Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Une méthode 'Plug and Play' pour créer Nanoassemblies dispersibles dans l'eau contenant un polymère amphiphile, colorants organiques et Upconverting nanoparticules

Published: November 14, 2015 doi: 10.3791/52987
Automatic Translation
*1, *1, 1, *1, *1, 1
14D LABS and Department of Chemistry, Simon Fraser University
* These authors contributed equally

Introduction

Aujourd'hui, il ya toujours un besoin urgent de développer de nouveaux types d'agents de bio-imagerie. Beaucoup de nouvelles sondes fluorescentes ont été bien documentés. 1-6 Cependant, des améliorations substantielles dans la résolution de l'image reste un défi. 7 Une méthode pratique consiste à moduler directement les sondes de fluorescence entre un état ​​«lumière» émissive et un état ​​trempé «sombre». 8-12 Cette méthode particulière a été utilisée pour développer des technologies telles que l'appauvrissement de l'émission stimulée (STED) microscopie 13 et la microscopie optique de reconstruction stochastique (STORM). 14

Une autre approche pour moduler la fluorescence est de coupler des chromophores photosensibles avec des sondes fluorescentes. 15,16 Basculer le chromophore photosensible entre deux isomères où un seul des isomères peut agir comme un accepteur de transfert d'énergie efficace, permet de contrôler extinction de la fluorescence de esonde e par le transfert d'énergie par résonance Förster (FRET) et d'autres mécanismes. Le résultat est la création d'un Etat émissive et un état trempé qui peut être alterné par l'exposition du chromophore photosensible à différentes longueurs d'onde de la lumière.

Chromophores diaryléthène photosensibles peuvent être réversible basculé entre un isomère de cycle ouvert incolore et un isomère à cycle fermé de couleur lors de l'irradiation avec les UV et la lumière visible. 17-19 La stabilité thermique des deux isomères et les spectres d'absorption accordable de la marque isomère à cycle fermé diaryléthènes très bons candidats comme FRET contrôlable accepteurs. nanoparticules 20-23 lanthanides dopé NaYF 4 upconverting sont utiles pour la bio-imagerie. 24 Ces nanoparticules absorbent la lumière dans le proche infrarouge et émettent de la lumière dans plusieurs régions du spectre visible. Des exemples de fluorescence modulation en combinant chromophores et nanoparticules photosensibles diaryléthène ont été préont rapporté précédemment par notre groupe. 25 à 27 Toutefois, les systèmes décrits dans chaque exemple nécessaire une modification synthétique supplémentaire pour fixer les diaryléthènes à la surface des nanoparticules, ce qui complique l'élaboration de systèmes plus diverses.

Ici, nous démontrons une méthode simple «plug-and-play 'pour préparer des molécules de colorant organique dispersibles dans l'eau et les nanoparticules upconverting photosensibles en utilisant une stratégie d'auto-assemblage. Le choix des polymères; poly (anhydride alt -maleic styrène) et de polyéther amine 2070 fournissent à la fois un environnement hydrophobe et hydrophile. Les sections hydrophobes du polymère à l'aide d'maintiennent les normalement insolubles dans l'eau des molécules organiques et des nanoparticules de conversion ascendante en même temps, alors que la région hydrophile du polymère est critique pour maintenir la solubilité dans l'eau. Nous allons d'abord démontrer la synthèse des nanoparticules upconverting par la méthode de nucléation thermique. Ensuite, nous allons prouver how molécules organiques et des nanoparticules de conversion ascendante sont encapsulés au sein des régions hydrophobes de la coque de polymère et restent stables dans des milieux aqueux par simple co-agitation d'une solution de nanoparticules à conversion ascendante, un polymère et différentes molécules de colorant organique, suivie d'une procédure de traitement final convenable. Nous démontrons également comment moduler l'émission de fluorescence des assemblées à l'aide de l'irradiation de la lumière extérieure. Nous prévoyons que le champ d'application de cette méthode «plug-and-play 'pour faire nanoassemblies dispersibles dans l'eau vont continuer à se développer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Synthèse de la NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ Upconverting nanoparticules (UCNP)

  1. Mettre en place l'appareil comme suit:
    1. Placez une enveloppe de chauffage 250 ml sur une plaque d'agitation régulière et branchez le manteau sur le couple thermique.
    2. Placez un ballon à fond rond de 250 ml équipé d'une barre d'agitation magnétique sur le manteau de chauffage avec bon serrage.
    3. Reliez un adaptateur d'air au cou gauche du ballon à fond rond et connectez cet adaptateur de l'air à la ligne de Schlenk avec des tubes en plastique.
    4. Fixez un adaptateur de verre vers la droite col du ballon à fond rond et fixer un adaptateur de thermomètre sur l'adaptateur de verre. Insérez la sonde de température dans le ballon par l'adaptateur de thermomètre et le brancher sur le thermocouple.
    5. Attacher une tête de distillation au milieu de la nuque ballon à fond rond. Placez un bouchon sur le dessus de la tête de distillation. Branchez la tête à un condenseur, suivie par un distillat sous videet un adaptateur ion tour ballon à fond 50 ml. Branchez l'adaptateur de distillation sous vide à un barboteur à travers des tubes en plastique.
  2. Peser 1,17 g (3,9 mmol) d'acétate d'yttrium, 0,439 g d'acétate d'ytterbium et 0,0727 g (0,1 mmol) d'acétate d'erbium et les placer dans la réaction de ballon à fond rond.
  3. Ajouter 30 ml d'acide oléique et de 75 ml d'octadécène dans le ballon l'aide d'une éprouvette graduée.
  4. Rincer le côté de la réaction ballon à fond rond en utilisant 5 ml de methanol pour faire en sorte que l'acide oléique et ne octadécène est collée sur les côtés du ballon de réaction.
  5. Raccorder le ballon de réaction à une double ligne collecteur d'Schlenk et tournez la vanne correspondante de garder le ballon de réaction reliée à la ligne d'azote.
  6. Allumez le thermocouple, régler la température à 80 ° C, et chauffer progressivement le système à cette température. A 80 ° C et après que tous les matériaux de départ sont dissous, enlever la chemise de chauffage et de permettre à la réaction derefroidir à 30 ° C.
  7. Lorsque la température atteint 30 ° C, enlever la tête de distillation, passer l'adaptateur d'air à partir du cou gauche au cou milieu et fermer le col gauche avec un bouchon. Introduire lentement le vide dans le ballon de réaction en faisant tourner la vanne sur le tube de Schlenk de la ligne de l'azote à la ligne de vide. Tous les composants à faible ébullition point sera retiré de la réaction à ce point.
  8. Lorsque la solution arrête bouillonnant, élever la température à 115 ° C dans une vitesse de 5 ° C / min.
  9. Une fois que la température atteint 115 ° C, maintenir cette température pendant 15 min, puis retirez le manteau de chauffage et de refroidissement de la réaction à 50 ° C. Ensuite, passer rapidement la mise en place de retour à la forme originale de rattacher la tête de distillation à la nuque du milieu et l'adaptateur d'air à la tête de gauche.
  10. Peser 0,74 g (12,5 mmol) de NaOH et 0,50 g (20,0 mmol) de NH 4 F pendant le processus de refroidissement, et les dissoudredans 50 ml de methanol par sonication.
  11. Après sonication, verser la solution dans le ballon à fond rond réaction et rincer les parois du ballon avec 5 ml de MeOH.
  12. Laissez la solution sous agitation à 50 ° C pendant 30 min.
  13. Augmenter la température à 75 ° C pour distiller le methanol.
  14. Pendant la distillation, vider le flacon de collecte lorsque cela est nécessaire. Après la distillation est terminée, la réaction se réchauffer à 300 ° C sous protection d'azote le plus rapidement possible.
  15. Une fois que la température atteint 300 ° C, maintenir cette température pendant 1 heure. Si nécessaire, couvrir la configuration avec du papier d'aluminium pour aider à maintenir la température. Ensuite, retirer la source de chaleur et laisser la réaction refroidir à température ambiante.
  16. Une fois qu'il est refroidi à la température ambiante, la solution uniformément divisé en trois tubes de centrifugation de 50 ml (tubes, environ 35 ml de solution pour chaque tube), et remplir le tube de l'échelle en utilisant 50 ml d'éthanol anhydre. Centrifugeuse tout til tubes à 3400 g pendant 15 min. Après centrifugation, les UCNPs doivent être observées sur le côté des tubes comme un précipité blanc.
  17. Jeter le surnageant et redisperser les pastilles UCNPs dans l'hexane (7,5 ml d'hexane par chaque tube), puis recharger le tube avec de l'éthanol à l'échelle de 50 ml. Tubes à centrifuger de nouveau à 3400 g pendant 15 min.
  18. Une fois la centrifugation est terminée, jeter le surnageant et redisperser les UCNPs solides dans 30 ml de CHCl 3 pour une utilisation ultérieure.

2. Nanoassemblies Assemblée des dispersibles dans l'eau contenant un colorant organique Molécules et Upconverting nanoparticules

  1. Dissoudre 25 mg (0,0147 mmol) de poly (styrène-anhydride alt -maleic) (PSMA) dans 3 ml de CHCl 3 dans un flacon de scintillation équipé d'une barre d'agitation magnétique. Cette quantité est une quantité optimisée après de multiples essais.
  2. Ajouter 250 pi (47 mg / ml) de la conversion ascendante nanoparticules chloroforme solution stock à la scintigraphiellation flacon.
  3. Boucher le flacon et placez-le sur la plaque d'agitation magnétique et agiter la solution à la température ambiante pendant 2 heures.
  4. Peser 160 mg (0,0773 mmol) de polyéther-amine 2070, et le dissoudre dans 1 ml de CHCl 3. Ensuite, ajouter cette solution dans le flacon de scintillation en une portion à l'aide d'une pipette. La solution va tourner au jaune pâle indiquant la réaction du polyéther amine 2,070 avec les groupes anhydride sur le PSMA.
  5. Continuer à agiter la solution pendant une nuit à température ambiante.
  6. Mesurer la quantité appropriée de molécules de colorant organiques, puis passer dans le flacon à scintillation en une seule portion, agiter la solution résultante pendant 1 h.
    1. Pour l'échantillon de TPP-NP (contenant nanoassembly enveloppe de polymère, le tétraphényl porphyrine et des nanoparticules de conversion ascendante), ajouter directement une tétraphényl porphyrine mg d'au flacon à scintillation. Pour l'échantillon DAE-UCNP (contenant nanoassembly enveloppe de polymère, des molécules d'diaryléthène et upconverting nanoparticules), la quantité de chacune des molécules de diaryléthène est de 2 × 10 -7 mol. Ajouter les deux molécules diaryléthène dans la solution de réaction. Les volumes pour les deux molécules sont diaryléthène: DAE-1o (1,8 mm), 111 pl et DAE-2o (1,6 mm), 125 pl.
  7. Retirer le solvant CHCl3 sous pression réduite en utilisant un évaporateur rotatif, puis ajouter 3 ml de NaOH 0,001 M aqueux (pH ≈ 11) dans le flacon de scintillation, puis traitement par ultrasons jusqu'à ce que le flacon une suspension laiteuse est formé.
  8. Placez la fiole sur l'évaporateur rotatif, et retirer délicatement le reste CHCl 3 jusqu'à ce que la suspension est tourné vers une solution claire.
  9. Transférer la solution dans le flacon de scintillation dans des tubes de centrifugation de 1,5 ml deux coniques, puis à centrifuger la solution 20 600 xg pendant 25 min.
  10. Jeter le surnageant, puis ajouter un total de 3 ml de H 2 O déminéralisée dans les deux tubes (1,5 ml par tube), soniquer les tubes pour redisperser les pelletsdans le H 2 O. désionisée
  11. Centrifuger les deux tubes à nouveau à 20 600 g pendant 25 min.
  12. Jeter le surnageant, puis ajouter un total de 3 ml de H 2 O déminéralisée dans les deux tubes (1,5 ml par tube). Soniquer les tubes pour redisperser les pastilles dans la désionisée H 2 O.
  13. Filtrer la aqueuse échantillon de dispersion des nanoparticules à travers un filtre seringue de 0,2 um pour obtenir l'échantillon final pour des tests supplémentaires.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Les spectres d'absorption et de spectres de photoluminescence ont été recueillies pour l'échantillon DAE-UCNP. Les spectres d'absorption sont utilisés pour comparer le chevauchement spectral entre les chromophores diaryléthène fermés et les nanoparticules de conversion ascendante. Photographies des échantillons (à la fois TPP-UCNP et DAE-UCNP) ont également été inclus pour démontrer encapsulation succès de molécules de colorant organique et de nanoparticules upconverting, qui sont situés à l'intérieur des coquilles de polymère amphiphile dans la phase aqueuse. La modulation de la photochimie et la fluorescence a été également démontré par l'illumination des échantillons avec différentes sources de lumière.

La théorie chimique »comme se dissout comme 'explique pourquoi quand une aliquote de la porphyrine ou UCNPs dans le chloroforme est ajouté à l'eau même après vigoureusement secouer, les deux restent dans la couche organique (Figure 2, a, b, d et e). Toutefois, lorsque vous utilisez le "-and-play de la fiche« méthode d'encapsulation(Figure 1), un nanoassembly dispersible dans l'eau (TPP-UCNP) porphyrine contenant à la fois et UCNPs est produit. La raison pour laquelle nous avons choisi tétraphényl porphyrine comme un composé de modèle pour étudier est parce qu'il est un composé organique non hydrosoluble et il a des applications intéressantes dans la thérapie photodynamique. Quand une solution aqueuse contenant les nanoassemblies est ajouté au chloroforme, même après agitation vigoureuse, les nanoassemblies restées dans la couche d'eau (figure 2, c et f). L'utilisation de l'enveloppe de polymère amphiphile présente deux avantages: (1) il crée un environnement hydrophobe interne qui retient à la fois la porphyrine et les UCNPs, et (2) il crée un environnement hydrophile externe qui interagit avec entourant les molécules d'eau pour maintenir dispersibilité dans l'eau de l'ensemble. La couleur rouge de l'échantillon (Figure 3) est attribuée aux molécules de porphyrine piégés dans l'assemblée, et la présence de la porphyrinemolécules a été démontrée en utilisant la spectroscopie d'absorption UV-vis. Lors d'une irradiation avec un proche infrarouge laser 980 nm, émission verte est produite à partir de l'échantillon (figure 2, c et f, figure 3), qui est associée à l'émission de l'Er 3+ dopée NaYF 4 nanoparticules de conversion ascendante. Le protocole d'encapsulation ne nécessite pas de modifications spécifiques à apporter aux molécules encapsulées ni échange des UCNPs de ligand, nous proposons donc que ce protocole «plug-and-play 'peut être appliqué comme une stratégie générale de transférer une variété de différents organique des molécules d'un solvant organique à un milieu aqueux.

Pour démontrer la polyvalence de notre procédure, nous avons transféré simultanément deux diaryléthènes hydrophobes (DAE-1o et 2o-DAE) de solvant organique à l'eau (Figure 4) pour générer un nanoassembly mixte (DAE-UCNP). Diarylethenes sont des molécules photosensibles qui subissent la conversion entre un isomère à cycle ouvert et un isomère à cycle fermé. 28 par irradiation avec de la lumière UV, l'isomère de cycle ouvert incolore est converti à l'isomère à cycle fermé de couleur, et l'exposition à la lumière visible déclenche la processus inverse. Ces réactions sont illustrées à la figure 4. L'interconversion entre les isomères d'anneau ouvert et fermé d'anneau peut être répétée plusieurs fois sans dégradation significative des chromophores. Ces photoréactions sont généralement menées dans des solvants organiques, non seulement pour des raisons de solubilité, mais aussi parce que le processus de cyclisation est souvent entravée dans l'eau. La mauvaise performance de photoréactions dans l'eau est principalement due à: (1) supprimé réactivité des molécules d'diaryléthène excités dans des solvants polaires en raison des interactions de transfert de charge intramoléculaire, et (2) la possibilité de collision entre les molécules organiques excités et les molécules d'eau qui mènent à trempe de the états excités et l'arrêt de la réaction de photocyclisation. Cependant, ces problèmes peuvent être surmontés grâce à l'encapsulation de l'diaryléthène au sein d'une enveloppe de polymère amphiphile pour former nanoassemblies dispersibles dans l'eau.

En utilisant le même protocole «plug-and-play» décrit pour les porphyrines, diaryléthènes et nanoparticules upconverting ont été encapsulés dans des coquilles de polymère pour former nanoassemblies dispersibles dans l'eau (Figure 2 et Figure 5). Les spectres des deux isomères qui subissent une cyclisation et cycloréversion réactions de lumière induite à l'intérieur des nanoassemblies dispersés dans l'eau absorption UV-visible sont représentées sur la figure 6. Comme cela est typique pour les diaryléthènes, aucun des isomères à cycle ouvert (DAE-1o ou Dae 2o) absorbent dans la région visible du spectre électromagnétique (figure 6a). Irradiation des isomères à cycle ouvert avec lumière à 365 nm thei produithomologues à cycle fermé r (DAE-1c et DAE-2c). Ceci est également la raison pour laquelle l'échantillon incolore (figure 5a) remplacé par un échantillon de couleur orange (figure 5b) et a montré une forte bande visible dans le spectre UV-vis (figure 6a). Irradiation de l'échantillon de couleur avec la lumière visible d'une longueur d'onde supérieure à 434 nm se fane l'échantillon à son état ​​incolore originale contenant les isomères à cycle ouvert (DAE-1o et 2o) DAE-. Toutes les modifications spectrales ont été achevés dans les 3 minutes. Photochromisme sélective a été observée (Figure 6c) parce que les deux chromophores encapsulés dans l'enveloppe de polymère de DAE-UCNP ont des bandes d'absorption bien séparés. Lorsque l'échantillon DAE-UCNP a été irradié avec une lumière visible d'une longueur d'onde supérieure à 650 nm, que l'isomère DAE-2c cycle fermé est sensible à cette longueur d'onde particulière de la lumièreet a été converti en l'isomère DAE-2o à cycle ouvert. Il en résulte une diminution de la bande d'absorption à 647 nm visible et donne une solution ayant une couleur plus profonde orange (figure 5c) de l'évanouissement sélectif d'isomères d'anneau fermé bleus. Dans ces conditions, la bande correspondant à DAE-1c est presque inchangé (ligne solide orange dans la figure 6c). Ces données étayent la conclusion que la coque de polymère amphiphile permet de conserver l'efficacité de photoréactions dans l'eau.

Lorsque la dispersion aqueuse de nanoassembly DAE-UCNP est excité par la lumière de 980 nm, les deux bandes centrées à 537 nm et 650 nm peuvent être détectés avec un fluoromètre, qui sont typiques pour les nanoparticules dopées à l'erbium. La bande centrée à 537 nm (notée émission verte) peut être attribuée à [2 H 11/2, 4 S 3/2] 4 I 15/2 transitions tandis que le centere de bandeD à 650 nm (notée émission rouge) est le résultat de [4 F 9/2, 4 3/2 S] 4 I 15/2 transitions (Figure 6b). Les isomères à cycle ouvert (DAE-1o et DAE-2o) ne pas absorber toute la lumière visible, et par conséquent l'émission de fluorescence de l'échantillon DAE-UCNP ne sont pas désactivés par l'un des isomères du cycle ouvert. Cependant, l'irradiation de l'échantillon avec 365 nm lumière convertit les isomères du cycle ouvert à leurs homologues à cycle fermé (DAE-1c et DAE-2c) et deux d'entre eux absorbent fortement la lumière visible. Depuis les bandes d'émission des UCNPs chevauchent avec les bandes d'absorption des isomères d'anneau fermé, l'extinction de l'émission de UCNPs est obtenu grâce à un processus de transfert d'énergie (Figure 6b). Ce processus est une combinaison de deux mécanismes de FRET et l'émission-réabsorption. 26 L'émission originale peut être regenerated par irradiation de l'échantillon avec de la lumière visible d'une longueur d'onde supérieure à 434 nm de lumière, qui convertit les isomères cyclisées vers les isomères à cycle ouvert correspondants. Tel que discuté précédemment, les bandes d'émission verte et rouge peuvent être désactivés sélectivement en raison de la photochromisme sélectif de l'échantillon et la capacité de trempe des bandes d'émission par les isomères d'anneau fermé. Lorsque l'échantillon est irradié avec une lumière visible d'une longueur d'onde supérieure à 650 nm, que l'isomère DAE-2c cycle fermé est retourné à l'isomère DAE-2o à cycle ouvert et l'émission rouge est régénéré tandis que l'émission verte est toujours trempé à dans une certaine mesure (Figure 6d).

Figure 1
Figure 1. Synthèse des nanoassemblies (TPP-UCNP) contenant le polymère encapsulé fois le upconvertinnanoparticules g et la porphyrine de tétraphényle.

Figure 2
Figure 2. Des photographies montrant l'eau posés délicatement sur ​​le dessus de CHCl 3 contenant (a) TPP dans la phase CHCl 3, (b) les UCNPs dans la phase CHCl 3, (c) les nanoassemblies (TPP-UCNP) dans la phase aqueuse. Images (d), (e) et (f) sont des flacons identiques après avoir été secoué énergiquement et ne présentant pas de transfert de composants pour les autres phases liquides. La lumière verte et jaune observé dans les images (b), (c), (e) et (f) sont dus à l'irradiation avec un laser 980 nm pour montrer l'emplacement de nanoparticules upconverting.


Figure 3. Photographies d'une solution aqueuse des nanoassemblies (TPP-UCNP) lors de l'irradiation avec un laser 980 nm en lumière ambiante (à gauche) et dans l'obscurité (à droite).

Figure 4
Figure 4. Un nanoassembly mixte (DAE-UCNP) contenant le polymère encapsulé nanoparticules upconverting et deux diaryléthènes différents. Les réactions photoinduits anneau de fermeture et d'ouverture de cycle des diaryléthènes sont affichés sur la droite.

Figure 5
Figure 5. Photographies de solutions aqueuses des nanoassemblies mixtes (DAE-UCNP) contenant les diaryléthènes (a) in leurs états de cycle ouvert (DAE-1o et DAE-2o), (b) à leurs états photostationnaire contenant DAE-1c et DAE-2c, et (c) avec DAE-1o à son état ​​photostationnaire et DAE-2o dans son cycle ouvert forme. Les états photostationnaire ont été générés par irradiation de l'échantillon avec la lumière à 365 nm pendant 2 min. L'état mixte dans (c) a été généré par sélectivement ouverture de cycle DAE-2c avec une lumière d'une longueur d'onde supérieure à 490 nm. Les photographies du bas montrent les mêmes échantillons lorsqu'ils sont irradiés avec un laser 980 nm dans l'obscurité.

Figure 6
Figure 6. (a) UV-vis des spectres d'absorption de la nano-système dispersé dans l'eau contenant du DAE-UCNP diaryléthènes 1o 2o avant (trait plein) et après irradiation de lumière 365 nm (ligne pointillée). Les barres vertes et rouges représentent les bandes d'émission de UCNPs lorsqu'il est excité à 980 nm lumière pour montrer le chevauchement spectral entre l'émission des UCNPs et l'absorption de diaryléthènes à l'état photostationnaire. (B) spectres d'émission fluorescente du même échantillon (λ ex = 980 nm) avant (ligne noire) et après (ligne noire avec zone ombragée gris) irradiation avec lumière à 365 nm. (C) de spectres d'absorption UV-vis de DAE-UCNP à l'état photostationnaire (ligne pointillée), après irradiation avec> 490 nm lumière de l'état photostationnaire (ligne noire), et après irradiation avec> 650 nm lumière de l'état photostationnaire (ligne orange ). (D) d'émission relative des DAE-UCNP mesurée lorsque l'échantillon était à l'état photostationnaire (barre grise), après irradiation avec> 650 nm lumière de la photEtat ostationary (barre orange), et après irradiation avec> 490 nm lumière de l'état photostationnaire (barre blanche).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Les nanoparticules synthétisées selon ce protocole ont une distribution de taille de 20 à 25 nm centrée autour de 22,5 nm. 26,27 Ils peuvent être classés comme des particules sphériques avec une structure en treillis 4 hôte α-NaYF. Il ya deux étapes critiques dans ce protocole. Dans la synthèse de UCNP, il est essentiel de maintenir la température et le temps de chauffage le plus précis possible afin d'assurer une distribution étroite de taille de particules. Addition simultanée de NaOH et NH 4 F en même temps que l'addition d'ions lanthanides, au début de la réaction n'a donné des nanoparticules d'une taille bien réparties et une bonne morphologie. Après l'addition de NaOH et NH 4 F, en sorte que la température est maintenue à 75 ° C pendant une période de temps suffisamment longue pour distiller complètement la totalité du méthanol à partir du point haut point d'ébullition du mélange solvant, puis élever la température à 300 ° C aussi rapidement que possible après la distillation pour contrôler la taille of nanoparticules. 24

Lors de nanoassemblies dispersibles dans l'eau, il peut parfois être difficile de déterminer la quantité de UCNPs (Étape 2.2) et des molécules organiques (étape 2.6). Une suggestion est de commencer avec un petit volume des UCNPs (soit 50 pi) et puis augmenter progressivement cette quantité jusqu'à ce qu'un seuil est atteint. Sur la base de nos essais, une combinaison de 10 mg de particules et de 2 × 10 -7 mole des molécules organiques est la quantité optimale pour ce type d'encapsulation. Cependant, bien que cette méthode peut transférer avec succès des composés organiques et des nanoparticules insolubles dans l'eau au milieu aqueux et maintenez les deux composants à proximité, ce protocole a encore des limites. Ce procédé d'encapsulation est pas applicable aux molécules ou nanoparticules synthétisées dans un environnement aqueux (c.-à-nanoparticules d'or) solubles dans l'eau parce que la majeure interaction tenant le nanoassembly ensemble est la hydrophoeffet bic. Si une molécule ou nanoparticules solubles dans l'eau est utilisé, il sera probablement lessivage de la couche de polymère hydrophobe, même si les polymères forment initialement micelles.

En conclusion, en utilisant un protocole «plug-and-play ', nous démontrons comment encapsuler commodément chromophores organiques hydrophobes et des nanoparticules inorganiques upconverting au sein d'une enveloppe de polymère amphiphile pour générer nanoassemblies hybrides organiques-inorganiques dispersibles dans l'eau photosensibles. L'enveloppe de polymère contribue à maintenir l'environnement hydrophobe qui est bénéfique pour photoréactions organiques, ce qui rend cette «plug-and-play 'protocole idéal pour la préparation des systèmes photosensibles complexes pour des applications dans des environnements aqueux. Les méthodes existantes de fabrication de nanosystèmes dispersibles dans l'eau nécessite souvent une modification chimique compliqué, cependant, ce protocole est capable de transférer des composants solubles dans l'eau non dans l'eau commodément sans for modification spécifique à ces composants. L'utilisation de la lumière dans le proche infrarouge pour activer nanoparticules upconverting ouvre la possibilité pour la lumière de faible énergie photoréactions activés qui est une caractéristique avantageuse pour des applications biologiques car elle provoque moins de dégâts aux cellules et tissus dans les organismes vivants. Un inconvénient possible de cette technique est la lumière UV élevé en fréquence émise à partir des nanoparticules, et utilisés pour déclencher les photoréactions d'énergie plus élevés (c.-à photo-isomérisation des molécules de diaryléthène), pourrait causer des dommages aux cellules ou organismes vivants. Pour surmonter ce problème, une couche de protection anti-UV peut être appliquée sur les nanoparticules pour empêcher les photons UV conversion ascendante de sortir. Le nanosystème avec fluorescence accordable nous avons démontré dans cet article a le potentiel d'être développé comme un nouveau réactif de bio-imagerie pour les super-résolution imagerie. Nous prévoyons que le champ d'application de cette méthode «plug-and-play 'pour faire nanoassemb dispersible dans l'eaumensonges vont continuer à se développer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Yttrium acetate Sigma 326046 Yttrium(III) acetate hydrate
Ytterbium acetate Sigma 544973 Ytterbium(III) acetate hydrate
Erbium acetate Sigma 325570 Erbium(III) acetate hydrate
Oleic acid Sigma 75096 analytical standard
Octadecene Sigma O806 Technical grade
NaOH Sigma S5881 reagent grade
NH4F Sigma 216011 ACS reagent
Poly(styrene-co-maleic anhydride) Sigma 442399 Average Mn = 1700
JeffAmine 2070 Huntsman M-2070
Varian Carry 300 Agilent
JDSU NIR laser JSDU L4-9897510-100M 980 nm diode laser

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fery-Forgues, S. Fluorescent organic nanocrystals and non-doped nanoparticles for biological applications. Nanoscale. 5 (18), 8428-8442 (2013).
  2. Vollrath, A., Schubert, S., Schubert, U. S. Fluorescence imaging of cancer tissue based on metal-free polymeric nanoparticles. J. Mater. Chem. B. 1, 1994-2007 (2013).
  3. Cheng, X., Lowe, S. B., Reecec, P. J., Gooding, J. J. Colloidal silicon quantum dots: from preparation to the modification of self-assembled monolayers (SAMs) for bio-applications. Chem. Soc. Rev. 43, 2680-2700 (2014).
  4. Luo, P. G., et al. Carbon-based quantum dots for fluorescence imaging of cells and tissues. RSC Adv. 4, 10791-10807 (2014).
  5. Wang, Y., Hu, R., Lin, G., Roy, I., Yong, K. -T. Functionalized Quantum Dots for Biosensing and Bioimaging and Concerns on Toxicity. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5 (8), 2786-2799 (2013).
  6. Kairdolf, B. A., et al. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (1), 143-162 (2013).
  7. Huang, B., Bates, M., Zhuang, X. Super-Resolution Fluorescence Microscopy. Annu. Rev. Biochem. 78, 993-1016 (2009).
  8. Fölling, J., et al. Photochromic Rhodamines Provide Nanoscopy with Optical Sectioning. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (33), 6266-6270 (2007).
  9. Fölling, J., et al. Fluorescence Nanoscopy with Optical Sectioning by Two-Photon Induced Molecular Switching using Continuous-Wave Lasers. Chem. Phys. Chem. 9 (2), 321-326 (2008).
  10. Bossi, M., et al. Multicolor Far-Field Fluorescence Nanoscopy through Isolated Detection of Distinct Molecular Species. Nano Lett. 8 (8), 2463-2468 (2008).
  11. Berns, M. W., Krasieva, T., Sun, C. –H., Dvornikov, A., Rentzepis, P. M. A polarity dependent fluorescence "switch" in live cells. Photochem. Photobiol. B: Biol. 75, 51-56 (2004).
  12. Zou, Y., et al. Amphiphilic Diarylethene as a Photoswitchable Probe for Imaging Living Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (47), 15750-1 (2008).
  13. Westphal, V., et al. Video-Rate Far-Field Optical Nanoscopy Dissects Synaptic Vesicle Movement. Science. 320, 246-249 (2008).
  14. Zhuang, X. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Nat Photonics. 3, 365-367 (2009).
  15. Cusido, J., Deniz, E., Raymo, F. M. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Eur. J. Org. Chem. 13, 2031-2045 (2009).
  16. Raymo, F. M., Tomasulo, M. Electron and energy transfer modulation with photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 34, 327-336 (2005).
  17. Feringa, B. L. Molecular Switches. , Wiley-VCH. Weinheim. (2010).
  18. Tian, H., Yang, S. Recent progresses on diarylethene based photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 33, 85-97 (2004).
  19. Ubaghs, L., Sud, D., Branda, N. R. Handbook in Thiophene-Based Materials: Applications in Organic Electronics and Photonics. Perepichka, I. D., Perepichka, D., Branda, N. R. 2, John Wiley and Sons. Chichester. (2009).
  20. Norsten, T. B., Branda, N. R. Photoregulation of Fluorescence in a Porphyrinic Dithienylethene Photochrome. J. Am. Chem. Soc. 123 (8), 1784-1785 (2001).
  21. Giordano, L., Jovin, T. M., Irie, M., Jares-Erijman, E. A. Diheteroarylethenes as Thermally Stable Photoswitchable Acceptors in Photochromic Fluorescence Resonance Energy Transfer (pcFRET). J. Am. Chem. Soc. 124 (25), 7481-7489 (2002).
  22. Fölling, J., et al. Synthesis and Characterization of Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles. Small. 4 (1), 134-142 (2008).
  23. Jeong, J., et al. Photoreversible cellular imaging using photochrome-conjugated fullerene silica nanoparticles. Chem. Commun. 47, 10668-10670 (2011).
  24. Gai, S., Li, C., Yang, P., Lin, J. Recent progress in rare earth micro/nanocrystals: soft chemical synthesis, luminescent properties, and biomedical applications. Chem. Rev. 114 (4), 2343-2389 (2014).
  25. Carling, C. -J., Boyer, J. -C., Branda, N. R. Multimodal fluorescence modulation using molecular photoswitches and upconverting nanoparticles. Org. Biomol. Chem. 10, 6159-6168 (2012).
  26. Wu, T., Boyer, J. -C., Barker, M., Wilson, D., Branda, N. R. A "Plug-and-Play" Method to Prepare Water-Soluble Photoresponsive Encapsulated Upconverting Nanoparticles Containing Hydrophobic Molecular Switches. Chem. Mater. 25 (12), (2013).
  27. Wu, T., Kaur, S., Branda, N. R. Energy transfer between amphiphilic porphyrin polymer shells and upconverting nanoparticle cores in water-dispersible nano-assemblies. Org. Biol. Chem. 13, 2317-2322 (2015).
  28. Irie, M. Photochromism: Memories and Switches Introduction. Chem. Rev. 100 (5), 1683-1684 (2000).

Tags

Chimie Numéro 105 dispersibles dans l'eau plug and play upconverting nanoparticule diaryléthène porphyrine
Une méthode 'Plug and Play' pour créer Nanoassemblies dispersibles dans l'eau contenant un polymère amphiphile, colorants organiques et Upconverting nanoparticules
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Arafeh, K. M., Asadirad, A. M., Li,… More

Arafeh, K. M., Asadirad, A. M., Li, J. W., Wilson, D., Wu, T., Branda, N. R. A 'Plug and Play' Method to Create Water-dispersible Nanoassemblies Containing an Amphiphilic Polymer, Organic Dyes and Upconverting Nanoparticles. J. Vis. Exp. (105), e52987, doi:10.3791/52987 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter