Published December 12, 2022 | Version v1
Publication Open

Optical Ammonia-Sensing Probe Based on Surface-Plasmon Resonance of Silver-Nanoparticle-Decorated Superparamagnetic Dendritic Nanoparticles

Creators

  • 1. Zewail City of Science and Technology

Description

Abstract Ammonia is a serious contaminant of aquaculture water due to its continuous release into the water environment during the biological processes of aquatic animals. Ammonia accumulation in water has negative environmental impacts, including eutrophication and the death of aquatic organisms. Therefore, sensitive and accurate determination of ammonia is an urgent need, especially in pisciculture systems. Here, we report the fabrication of a novel magnetic–hyperbranched nanomaterial-based ammonia-sensing probe for the fast and sensitive determination of ammonia in water. The proposed probe is composed of poly(amidoamine) (PAMAM)-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) decorated with silver nanoparticles. Changing the ammonia concentration is associated with a corresponding change in the surface plasmon resonance property of silver nanoparticles. The proposed nanosystem was characterized with FTIR spectroscopy, SEM imaging, energy-dispersive X-ray (EDX) analysis, TEM imaging, X-ray diffractometry (XRD), and vibrating sample magnetometry (VSM). The TEM images showed a homogenous and uniform distribution of the nanoparticles with an average nanoparticle size of 200 nm, while the surface silver nanoparticles have an average particle size of 10–50 nm. The proposed optical ammonia sensor was successfully used to determine the concentration of ammonia in water samples by measuring the change in the solution absorbance at 428 nm. The obtained results revealed high recovery values (96.3–104.7%) and very low detection (LOD = 5.69 mg/L) and quantification (LOQ = 18.96 mg/L) limits. The standard plot is linear in the concentration range of 10–50 mg/L with an r 2 value of 0.9980. Sandell's sensitivity of the most promising sensor (NP-III) among the investigated systems was found to be 0.15 µg/cm 2 , which indicates high sensitivity.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الأمونيا هي ملوث خطير لمياه الاستزراع المائي بسبب إطلاقها المستمر في البيئة المائية أثناء العمليات البيولوجية للحيوانات المائية. تراكم الأمونيا في الماء له آثار بيئية سلبية، بما في ذلك المغذيات وموت الكائنات المائية. لذلك، فإن التحديد الدقيق والحساس للأمونيا هو حاجة ملحة، خاصة في أنظمة تربية الأسماك. هنا، نبلغ عن تصنيع مسبار جديد لاستشعار الأمونيا قائم على مادة نانوية مغناطيسية مفرطة التفرع للتحديد السريع والحساس للأمونيا في الماء. يتكون المسبار المقترح من جسيمات أكسيد الحديد النانوية فائقة المغناطيسية المغلفة بالبولي (أميدوأمين) (PAMAM) (SPIONs) المزينة بجسيمات فضية نانوية. يرتبط تغيير تركيز الأمونيا بتغيير مقابل في خاصية رنين البلازمون السطحي للجسيمات الفضية النانوية. تميز النظام النانوي المقترح بمقياس الطيف FTIR، وتصوير SEM، وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، وتصوير TEM، وقياس الانحراف بالأشعة السينية (XRD)، وقياس مغناطيسية العينة الاهتزازية (VSM). أظهرت صور TEM توزيعًا متجانسًا وموحدًا للجسيمات النانوية بمتوسط حجم جسيمات نانوية 200 نانومتر، في حين أن الجسيمات النانوية الفضية السطحية لها متوسط حجم جسيمات 10–50 نانومتر. تم استخدام مستشعر الأمونيا البصري المقترح بنجاح لتحديد تركيز الأمونيا في عينات الماء عن طريق قياس التغير في امتصاص المحلول عند 428 نانومتر. كشفت النتائج التي تم الحصول عليها عن قيم استرداد عالية (96.3-104.7 ٪) وكشف منخفض للغاية (LOD = 5.69 مجم/لتر) وحدود القياس الكمي (LOQ = 18.96 مجم/لتر). المخطط القياسي خطي في نطاق التركيز من 10–50 ملغ/لتر بقيمة r 2 تبلغ 0.9980. وجد أن حساسية سانديل للمستشعر الواعد (NP - III) بين الأنظمة التي تم فحصها هي 0.15 ميكروغرام/سم 2 ، مما يشير إلى حساسية عالية.

Translated Description (French)

Résumé L'ammoniac est un contaminant grave de l'eau d'aquaculture en raison de son rejet continu dans l'environnement aquatique au cours des processus biologiques des animaux aquatiques. L'accumulation d'ammoniac dans l'eau a des impacts environnementaux négatifs, notamment l'eutrophisation et la mort des organismes aquatiques. Par conséquent, la détermination sensible et précise de l'ammoniac est un besoin urgent, en particulier dans les systèmes de pisciculture. Ici, nous rapportons la fabrication d'une nouvelle sonde de détection d'ammoniac à base de nanomatériaux hyperbranchés magnétiques pour la détermination rapide et sensible de l'ammoniac dans l'eau. La sonde proposée est composée de nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques revêtues de poly(amidoamine) (PAMAM) (SPION) décorées de nanoparticules d'argent. La modification de la concentration d'ammoniac est associée à une modification correspondante de la propriété de résonance plasmonique de surface des nanoparticules d'argent. Le nanosystème proposé a été caractérisé par spectroscopie IRTF, imagerie MEB, analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDX), imagerie met, diffractométrie par rayons X (DRX) et magnétométrie par échantillons vibrants (VSM). Les images met ont montré une distribution homogène et uniforme des nanoparticules avec une taille moyenne de nanoparticules de 200 nm, tandis que les nanoparticules d'argent de surface ont une taille moyenne de particules de 10–50 nm. Le capteur optique d'ammoniac proposé a été utilisé avec succès pour déterminer la concentration d'ammoniac dans des échantillons d'eau en mesurant le changement de l'absorbance de la solution à 428 nm. Les résultats obtenus ont révélé des valeurs de récupération élevées (96,3-104,7 %) et des limites de détection (LOD = 5,69 mg/L) et de quantification (LOQ = 18,96 mg/L) très faibles. La courbe standard est linéaire dans la plage de concentration de 10–50 mg/L avec une valeur r 2 de 0,9980. La sensibilité de Sandell du capteur le plus prometteur (NP-III) parmi les systèmes étudiés s'est avérée être de 0,15 µg/cm 2 , ce qui indique une sensibilité élevée.

