Compact points quantiques pour une seule molécule d'imagerie

Summary

Nous décrivons la préparation de points quantiques colloïdaux dont la taille hydrodynamique réduit au minimum pour l'imagerie de fluorescence de molécules uniques. Par rapport aux points quantiques, ces nanoparticules ont une taille similaire à des protéines globulaires et sont optimisés pour une seule molécule de la luminosité, de la stabilité contre la photodégradation et la résistance à la liaison non spécifique des protéines et des cellules.

Abstract

Une seule molécule d'imagerie est un outil important pour la compréhension des mécanismes de la fonction biomoléculaire et pour visualiser l'hétérogénéité spatiale et temporelle des comportements moléculaires qui sous-tendent la biologie cellulaire ^1-4. À l'image d'une molécule individuelle d'intérêt, il est généralement conjugué à un marqueur fluorescent (colorant, de protéines, de perles, ou points quantiques) et observé avec épifluorescence ou fluorescence à réflexion interne totale (TIRF) microscopie. Alors que les colorants et les protéines fluorescentes ont été le pilier de l'imagerie de fluorescence pendant des décennies, leur fluorescence est instable sous haute flux de photons nécessaires pour observer les molécules individuelles, ce qui donne seulement quelques secondes d'observation avant la perte totale du signal. Des billes de latex et de perles colorant étiquetés assurer la stabilité du signal amélioré, mais au détriment de la taille hydrodynamique considérablement plus grande, ce qui peut altérer la diffusion délétère et le comportement de la molécule étudiée. ntent "> Les quantum dots (QDs) offrent un équilibre entre ces deux régimes problématiques. Ces nanoparticules sont constituées de matériaux semi-conducteurs et peut être conçu avec une taille hydrodynamique compact avec une résistance exceptionnelle à la photodégradation ^5. Ainsi, ces dernières années QDs ont joué un rôle en permettant aux observation à long terme du comportement complexe macromoléculaire sur le niveau de la molécule unique. Cependant, ces particules ont encore été trouvé exposer diffusion avec facultés affaiblies en environnements encombrés moléculaires tels que le cytoplasme cellulaire et synaptique neuronale de la fente, où leurs tailles sont encore trop grandes ^{4,6 , 7.}

Récemment, nous avons conçu les cœurs et les revêtements de boîtes quantiques de taille hydrodynamique réduite au minimum, tout en tenant compte des décalages à la stabilité colloïdale, photostabilité, la luminosité et la liaison non spécifiques qui ont entravé l'utilité des boîtes quantiques compacts dans le passé ^8,9. Le but de cet article est de démontrerla synthèse, la modification et la caractérisation de ces nanocristaux optimisées, composée d'un alliage Cd Hg _1-x Se _x noyau revêtu d'un isolant Zn Cd _{Y 1-Y} S coquille, en outre revêtu avec un ligand polydenté polymère modifié par du polyéthylèneglycol court ( PEG) (figure 1). Par rapport aux nanocristaux de CdSe conventionnels, Hg _x Cd _1-x Se alliages offrent de meilleures rendements quantiques de fluorescence, fluorescence à des longueurs d'onde rouge et proche infrarouge pour améliorer signal-sur-bruit dans les cellules, et d'excitation à la non-cytotoxiques longueurs d'onde visibles. Multidentés revêtements polymères se lier à la surface du nanocristal dans une conformation fermée et plane pour réduire au minimum la taille hydrodynamique, et PEG neutralise la charge de surface pour minimiser liaison non spécifique aux cellules et de biomolécules. Le résultat final est un nanocristal fluorescent vives avec des émissions entre 550-800 nm et une taille hydrodynamique totale près de 12 nm. C'est dans le sgamme de taille ame autant de protéines globulaires solubles dans les cellules, et sensiblement plus petits que les points quantiques conventionnels PEGylées (25-35 nm).

Protocol

Les procédés de synthèse suivantes impliquent l'air standard sans techniques et l'utilisation d'un aspirateur / collecteur de gaz inerte; méthodologie détaillée peut être trouvée dans les références 10 et 11. FDS pour toutes les substances potentiellement toxiques et inflammables doit être consulté avant toute utilisation et les composés inflammables et / ou de l'air labile doit être répartie dans des flacons scellés septum dans une boîte à gants ou un sac à gants.

