy is also a common method used with the benefits including speed, requirement of minor or no sam- ple preparation and suitability for proximate and simultaneous contaminants detection in milk sam- ples. However, its low sensitivity to trace elements in a sample and high water interference are among the main issues, which limit its applications (Sun 2018). Therefore, there is a need for a versatile technique that can cope with emerging food safety issues. SERS is among the above emerging technologies, as it is a highly sensitive and specific tool, which can deliver specific details about molecular fingerprints for trace screening of chemicals (Pan et al. 2017a, 2018a; Fu et al. 2019; Jiang et al. 2019; Yaseen et al. 2018a, 2019). The high sensitivity of SERS is due to the simultaneous effect of chemical and physical mechanisms (Moskovits 1985). The enhancement due to optical characteristics of nanomaterials is the physical effect, which amplifies Raman signals by up to 1010-12 factor (Haynes et al. 2005). Likewise, the enrichment in charge transfer between nanopar- ticles and samples is the chemical mechanism, con- tributing to signal enhancement of up to 102 times (Firkala et al. 2013). For SERS detections, different single nanoparticles such as Au and Ag and their complexes are employed as Raman active nanoma- terials (Pu et al. 2017; Hussain et al. 2018a; Wang et al. 2019; Pan et al. 2017b; Jiang et al. 2018; Pan et al. 2018b). In addition, nanowires, nanoflowers, nano- cages, nanoplates and nanoprisms are also reported as SERS enhancers in different studies (Li et al. 2017; Ricotta et al., 2018; Hussain et al. 2018b; Yaseen et al. 2018b). Furthermore, in order to achieve the synergistic effect of Au and Ag nanoparticles, researchers recently introduced bimetallic Au@Ag core shelled nanoparticles with promising performances (Ritota and Manzi 2018; Wang et al. 2018). However, only limited studies are available using similar nanopar- ticles for detecting contaminants in milk, including amitraz pesticide (Li et al. 2018), chloramphenicol antibiotics (Gao et al. 2014), dicyandiamide con- taminant (Lin et al. 2015) and penicilloic acid veter- inary drug (Qi et al. 2016). In using SERS, overlapping of Raman bands and uncontrolled matrix variance often occurs, and thus solutions for the separation of desired spectra from unwanted bands are needed. Chemometric meth- ods including variable selection, discrimination and calibration are the commonly used techniques in the above studies.
