提出了一种用于合成核-壳镧系稀土掺杂转换纳米晶 (UCNs) 的协议, 以及它们在近红外线 (近红外) 光照下对通道蛋白调控的细胞应用。
镧系掺杂的转换纳米晶 (UCNs) 近年来因其具有良好的可控光学特性而备受关注, 它可以吸收近红外 (近红外线) 光, 并能将其转化为多路多路的排放, 跨越了广泛的区域, 从紫外线到可见光到近红外。本文介绍了高温沉淀合成核壳 UCNs 的详细实验程序, 该方法将不同的镧系离子加入纳米晶, 有效转化深层穿透近红外激发 (808nm) 成强烈的蓝色发射在 480 nm。通过对生物相容聚合物 (聚丙烯酸、临机局) 的表面改性控制, 制备的 UCNs 在缓冲液中具有很大的溶解度。亲水纳米晶体进一步功能化的特定配体 (二苄基 cyclooctyne, DBCO) 的地方在细胞膜上。在近红外光 (808 nm) 辐照下, upconverted 蓝光发射可以有效地激活细胞膜上的 light-gated 通道蛋白, 并专门调节细胞质中的阳离子 (例如, Ca2 +) 的流入。该协议提供了一种可行的方法, 合成核壳镧系稀土掺杂 UCNs 和后续的生物相容表面改性进一步的蜂窝应用。
近年来, 镧系掺杂的转换纳米晶 (UCNs) 被广泛应用于生物医学应用中的传统有机染料和量子点的替代品, 主要以其优异的化学和光学性能为基础,包括很好的生物相容性, 高抗漂白, 和窄带宽发射1,2,3。更重要的是, 他们可以作为一个有前途的 nanotransducer 与优秀的组织穿透深度在体内将近红外线 (近红外) 激发转化为从紫外线, 可见, 和红外光谱的广泛范围的排放, 通过光子转换进程4,5。这些独特的性质使镧系掺杂的 UCNs 作为一种特别有前途的生物传感、生物医学成像和疾病的载体 theranostics6,7,8。
UCNs 的一般成分主要是基于掺杂的镧系离子在含有增敏剂的绝缘主机基体中 (例如、Yb3 +、Nd3 +) 和一个激活器 (如、Tm3 +、Er3 +、Ho3 +)在水晶之内均匀地9。纳米晶体的不同光发射归因于镧系掺杂的 4f轨道内的局部电子跃迁, 这是由于它们的阶梯状布置的能级10。因此, 对多组分镧系掺杂的合成 UCNs 的尺寸和形貌进行精确控制是十分关键的。通过正确的研究, 为制备镧系掺杂的稀土 UCNs, 包括热分解、高温沉淀、热液合成、溶胶-凝胶处理、等, 都建立了良好的方法.11,12,13在这些方法中, 高温沉淀法是 UCNs 合成的最常用和最方便的方法之一, 可以严格控制, 以制备出所需的均匀形状的高质量纳米晶体, 并在相对较短的反应时间和低成本14中的大小分布。然而, 这种方法合成的大多数纳米结构, 主要是以油酸和油等疏水性配体为上限, 由于水溶液中疏水性配基溶解度的限制, 通常会阻碍它们的进一步 bioapplication。15. 因此, 有必要进行适当的表面改性技术, 以在生物应用中, 在体外UCNs, 在体内, 并。
本文介绍了通过高温沉淀法合成核壳 UCNs 纳米结构的详细实验过程和化 UCNs 表面生物相容性聚合物的可行性改造技术进一步的蜂窝应用。此 UCNs nanoplatform 将三镧系离子 (Yb3 +、Nd3 +和 Tm3 +) 并入纳米晶体中, 以获得强蓝光发射 (~ 480 nm), 在近红外光激励下在 808 nm, 这有更大的穿透深度活体组织。众所周知, Nd3 +掺杂的 UCNs 在这一光谱窗口 (808 nm) 上显示了最小的吸水和过热效应, 与常规 UCNs 相比, 980 nm 辐照后的16,17, 18. 此外, 为了利用生物系统中的 UCNs, UCNs 表面的疏水性配体 (油酸) 首先被超声在酸性溶液中去除19。然后再用一种生物相容聚合物 (聚丙烯酸, 临机局) 对无配体 UCNs 进行进一步的修饰, 以获得在水溶液中的很大溶解度20。此外, 作为细胞应用的概念证明, 亲水 UCNs 是进一步功能化的分子配体 (二苄 cyclooctyne, DBCO) 的具体定位在 N3标记细胞膜。在近红外光 (808 nm) 辐照下, upconverted 蓝色发射在 480 nm 可以有效地激活 light-gated 通道蛋白, channelrhodopsins-2 (ChR2), 在细胞表面上, 从而促进阳离子 (如, Ca2 +离子) 流入在活细胞的细胞膜上。
该视频协议为镧系掺杂的 UCNs 合成、生物相容表面修饰和活细胞中的 UCNs bioapplication 提供了一种可行的方法。在纳米晶体生长所用的合成技术和化学试剂上的任何差异都将影响细胞实验中使用的最终 UCNs 纳米结构的大小分布、形态和转换发光 (伦敦) 光谱。这一详细的视频协议是为了帮助这一领域的新研究人员提高 UCNs 的重复性与高温沉淀方法, 并避免最常见的错误, UCNs 生物相容性表面修改进一步蜂窝应用。
警告: 请在使用前查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS)。在高温 (〜290和 #176 C) 中进行 UCNs 的合成时, 请使用所有适当的安全做法, 包括使用工程控制 (油烟罩) 和个人防护设备 ( 例如 、安全护目镜、手套、实验室工作服全长长裤, 和闭脚趾鞋).
1. NaYF 的合成 4 : yb/tm/钕 (30/0.5/1%) @NaYF 4 : nd (20%) 核壳纳米晶
2。生物相容性 UCNs 纳米结构的合成
3。DBCO-UCNs 在活细胞膜通道调节中的 Bioapplications 性研究
本文提出了一种合成核壳镧系稀土掺杂的转换纳米晶 (UCNs) 及其表面改性的方法, 并用功能基进行了细胞应用。这种新型纳米材料具有优异的光学性能, 可以通过光子转换过程在近红外光激励下发出紫外线和可见光。在本协议中, 核壳 UCNs 纳米结构 (NaYF4: Yb/Tm/钕 (30/0.5/1%) @NaYF4: nd (20%)) 是在油酸和 1-十八的混合物中采用高温沉淀法制备的。TEM 图像表明, 这些核心和核壳纳米晶的形貌是球形的, 直径分别为 20 nm 和 30 nm, 这意味着壳厚度约为 5 nm (图 1)。在图 1的嵌入中, 高分辨率的 TEM 图像也揭示了核壳结构, 它显示了与核心 UCNs 纳米构造相似的晶格条纹。此外, 一个典型的d-大约 0.52 nm 的间距与β-NaYF4的 (100) 平面的间距很好地一致, 这表明所有的核心和核心壳 UCNs 纳米结构都是高度结晶的, 并保持着相同的晶体构造。此外, 转换发光谱表明, 核壳纳米晶发出强蓝光发射, 在 480 nm 的强度比核心粒子在激发时用二极管激光器达到 808 nm 的连续波 (图 4C)。核壳 UCNs 的增强发射归因于 Yb3 +、Nd3 +和 Tm3 +离子的抑制表面猝灭效应, 嵌入在核壳纳米晶的内部层中21。这些结果有力地证实了稀土掺杂的核壳 UCNs 纳米材料在该方案中的成功制备。
在这些纳米晶的高温沉淀合成中, 有几个关键步骤。首先, 在核壳 UCNs 的合成过程中, 应严格控制镧系离子储存液的添加量 (步骤 1.1.2.2)。高浓度掺杂离子会导致在纳米晶21中离子离子相互作用引起的 cross-relaxation 或淬火效应。其次, 温度应保持在不到50° c, 以确保氢氧化钠和 NH4F 加入到烧瓶 (步骤1.1.2.9 和步骤 1.2.9), 这是至关重要的, 以确保一个统一的形态学促进晶体生长的基础上奥斯特瓦尔德成熟效果22。第三, 核壳纳米颗粒的尺寸和光学性能主要是通过调整壳体 (Y3 +和 Nd3 +) 和预准备的核心粒子 (步骤 1.2.1) 中的镧系离子量来控制的。同样重要的是, 核壳纳米晶的形态是基于各向异性壳体生长的不同类型的核心粒子, 这是有用的调制不同的光学发射 UCNs 后近红外光照明23。
此外, 这也是一个相当大的挑战, 有效地将疏水性 UCNs 的亲水性 UCNs 纳米粒子, 进一步生物应用。虽然已报道了一些方法, 以提高 UCNs 在缓冲液中的生物相容性, 包括配体交换, 二氧化硅涂层, 油酸盖配体氧化,等, 他们遭受意想不到的聚集, 耗时,复杂的过程24,25,26。在此, 我们开发了一个简单的方法, 以获得树脂无配体 UCNs 纳米结构通过去除油酸在表面的酸油盖 UCNs 在酸性水溶液 (pH = 4)。盐酸调整的 pH 值对控制油酸盐配体的释放和影响 UCNs 的发光是至关重要的。更重要的是, 具有大量羧基的生物相容性聚合物 (聚丙烯酸、临机局) 可以通过协调作用与 UCNs 表面的镧系离子相连接, 这将为进一步的化学研究提供更多的功能基团。修改.因此, 我们在 UCNs 的表面上化 DBCO-NH2基, 用于进一步具体的 N3标记的细胞膜定位。在图 2中, 无配体 UCNs、UCNs 和 DBCO UCNs 的 TEM 图像显示了这些纳米结构在表面改性后的缓冲液中的分散性和溶解度。此外, 还进行了傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱法对 UCNs nanoplatform DBCO 基团的表面修饰进行表征。如图 3所示, 强频带大约为 3430 cm-1是由于羧基的 H O 拉伸振动, 而以 1550 cm-1和 1458 cm-1为中心的两个频带与非对称和羧酸盐阴离子的对称拉伸振动模式, 表明 UCNP 表面羧基基团聚合物 (临机) 的成功涂层。在反应与 DBCO-nh2基, 一个明显的带在 1635 cm-1是存在基于 c = c 拉伸振动的芳香环的 DBCO 组, 这是一致的 FTIR 光谱 DBCO-nh2基在同一波.此外, 动态光散射 (dl) 结果表明, 水溶液中 DBCO-UCNs 的水动力直径增加 (96.4±10.4 nm) (图 4A)。齐塔人的潜在结果还表明, UCNs (-26.1±4.4 mv) 和 DBCO-UCNs (-11.9±5.6 mv) 的负表面分别 (图 4B), 表明这些纳米结构在缓冲液中的溶解度和稳定性很大。此外, UCNs 和 DBCO-UCNs 的伦敦大学学院的光谱表明, 它们可以在 808 nm 光照射 (图 4C) 的情况下, 在 480 nm 发射类似的 upconverted 排放物, 可用于进一步的近红外 light-mediated 活化生物系统.
此外, 作为一个概念验证, 为了证明功能化 UCNs 在活细胞中的 bioapplication, 一个 light-gated 通道蛋白 (ChR2) 是在细胞表面上设计的, 以调节细胞功能, 通过斡旋的阳离子离子流入(例如, Ca2 +) 在细胞质中272829。通过使用共聚焦显微镜 (图 5A), 绿色荧光蛋白 (GFP) 标记 (金星) 的存在, 证实了 ChR2 在 HEK293 细胞系膜上的成功表达。此外, UCNs 在 N3标记细胞膜上的定位在 2 h 孵化后的细胞表面 (蓝色) 上明显可见, 这可以归因于 UCNs 纳米结构表面残留的 DBCO 群被染色一种叠氮化物含有荧光染料 (5-四-叠氮化物, 鲁比罗-N3) 通过无铜 bioorthogonal 单击反应。此外, 利用近红外光 (808 nm) 照射在细胞表面的局部 UCNs nanotransducer, 可以激活light-gated ChR2 通道蛋白, 并促进 Ca2 +离子在细胞膜上的流入。如图 5B所示, 胞中的红色荧光的显著增加是由标准的荧光 Ca2 +指示器 (Rhod-3 AM) 观察到的, 而在没有光照的情况下不记录明显的荧光增量。在图 5C中的定量流式细胞仪 (FCM) 分析还表明, 这种近红外-light-responsive 荧光增强是 light-dose 依赖性的, 这清楚地表明生物相容的 DBCO-UCNs 能有效地调节在近红外光照射的细胞膜上的通道蛋白。
综上所述, 根据上述结果, 我们预期本议定书不仅为核壳 UCNs 纳米结构的高温沉淀合成提供了详细的实验程序, 而且开发了简单UCNs 的生物相容表面改性技术, 用于进一步近红外 light-mediated 活化的生物学应用。更重要的是, 基于这一方法的基本原理, UCNs 的光学特性可以通过掺杂不同种类的镧系离子 (如: 如、铒 (iii)、钬 (iii)、等) 在晶体中进行调节, 以发出紫外、绿色、红色和808 nm 光照射后的近红外光30。此外, UCNs 表面也可以修改与各种功能组 (如, 肽, 蛋白质, 血脂, 靶向配体,等) 为进一步的生物医学应用31,32。这些优势使生物相容性 UCNs 纳米材料成为一个合适的候选的生理过程的研究体外和在体内, 并可能因此成为个性化的纳米临床 theranostics 在未来。
The authors have nothing to disclose.
1-Octadecene | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade |
oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 | Technical grade |
Methanol | Fisher Scientific | A412 | Technical grade |
Ethanol | Fisher Scientific | A405 | Technical grade |
Acetone | Fisher Scientific | A18 | Technical grade |
Hexane | Sigma Aldrich | H292 | Technical grade |
Thulium (III) acetate hydrate (Tm(CH<sub>3</sub>CO<sub>2</sub>)<sub>3</sub>) | Sigma Aldrich | 367702 | 99.9% trace metals basis |
Neodymium (III) acetate hydrate (Nd(CH<sub>3</sub>CO<sub>2</sub>)<sub>3</sub>) | Sigma Aldrich | 325805 | 99.9% trace metals basis |
Ytterbium (III) acetate hydrate (Yb(CH<sub>3</sub>CO<sub>2</sub>)<sub>3</sub>) | Sigma Aldrich | 326011 | 99.9% trace metals basis |
Yttrium(III) acetate hydrate (Y(CH<sub>3</sub>CO<sub>2</sub>)<sub>3</sub>) | Sigma Aldrich | 326046 | 99.9% trace metals basis |
Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | S5881 | reagent grade |
Ammonium fluoride (NH<sub>4</sub>F) | Sigma Aldrich | 338869 | ACS reagent |
Hydrogen chloride (HCl) | Fisher Scientific | A144 | reagent grade |
polyacrylic acid (PAA) | Sigma Aldrich | 323667 | average Mw 1800 |
1-Hydroxybenzotriazole hydrate (HOBT) | Sigma Aldrich | 54802 | ACS reagent |
1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma Aldrich | E7750 | commercial grade |
Dibenzocyclooctyne-amine (DBCO-NH<sub>2</sub>) | Sigma Aldrich | 761540 | ACS reagent |
N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) | Sigma Aldrich | D125806 | ACS reagent |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | BP231 | Technical grade |
HEK293 cell line | ATCC | CRL-1573 | human embryonic kidney |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma Aldrich | F1051 | ACS reagent |
Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15140122 | 10,000 U/mL |
plasmid (pCAGGS-ChR2-Venus) | Addgene | 15753 | Plasmid sent as bacteria in agar stab |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher | 11965092 | High glucose |
opti-Modified Eagle Medium (MEM) | Thermo Fisher | 51985034 | Reduced Serum Media |
Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | Thermo Fisher | L3000015 | Lipid-Based Transfection |
N-Azidoacetylmannosamine, Acetylated (Ac<sub>4</sub>ManNAz) | Sigma Aldrich | A7605 | ACS reagent |
Trypsin-EDTA (0.25%) | Thermo Fisher | 25200056 | Phenol red |
Rhod-3 AM Calcium Imaging Kit | Thermo Fisher | R10145 | Fluorescence dye |
5-carboxytetramethylrhodamine-azide (Rhod-N<sub>3</sub>) | Sigma Aldrich | 760757 | Azide-fluor 545 |
Confical dish | ibidi GmbH | 81158 | Glass Bottom, 35 mm |
50 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 227261 | Polypropylene |
15 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 188271 | Polypropylene |
1.5 ml conical microcentrifuge tubes | Greiner Bio-One | 616201 | Polypropylene |
Phenylmethyl silicone oil | Clearco Products | 63148-52-7 | Less than 320 degrees Celsius |
Glass thermometer | GH Zeal | L0111/10 | From -10 to 360 degrees Celsius |
12-well plate | Sigma Aldrich | Z707775 | Polystyrene |