1. Synthèse de séléniure de cadmium mercure (Hg _x Cd _1-x Se) Quantum Dot Cores

1. Préparer une solution 0,4 M de sélénium dans trioctylphosphine (TOP). Ajouter le sélénium (0,316 g, 4 mmol) à un 50 ml à 3 cols, puis évacuer et remplir avec de l'argon à l'aide d'une ligne de Schlenk. Sous air sans conditions (azote sec ou d'argon), ajouter 10 ml TOP et de la chaleur à 100 ° C sous agitation pendant 1 heure pour obtenir une solution limpide et incolore. Refroidir la solution à température ambiante et mis de côté dans le ballon.
2. Pour un 250 ml à 3 cols, ajouter de l'oxyde de cadmium (CdO 0,0770 g, 0,6 mmol), d'acide tetradecylphosphonic (TDPA, 0,3674 g, 1,32 mmol), et l'octadécène (ODE, 27,6 ml), et évacuer la solution en utilisant une ligne de Schlenk tout en remuant. Augmenter la température à 100 ° C et pour évacuer encore 15 min pour éliminer les impuretés à bas point d'ébullition.
3. Sous atmosphère d'argon ou d'azote gazeux, on chauffe le mélange à 300 ° C pendant 1 heure pour dissoudre complètement l'oxyde de cadmium. La solution passera d'une couleur rougeâtre limpide et incolore. Refroidir la solution à température ambiante.
4. Ajouter hexadécylamine (HDA, 7,0 g) à la solution de cadmium, de la chaleur à 70 ° C, et l'évacuation. Une fois qu'une pression constante est atteinte, augmenter la température à 100-110 ° C et le reflux de la solution pendant 30 min. Changer la valve de ligne de Schlenk de gaz inerte et insérer le thermocouple directement dans la solution.
5. Sous des conditions exemptes d'air, ajouter diphénylphosphine (DPP, 100 ul) à la solution et à augmenter la température à 310 ° C. Retirer 7,5 ml de 0,4 M TOP-Se solution(Mmol sélénium 3) dans une seringue jetable en plastique fixée à une aiguille de calibre 16.
6. Une fois que la température s'équilibre à 310 ° C, régler le régulateur de température à 0 ° C et rapidement injecter la solution TOP-Se directement dans la solution de cadmium. La solution passe de l'incolore au jaune-orange et la température va rapidement baisser et augmenter de nouveau à ~ 280 ° C Après 1 min de réaction, enlever le ballon de la chemise de chauffage et refroidir rapidement avec un courant d'air jusqu'à ce que la température est inférieure à 200 ° C.
7. Lorsque la température atteint 40 ° C, diluer avec 30 ml d'hexane, la plupart du précurseur de cadmium restant s'installer hors de la solution. Retirer ce précipité par centrifugation (5000 xg, 10 min).
8. Dans chacun des six tube de 50 ml en polypropylène à centrifuger conique, diluer 12 ml de la solution brute nanocristal avec 40 ml d'acétone, centrifugeuse (5000 xg pendant 10 min), et soigneusement décanter et éliminer le surnageant.
9. Dissoudre le nanocrpellets ystal dans l'hexane (25 ml volume total). Extrait cette solution 3 fois avec un volume égal de methanol, tout en conservant la phase supérieure. Pour la troisième extraction, le volume de méthanol peut être ajusté à ~ 15 ml pour obtenir une solution d'hexane concentré de points quantiques de CdSe purs à environ 200 uM. Le rendement de cette réaction typique est de 3 mol nanocristaux de CdSe d'un diamètre de 2,3 nm (50-60% rendement de la réaction).
10. Déterminer le diamètre nanocristal et de la concentration en mesurant le spectre d'absorption UV-Vis et consulter le tableau des tailles d'ajustement de Mulvaney et ses collègues ¹² et les corrélations d'extinction des Bawendi et ses collègues ^13. Voir l'annexe pour plus de détails.
11. D'échange de cations mercure: les nanocristaux peuvent être partiellement échangée avec du mercure pour décalage vers le rouge l'absorption et l'émission de fluorescence. Mélanger les éléments suivants ensemble dans l'ordre dans un flacon en verre de 20 ml avec un barreau d'agitation (cette réaction peut être mise à l'échelle au choix): 3 ml d'hexane, 2 ml de chloroforme, 1 Cd ml uM 200Se QD solution (200 nmol), 15 ul oléylamine (LLO), et 500 ul d'une solution 0,1 M de Hg (OT) ₂ dans du chloroforme. Mercure octanethioate (HgOT ₂₎ peut être préparé en faisant réagir l'acétate de mercure et octanethiol dans le méthanol (voir annexe). Au fur et à la réaction d'échange de cations, dans la mesure du décalage vers le rouge peut être surveillée par spectrophotométrie d'absorption UV-Vis. Après la bande d'absorption souhaitée est atteinte, mesurer l'absorption de la solution de nanocristaux à 350 nm et de déterminer le coefficient d'extinction nouveau, en supposant que la concentration n'a pas changé nanocristal (30,7 uM dans cet exemple). Stopper la réaction en enlevant le mercure n'a pas réagi: ajouter 5 ml décane, 10 ml d'hexane, et 7 ml de méthanol et d'extraire la solution, en gardant la phase supérieure contenant des nanocristaux. Extraire deux fois plus à l'hexane et le méthanol, et réglez le volume de méthanol afin que la phase supérieure est d'environ 7 ml. Si les phases sont lents à se séparer, la solution peut être centrifugé (5000 xg,10 min). Ajouter 100 ul TOP, 100 LLO ul et 100 ul d'acide oléique aux nanocristaux suivis par 40 ml d'acétone pour induire la précipitation. Recueillir les nanocristaux par centrifugation et disperser dans 3 ml d'hexane. Centrifuger de nouveau pour éliminer les composants insolubles et déterminer la concentration nanocristal nouveau, en utilisant le coefficient d'extinction nouveau à 350 nm. Laisser la solution nanocristal à vieillir pendant au moins 24 heures à température ambiante avant de procéder à l'étape suivante.