제목: 커피 링 효과로 우유에서 요소 및 황산암모늄 불순물의 SERS 검출요약: 본 연구에서는 커피 링 효과가 있는 금 나노 입자(AuNP)와 은 코팅 금 나노 입자(Au@AgNP)를 기반으로 한 표면 강화 라만 산란(SERS)을 사용하여 우유의 요소와 황산 암모늄(AmS)을 동시에 확인했습니다. 불순물이 포함된 우유 한 방울(2 uL)을 금 코팅 슬라이드에서 건조시켜 400~1500cm 범위의 스펙트럼을 기준으로 5, 10, 20, 40, 80 mg/dL의 농도를 조사했습니다. 커피 링 패턴의 중심을 가로지르는 커피 링의 작은 영역(최대 1.9 mm)에서 라만 신호가 강화된 분석 물질의 균일한 분포가 감지되었습니다. 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 사용하여 코어(Au) 직경 26nm, 쉘 두께(Ag) 6.5nm의 나노 입자를 확인했습니다. 980cm-에서 강한 라만 피크는 AmS에, 1001cm-에서 강한 라만 피크는 요소에 할당되었습니다. AuNP의 경우 요소와 AmS에 대해 각각 0.9873 및 0.9859의 결정 계수(R2)를 얻었으며, Au@AgNP의 경우 요소와 AmS에 대해 각각 0.9827 및 0.9855의 값을 얻었습니다. 이 연구는 커피 링 효과에 기반한 SERS가 우유 및 유제품에서 다른 금지 및 유해 이물질을 검출하는 데 더 많이 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다.소개:소개 및 신부전, 암, 심지어 사망까지 우유는 건강한 삶에 필요한 불법 및 미량 성분으로 인해 세계 일부 지역에서 거시적으로보고 된 영양가있는 식품 상품입니다. 불순물 (Cheng 외. 2010; Kandpal 외. 2012; 불행히도 다른 귀중한 농업 프로 도밍고 외. 2014; Toledo 외..., 2017). 덕트, 우유는 또한 이넥스- 요소와 AmS는 우유를 속이기 위해 우유에 첨가되는 다양한 불순물에 대한 가장 흔한 잠재적이고 유해한 물질 중 하나입니다. 예를 들어, 물은 희석제, 오미터 판독 값으로 추가됩니다 (Nieuwoud et al., 2016). 붕사, 살리실산, 포름알데히드, 수소는 수용성 질소-과산화물, 차아염소산염 및 중크롬산염과 같은 불순물이 풍부한 화합물이지만, 기존 기술은 유통 기한을 늘리거나 수많은 부정적인 측면의 품질 저하를 감추기 위해 사용되어 왔습니다. 예를 들어, 키엘달 우유(Hussain 외. 2013; Moore 외. 2012; 요소 측정에 일반적으로 사용되는 정 기법 외. 2015)가 있습니다. 또한, 우유 시료에 계면활성제, 지방 및 오일을 혼합하여 지방 함량을 높이는 데 시간이 오래 걸리고(약 3시간), 고온이 필요하며, 이 방법과 요소, 황산암모늄, 디시안디아마이드는 단백질과 비멜라민을 구분할 수 없으며, 단백질 질소를 높이기 위해 치즈 유청을 첨가하여 질소 함량이 파괴적입니다(Carvalho et al., 2015; Nieuwoudt (Ritota and Manzi 2018). 최근에는 비파괴적이라고도 합니다(비파괴 외. 2016). 이러한 화학적 불순물은 컴퓨터 비전(태양과 신장 및 간 문제와 같은 심각한 건강 문제, Brosnan 2003; Wang and Sun 2003; Du and Sun 2005; Zheng et al. 2006; Jackman et al. 2011), 분광학(Morsy and Sun 2013; He and Sun 2015; Wang et al. 2017a, 2017b), 초분광 이미징(Dai et al. 2016; Cheng et al. 2016a, 2016b, 2017, 2018; Liu et al. 2017, 2018; Ma et al. 2017, 2018; Pan et al. 2018c)는 식품 품질 및 안전성 평가를 위해 개발되었습니다. 액체 우유에서 요소와 AmS를 검출하기 위해 보고된 새로운 기술에는 액체 크로마토그래피-동위원소 희석 질량 분석법, 감쇠 총 반사율-푸리에 변환 적외선 분광법, 휴대용 라만 분광계, 확산 반사율 분광법, 근적외선 라만 분광법, 적외선 마이크로 분광법 및 2차원 적외선 상관 분광법 등이 있습니다. 그러나 이러한 방법 중 일부는 검출 한계가 낮고(600~780 mg/L), 복잡한 기기 설정이 필요한 방법도 있습니다(Santos et al. 2013; Khan et al. 2015). 또한 일부 방법에는 여러 시료 전처리 단계가 포함되며 더 많은 화학 물질이 필요합니다(Dai 외. 2012, Yang 외. 2014, Toledo de 외. 2017, Nieuwoudt 외. 2016). 푸리에 변환 중적외선 분광법은 속도, 시료 전처리가 거의 또는 전혀 필요하지 않으며 우유 시료에서 오염 물질을 근접 및 동시 검출하는 데 적합하다는 장점으로 일반적으로 사용되는 방법입니다. 그러나 시료의 미량 원소에 대한 낮은 감도와 높은 수분 간섭이 주요 문제 중 하나이며, 이로 인해 적용이 제한됩니다(Sun 2018). 따라서 새로운 식품 안전 문제에 대응할 수 있는 다목적 기술이 필요합니다. SERS는 화학물질의 미량 스크리닝을 위해 분자 지문에 대한 구체적인 세부 정보를 제공할 수 있는 매우 민감하고 구체적인 도구이기 때문에 위의 신흥 기술 중 하나입니다(Pan et al. 2017a, 2018a; Fu et al. 2019; Jiang et al. 2019; Yaseen et al. 2018a, 2019). SERS의 높은 감도는 다음과 같은 이유 때문입니다.