Articolo metodologico

Un metodo 'Plug and Play' per creare Nanoassemblies acqua dispersibile contenenti un polimero Amphiphilic, coloranti organici e Upconverting nanoparticelle

DOI:

10.3791/52987

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14 novembre 2015

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14D LABS and Department of Chemistry, Simon Fraser University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

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Le molecole di colorante organico e le nanoparticelle di conversione rivestite di acido oleico non sono solubili in acqua. Questo protocollo descrive un metodo "plug and play" che consente il trasferimento di molecole di colorante organico e particelle di upconverting dal loro solvente idrofobico iniziale all'acqua.

Abstract

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In questo protocollo, descriviamo prima una procedura per sintetizzare nanoparticelle di conversione di upconversion drogate con lantanidi (UCNP). Dimostriamo quindi come generare polimeri anfifilici in situ e descriviamo un protocollo per incapsulare gli UCNP preparati e diverse molecole di coloranti organici (porfirine e diarileteni) utilizzando gusci polimerici per formare nanoassemblaggi stabili dispersibili in acqua. I campioni di nanoassemblaggio contenenti sia le UCNP che i coloranti organici diariletenici hanno interessanti proprietà fotochimiche e fotofisiche. Dopo l'irradiazione UV a 365 nm, il gruppo diariletene subisce un cambiamento visivo di colore. Quando i campioni vengono irradiati con luce visibile di un'altra lunghezza d'onda specifica, il colore sbiadisce e i campioni tornano allo stato iniziale incolore. I campioni emettono anche luce visibile dalle UCNP dopo irradiazione con luce nel vicino infrarosso a 980 nm. L'intensità di emissione dei campioni può essere regolata attraverso l'irradiazione alternata con luce UV e visibile. La modulazione della fluorescenza può essere eseguita per molti cicli senza degradazione osservabile dei campioni. Questa versatile procedura di incapsulamento consente il trasferimento di molecole idrofobiche e nanoparticelle da un solvente organico a un mezzo acquoso. Il polimero aiuta a mantenere un microambiente simile ai lipidi per le molecole organiche per aiutare a preservare il loro comportamento fotochimico in acqua. Pertanto, questo metodo è ideale per preparare sistemi fotosensibili dispersibili in acqua. L'uso della luce nel vicino infrarosso per attivare le nanoparticelle di conversione consente di utilizzare la luce a bassa energia per attivare le fotoreazioni invece della più dannosa luce ultravioletta.

Introduzione

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Oggi c'è ancora un urgente bisogno di sviluppare nuovi tipi di agenti bio-imaging. Molti sonde fluorescenti nuovi sono stati ben documentati. 1-6 Tuttavia, i miglioramenti sostanziali nella risoluzione dell'immagine rimane una sfida. 7 Un metodo pratico è di modulare direttamente le sonde a fluorescenza tra una 'luce' stato emissivi ed uno stato bonificato 'dark'. 8-12 Questo particolare metodo è stato applicato a sviluppare tecnologie quali l'esaurimento emissione stimolata (STED) microscopia a 13 e stocastico microscopia ottica ricostruzione (STORM). 14

Un altro approccio per modulare fluorescenza è accoppiare cromofori fotorisposta insieme con sonde fluorescenti. 15,16 Toggling cromoforo fotosensibile tra due isomeri in cui solo uno degli isomeri può agire come un efficiente trasferimento di energia-accettore, permette il controllo sulla quenching della fluorescenza da the sonda attraverso trasferimento Förster Resonance Energy (FRET) e altri meccanismi. Il risultato è la creazione di uno stato emissiva ed uno stato temprato che può essere alternato da esposizione del cromoforo fotosensibile a diverse lunghezze d'onda della luce.

Cromofori diarylethene fotoresponsivi possono essere commutati tra reversibilmente un isomero anello aperto incolore e un anello chiuso isomero colorato su irradiazione con UV e luce visibile. 17-19 La stabilità termica dei due isomeri e gli spettri di assorbimento sintonizzabile dell'anello chiuso isomero make diarileteni molto buoni candidati come FRET controllabile accettori. nanoparticelle 20-23 Lanthanide drogato NaYF 4 Upconverting sono utili per bio-immagini. 24 Queste nanoparticelle assorbono la luce nel vicino infrarosso ed emettono luce in diverse regioni dello spettro visibile. Esempi di modulazione fluorescenza unendo cromofori diarylethene fotorisposta e nanoparticelle sono state preprecedentemente riportato dal nostro gruppo. 25-27 Tuttavia, i sistemi descritti in ciascun esempio necessaria una modifica sintetico aggiuntivo per collegare i diarileteni alla superficie delle nanoparticelle, che complica lo sviluppo di sistemi più diversi.

Qui si dimostra un semplice 'plug-and-play' il metodo per preparare molecole di colorante organico idrodisperdibili e nanoparticelle Upconverting fotorisposta utilizzando una strategia di self-assembly. La scelta dei polimeri; poli (stirene-alt anidride -maleic) e polietere ammina 2070 forniscono sia un ambiente idrofobico e idrofilo. Le sezioni idrofoba del polimero aiuto tenere i normalmente insolubili in acqua molecole organiche e nanoparticelle Upconverting insieme, considerando che la regione idrofila del polimero è fondamentale per mantenere la solubilità in acqua. Per prima dimostrare sintesi delle nanoparticelle Upconverting dal metodo nucleazione termico. Poi, proveremo how le molecole organiche e nanoparticelle Upconverting sono incapsulati all'interno delle regioni idrofobiche del guscio polimero e rimangono stabili in ambiente acquoso semplicemente co-agitazione una soluzione di nanoparticelle Upconverting, polimero e molecole diverse colorante organico, seguita da una comoda procedura di work-up. Dimostriamo anche come modulare emissione di fluorescenza delle assemblee con irradiazione di luce esterna. Anticipiamo il campo di applicazione di questo metodo 'plug-and-play' per rendere nanoassemblies idrodisperdibili continuerà ad espandersi.

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Protocollo

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1. Sintesi della NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ Upconverting nanoparticelle (UCNP)

  1. Sistemare il dispositivo come seguito:
    1. Posizionare un 250 ml di riscaldamento mantello su una piastra di agitazione regolare e collegare il mantello sulla coppia termico.
    2. Posizionare un pallone a fondo arrotondato da 250 ml dotato di ancoretta magnetica sul mantello di riscaldamento con la corretta chiusura.
    3. Collegare un adattatore di aria al collo sinistra del pallone a fondo tondo e collegare l'adattatore aria alla linea Schlenk con tubi di plastica.
    4. Collegare un adattatore di vetro a destra collo del pallone a fondo tondo e fissare un adattatore termometro sull'adattatore vetro. Inserire la sonda di temperatura nel pallone attraverso l'adattatore termometro e collegarlo alla termocoppia.
    5. Collegare un capo di distillazione al collo centro del pallone a fondo tondo. Posizionare un tappo sulla parte superiore della testa di distillazione. Collegare la testa ad un condensatore, seguito da un distillat vuotoAdattatore di ioni e un round pallone a fondo da 50 ml. Collegare l'adattatore di distillazione sotto vuoto di un gorgogliatore attraverso tubo di plastica.
  2. Pesare 1,17 g (3,9 mmoli) di acetato di ittrio, 0,439 g di acetato di itterbio e 0,0727 g (0,1 mmoli) di acetato di Erbio e metterli nella reazione pallone a fondo tondo.
  3. Aggiungere 30 ml di acido oleico e 75 ml di ottadecene alla beuta mediante un cilindro graduato.
  4. Risciacquare lato della reazione pallone a fondo tondo con 5 ml di metanolo per assicurarsi che nessun acido oleico e ottadecene è bloccato ai lati del pallone di reazione.
  5. Collegare il pallone di reazione di una doppia linea collettore Schlenk e girate la valvola corrispondente per mantenere il pallone di reazione collegato alla linea di azoto.
  6. Accendere termocoppia, impostare la temperatura a 80 ° C, e gradualmente riscaldare il sistema a questa temperatura. A 80 ° C e dopo tutte le materie prime sono dissolti, togliere la camicia di riscaldamento e permettere la reazione diraffreddare a 30 ° C.
  7. Quando la temperatura raggiunge i 30 ° C, togliere la testa di distillazione, commutare l'adattatore aria dal collo sinistra al collo centrale e chiudere il collo sinistro con un tappo. Lentamente introdurre vuoto per pallone di reazione ruotando la valvola sulla linea schlenk dalla linea di azoto alla linea del vuoto. Tutti i componenti a basso punto di ebollizione sarà tirato fuori dalla reazione a questo punto.
  8. Quando la soluzione ferma gorgogliare, alza la temperatura a 115 ° C in una velocità di 5 ° C / min.
  9. Una volta che la temperatura raggiunge 115 ° C, mantenere questa temperatura per 15 minuti, quindi rimuovere la camicia di riscaldamento e raffreddare la reazione a 50 ° C. In seguito, passare rapidamente il set-up torna alla forma originale riattaccare la testa di distillazione al collo di mezzo e l'adattatore aria sulla testa di sinistra.
  10. Pesare 0,74 g (12,5 mmol) di NaOH e 0,50 g (20,0 mmol) di NH 4 F durante il processo di raffreddamento, e dissolverliin 50 ml di metanolo per sonicazione.
  11. Dopo sonicazione, versare la soluzione nella reazione rotonda pallone a fondo e risciacquare le pareti del pallone con 5 ml di MeOH.
  12. La soluzione viene lasciata sotto agitazione a 50 ° C per 30 min.
  13. Aumentare la temperatura a 75 ° C per distillare il metanolo.
  14. Durante la distillazione, svuotare il pallone di raccolta quando necessario. Dopo la distillazione viene terminato, riscaldare la reazione a 300 ° C sotto protezione di azoto più velocemente possibile.
  15. Una volta che la temperatura raggiunge 300 ° C, mantenere questa temperatura per 1 ora. Se necessario, coprire il setup con un foglio di alluminio per aiutare a mantenere la temperatura. Togliere quindi fonte di calore e lasciare la reazione raffreddare a temperatura ambiente.
  16. Una volta raffreddata a temperatura ambiente, la soluzione dividere equamente in tre tubi centrifugazione (50 ml tubi, circa 35 ml di soluzione per ciascuna provetta) e rabboccare il tubo 50 ml scala utilizzando etanolo anidro. Centrifuga tutto tegli provette a 3.400 xg per 15 min. Dopo centrifugazione, i UCNPs dovrebbero essere osservati sul lato dei tubi come un precipitato bianco.
  17. Scartare il surnatante e redisperse il pellet UCNPs in esani (7,5 ml di esani per ogni tubo), quindi riempire il tubo con etanolo alla scala 50 ml. Provette da centrifuga di nuovo a 3.400 xg per 15 min.
  18. Una volta che la centrifugazione è completa, scartare il surnatante e redisperse le UCNPs solido in 30 ml di CHCl3 per ulteriore uso.

2. Nanoassemblies Assemblaggio di acqua dispersibili organici contenenti Dye Molecole e Upconverting Nanoparticelle

  1. Sciogliere 25 mg (0,0147 mmol) di poli (alt stirene anidride -maleic) (PSMA) in 3 ml di CHCl 3 in una fiala di scintillazione dotato di ancoretta magnetica. Questa quantità è una quantità ottimizzata dopo prove multiple.
  2. Aggiungere 250 microlitri (47 mg / ml) del upconverting nanoparticelle soluzione cloroformica azioni al Scintillation fiala.
  3. Chiudere la fiala e posizionarlo sulla piastra di agitazione magnetica, e agitare la soluzione a temperatura ambiente per 2 ore.
  4. Pesare 160 mg (0,0773 mmoli) di polietere ammina 2070, e sciogliere in 1 ml di CHCl3. Quindi aggiungere questa soluzione nella fiala di scintillazione in una porzione con una pipetta. La soluzione diventerà pallido giallo che indica la reazione di polietere ammina 2070 con i gruppi di anidride sul PSMA.
  5. Continuare ad agitare la soluzione per una notte a temperatura ambiente.
  6. Misurare la quantità appropriata di molecole di colorante organiche poi dispensare nel flaconcino scintillazione in una porzione, mescolare la soluzione risultante per 1 ora.
    1. Per il campione TPP-NP (nanoassembly contenente guscio di polimero, tetrafenil porfirina e nanoparticelle Upconverting), aggiungere direttamente 1 mg di tetrafenil porfirina al flaconcino scintillazione. Per il campione di DAE-UCNP (nanoassembly contenente guscio di polimero, le molecole diarylethene e upconverting nanoparticelles), la quantità di ciascuno molecole diarylethene è 2 × 10 -7 mol. Aggiungere le due molecole diarylethene nella soluzione di reazione. I volumi dei due molecole diarylethene sono: DAE-1o (1,8 mM), 111 microlitri e DAE-2o (1.6 mM), 125 microlitri.
  7. Rimuovere il CHCl3 solvente a pressione ridotta utilizzando un evaporatore rotante, quindi aggiungere 3 ml di NaOH acquosa 0,001 M (pH ≈ 11) al flaconcino scintillazione, seguito da sonicazione il flaconcino fino a formare una sospensione lattiginosa.
  8. Posizionare la fiala posteriore sull'evaporatore rotante, e rimuovere con attenzione il restante CHCl3 fino sospensione è trasformata in una soluzione limpida.
  9. Trasferire la soluzione dal flaconcino scintillazione ai tubi centrifugazione due 1,5 ml coniche, quindi centrifugare la soluzione a 20.600 xg per 25 min.
  10. Eliminare il supernatante, quindi aggiungere un totale di 3 ml di H 2 O deionizzata nei due tubi (1,5 ml per provetta), sonicare i tubi redisperse pelletnel deionizzata H 2 O.
  11. Centrifugare i due tubi di nuovo a 20.600 xg per 25 min.
  12. Eliminare il surnatante, quindi aggiungere un totale di 3 ml di H 2 O deionizzata nei due tubi (1,5 ml per provetta). Sonicare i tubi redisperse i pellet nel deionizzata H 2 O.
  13. Filtrare il campione nanoparticelle dispersione acquosa attraverso un filtro a siringa da 0,2 micron per ottenere il campione finale per ulteriori test.

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Risultati

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Spettri di assorbimento e spettri di fotoluminescenza sono stati raccolti per il campione DAE-UCNP. Gli spettri di assorbimento sono utilizzati per confrontare la sovrapposizione spettrale tra i cromofori diarylethene chiusi e le nanoparticelle Upconverting. Le fotografie dei campioni (sia TPP-UCNP e DAE-UCNP) sono stati inclusi anche per dimostrare il successo incapsulamento di molecole di colorante organico e nanoparticelle Upconverting, che si trovano all'interno dei gusci di polimeri anfifilici in fase acquosa. La m...

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Discussione

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Le nanoparticelle sintetizzate secondo questo protocollo hanno una distribuzione dimensionale da 20 a 25 nm centrata a circa il 22,5 nm. 26,27 Possono essere classificati come particelle sferiche con una struttura reticolare 4 ospitante α-NaYF. Ci sono due passaggi critici di questo protocollo. Nella sintesi UCNP, è essenziale per mantenere la temperatura di riscaldamento ed il tempo il più preciso possibile per assicurare una stretta distribuzione della dimensione delle particelle. Simultanea aggi...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questa ricerca è stata supportata dal Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) del Canada, dal Canada Research Chairs Program e dalla Simon Fraser University. Questo lavoro si è avvalso delle strutture condivise di 4D LABS supportate dalla Canada Foundation for Innovation (CFI), dal British Columbia Knowledge Development Fund (BCKDF) e dalla Simon Fraser University.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Acetato di ittrioSigma326046Acetato di ittrio (III) idrato
Acetato di itterbioSigma544973Acetato di itterbio (III) idrato
Acetato di erbioSigma325570Acetato di erbio (III) idrato
Acido oleicoSigma75096standard analitico
OctadeceneSigmaO806Technical grado
NaOHSigmaS5881reagente grado
NH4FSigma216011reagente ACS
Poli(stirene-co-anidride maleica)Sigma442399Media Mn = 1700
JeffAmine 2070HuntsmanM-2070
Varian Carry 300Agilent
JDSU NIR laserLaser a diodi JSDUL4-9897510-100M980 nm

Riferimenti

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