Síntesis de Cd-libre EAD / ZnS puntos cuánticos Adecuado para aplicaciones biomédicas
6 de febrero de 2016
En este protocolo, se detalla la síntesis de puntos cuánticos (QDs) InP/ZnS libres de Cd. Los QD basados en InP están ganando popularidad debido a la toxicidad de los iones Cd2+ que pueden liberarse a través de la degradación de nanopartículas. Después de la síntesis, los QD se solubilizan en agua utilizando un polímero anfifílico para su uso en aplicaciones biomédicas.
El objetivo general de este procedimiento es sintetizar puntos cuánticos de sulfuro de zinc de fosfuro de indio altamente fluorescentes que sean adecuados para aplicaciones biomédicas. Este método puede ayudar a aclarar preguntas clave sobre la síntesis de nanopartículas de puntos cuánticos al demostrar pasos específicos que son cruciales para lograr puntos cuánticos de alta calidad. La principal ventaja de esta técnica es la producción de puntos cuánticos solubles en agua y de alta calidad.
Viable para sistemas biológicos que se pueden sintetizar en menos de un día. Para comenzar la síntesis, coloque un matraz de tres cuellos de fondo redondo de 100 mililitros con un condensador de 12 pulgadas. 0,398 gramos de cloruro de indio, 30 mililitros de oleilamina u OLA y 0,245 gramos de cloruro de zinc.
Revuelva mientras evacua a temperatura ambiente usando una aspiradora durante una hora. La solución debe aparecer incolora con un precipitado blanco. Utilice un manto calefactor con un termopar y un controlador de temperatura PID para aumentar la temperatura de la solución a 120 grados centígrados.
El uso de un manto calefactor y PID aumenta la uniformidad y la reproducibilidad del producto de reacción. Evacúe la solución al vacío durante 20 minutos para eliminar las impurezas de bajo punto de ebullición que puedan afectar el crecimiento del núcleo. Bajo gas inerte, reflujo la solución y aumente la temperatura a 223 grados centígrados durante 15 minutos.
El cloruro de indio y el cloruro de zinc se disuelven completamente, lo que da como resultado una solución de color amarillo pálido. Deje que la temperatura se estabilice durante 10 minutos. A continuación, purgue una jeringa de plástico desechable de tres mililitros y una aguja de calibre 22 de 4 pulgadas con gas nitrógeno.
La inyección de TDMAP es un paso crítico en este procedimiento, ya que la inyección puede afectar en gran medida la dispersión de los puntos cuánticos de fosfuro de indio resultantes. Con la jeringa, administre rápidamente 0,5 mililitros de TDMAP a la solución de cloruro de indio. La temperatura de la solución disminuye ligeramente y vuelve a los 220 grados centígrados, mientras que la solución cambia de amarillo pálido transparente a negro opaco.
Después de nueve minutos y medio, retire el matraz de reacción del manto calefactor hasta que la temperatura disminuya por debajo de los 200 grados centígrados. Para proteger la integridad de los núcleos de fosfuro de indio, proceda directamente al recubrimiento de sulfuro de zinc. Coloque el matraz de reacción que contiene los puntos cuánticos de fosfuro de indio sobre un manto calefactor y estabilice la temperatura a 200 grados centígrados.
Agregue lentamente 3,58 gramos de DDT a la solución en el transcurso de 15 segundos. Después de dejar que la solución reaccione durante una hora, retire el matraz de reacción de la manta calefactora y deje que la solución se enfríe aproximadamente 60 grados centígrados. Una vez que la solución de sulfuro de zinc y fosfuro de indio alcance aproximadamente 60 grados centígrados, agregue 10 mililitros de hexanos.
Luego, transfiera toda la solución de aproximadamente 45 mililitros a un tubo de centrífuga de polipropileno de 50 mililitros. Centrifugar la muestra para eliminar los precursores sólidos sin reaccionar. Retire con cuidado el sobrenadante y agregue 200 mililitros de acetona.
Divida equitativamente la solución resultante en cuatro tubos de centrífuga de 15 mililitros. Luego, centrifuga la solución para precipitar los puntos cuánticos de sulfuro de zinc y fosfuro de indio. Decantar el sobrenadante y secar bien el pellet Quantum Dot con gas nitrógeno para eliminar la acetona.
