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Chemistry

A 'Plug and Play' Methode, um Wasser dispergierbare Nanoanordnungen mit einem Gehalt eines amphiphilen Polymers, organische Farbstoffe und Hochskalierungs-Nanopartikel erstellen

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

Heute gibt es immer noch ein dringender Bedarf an neuen Arten von Bio-Imaging-Agenten zu entwickeln. Viele neue Fluoreszenzsonden sind gut dokumentiert. 1-6, wesentliche Verbesserungen in der Bildauflösung bleibt jedoch eine Herausforderung. 7 Eine praktische Methode ist es, direkt modulieren die Fluoreszenzsonden zwischen einer 'light' emittierenden Zustand und einem "dunklen" Zustand abgeschreckt. 8-12 Diese besondere Methode wurde angewandt, um Technologien wie stimulierte Emission zu entwickeln (STED) Mikroskopie 13 und stochastischen optischen Rekonstruktionsmikroskopie (STORM). 14

Ein weiterer Ansatz, um die Fluoreszenz zu modulieren zu koppeln Licht ansprechende Chromophore gemeinsam mit fluoreszierenden Sonden. 15,16 Umschalten des photo Chromophor zwischen zwei Isomeren, wo nur eines der Isomere als effizienter Energietransfer-Akzeptor dienen können, ermöglicht die Kontrolle über Quenchen der Fluoreszenz von the Sonde durch Förster Resonance Energy Transfer (FRET) und andere Mechanismen. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines emittierenden Zustand und einem abgeschreckten Zustand, der durch Belichtung der photoreaktiven Chromophor auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichtes abwechseln können.

Licht ansprechende Diarylethens Chromophore reversibel zwischen einem farblosen Ring-open-Isomer und einem farbigen Ring geschlossene Isomer bei Bestrahlung mit UV- und sichtbarem Licht umgeschaltet werden. 17-19 Die thermische Stabilität der beiden Isomere und abstimmbaren Absorptionsspektren der Ring geschlossen Isomer make Diarylethene sehr gute Kandidaten als steuerbare FRET-Akzeptoren. 20-23 Lanthaniden dotierten NaYF 4 upconverting Nanopartikel eignen sich für Bio-Imaging. 24 Diese Nanopartikel absorbieren Licht im nahen Infrarot und Licht in mehreren Regionen des sichtbaren Spektrums. Beispiele für Fluoreszenzmodulation durch die Kombination von Licht ansprechende Diarylethens Chromophore und Nanopartikel wurden vor,zuvor von unserer Arbeitsgruppe berichtet. 25-27, benötigt die in jedem Beispiel beschriebenen Systeme jedoch einen zusätzlichen Modifizierungs die Diarylethene an die Oberfläche der Nanopartikel, die die Entwicklung von verschiedenen Systemen erschwert befestigen.

Hier zeigen wir ein einfaches "Plug-and-Play" Verfahren zu wasserdispergierbaren organischen Farbstoffmolekülen und auf Licht upconverting Nanopartikel mit einem Selbstorganisationsstrategie vorzubereiten. Die Wahl der Polymere; Poly (styrol-alt-Maleinsäureanhydrid) und Polyetheramin 2070 sowohl eine hydrophobe und hydrophile Umgebung. Die hydrophoben Abschnitte des Polymers beitragen, die normalerweise in Wasser unlöslichen organischen Molekülen und upconverting Nanopartikel zusammenzuhalten, während der hydrophile Bereich des Polymers ist kritisch für die Aufrechterhaltung der Wasserlöslichkeit. Wir werden zunächst die Synthese der Nanopartikel upconverting demonstrieren durch die thermische Keimbildungsmethode. Dann werden wir beweisen, how die organischen Moleküle und upconverting Nanopartikel in hydrophobe Bereiche der Polymerhülle eingekapselt und verbleiben durch einfaches Zusammen Rühren eine Lösung des upconverting Nanopartikeln Polymer und verschiedenen organischen Farbstoffmolekülen, gefolgt von einem geeigneten Aufarbeitungsverfahren in wässrigen Medien stabil. Wir zeigen auch, wie die Fluoreszenzemission der Anordnungen unter Verwendung externer Lichtbestrahlung zu modulieren. Wir erwarten, den Umfang der Verwendung dieser "Plug-and-play" Methode, um in Wasser dispergierbare Nanoanordnungen wird weiter expandieren.

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Protocol

1. Synthese des NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ Hochskalierungs-Nanopartikel (UCNP)

  1. Richten Sie das Gerät wie folgt:
    1. Legen Sie eine 250 ml Heizmantel auf einer regelmäßigen Rührplatte und stecken Sie den Mantel auf das Thermoelement.
    2. Legen Sie einen 250 ml-Rundkolben mit einem magnetischen Rührstab auf den Heizmantel mit der richtigen Spann ausgestattet.
    3. Befestigen Sie einen Luftadapter an der linken Hals des Rundkolben und verbinden diese Luftadapter an den Schlenk-Linie mit Kunststoffschlauch.
    4. Bringen Sie ein Glasteil an der rechten Hals des Rundkolben und fixieren ein Thermometer-Adapter auf das Glasteil. Legen Sie die Temperatursonde in den Kolben durch die Thermometer-Adapter und stecken Sie diese in das Thermoelement.
    5. Bringen Sie einen Destillationskopf in die Mitte Hals des Rundkolben. Legen Sie einen Anschlag auf der Oberseite der Destillationsaufsatz. Verbinden Sie den Kopf mit einem Kondensator, gefolgt von einer Vakuum distillatIonen-Adapter und ein 50 ml-Rundkolben. Schließen Sie die Vakuumdestillation Adapter, um eine Waschflasche durch Kunststoffschlauch.
  2. Wiegt 1,17 g (3,9 mmol) Yttriumacetat, 0,439 g Ytterbium acetat und 0,0727 g (0,1 mmol) von Erbium Acetat und sie in der Reaktionsrundkolben.
  3. 30 ml Oleinsäure und 75 ml Octadecen zu dem Kolben mit Hilfe eines Messzylinders.
  4. Spülen der Seite des Reaktionsrundkolben mit 5 ml Methanol, um sicherzustellen, dass keine Ölsäure und Octadecen zu den Seiten des Reaktionskolbens fest.
  5. Verbinden Sie den Reaktionskolben zu einer Doppelverteiler Schlenklinie und schalten Sie das entsprechende Ventil, das an das Stickstoffleitung angeschlossen Reaktionskolben zu halten.
  6. Einschalten des Thermoelement, die Temperatur auf 80 ° C und heizen das System auf dieser Temperatur gehalten. Bei 80 ° C und nach alle Ausgangsmaterialien gelöst werden, entfernen Sie den Heizmantel und reagieren lassen,Abkühlen auf 30 ° C.
  7. Wenn die Temperatur 30 ° C erreicht, nehmen Sie den Destillationskopf, schalten Sie die Luftadapter von der linken Hals bis in die Mitte Nacken und schließen Sie die linke Hals mit einem Stopfen. Langsam einführen Vakuum in den Reaktionskolben durch Drehen des Ventils auf der Schlenk-Linie von der Stickstoffleitung mit der Vakuumleitung. Alle Komponenten mit niedrigem Siedepunkt wird aus dem Reaktions an dieser Stelle gezogen werden.
  8. Wenn die Lösung sprudeln stoppt, erwecken die Temperatur auf 115 ° C in einer Geschwindigkeit von 5 ° C / min.
  9. Sobald die Temperatur erreicht 115 ° C, zu halten diese Temperatur für 15 Minuten, dann entfernen Sie den Heizmantel und Abkühlen der Reaktion auf 50 ° C. Danach schnell wechseln die durch Wiederanbringen des Destillationskopf in die Mitte Nacken und der Luft-Adapter auf der linken Seite den Kopf zurück in die ursprüngliche Form einzurichten.
  10. Abwiegen 0,74 g (12,5 mmol) NaOH und 0,50 g (20,0 mmol) NH 4 F während des Kühlprozesses und auflösenin 50 ml Methanol durch Beschallung.
  11. Nach der Ultraschallbehandlung, gießen Sie die Lösung in die Reaktionsrundkolben und spülen Sie die Seiten des Kolbens mit 5 ml MeOH.
  12. Lassen die Lösung unter Rühren bei 50 ° C für 30 min.
  13. Erhöhung der Temperatur auf 75 ° C, um das Methanol zu destillieren.
  14. Während der Destillation, leeren Sie den Sammelkolben, wenn notwendig. Nachdem die Destillation beendet ist, zu erhitzen, um die Reaktion bis 300 ° C unter Stickstoffschutz so schnell wie möglich.
  15. Sobald die Temperatur 300 ° C erreicht, halten diese Temperatur für 1 Stunde. Bei Bedarf decken das Setup mit Aluminiumfolie, um die Temperatur zu halten. Dann entfernen Wärmequelle, die die Reaktion auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
  16. Sobald es auf Raumtemperatur abgekühlt, teilen Sie die Lösung gleichmäßig in drei Zentrifugenröhrchen (50 ml Tuben, etwa 35 ml Lösung pro jedem Röhrchen), und füllen Sie den Schlauch an die 50 ml-Maßstab unter Verwendung wasserfreies Ethanol. Centrifuge alle ter Röhrchen bei 3.400 xg für 15 min. Nach Zentrifugation sollten die UCNPs auf der Seite der Rohre in Form eines weißen Niederschlags beobachtet werden.
  17. Überstand verwerfen und redispergieren die UCNPs Pellets in Hexan (7,5 ml Hexan pro jeder Röhre), dann von oben bis das Rohr mit Ethanol bis zur 50 ml-Maßstab. Zentrifugenröhrchen erneut bei 3.400 × g für 15 min.
  18. Sobald die Zentrifugation abgeschlossen ist, den Überstand verwerfen und redispergieren die festen UCNPs in 30 ml CHCl 3 zur weiteren Verwendung.

2. Montage des Wasser dispergierbare Nanoanordnungen, die organische Farbstoffmoleküle und Hochskalierungs-Nanopartikel

  1. Auflösen 25 mg (0,0147 mmol) Poly (styrol-alt-Maleinsäureanhydrid) (PSMA) in 3 ml CHCl 3 in ein Szintillationsfläschchen mit einem magnetischen Rührstab versehen ist. Diese Menge ist eine optimierte Menge nach mehreren Studien.
  2. Fügen Sie 250 ul (47 mg / ml) des upconverting Nanopartikel Chloroform-Stammlösung zu dem scintillation Fläschchen.
  3. Verschließe das Röhrchen und legen Sie es auf dem magnetischen Rührplatte und rühren Sie die Lösung bei Raumtemperatur für 2 Std.
  4. Wiegen 160 mg (0,0773 mmol) Polyetheramin 2070 und löst ihn in 1 ml CHCl 3. Dann fügen Sie diese Lösung für das Szintillationsfläschchen in einer Portion mit einer Pipette. Die Lösung wird sich bis blassgelb, die die Reaktion von Polyetheramin 2070 mit den Anhydridgruppen am PSMA.
  5. Auch weiterhin die Lösung über Nacht bei Raumtemperatur rühren.
  6. Die entsprechende Menge organischer Farbstoffmoleküle dann verzichten sie in die Szintillationsfläschchen in einer Portion, rühren Sie die resultierende Lösung für 1 Stunde.
    1. Für die Probe TPP-NP (Polymerhülle, Tetraphenylporphyrin und upconverting Nanopartikel Nanoanordnung enthält), direkt hinzufügen 1 mg Tetraphenylporphyrins auf die Szintillationsfläschchen. Für die Probe DAE-UCNP (Nanoanordnung Polymerhülle, Diarylethen-Moleküle und Nanopartikel enthalten upconvertings), ist die Menge jeder Diarylethen-Moleküle 2 × 10 -7 mol. Fügen Sie die beiden Diarylethen-Moleküle in die Reaktionslösung. Die Volumina der beiden Diarylethen-Moleküle sind: DAE-1o (1,8 mM), 111 ul und DAE-2o (1,6 mM), 125 & mgr; l.
  7. Entfernen der CHCl 3 Lösungsmittel unter reduziertem Druck mit einem Rotationsverdampfer, dann werden 3 ml 0,001 M wässrigen NaOH (pH ≈ 11) zu der Szintillationsampulle dann beschallen das Fläschchen bis eine milchige Suspension wird gebildet.
  8. Legen Sie das Fläschchen wieder auf dem Rotationsverdampfer, und entfernen Sie vorsichtig die verbleibende CHCl 3, bis die Suspension wurde auf eine klare Lösung verwandelt.
  9. Übertragen der Lösung aus dem Szintillationsfläschchen zwei 1,5 ml konischen Zentrifugenröhrchen, dann zentrifugieren die Lösung bei 20.600 × g für 25 min.
  10. Überstand verwerfen, dann fügen insgesamt 3 ml entionisiertem H 2 O in den beiden Rohren (1,5 ml pro Röhrchen), beschallen die Rohre, um die Pellets zu redispergierenin entionisiertem H 2 O.
  11. Wieder Zentrifugieren Sie die beiden Rohre an 20.600 × g für 25 min.
  12. Überstand verwerfen, dann fügen Sie insgesamt 3 ml entionisiertem H 2 O in den beiden Rohren (1,5 ml pro Röhrchen). Beschallen der Rohre, um die Pellets in dem deionisierten H 2 O. redispergieren
  13. Filtern der wässrigen Nanoteilchen-Dispersion Probe durch einen 0,2 um-Spritzenfilter, um die endgültige Probe für weitere Tests zu erhalten.

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Representative Results

Absorptionsspektren und Photolumineszenz-Spektren wurden für die Proben DAE-UCNP gesammelt. Die Absorptionsspektren werden zum Vergleichen der spektralen Überlappung zwischen der geschlossenen Diarylethens Chromophoren und den Aufwärtswandler Nanopartikel eingesetzt. Fotografien der Proben (sowohl TPP-UCNP und DAE-UCNP) wurden ebenfalls eingeschlossen, um erfolgreiche Verkapselung von organischen Farbstoffmolekülen und upconverting Nanopartikel, die in der amphiphilen Polymerhüllen in der wässrigen Phase befinden, zu demonstrieren. Die Modulation der Fotochemie und die Fluoreszenz wurde auch durch die Beleuchtung der Proben mit verschiedenen Lichtquellen dargestellt.

Die chemische Theorie "Gleiches löst Gleiches" erklärt, warum, wenn ein Aliquot des Porphyrin oder UCNPs in Chloroform wird zugegeben, um auch nach kräftigem Schütteln zu gießen, die beide noch in der organischen Schicht (Abbildung 2, a, b, d und e). Allerdings, wenn Sie die "Plug-and-play 'Kapselungsmethode(Abbildung 1), ein in Wasser dispergierbares Nanoanordnung (TPP-UCNP), die sowohl Porphyrin und UCNPs erzeugt. Der Grund, warum wir wählten Tetraphenylporphyrins als Modellverbindung zu studieren ist, weil es ein nicht-wasserlösliche organische Verbindung und es interessante Anwendungen in der photodynamischen Therapie hat. Wenn eine wässrige Lösung, die die Nanoanordnungen zu Chloroform gegeben, auch nach kräftigem Schütteln blieben die Nanoanordnungen in der Wasserschicht (Abbildung 2, c und f). Die Verwendung der amphiphilen Polymerhülle hat zwei Vorteile: (1) es wird eine interne hydrophobe Umgebung, die sowohl das Porphyrin und die UCNPs einfängt, und (2) Es schafft eine externe hydrophile Umgebung, die mit umgebenden Wassermoleküle Wasserdispergierbarkeit aufrechtzuerhalten wirkt der gesamten Anordnung. Die rote Farbe der Probe (3) mit den Porphyrinmoleküle innerhalb der Einheit eingefangen, und die Anwesenheit des Porphyrins zurückzuführenMoleküle wurde mit UV-Vis-Absorptionsspektroskopie nachgewiesen. Bei Bestrahlung mit einer Nahinfrarot-980 nm-Laser, grüne Emission von der Probe (2, C und F, Figur 3), die auf die Emission von der Er 3+ -dotierten zugeordnet ist NaYF 4 upconverting Nanopartikel hergestellt. Die Kapselung-Protokoll keine spezifischen Änderungen an den verkapselten Moleküle oder Ligandenaustausch der UCNPs gemacht werden benötigt, daher schlagen wir vor, dass dieses Protokoll "Plug-and-play" kann als eine allgemeine Strategie, um eine Vielzahl von verschiedenen organischen Übertragung angewendet werden Moleküle aus einem organischen Lösungsmittel in ein wässriges Medium.

Um die Vielseitigkeit unseres Verfahrens zu demonstrieren, haben wir gleichzeitig übertragen zwei hydrophoben Diarylethene (DAE-1o und DAE-2o) von organischem Lösungsmittel zu Wasser (Abbildung 4), um ein gemischtes Nanoanordnung (DAE-UCNP) zu erzeugen. Diarylethenes sind auf Licht-Moleküle, die Umwandlung zwischen einem Ring-open-Isomer und einem Ring geschlossen Isomer. 28 mit UV-Licht unterziehen Bei der Bestrahlung, die farblose Ring-offenen Isomer mit dem farbigen Ring geschlossene Isomer umgewandelt und Belichtung mit sichtbarem Licht löst das umgekehrte Vorgang. Diese Reaktionen sind in Figur 4 zwischen den mit offenem Ring und einem Ring geschlossen Isomeren veranschaulicht. Die wechselseitige Umwandlung kann viele Male ohne signifikanten Abbau der Chromophore wiederholt werden. Diese Photoreaktionen werden üblicherweise in organischen Lösungsmitteln durchgeführt wird, nicht nur für die Löslichkeit Gründen, sondern auch weil die Cyclisierung Verfahren wird häufig in Wasser behindert. Das schlechte Abschneiden der Photoreaktionen in Wasser ist im Wesentlichen auf: (1) unterdrückt Reaktivität der angeregten Diarylethen-Moleküle in polaren Lösungsmitteln durch intramolekularen Ladungstransfer-Wechselwirkungen, und (2) die Möglichkeit einer Kollision zwischen angeregten organischen Molekülen und Wassermolekülen, die dazu führen, Abschrecken thE angeregten Zuständen und Herunterfahren des Photocyclisierung Reaktion. Allerdings können diese Probleme durch die Kapselung der Diarylethen innerhalb eines amphiphilen Polymerhülle überwunden werden, um in Wasser dispergierbare Nanoanordnungen bilden.

Mit der gleichen "Plug-and-play" für die Porphyrine beschriebenen Protokoll wurden Diarylethene und upconverting Nanopartikel in Polymerhüllen eingekapselt, um in Wasser dispergierbare Nanoanordnungen (Abbildung 2 und Abbildung 5) zu bilden. Das UV-Vis-Absorptionsspektren der beiden Isomeren, die lichtinduzierte Cyclisierung und Cycloreversion Reaktionen innerhalb der Nanoanordnungen in Wasser dispergiert zu unterziehen sind in 6 gezeigt. Wie es typisch für Diarylethene keiner der ringgeöffneten Isomeren (DAE-1o oder Daemon ist 2o) absorbieren im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (Abbildung 6a). Die Bestrahlung der ringgeöffneten Isomeren mit 365 nm Licht erzeugt their ringgeschlossen Pendants (DAE-1c und DAE-2c). Auch deshalb ist die farblose Probe (5a) geändert, um einen orangefarbenen Probe (Abbildung 5b) und zeigte eine starke sichtbare Bande im UV-VIS-Spektrum (Abbildung 6a). Bestrahlen der gefärbten Probe mit sichtbarem Licht einer Wellenlänge von mehr als 434 nm die Probe in ihre ursprüngliche farblosen Zustand mit den ringgeöffneten Isomeren (DAE-1o und DAE-2o) verblasst. Alle spektralen Veränderungen wurden innerhalb von 3 Minuten. Selektive Photochromie beobachtet (6c), weil die beiden Chromophore in der Polymerhülle des DAE-UCNP gekapselt haben auch getrennte Absorptionsbanden. Wenn die Probe DAE-UCNP mit sichtbarem Licht einer Wellenlänge größer als 650 nm bestrahlt wird, ist nur der geschlossene Isomer DAE-2c, die auf dieser bestimmten Wellenlänge von Licht,und wurde in die Ringöffnung Isomer DAE-2o umgewandelt. Dies führt zu einer Abnahme der Lichtabsorptionsbande bei 647 nm und ergibt eine Lösung mit einem tieferen orange Farbe (5c) von dem Schwund des blauen Ring geschlossen Isomere. Unter diesen Bedingungen ist die entsprechende Bande DAE-1c nahezu unverändert (orange durchgezogene Linie in Figur 6c). Diese Daten stützen die Schlussfolgerung, dass das amphiphile Polymer-Shell hilft, die Effizienz der Photoreaktionen in Wasser zu behalten.

Wenn die wässrige Dispersion der Nanoanordnung DAE-UCNP angeregt wird mit 980 nm-Licht, die zwei Banden bei 537 nm und 650 nm zentriert mit einem Fluorometer, die typisch für mit Erbium dotierte Nanopartikel erkannt werden. Die Bande bei 537 nm zentriert ist (bezeichnet als grüne Emission) an [2 H 2.11, 4 S 3/2] 4 I 15/2 Übergang zugeschrieben werden, während die Band centered bei 650 nm (wie rote Emission bezeichnet) ist das Ergebnis von [4 F 9/2, 4 S 3/2] 4 I 15/2 Übergang (Abbildung 6b). Die ringgeöffneten Isomeren (DAE-1o und DAE-2o) keine sichtbares Licht absorbiert, und als Ergebnis die Fluoreszenzemission der Probe DAE-UCNP wird nicht durch eine der ringgeöffneten Isomeren abgeschreckt. , Bestrahlung der Probe mit 365 nm Licht umwandelt jedoch die ringgeöffneten Isomere, ihre ringgeschlossen Pendants (DAE-1c und DAE-2c) und jedem von ihnen sichtbares Licht stark absorbieren. Da die Emissionsbanden der UCNPs Überlappung mit den Absorptionsbanden der ringgeschlossenen Isomeren wird das Abschrecken der UCNPs Emission durch einen Energietransferprozeß (6b) erreicht. Dieses Verfahren ist eine Kombination beider FRET und emissions Reabsorption Mechanismen. 26. Die ursprüngliche Emission Regenerat seindurch Bestrahlen der Probe mit sichtbarem Licht einer Wellenlänge von mehr als 434 nm-Licht, das die ringgeschlossenen Isomere zurück zu der entsprechenden ringgeöffneten Isomere umwandelt ed. Wie zuvor diskutiert, kann die grünen und roten Emissionsbänder selektiv durch die selektive Photochromie der Probe und der Fähigkeit des Abschaltens die Emissionsbanden von den ringgeschlossenen Isomeren abgeschreckt werden. Wenn die Probe mit sichtbarem Licht einer Wellenlänge größer als 650 nm bestrahlt wird, wird nur der geschlossene Isomer DAE-2c ist mit dem ringgeöffneten Isomer DAE-2o zurückgegeben und die rote Emission wird regeneriert, während die grüne Emission noch abgeschreckt einem gewissen Grad (6d).

Abbildung 1
Abbildung 1. Synthese der Nanoanordnungen (TPP-UCNP), die das Polymer eingekapselt sowohl die upconverting Nanopartikeln und die Tetraphenylporphyrins.

Figur 2
Abbildung 2. Fotografien, Wasser vorsichtig auf der Oberseite des CHCl 3, enthaltend (a) TPP in der CHCl 3 Phasen überlagert, (b) die UCNPs in CHCl 3 Phasen, (c) die Nanoanordnungen (TPP-UCNP) in der Wasserphase. Bilder (d), (e) und (f) sind der identischen Ampullen, nachdem sie kräftig geschüttelt und die keine Übertragung von den Komponenten zu den anderen flüssigen Phasen. Das im Bild (b) beobachtet Grün- und Gelblicht, (c), (e) und (f) sind durch die Bestrahlung mit einem 980 nm-Laser, um die Position upconverting Nanopartikel.


Abbildung 3 Fotografien von einer wässrigen Lösung der Nanoanordnungen (TPP-UCNP) bei Bestrahlung mit einem 980 nm-Laser bei Umgebungslicht (links) und in der Dunkelheit (rechts).

Figur 4
Abbildung 4. Eine gemischte Nanoanordnung (DAE-UCNP), die die Polymer eingekapselt upconverting Nanopartikeln und zwei verschiedene Diarylethene. Die photoinduzierte Ringschluss und Ringöffnungsreaktionen der Diarylethene werden auf der rechten Seite angezeigt.

Figur 5
Abbildung 5 Fotografien von wässrigen Lösungen der gemischten Nanoanordnungen (DAE-UCNP), die die Diarylethene (a) in ihre ring offenen Zuständen (DAE-1o und DAE-2o), (b) an ihren photo Zustände enthält DAE-1c und DAE-2c, und (c) mit DAE-1o an seinem photostationären Zustand und DAE-2o in seiner ring-offenen Form. Photo Zustände wurden durch Bestrahlen der Probe mit Licht von 365 nm für 2 Minuten erzeugt wird. Der Mischzustand in (c) wurde durch selektive Ringöffnung DAE-2c mit Licht einer Wellenlänge größer als 490 nm erzeugt wird. Die unteren Bilder zeigen dieselben Proben, wenn sie mit einem 980-nm-Laser in der Dunkelheit bestrahlt werden.

Figur 6
Figur 6 (a) UV-vis-Absorptionsspektren der in Wasser dispergierte Nano-Systems DAE-UCNP enthaltenden Diarylethene 1o 2o vor (durchgezogene Linie) und nach 365 nm Lichtbestrahlung (gestrichelte Linie). Die grünen und roten Balken stellen die Emissionsbanden UCNPs wenn sie mit 980 nm Licht angeregt wird, um die spektrale Überlappung zwischen der Emission der UCNPs und die Absorption von Diarylethene im photostationären Zustand zu zeigen. (B) Fluoreszenzemissionsspektren der gleichen Probe (λ ex = 980 nm) vor (schwarze Linie) und nach (schwarze Linie mit Grau schraffierte Fläche) Bestrahlung mit Licht von 365 nm. (C) UV-vis-Absorptionsspektren von DAE-UCNP im photostationären Zustand (gestrichelte Linie), nach Bestrahlung mit> 490 nm Licht von photostationären Zustand (schwarze Linie), und nach der Bestrahlung mit> 650 nm Licht von photostationären Zustand (orange Linie ). (D) Relative Emission von DAE-UCNP gemessen wird, wenn die Probe bei photostationären Zustand (graue Balken), nach Bestrahlung mit> 650 nm Licht von der photostationary Zustand (orange Balken) und nach der Bestrahlung mit> 490 nm Licht von der photostationären Zustand (weiße Balken).

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Discussion

Die nach diesem Protokoll synthetisierten Nanopartikel eine Größenverteilung von 20 bis 25 nm bei ungefähr 22,5 nm. 26,27 Sie können als kugelförmige Teilchen mit einem α-NaYF 4 Wirtsgitterstruktur klassifiziert werden zentriert. Es gibt zwei kritische Schritte in diesem Protokoll. Im UCNP Synthese ist es wichtig, die Erwärmungstemperatur und -zeit so präzise wie möglich zu halten, um eine enge Verteilung der Partikelgröße zu gewährleisten. Gleichzeitige Zugabe von NaOH und NH 4 F zusammen mit der Zugabe von Lanthaniden-Ionen zu Beginn der Reaktion nicht Nanopartikel einer gut verteilten Größe und guter Morphologie zu erhalten. Nach der Zugabe von NaOH und NH 4 F, sicherzustellen, dass die Temperatur bei 75 ° C für eine ausreichend lange Zeit, um vollständig abzudestillieren gesamte Methanol aus dem Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt des Gemisches und dann die Temperatur zu erhöhen, bis 300 ° C gehalten C so schnell wie möglich nach der Destillation, um die Größe A-Steuerungf Nanopartikel. 24

Bei der in Wasser dispergierbaren Nanoanordnungen, kann es manchmal schwierig sein, die Menge des UCNPs (Schritt 2.2) und organische Moleküle (Schritt 2,6) zu bestimmen. Ein Vorschlag ist, mit einem kleinen Volumen der UCNPs (dh 50 ul) beginnen und dann schrittweise Erhöhung dieser Menge bis ein Schwellenwert erreicht ist. Basierend auf unseren Versuchen ist eine Kombination aus 10 mg der Partikel und 2 × 10 -7 mol organische Moleküle die optimale Menge für diese Art der Kapselung. Obwohl jedoch dieses Verfahren in Wasser unlöslichen organischen Verbindungen und Nanopartikel erfolgreiche Transfer wässrigen Medium und Halten der beiden Komponenten miteinander in der Nähe ist das Protokoll immer noch Einschränkungen. Dieses Einkapselungsverfahren nicht anwendbar ist, um wasserlösliche Moleküle oder Nanopartikel in einer wässrigen Umgebung (dh Gold-Nanopartikel) synthetisiert, da der größte Wechselwirkung Halten der Nanoanordnung zusammen die hydrophobic Wirkung. Wenn ein wasserlösliches Molekül oder Nanopartikel verwendet wird, wird es wahrscheinlich auszulaugen der hydrophoben Polymerschicht, selbst wenn die Polymere zunächst Micellen bilden.

Abschließend mit einem "Plug-and-play 'Protokoll zeigen wir, wie man bequem zu kapseln hydrophobe organische und anorganische Chromophore upconverting Nanopartikel innerhalb eines amphiphilen Polymerhülle um Licht ansprechende wasserdispergierbare organisch-anorganischen Hybridnanoanordnungen zu erzeugen. Die Polymerhülle hilft, die hydrophobe Umgebung, die vorteilhaft für organische Photoreaktionen ist, der diese "Plug-and-play 'Protokoll ideal zur Herstellung von komplexen auf Licht-Systeme für den Einsatz in wässrigen Umgebungen macht zu halten. Die existierenden Verfahren zur Herstellung von wasserdispergierbaren Nano erfordert oft komplizierte chemische Modifikation ist jedoch in der Lage ist die Übertragung von Nicht wasserlöslichen Komponenten in Wasser bequem ohne fo ist dieses Protokollr spezifische Modifikation solche Komponenten. Die Verwendung von Licht im nahen Infrarot zu upconverting Nanopartikel aktivieren öffnet die Möglichkeit für Niedrigenergielicht aktivierten Photoreaktionen, die ein vorteilhaftes Merkmal für biologische Anwendungen ist, da sie weniger Schaden an Zellen und Geweben in lebenden Organismen hervorruft. Ein möglicher Nachteil dieser Technik ist der hochkonvertierten UV-Licht aus der Nanopartikel emittiert wird, und verwendet, um die höhere Energiephotoreaktionen auszulösen (dh Photoisomerisation von Diarylethen-Moleküle), möglicherweise Schäden an Zellen oder lebenden Organismen führen kann. Um dieses Problem zu überwinden, kann eine UV-Schutzschicht auf den Nanopartikeln beschichtet sein, um die UV-Photonen hochkonvertiert ein Auslaufen zu verhindern. Die Nanosystem mit einstellbarer Fluoreszenz wir in diesem Artikel demonstriert das Potenzial hat, als eine neue Bioimaging-Reagenz für superauflösende Bildgebung entwickelt werden. Wir erwarten, den Umfang der Anwendung dieses Verfahrens "Plug-and-Play", um wasserdispergierbare nanoassemb machenLügen wird weiter expandieren.

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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

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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).

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Chemie Heft 105 wasserdispergierbare Plug and Play upconverting Nanopartikel Diarylethen Porphyrin
A 'Plug and Play' Methode, um Wasser dispergierbare Nanoanordnungen mit einem Gehalt eines amphiphilen Polymers, organische Farbstoffe und Hochskalierungs-Nanopartikel erstellen
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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).

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