Translated Description (Spanish)

Resumen El amoníaco es un contaminante grave del agua de acuicultura debido a su liberación continua en el medio acuático durante los procesos biológicos de los animales acuáticos. La acumulación de amoníaco en el agua tiene impactos ambientales negativos, incluida la eutrofización y la muerte de organismos acuáticos. Por lo tanto, la determinación sensible y precisa del amoníaco es una necesidad urgente, especialmente en los sistemas de piscicultura. Aquí, informamos sobre la fabricación de una novedosa sonda de detección de amoníaco basada en nanomateriales hiperramificados magnéticos para la determinación rápida y sensible de amoníaco en agua. La sonda propuesta está compuesta por nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas recubiertas con poli(amidoamina) (PAMAM) (SPIONs) decoradas con nanopartículas de plata. El cambio de la concentración de amoníaco se asocia con un cambio correspondiente en la propiedad de resonancia de plasmones superficiales de las nanopartículas de plata. El nanosistema propuesto se caracterizó con espectroscopia FTIR, imágenes SEM, análisis de rayos X dispersivos de energía (edX), imágenes TEM, difractometría de rayos X (XRD) y magnetometría de muestra vibratoria (VSM). Las imágenes TEM mostraron una distribución homogénea y uniforme de las nanopartículas con un tamaño medio de nanopartícula de 200 nm, mientras que las nanopartículas de plata de superficie tienen un tamaño medio de partícula de 10–50 nm. El sensor óptico de amoníaco propuesto se utilizó con éxito para determinar la concentración de amoníaco en muestras de agua midiendo el cambio en la absorbancia de la solución a 428 nm. Los resultados obtenidos revelaron altos valores de recuperación (96.3–104.7%) y límites de detección (LOD = 5.69 mg/L) y cuantificación (LOQ = 18.96 mg/L) muy bajos. La gráfica estándar es lineal en el rango de concentración de 10–50 mg/L con un valor r 2 de 0,9980. Se encontró que la sensibilidad de Sandell del sensor más prometedor (NP-III) entre los sistemas investigados era de 0,15 µg/cm 2 , lo que indica una alta sensibilidad.

Files

s11468-022-01745-1.pdf.pdf

Files (4.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d8d2e521620a179726179f66e36bb224
4.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مسبار استشعار الأمونيا البصري استنادًا إلى رنين البلازمون السطحي للجسيمات النانوية الفضية المغنطيسية الفائقة المغنطيسية المزينة بالجسيمات النانوية المتغصنة
Translated title (French)
Sonde optique de détection de l'ammoniac basée sur la résonance plasmonique de surface des nanoparticules dendritiques superparamagnétiques décorées de nanoparticules d'argent
Translated title (Spanish)
Sonda óptica de detección de amoníaco basada en la resonancia de plasmón superficial de nanopartículas dendríticas superparamagnéticas decoradas con nanopartículas de plata

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4312121497
DOI
10.1007/s11468-022-01745-1

Is supplement to
https://openalex.org/W4200384591 (Other)
https://openalex.org/W3194373980 (Other)
https://openalex.org/W3163366744 (Other)
https://openalex.org/W3107956385 (Other)
https://openalex.org/W2949551688 (Other)
https://openalex.org/W2319163891 (Other)
https://openalex.org/W2132228658 (Other)
https://openalex.org/W2043351428 (Other)
https://openalex.org/W1998447235 (Other)
https://openalex.org/W1511307558 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1966529020
  • https://openalex.org/W2033452695
  • https://openalex.org/W2035666225
  • https://openalex.org/W2042322054
  • https://openalex.org/W2066965358
  • https://openalex.org/W2265962214
  • https://openalex.org/W2622618086
  • https://openalex.org/W2743145709
  • https://openalex.org/W2766461676
  • https://openalex.org/W2883400885
  • https://openalex.org/W2888241148
  • https://openalex.org/W2890777355
  • https://openalex.org/W2921636669
  • https://openalex.org/W2972689348
  • https://openalex.org/W2981273013
  • https://openalex.org/W3081184159
  • https://openalex.org/W3085159525
  • https://openalex.org/W3093940626
  • https://openalex.org/W3113044974
  • https://openalex.org/W3117485415
  • https://openalex.org/W3122566539
  • https://openalex.org/W3161348175
  • https://openalex.org/W3186427914
  • https://openalex.org/W3216241758
  • https://openalex.org/W4206532432
  • https://openalex.org/W4281871223
  • https://openalex.org/W4294874472