A continuación, suspendemos los puntos cuánticos en 20 mililitros de OLA mediante sonicación. A continuación, transfiera los Quantum Dots resuspendidos a un matraz de 50 mililitros de fondo redondo y tres cuellos que contenga 0,474 gramos de estearato de zinc y revuelva. Evacúe la solución al vacío durante 20 minutos a temperatura ambiente.
Bajo gas nitrógeno, aumente la temperatura a 180 grados centígrados y deje que la reacción continúe durante tres horas. Una vez finalizada la reacción, retire el matraz de la manta calefactora y deje que la solución se enfríe a aproximadamente 60 grados centígrados. Una vez que la solución de sulfuro de zinc y fosfuro de indio alcance aproximadamente 60 grados centígrados, agregue 20 mililitros de hexanos.
Luego, transfiera la muestra a un tubo de centrífuga de polipropileno de 50 mililitros antes de centrifugar para eliminar el estearato de zinc sin reaccionar. Después de la centrifugación, agregue 200 mililitros de acetona al sobrenadante y centrifugue utilizando el mismo procedimiento que antes. Después de secar completamente el pellet con gas nitrógeno, para eliminar la acetona, disuelva el pellet de fosfuro de indio y sulfuro de zinc Quantum Dot en 30 mililitros de hexanos.
Vértice y sonique la solución brevemente para garantizar una dispersión completa. La eliminación del exceso de ligandos es un paso crítico en este procedimiento. De lo contrario, se afectará negativamente la eficiencia de la transferencia de los puntos cuánticos a soluciones acuosas utilizando PMAL-d. Repita estos pasos de purificación dos veces más para garantizar la eliminación completa del exceso de ligandos orgánicos.
Las interacciones entre el polímero anfifílico y el punto cuántico pueden verse comprometidas en presencia de un exceso de ligandos. Después de la purificación, determine el tamaño y la concentración de los puntos cuánticos de sulfuro de zinc y fosfuro de indio sintetizados mediante espectroscopia UV-visible. Diluya una porción de los puntos cuánticos de sulfuro de zinc de fosfuro de indio sintetizados con hexanos para obtener un mililitro de puntos cuánticos de un micromolar.
En un tubo de centrífuga, transfiera 0,25 mililitros de puntos cuánticos de sulfuro de zinc y fosfuro de indio a cada tubo. Agregue un mililitro de acetona o mentol al tubo de centrífuga y centrifuga. Retire con cuidado el sobrenadante y disuelva cada precipitado en un mililitro de tetrahidrofurano o THF.
A continuación, transfiera los puntos cuánticos de sulfuro de zinc y fosfuro de indio disueltos en THF a un matraz de fondo redondo de 100 mililitros y diluya con 16 mililitros de THF. Para reducir el número de agregados en la solución, sonique los puntos cuánticos durante cinco a diez minutos. Luego, disuelva 30 miligramos de PMAL-d y 10 mililitros de agua de grado molecular.
El agua sobre la sonicación o la agitación suave hasta que la solución esté translúcida es eficaz para disolver completamente el polímero. El uso de vórtice o una agitación vigorosa puede producir muchas burbujas, lo que dificulta la interacción del polímero con el punto cuántico. A continuación, agregue la solución de polímero de 10 mililitros al matraz de fondo redondo de 100 mililitros que contiene fosfuro de indio, sulfuro de zinc, puntos cuánticos y THF.
Evapore el THF de la solución de polímero Quantum Dot utilizando un evaporador rotativo con el matraz en un baño de hielo para facilitar la interacción entre el polímero y Quantum Dot. Una vez que la solución se haya evaporado a 10 mililitros, retire el matraz del evaporador rotativo y agregue 30 mililitros de agua de grado molecular. Regrese el matraz al evaporador rotativo y continúe evaporando a dos mililitros.
Este paso final de evaporación puede tardar muchas horas. Asegúrese de que el baño de hielo esté en buen estado. Retire los puntos cuánticos de fosfuro de indio y sulfuro de zinc solubles en agua del matraz de fondo redondo con una pipeta.
Filtre la solución Quantum Dot en un tubo de centrífuga de cinco mililitros utilizando una jeringa de plástico de tres mililitros conectada a un filtro de jeringa de nailon de 0,1 micras. Coloque los puntos cuánticos en una unidad de diálisis de membrana de corte de 20 milésimas de peso molecular y dialice contra el tampón de borato molar 05, PH 8.5, para eliminar el exceso de polímero. Usando un concentrador de vacío, concentre los puntos cuánticos y el tampón de borato en un mililitro.
Para el almacenamiento, coloque la solución con gas nitrógeno antes de sellar con Parafilm. Los puntos cuánticos de sulfuro de zinc de fosfuro de indio solubles en agua son estables durante al menos cuatro meses a cuatro grados centígrados en la oscuridad. Aquí se muestran los espectros de absorbancia y admisión de florescencia corregida de fosfuro de indio, sulfuro de zinc, puntos cuánticos y hexanos excitados a 533 nanómetros, mostrando una absorbancia máxima a 600 nanómetros y un ancho completo a la mitad, máximo de 73 nanómetros.
Aquí se muestra una imagen TEM, o de microscopía electrónica de transmisión, de los puntos cuánticos de sulfuro de zinc y fosfuro de indio disueltos en agua. Un historgrama de distribución del tamaño de partícula del TEM da como resultado un diámetro promedio de 2,74 más o menos 0,72 nanómetros. El análisis de puncta fluorescente simple detalla la presencia de distintos estados de encendido y apagado a través de un perfil parpadeante de puntos cuánticos de sulfuro de zinc y fosfuro de indio en el agua.
Este histograma muestra la distribución bimodal de la intensidad de píxeles de un perfil parpadeante de puntos cuánticos. Aquí, un gráfico muestra la viabilidad de las células N2a después de la incubación con fosfuro de indio, sulfuro de zinc, puntos cuánticos durante 24 o 48 horas. Con un nanomolar a 25 puntos cuánticos nanomolares.
Se observa una toxicidad insignificante por debajo de cinco nanomolares. Una vez dominadas, estas técnicas se pueden completar en 12 horas si se realizan correctamente. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo sintetizar puntos cuánticos altamente fluorescentes para su uso en aplicaciones biomédicas.
Tenga en cuenta que la alilamina es un compuesto orgánico peligroso y corrosivo. Siempre se deben tomar precauciones como el uso de gafas, guantes y una bata de laboratorio al realizar este procedimiento.
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Descripción general
Este protocolo describe la síntesis de puntos cuánticos de fosfuro de indio y sulfuro de cinc (QDs) altamente fluorescentes, adecuados para aplicaciones biomédicas. El método enfatiza la producción de QDs libres de Cd, abordando las preocupaciones de toxicidad asociadas con los iones Cd2+.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Nanotecnología
- Ingeniería biomédica
- Ciencia de materiales
Antecedentes
- Los puntos cuánticos basados en fosfuro de indio están ganando popularidad debido a su menor toxicidad.
- Los iones Cd2+ pueden liberarse mediante la degradación de nanopartículas.
- La solubilidad en agua es crucial para aplicaciones biológicas.
- Se pueden sintetizar puntos cuánticos de alta calidad en menos de un día.
Objetivo del estudio
- Sintetizar puntos cuánticos libres de Cd para su uso biomédico seguro.
- Mostrar los pasos específicos cruciales para obtener puntos cuánticos de alta calidad.
- Aclarar las preguntas clave sobre la síntesis de nanopartículas de puntos cuánticos.
Métodos Utilizados
- Uso de un matraz redondo de fondo plano de 100 mililitros con tres cuellos.
- Incorporación de 0,398 gramos de cloruro de indio y 0,245 gramos de cloruro de zinc.
- Utilización de 30 mililitros de oleilamina (OLA).
- Solubilización de los puntos cuánticos en agua mediante un polímero anfifílico.
Resultados Principales
- Síntesis exitosa de puntos cuánticos (QD) de alta calidad y solubles en agua.
- Presentación de un método viable para sistemas biológicos.
- Reducción de las preocupaciones sobre toxicidad asociadas con los puntos cuánticos basados en Cd.
- Aplicaciones potenciales en diversos campos biomédicos.
Conclusiones
- El protocolo proporciona un método confiable para la síntesis de puntos cuánticos libres de Cd.
- Se pueden producir puntos cuánticos de alta calidad de manera eficiente para aplicaciones biomédicas.
- Esta técnica mejora la seguridad en el uso de puntos cuánticos en la investigación.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este protocolo permite la síntesis de puntos cuánticos libres de cadmio con alta fluorescencia y solubilidad en agua, abordando una barrera clave de seguridad en aplicaciones de imagen biomédica y detección. Al proporcionar un método reproducible para producir puntos cuánticos monodispersos de InP/ZnS, respalda la validación de objetivos y el desarrollo de ensayos donde las lecturas ópticas confiables son esenciales. El enfoque contribuye a la reducción mecanicista de riesgos al ofrecer una alternativa menos tóxica a las sondas basadas en cadmio, mejorando la confianza en los datos biológicos posteriores.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la interrogación de dianas biológicas utilizando sondas fluorescentes brillantes y estables con menores preocupaciones sobre citotoxicidad.
- Valor operativo: Facilita una eficiencia de marcado consistente entre experimentos debido al control preciso del tamaño y de la emisión.
Desarrollo de ensayos y cribado
- Valor científico: Proporciona señales de fluorescencia cuantificables para plataformas de cribado de alto rendimiento que requieren detección sensible.
- Valor operacional: Produce sondas solubles en agua compatibles con tampones de ensayo acuosos y ambientes celulares.
- Valor científico: Facilita la multiplexación mediante longitudes de onda de emisión ajustables en el rango del rojo al infrarrojo cercano.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Demuestra biocompatibilidad en modelos celulares neuronales, lo que respalda su uso en estudios de imagen in vivo.
- Valor operativo: Permite el seguimiento longitudinal debido a su estabilidad en condiciones fisiológicas durante hasta cuatro meses.
- Valor científico: Reduce las señales falsas positivas derivadas de la toxicidad inducida por la sonda en ensayos de cribado fenotípico.
Integración de la tubería y del flujo de trabajo
El método se integra en el continuo de descubrimiento desde la síntesis de sondas hasta la obtención de imágenes celulares, permitiendo una transición confiable desde el desarrollo de ensayos hasta la validación preclínica.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la verificación de hipótesis mediante la marcación fluorescente específica con bajo fondo de estructuras subcelulares.
- Tamizaje: Proporciona relaciones señal-ruido reproducibles, esenciales para la confirmación de resultados positivos en campañas de tamizaje de compuestos.
- Análisis: Genera datos cuantitativos de absorbancia y emisión (por ejemplo, pico a 600 nm, FWHM 73 nm) para la comparación entre lotes.
- Investigación Traducional: Muestra toxicidad despreciable en células N2a por debajo de 5 nM, lo que respalda el perfil de seguridad para la extrapolación in vivo.
- Reutilización Empresarial: Establece un protocolo escalable y estandarizado para producir lotes de puntos cuánticos adaptables a buenas prácticas de fabricación en diversos proyectos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva al minimizar la interferencia biológica provocada por productos de degradación tóxicos.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad mediante un control estricto de la temperatura, el tiempo y las proporciones de precursores durante la síntesis por inyección en caliente.
- Valor estratégico: Reduce el riesgo de abandono en el desarrollo de sondas de imagen al eliminar las preocupaciones relacionadas con la seguridad del cadmio.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de tecnologías basadas en puntos cuánticos para el monitoreo terapéutico y diagnósticos.
Consideraciones de Implementación
- Se requiere experiencia en la síntesis de nanomateriales y en técnicas de atmósfera inerte para lograr una formación consistente de núcleo-cubierta.
- Los instrumentos incluyen mantas calefactoras con controladores PID, bombas de jeringa para inyección precisa y evaporadores rotatorios para el intercambio de polímeros.
- La estandarización entre equipos depende de los pasos documentados de purificación (por ejemplo, lavado triple con acetona) para eliminar ligandos en exceso que afecten la transferencia acuosa.
- La adaptación a otros materiales de núcleo (por ejemplo, CdSe/ZnS) requeriría una reoptimización de la cinética de inyección y de los perfiles de temperatura.
- Limitación práctica: los parámetros de sonicación deben optimizarse para evitar la agregación de puntos cuánticos durante la encapsulación con polímero.
![Aspecto técnico de la síntesis automatizada y evaluación cinética en tiempo real de [11C]SNAP-7941](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F59557.jpg%3Fv%3D2026-08-11T08%253A27%253A20.746Z&w=384&q=75)