Utilization of nanoparticles for pesticide detection

Abstract

Metal nanoparticles (MNPs) can exhibit a phenomenon called localized surface plasmon resonance (LSPR), which induces the absorption of light at a specific frequency. Interacting with other substances affects the electron vibration frequency. Carbon dots, which are fluorescent molecules that can modify functional groups on their surface to be suitable for use as sensors. In this work, three types of nanoparticles, namely silver nanoparticles (AgNPs), gold nanoparticles (AuNPs) and carbon dots (CDs), were synthesized to be used as sensors for five groups of commonly used pesticides in Thailand, including fipronil, carbamate, avermectin, neonicotinoid, and organophosphate. The result showed that AgNPs were found to be specific to organophosphate. When organophosphate was added, color change from yellow to orange due to the hydrogen bond between the carboxyl group in the trisodium citrate (TSC) molecule of AgNPs and the ethoxy group of Organophosphate. Additionally, the benzene ring of Organophosphate induces a force through π-π interaction, resulting in particle aggregation. This aggregation prompts a red shift of the LSPR and displaces citrate ions from the particle surface when organophosphate contains sulfur on the AgNP surface. Eventually, the disappearance of LSPR is observed, which leads to the color reverting to its original yellow. The detection of organophosphate was successfully developed with the limit of detection (LOD) of 5.1 ppm. In addition, AuNPs are specific to avermectin and fipronil through the formation of ions-dipole interactions between CTAB and the intramolecular polar regions of the pesticides. The LOD for avermectin and fipronil are 6.6 ppm and 3.2 ppm, respectively. Furthermore, CDs demonstrated specificity for neonicotinoid, where the intensity of CDs luminescence decreases due to the interaction between the amine group in the neonicotinoid molecule and the carboxyl group and the amine group on CDs. This interaction, facilitated by π-π interaction, results in the absorption of neonicotinoids within the fluorescence emission range of CDs. The LOD for neonicotinoid with CDs is 1.6 ppm. Finally, CDs were used in combination with AgNPs to detect Neonicotinoid. When AgNPs were introduced alongside, there was a slight decrease observed in the emission of CDs. This reduction occurred because the LSPR of AgNPs overlapped with the emission wavelength of CDs leading to a decrease in the signal and electron transfer from excited state of CDs to LSPR of AgNPs. The LOD for neonicotinoid with CDs + AgNPs is 4.2 ppm

อนุภาคนาโนโลหะ(MNPs) มีปรากฏการณ์เชิงแสง localized surface plasmon resonance (LSPR) เมื่อเกิดอันตรกิริยากับสารอื่นจะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการดูดกลืนแสงและสีของ MNP นอกจากนี้ยังสามารถใช้คาร์บอนดอทซึ่งเป็นโมเลกุลฟลูออเรสเซนต์ที่สามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงการคายแสงเมื่อเกิดอันตรกิริยากับสารที่สนใจในการตรวจวัดได้ ในงานวิจัยนี้มีการสังเคราะห์อนุภาคนาโนสามชนิด ได้แก่ อนุภาคนาโนเงิน (AgNPs) อนุภาคนาโนทองคำ (AuNPs) และคาร์บอนดอท (CDs) เพื่อใช้เป็นเซ็นเซอร์สำหรับสารกำจัดศัตรูพืชที่มีการใช้ทั่วไป 5 กลุ่มในประเทศไทย ได้แก่ Fipronil, Carbamate, Avermectin, Neonicotinoid, และ Organophosphate ผลการวิจัยพบว่า AgNPs มีความจำเพาะต่อ Organophosphate เมื่อเติม Organophosphate ทำให้เกิดการเปลี่ยนสีจากสีเหลืองเป็นสีส้มเนื่องมาจากหมู่ Carboxyl ในโมเลกุล Trisodium citrate (TSC) บนพื้นผิวของ AgNPs เกิดพันธะไฮโดรเจนกับหมู่ Ethoxy ของ Organophosphate วงเบนซีนของ Organophosphate จะเกิดแรงกระทำผ่านพันธะ π ซึ่งทำให้เกิดการรวมตัวของอนุภาคส่งผลให้พลังงานของ LSPR ลดลงและมีการแทนที่ซิเตรตไอออนด้วยซัลเฟอร์ในโมเลกุล Organophosphate บนพื้นผิวของ AgNPs เป็นผลให้ AgNPs มีขนาดใหญ่และตกตะกอนทำให้คุณสมบัติ LSPR หายไป ส่งผลให้สีสารละลายเปลี่ยนกลับไปเป็นสีเหลืองเมื่อความเข้มข้นของ Organophosphate สูงขึ้น จากการคำนวณ LOD ในการตรวจวัด Organophosphate ของ AgNPs มีค่าเท่ากับ 5.1 ppm นอกจากนี้ AuNP ยังมีความจำเพาะต่อ Avermectin และ Fipronil เนื่องมาจากเกิด ion-dipole interaction ระหว่าง CTAB ซึ่งเป็น Stabilizing agent ในการสังเคราะห์ AuNPs และบริเวณที่มีขั้วภายในโมเลกุลของสารกำจัดศัตรูพืช Avermectin หรือ Fipronil การตกตะกอนที่เกิดจาก Avermectin นั้นมีขนาดใหญ่กว่าและเร็วกว่าการตกตะกอนที่เกิดจาก Fipronil เนื่องมาจากบริเวณที่มีขั้วภายในโมเลกุล Avermectin มากกว่าโมเลกุลของ Fipronil จากการคำนวณ LOD สำหรับ Avermectin และ Fipronil คือ 6.6 ppm และ 3.2 ppm ตามลำดับ ในกรณีของ CDs มีความจำเพาะกับสาร Neonicotinoid โดยความเข้มจากการคายแสงของ CDs จะลดลง เนื่องจากเกิดแรงกระทำระหว่างหมู่ Amine ในโมเลกุล Neonicotinoids กับหมู่ Carboxyl และหมู่ Amine บนผิวของ CDs และการเกิดแรงกระทำผ่านพันธะ π เป็นผลให้การดูดกลืนแสงของ Neonicotinoids ไปอยู่ในช่วงการคายแสงฟลูออเรสเซนต์ของ CDs ส่งผลให้การคายแสงฟลูออเรสเซนลดลง จากการคำนวณ LOD ในการตรวจวัด Neonicotinoid ของ CDs เท่ากับ 1.6 ppm และสุดท้ายได้นำ CDs มาใช้ร่วมกับ AgNPs เพื่อตรวจวัด Neonicotinoid พบว่าเมื่อมีการใช้ AgNPs ร่วมด้วยทำให้การคายแสงของ CDs ลดลงเล็กน้อยจากเดิมเนื่องมาจาก LSPR ของ AgNPs ไปซ้อนทับกับช่วงการคายแสงของ CDs ทำให้แสงที่ CDs คายถูกดูดกลืนด้วย AgNPs ทำให้สัญญาณลดลงและการส่งผ่านอิเล็กตรอนจาก CDs ไปที่ AgNPs โดยอิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นกระตุ้นของ CDs ถูกถ่ายโอนไปยัง AgNPs ทำให้การคายแสงของ CDs ลดลง โดย LOD ในการตรวจวัด Neonicotinoid ของ CDs ร่วมกับ AgNPs มีค่าเท่ากับ 4.2 ppm