2. Croissance de Sulfure de zinc cadmium (Cd _y Zn _1-y S) Shell

1. Préparer solutions à 0,1 M précurseurs shell dans 50 ml 3 flacons à col. Cadmium précurseur: l'hydrate d'acétate de cadmium (230,5 mg, 1 mmol) et 10 ml d'oléylamine (LLO). Précurseur de zinc: l'acétate de zinc (183,5 mg, 1 mmol) et 10 ml LLO. Précurseur de soufre: soufre (32,1 mg, 1 mmol) et 10 ml ODE. Sous vide, chauffer chaque solution au reflux pendant 1 heure pour obtenir des solutions claires, puis rechargez avec de l'argon. La solution de soufre peutrefroidir à la température ambiante, mais des précurseurs de cadmium et de zinc sont maintenues à environ 50 ° C. Le calcul des quantités de précurseurs shell ne peut être trouvée dans la référence 14.
2. Ajouter à un ballon à 3 cols: Hg _x Cd _1-x Se QDs (120 nmol, 2,3 nm de diamètre), ODE (2 ml), et l'oxyde de trioctylphosphine (TOPO, 250 mg). Évacuer hors de l'hexane à température ambiante en utilisant la ligne de Schlenk. Augmenter la température à 100 ° C et le reflux pendant 15 min. Changer la vanne en ligne de Schlenk de l'argon ou de l'azote gazeux et insérer le thermocouple dans la solution de nanocristaux.
3. Augmenter la température à 120 ° C, ajouter 0,5 monocouches de solution de précurseur de soufre (140 pi), et laisser la réaction se poursuivre pendant 15 min. Petites fractions (<50 pi) peut être enlevé en utilisant une seringue en verre pour surveiller la progression de la réaction en utilisant la fluorescence et / ou spectrophotométrie d'absorption UV-Vis. Augmenter la température à 140 ° C, ajouter 0,5 monocouches de solution de précurseur de cadmium (140 pi), et laisser la réaction se poursuivre pendant 15 min. Ajouter 500 ul de la LLO anhydre à la solution réactionnelle.
4. À 160 ° C ajouter 0,5 monocouches de solution de précurseur de soufre (220 pi), suivi par une quantité égale de solution de précurseur de zinc à 170 ° C et à 15 minutes entre chaque addition. Puis à 180 ° C ajouter 0,25 monocouches de solution de précurseur de soufre (150 ul) et de la solution de précurseur de zinc dans des intervalles de 15 min.
5. Refroidir la solution à température ambiante et à nouveau calculer un nouveau coefficient d'extinction pour ces particules en utilisant un spectre UV-Vis, en supposant que le nombre de nanocristaux n'a pas changé (120 nmol dans 3,8 ml solution de réaction). Stocker la solution de réaction comme un mélange brut dans un congélateur, les nanocristaux peuvent être décongelés et purifié si nécessaire en utilisant la même méthode décrite dans les sections 1.8 et 1.9.
6. Les nanocristaux peuvent être caractérisées par microscopie électronique, spectroscopie d'absorption UV-Vis, et la spectroscopie de fluorescence. Rendement quantique peut êtrecalculée en utilisant absolument une sphère d'intégration ou relativement en comparaison à une norme connue en utilisant les méthodes de référence 15.

3. Transfert de phase

1. Ajouter purifiée noyau / enveloppe Hg _x Cd _1-x Se / Zn Cd _{y 1-y} S QD (5 ml, 20 uM) à une de 50 ml à 3 cols et enlever l'hexane sous vide poussé pour obtenir un film sec. Remplir la fiole avec de l'argon, ajouter de la pyridine anhydre (3 ml) pour le film de nanoparticules et de la chaleur de la suspension à 80 ° C. Au cours de 1-2 heures les nanoparticules se dissoudre complètement.
2. Ajouter 1-thioglycérol (1 ml) à la solution et agiter à 80 ° C pendant 2 heures. Puis refroidir la solution à température ambiante et ajouter la triéthylamine (0,5 ml) à déprotoner le thioglycérol. Agiter pendant 30 min. La solution peut devenir trouble après l'addition de triéthylamine en raison de la faible solubilité des nanocristaux polaires dans ce mélange de solvants.
3. Transférer la solution dans un QD centrifugation de 50 ml cont tube coniqueAining un mélange de 20 ml d'hexane et 20 ml d'acétone, et bien mélanger. Isoler les nanocristaux précipitées par centrifugation (5000 xg, 10 min), et laver le culot avec de l'acétone.
4. Dissoudre le culot QD dans le DMSO (5 ml) avec sonication en bain, puis centrifuger (7000 xg, 10 min) pour éliminer les agrégats possibles. Déterminer la concentration de nanoparticules à partir d'un spectre d'absorption UV-Vis. Cette solution de BQs purs doivent être utilisés à moins de 3 h, comme les thiols de surface peuvent s'oxyder lentement dans des conditions ambiantes dans l'air.
5. Diluer la solution QD à 10 uM ou moins avec du DMSO et transférer dans un flacon de 50 ml. Préparer un 5 mg / ml, solution d'acide polyacrylique thiolé (synthèse décrite en annexe) dans le DMSO. Ajouter la solution de polymère (0,15 mg de polymère par nmol QDs) goutte à goutte à la solution une fois par jour, tout en agitant et dégazer la solution à la température ambiante pendant 5 min.
6. Purger la solution QD / polymère avec de l'argon et de la chaleur à 80 ° C pendant 90 min. Puis refroidir la solution à température ambiante uned goutte à goutte ajouter un volume égal de 50 mM borate de sodium, pH 8. Agiter pendant 10 min.
7. Purifier les boîtes quantiques par dialyse (20 kDa de coupure) dans 50 mM borate de sodium, pH 8, puis concentrer les particules à l'aide d'un filtre centrifuge (10 kDa de coupure). Déterminer la concentration d'un spectre d'absorption UV-Vis.

4. Revêtement PEG

1. Dans un flacon en verre de 4 ml avec un barreau d'agitation, mélanger 1 nmol QDs dans un tampon de borate avec un excès molaire de 40.000 x 750 Da monoamino-polyéthylène glycol (30 mg, 40 pmol). Si une fonctionnalité chimique spécifique doit être ajouté à des nanocristaux (par exemple hydrazide ou maléimide), il peut être introduit par substitution, une fraction de l'amino-PEG avec un hétéro-amino-PEG (30% molaire fonctionne généralement bien). Diluer la solution de nanocristaux à 1 uM avec un tampon de borate. Cette réaction peut être mis à l'échelle comme vous le souhaitez.
2. Préparer une solution fraîche de DMTMM (20 mg, 72 pmol) dans du DMSO (144 pi). Cette solution peut être chauffée brièvement uous un flux de chaleur eau du robinet ou immergé dans un bain sonique pour dissoudre complètement la DMTMM. Ajouter rapidement un excès molaire x 25.000 de cette solution 0,5 M DMTMM (50 pi) à la solution une fois par jour et agiter à température ambiante pendant 30 min.
3. Répétez l'étape 4.2 de plus de quatre fois pour saturer la surface du nanocristal avec du PEG. Enfin, ajouter 200 ul de tampon Tris 1 M pour arrêter la réaction et de purifier les nanocristaux utilisant la dialyse, filtres centrifuges, ou ultracentrifugation.
4. Les nanocristaux peuvent être analysés pour monodispersité, taille hydrodynamique, et la charge de surface par chromatographie en phase liquide, électrophorèse sur gel, et la microscopie à fluorescence. Pour déterminer la taille hydrodynamique et la distribution de taille en utilisant un système de chromatographie liquide automatisé (GE AKTAprime Plus), utiliser une colonne de Superose 6, avec un débit de 0,5 ml / min avec un tampon PBS éluant, et la détection de l'absorption à 260 ou 280 nm. Comparer les temps d'élution des nanoparticules avec ceux des standards de poids moléculaire. Pour électrophorèse sur gel d'agaroserésistance, préparer un gel d'agarose à 0,5% dans 50 mM de tampon borate de sodium (pH 8,5) ou 50 mM de tampon phosphate de sodium (pH 7,4), mélanger des échantillons de 1 pM avec 10% de glycérol et de charge dans des puits, et fonctionner à 100 V pendant 30 min . L'image des nanocristaux dans le gel à l'aide d'une baguette à la main UV ou transilluminateur UV et l'excitation de fluorescence. À l'image des nanocristaux à l'échelle de la molécule unique par microscopie à fluorescence, diluer les particules à 0,2 nm dans un tampon phosphate 10 mM, déposez 2,5 ul de la solution sur une lamelle de verre, et très délicatement une lamelle de seconde sur le dessus de la perle liquide à s'étaler un film entre les lamelles. L'image de la surface assortis de particules en utilisant un objectif à grande ouverture numérique (idéalement au moins 1,40) en mode épifluorescence ou la FRBR avec une excitation à des longueurs d'onde entre 400-580 nm et d'une caméra CCD multiplicateur d'électrons. Paramètres d'imagerie exactes varieront entre l'installation de microscopie.

Results

La figure 2 illustre l'absorption et des spectres de fluorescence représentant des nanocristaux de CdSe, Hg _x Cd _1-x Se nanocristaux après échange cationique, Hg et Cd _{x 1-x} Se / Zn Cd _{y 1-y} nanocristaux S après croissance de la coquille. Les nanocristaux de CdSe de base ont un rendement quantique de fluorescence près de 15% (y compris les grandes longueurs d'onde profonde piège d'émission) mais cette efficacité tombe à moins de 1% après mercure échange, proba...

Discussion

Par rapport aux points quantiques de CdSe, alliage ternaire Hg _x Cd _1-x Se nanocristaux peuvent être réglés en taille et en longueur d'onde de fluorescence de manière indépendante. La taille est d'abord sélectionné lors de la synthèse de nanocristaux de CdSe noyaux, et la longueur d'onde de fluorescence est choisi dans une étape d'échange de cations mercure secondaire, qui ne modifie pas sensiblement la taille des nanocristaux ^9. Il est important de laisser le mercure pur...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nom du réactif	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires (optionnel)
Sélénium	Sigma-Aldrich	229865
Tri-n-octylphosphine	Strem	15-6655	Pur à 97%, instable à l'air
L'oxyde de cadmium	Sigma-Aldrich	202894	Très toxique: soyez prudent
Tetradecylphosphonic acide	Synthèse PCI	4671-75-4
Octadécène	Alfa Aesar	L11004	De qualité technique
Hexadécylamine	Sigma-Aldrich	H7408
Diphenylphosphine	Sigma-Aldrich	252964
L'acétate de mercure	Sigma-Aldrich	456012	Très toxique: soyez prudent
1-octanethiol	Sigma-Aldrich	471836	Forte odeur
L'acide oléique	Sigma-Aldrich	W281506
L'acétate de zinc	Alfa Aesar	35792
Cadmium hydrate d'acétate	Sigma-Aldrich	229490	Très toxique: soyez prudent
Oléylamine	Fisher Scientific	AC12954	Instable à l'air
Soufre	Sigma-Aldrich	344621
Oxyde de trioctylphosphine	Strem	15-6661	99%
Pyridine	VWR	EM-PX2012-6	Anhydre
Thioglycérol	Sigma-Aldrich	M1753	Forte odeur
Triéthylamine	Sigma-Aldrich	471283	Anhydre
Un tube de dialyse	Spectrum Labs	131342	20 kDa de coupure
Filtre centrifuge	Millipore	UFC801024	10 kDa de coupure
Monoamino-PEG	Rapp Polymere	12 750-2	750 Da
DMTMM, 4 - (4,6-diméthoxy-1 ,3,5-triazine-2-yl)-4-méthylmorpholinium hydrate de chlorure	Alfa Aesar	H26333
AKTAprime Chromatographie Plus System	GE HealthCare
Superose 6 10/300 GL Chromatographie sur colonne	GE HealthCare	17-5172-01
Agarose, OmniPur	VWR	EM-2120
			Appendice Synthèse de mercure octanethiolate: Ajouter lentement une solution méthanolique d'acétate de mercure (1 éq.) À une solution sous agitation de 1-octane (3 éq.) Et de l'hydroxyde de potassium (3 éq.) Dans le méthanol à température ambiante. Isoler le précipité de mercure octanethiolate (II) par filtration, laver deux fois avec du méthanol et une fois avec de l'éther, puis séché sous vide. Synthèse de polymère multidenté: Dissoudre l'acide polyacrylique (1 g, 1.773 Da) dans 25 ml de diméthylformamide (DMF) dans 150 ml d'un ballon à trois cols et la bulle d'argon pendant 30 min. Ajouter une solution anhydre de cystéamine (374 mg, 4,87 mmol) dans 10 ml de DMF. À température ambiante avec une agitation vigoureuse, ajouter lentement diisopropylcarbodiimide anhydre (DIC, 736 mg, 5,83 mmol) pendant 30 min, puis de la triéthylamine (170 pi, 1,22 mmol), et de laisser la réaction se poursuivre pendant 72 heures à 60 ° C. Ajouter mercaptoéthanol (501 mg, 6,41 mmol) pour arrêter la réaction, et remuer pendant 2 heures à température ambiante. Éliminer le DMF par évaporation rotative et isoler le polymère avec l'addition d'un mélange 2:1 d'acétone glacée: chloroforme, suivie d'une centrifugation. Dissoudre le polymère dans ~ 5 ml de DMF anhydre, filtre, précipité à nouveau avec du diéthyléther, et recommencez. Sécher le produit sous vide et sous atmosphère d'argon magasin. Détermination du diamètre du noyau CdSe: A partir du spectre d'absorption UV-Vis de déterminer la longueur d'onde du premier pic excitonique (λ, en nm), qui est le pic le plus long-longueur d'onde (par exemple environ 498 nm pour CdSe dans la figure 2a), et d'utiliser le dimensionnement courbe de Mulvaney et ses collègues 12: Détermination de la concentration nanocristal de CdSe: Issu d'un milieu soustrait-UV-Vis spectre d'une solution optiquement claire de nanocristaux de CdSe, déterminer l'absorption à 350 nm de longueur d'onde. Des dilutions en série peut être utilisé pour déterminer si l'absorption optique est dans la plage linéaire de la loi de Beer. La concentration nanocristal (QD, en M) peut être déterminée en branchant le diamètre nanocristal (D, en nm), la valeur d'absorption optique (A 3SA), et la longueur du chemin cuvette (L, en cm) dans l'équation suivante à partir de la corrélation empirique de Bawendi et ses collègues 13: