方法論記事

1分子蛍光イメージングのためのコンパクトな量子ドット

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DOI：

10.3791/4236

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2012年10月9日

 , 
1Department of Biomedical Engineering, Emory University, 2Department of Chemistry, Georgia Institute of Technology

この記事について

サマリー

我々は、単一分子蛍光イメージングのための最小限に流体力学的サイズを有するコロイド量子ドットの調製を記載している。従来の量子ドットに比べ、これらのナノ粒子はサイズが球状タンパク質と類似しており、単一分子の明るさ、光分解に対する安定性、タンパク質や細胞への非特異的な結合への抵抗のために最適化されています。

要約

1分子イメージングは、生体分子機能のメカニズムを理解するための細胞生物学1-4根底にある分子の挙動の空間的および時間的異質性を可視化するための重要なツールです。画像興味のある個々の分子には、それは一般的に蛍光タグ（染料、タンパク質、ビーズ、または量子ドット）にコンジュゲートと落射蛍光または全内部反射蛍光（TIRF）顕微鏡で観察しています。色素や蛍光タンパク質は何十年​​も蛍光イメージングの主力となっているが、それらの蛍光は、信号が完全に失われる前に、観測の数秒しかもたらして、個々の分子を観察するために必要な高い光子フラックス下では不安定である。ラテックスビーズと色素標識ビーズが改善された信号安定性を提供しますが、有害な研究対象の分子の拡散挙動を変更することができます大幅に大きい流体力学的サイズを犠牲にして。 ntent "は>量子ドット（QD）は、これら二つの問題が政権の間のバランスを提供します。これらのナノ粒子は半導体材料で構成され、光分解5〜並外れた耐性を有する流体力学的にコンパクトなサイズで設計することができるため、近年、量子ドットは有効に尽力されました単一分子レベルでの複雑な高分子の挙動の長期観測。しかし、これらの粒子はまだそのような彼らのサイズがまだ大きすぎる4,6細胞質および神経シナプス間隙などの混雑した環境での分子拡散障害を示すことが見出された、7。

コロイド安定性、光安、明るさ、過去8,9にコンパクトQDの効用を妨げてきた非特異的結合に対するオフセットバランスを取りながら、最近我々は、コアおよび流体力学的サイズを最小化するための量子ドットの表面コーティングを設計した。この記事の目的は、実証することである絶縁カドミウム亜鉛Y 1-Y Sシェル、短いポリエチレングリコールで修飾された多座配位高分子でさらに被覆（でコーティングされた合金化水銀X CD 1-X SEのコアで構成され、これらの最適化されたナノ結晶の合成、修正、および特性PEG）鎖（ 図1）。従来のCdSeナノ結晶と比較して、水銀X CD 1-X SE合金は強化された細胞内の信号対雑音、非細胞毒性可視波長での励起のために赤と近赤外波長の蛍光、蛍光の大きい量子収率を提供します。多座ポリマーコーティングは、流体力学的サイズを最小にするために閉鎖とフラットなコンフォメーションでナノ結晶表面に結合し、PEGは細胞や生体分子に非特異的な結合を最小限に抑えるために表面電荷を中和する。最終的な結果は、550から800 nmおよび12 ​​nm付近合計流体力学的サイズとの間の発光と明るい蛍光ナノ結晶である。これは、sにありますAMEサイズの細胞には多くの水溶性球状タンパク質などの範囲、および従来のPEG化された量子ドット（25-35 nm）に比べてかなり小さい。

プロトコル

以下の合成手順は、標準的な空気のない技術や真空/不活性ガスマニホールドの使用を含む、詳細な方法論は、10と11の参考文献に記載されています。すべての潜在的に有毒で引火性の物質のMSDSは、使用する前に相談する必要があり、すべての可燃性および/または空気に不安定な化合物は、グローブボックスやグローブバッグ内セプタム密封バイアルに分注しなければならない。

1。水銀カドミウムセレン化水銀（Hg X CD 1-X SE）量子ドットのコアの合成

  1. トリオクチルホスフィン（TOP）にセレンの0.4M溶液を調製します。 50ミリリットルの3つ口フラスコにセレン（0.316グラム、4ミリモル）を加え、その後、避難及びアルゴンシュレンラインを使用して記入してください。空気のない状態（乾燥窒素またはアルゴン雰囲気）、10mlのTOPを追加して、100℃に加熱下で、無色透明の溶液を得た1時間攪拌した。室温への解決策を冷却し、脇フラスコを設定します。
  2. 250mlの3つ口フラスコに、酸化カドミウムを追加（CdOの0.0770グラム、0.6ミリモル）、テトラデシルホスホン酸（TDPA、0.3674グラム、1.32 mmol）、およびオクタデセン（ODE、27.6ミリリットル）、攪拌しながらシュレンクラインを使用してソリューションを避難させる。 100℃まで温度を高め、低沸点不純物を除去するために、さらに15分間避難してください。
  3. アルゴンまたは窒素ガス下で、完全にCDOを溶解させるために1時間300℃に混合物を加熱する。解決策は、無色透明に赤みを帯びた色に変わります。室温への解決策を冷やす。
  4. 、カドミウム溶液にヘキサを（HDA、7.0グラム）を加え70℃に加熱して、避難してください。一定の圧力が達成されれば、100から110℃、30分間加熱還流液に温度を上昇させる。不活性ガスにシュレンラインバルブを切り替えて、ソリューションに直接熱電対を挿入します。
  5. 空気を含まない条件下で、溶液中にジフェニルを（DPP、100μl）を追加し、310℃まで温度を上げる0.4MのTOP-Seの溶液を7.5ミリリットルを削除（3ミリモルセレン）16ゲージの針に取り付けられた使い捨てプラスチックシリンジインチ
  6. 温度は310℃で平衡化したら、0に温度調節器をセット℃、迅速カドミウム溶液に直接TOP-Seの溶液を注入する。溶液は黄色〜オレンジ色に無色から変更され、温度はすぐにドロップすると、〜280℃に再び増加します温度が200℃未満になるまで反応の1分後、加熱マントルからフラスコを取り外し、空気の流れを迅速クール
  7. 温度が約40に達したとき℃、30ミリリットルをヘキサンで希釈し、残りのカドミウム前駆体のほとんどは、溶液から沈殿する。遠心分離（5,000×g、10分間）することにより、この沈殿物を除去。
  8. 6 50mlポリプロピレンコニカル遠心チューブの各々において、40mlのアセトン、遠心（10分間5000×g）であり、慎重にデカントで原油ナノ結晶溶液12mlを希釈し、上清を捨てる。
  9. nanocrを溶かすヘキサン中ystalペレット（25ミリリットル全容積）。上相を保持し、メタノールの等量でこのソリューションを3回抽出する。 3回目の抽出については、メタノールの体積は約200μMで純粋CdSe量子ドットの濃ヘキサン溶液を得るために〜15mlに調整することができる。この反応の典型的な収率は2.3ナノメートル（50〜60％の反応収率）の直径を有するCdSeナノ結晶の3モルである。
  10. UV-Vis吸収スペクトルを測定し、マルヴェイニーや同僚12のサイズにフィットするチャートとBawendiや同僚13の絶滅の相関関係を調べることによってナノ結晶径と濃度を決定する。詳細については、付録Aを参照してください。
  11. マーキュリーの陽イオン交換：ナノ結晶が部分的に吸収し、蛍光発光を赤にシフトする水銀と交換することができる。 3ミリリットルヘキサン、2 mlのクロロホルム、1ミリリットル200μMのCD：撹拌棒を備えた20 mlのガラスバイアル（この反応は、必要に応じてスケーリングされる）順序で一緒に次のように混ぜるSE QD溶液（200 nmol）を、15μlのオレイルアミン（OLA）、クロロホルム中のHg（OT）2の0.1M溶液500μl。マーキュリーoctanethioate（HgOT 2）（付録参照）をメタノールに酢酸水銀とオクタンチオールを反応させることにより調製することができる。陽イオン交換反応が進行するにつれて、赤方偏移の程度は、紫外可視吸光光度法で監視することができる。所望の吸収バンドが達成された後、350 nmのナノ結晶溶液の吸収を測定し、ナノ結晶の濃度は（この例では30.7μM）で変更されていないことを前提として、新たな吸光係数を決定する。未反応の水銀を除去することにより、反応をクエンチ：5ミリリットルデカン、10mlのヘキサン、7 mlのメタノールを追加して、ナノ結晶を含む上相を維持し、解決策を抽出します。ヘキサンとメタノールでさらに2回抽出し、上相が約7ミリリットルになるようにメタノールの音量を調整します。相が分離することが遅い場合は、溶液（5000×gで遠心分離し、することができる10分）。沈殿を誘導するために40mlのアセトンに続いてナノ結晶に100μlのTOP、OLAを100μl、100μlのオレイン酸を追加します。遠心分離によりナノ結晶を収集し、3 mlのヘキサン中に分散。不溶成分を除去し、350 nmでの新しい吸光係数を用いて、再びナノ結晶の濃度を決定するために、再び遠心分離します。次のステップに進む前に、室温で少なくとも24時間エージングするナノ結晶溶液を許可します。

2。カドミウム硫化亜鉛の成長（CD YのZn 1-Y S）シェル

  1. 50ミリリットルの3つ口フラスコに0.1 M殻前駆体溶液を準備します。カドミウム前駆体：酢酸カドミウム水和物（230.5 mg、1 mmol）を、10mlのオレイルアミン（OLA）。亜鉛前駆体：酢酸亜鉛（183.5 mg、1 mmol）をおよびOLA 10ミリリットル。硫黄前駆：硫黄（32.1 mg、1 mmol）を10ミリリットルとODE。真空下で、明確な解決策を得るために1時間還流し、それぞれの溶液を加熱した後、アルゴンで充電してください。硫黄溶液月室温に冷却することが、カドミウムおよび亜鉛前駆体は、約50℃に維持されているシェル前駆体の量の計算は、基準14に記載されています。
  2. 水銀X CD 1-X SE量子ドット（120ナノモル、2.3 nmの直径）は、ODE（2 ml）に溶解し、トリオクチルホスフィンオキシド（TOPO、250mg）を3口フラスコに入れる。シュレンク·ラインを使用して室温でヘキサンをオフに避難してください。 100℃、15分間還流する温度を上げます。アルゴンや窒素ガスにシュレンラインバルブを変更して、ナノ結晶溶液の熱電対を挿入します。
  3. 120に温度を上げ℃、硫黄前駆体溶液の0.5単層（140μl）を追加し、反応は15分​​間続行できるようになります。小アリコート（<50μl）を蛍光および/またはUV-Vis吸収分光光度計を用いて反応の進行状況を監視するために、ガラスシリンジを用いて除去することができる。 140に温度を上げ℃、カドミウム前駆体溶液の0.5単層を追加します（140μL）を加え、反応を15分間進行させる。反応液に500μlの無水OLAを追加します。
  4. 160℃の各添加の間、15分で170℃の亜鉛前駆体溶液の等量続い硫黄前駆体溶液の0.5単層（220μl）を°Cを追加。その後、180°Cの硫黄前駆体溶液（150μL）および15分インターバルで亜鉛前駆体溶液の0.25単層を追加します。
  5. 室温への解決策を冷却して再ナノ結晶の数は（3.8 ml反応液中の120 nmol）が変更されなかったと仮定し、UV-Visスペクトルを使用して、これらの粒子のための新たな吸光係数を計算します。冷凍庫で粗混合物として反応液を保管してください。セクション1.8と1.9で説明したのと同じ方法を使用して、必要に応じてナノ結晶が融解し、精製することができる。
  6. ナノ結晶は、電子顕微鏡、UV-Vis吸収分光、蛍光分光法を用いて特徴付けることができる。量子収率はかもしれないリファレンス15のメソッドを使用して、既知の標準と比較して絶対的に積分球を用いて、または比較的計算。

3。相間移動

  1. 50ミリリットルの3つ口フラスコに、コア/シェル水銀X CD 1-X SE / CD YのZn 1-Y S量子ドット（5ミリリットル、20μM）を追加し、精製したドライフィルムを得るために、高真空下でヘキサンを除去する。 ℃のスラリーを80ナノ粒子膜と熱に無水ピリジン（3ミリリットル）を追加し、アルゴンでフラスコを埋める1〜2時間のコースでナノ粒子が完全に溶解します。
  2. 液に1 - チオグリセロール（1ミリリットル）を加え、80℃で攪拌℃で2時間インキュベートする。その後、室温まで冷却し、解決策をチオグリセロールを脱プロトン化し、トリエチルアミン（0.5 ml）を加える。 30分間かき混ぜる。解決策は、この混合溶媒中の極性ナノ結晶の溶解性が悪いが原因でトリエチルアミンを添加した後に曇ることがあります。
  3. 50mlコニカル遠心管の続きにQDのソリューションを転送20mlのヘキサンと20 mlのアセトンの混合物をaining、よく混ぜる。遠心分離（5,000×g、10分間）を介してナノ結晶沈殿を分離して、アセトンでペレットを洗浄。
  4. 浴超音波処理とDMSO中QDペレットを（5ml）に溶解した後、可能な凝集物を除去するために遠心分離（7,000×g、10分間）。 UV-Vis吸収スペクトルから、ナノ粒子の濃度を測定します。表面チオールがゆっくりと空気中の周囲条件下で酸化させることができるように純粋な量子ドットのこのソリューションは、3時間以内に使用してください。
  5. DMSOで10μm以下にQDの溶液を希釈し、50 mlのフラスコに移す。 DMSO中のチオールポリアクリル酸（付録に記載されている合成）の5 mg / mlの溶液を調製します。 5分間室温で溶液を攪拌して脱気しながらQD溶液に滴下してポリマー溶液（nmolの量子ドットあたり0.15ミリグラムポリマー）を追加します。
  6. アルゴン80〜熱°Cで90分間持つQD /ポリマー溶液をパージします。その後、室温まで冷却ソリューションをdは滴下50mMホウ酸ナトリウム、pH8の等量のを追加します。 10分間かき混ぜる。
  7. 50mMホウ酸ナトリウム、pH8中透析（20kDaのカットオフ）を介して量子ドットを浄化した後、遠心フィルター（10kDaのカットオフ）を使用して粒子を濃縮。 UV-Vis吸収スペクトルから濃度を決定する。

4。 PEGのコーティング

  1. 攪拌棒を備えた4 mlのガラスバイアル中で、750ダモノアミノ - ポリエチレングリコール（30 mgを、40マイクロモル）の40,000 Xモル過剰のホウ酸緩衝液中の1 nmolの量子ドットを混在させる。特定の化学物質の機能がナノ結晶（ 例えばヒドラジドまたはマレイミド）に追加する場合には、これはヘテロ二アミノ-PEGとアミノ-PEG（30％のモル分率は、典型的にはうまく機能）の一部を置き換えることにより導入することができる。ホウ酸緩衝液と1μMのナノ結晶溶液を希釈します。必要に応じて、この反応は、スケーリングすることができる。
  2. DMSO中DMTMMた（20mg、72マイクロモル）（144μl）を新鮮な溶液を調製します。このソリューションは簡単に加熱することができるU暖かい水道水の流れをNDERまたは完全DMTMMを溶解させるために風呂に沈めソニケーター。迅速QDソリューションにこの0.5MのDMTMMソリューションの25000 Xモル過剰（50μl）を加え、30分間室温でかき混ぜる。
  3. PEGを用いてナノ結晶表面を飽和させるために4.2 4回以上繰り返します。最後に、反応をクエンチし、200μlの1Mトリス緩衝液を追加して、透析、遠心フィルタ、または遠心分離を使用してナノ結晶を精製する。
  4. ナノ結晶は、単分散、流体力学的サイズ、液体クロマトグラフィー、アガロースゲル電気泳動、蛍光顕微鏡を用いて表面電荷のために分析することができる。自動液体クロマトグラフィーシステム（GE AKTAprime Plus）を使用して流体力学的サイズとサイズ分布を決定するには、260または280 nmでスーパーロース6カラム、PBS緩衝液で0.5 ml / minの流速、および吸収検出を使用しています。分子量標準のものとナノ粒子の溶出時間を比較します。アガロースゲルelectropho用抵抗は、50mMホウ酸ナトリウム緩衝液（pH8.5）または50mMリン酸ナトリウム緩衝液（pH7.4）、0.5％アガロースゲルを準備し、ウェルに10％グリセロールおよび負荷で1μMの試料を混合し、30分間、100Vで実行。紫外線ハンドワンドまたはUVトランスイルミネーターを用いたゲルと蛍光励起用のイメージナノ結晶を。蛍光顕微鏡を用いた単一分子レベルで画像ナノ結晶に、カバーガラス上に溶液2.5μlをドロップし、10mMリン酸緩衝液で0.2 nMの粒子を希釈し、慎重に広めるために液体ビーズの上に別カバースリップを置くカバーガラスの間にフィルム。画像400から580 nmおよび電子増倍CCDカメラの間の波長での励起による落射蛍光または全反射モードのいずれかで高開口数対物（理想的には少なくとも1.40）を用いて、表面に結合した粒子を。正確な撮像パラメータは、顕微鏡のセットアップの間で異なります。

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結果

図2は、CdSeナノ結晶、陽イオン交換後の水銀X CD 1-X SEナノ結晶、およびHg X CD 1-X SE / CD Y Znの殻の成長後の1-Y Sナノ結晶の代表的な吸収および蛍光スペクトルを示す。コアのCdSeナノ結晶は15％近くに蛍光の量子収率を持っている（長波長ディープトラップの排出を含む）が、この効率は、表面原子の中断9を通じて導入されたキャリアのトラップを充電によって生じる可能性が高い、水銀交換後は1％未満に低下します。しかしカドミウムYのZn 1-yを Sの薄いシェルの成長は、主に水（50％が典型的である）への移転後 ​​も維持される70％以上にこの効率を向上させます。厚い殻が栽培されていない限り、それとは対照的に、水銀の取り込みなしのCdSe / CD YのZn 1-Y Sナノ結晶は、水にそれらの量子収率のかなりの部分を失う。従ってコアnanocrystaに水銀を組み込むことにより、リ...

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ディスカッション

従来のCdSe量子ドットに比べて、三元合金のHg X CD 1-X SEナノ結晶は、独立して大きさと蛍光波長に同調させることができる。サイズは、第1 CdSeナノ結晶コアの合成時に選択され、蛍光波長は、実質的にナノサイズ9を変えない二水銀カチオン交換工程で選択されます。精製された水銀X CD 1-X Seのナノ結晶がキャッピング前に、少なくとも24時間室温でインキュベートすることができますすることが重要です。これが弱く吸着水銀陽イオンの一部が結晶格子中に拡散することができます。このプロセスが発生させることなく、近赤外における第2の蛍光バンドがしばしば解離水銀イオンからHGSナノ結晶の均一核生成に起因して観測されています。

この仕事に示す例では、なることができる、2.3 nm付近サイズでCdSeのコアを用意コア格子に組み込ま水銀の量を変えることにより、キャッピング後に550から800 nmの間の蛍光にチューニング。 2.5単層シェルでは、これらの量子ドットの最終的な直径は、本質的に我々は単一分子イメージングのために十分...

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開示事項

特別な利害関係は宣言されません。

謝辞

著者らは、電子顕微鏡イメージングのためのエモリー大学の統合顕微鏡コアで博士香港李に感謝したいと思います。この作品は、NIHの助成金（PN2EY018244、R01 CA108468、U54CA119338、そして1K99CA154006-01）が主催した。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
試薬の名称 会社 カタログ番号 コメント（オプション）
セレンシグマアルドリッチ 229865
トリ-n-オクチルストレム 15から6655 空気中で不安定で、97％の純度
酸化カドミウムシグマアルドリッチ 202894 非常に有毒：使用注意
テトラデシルホスホン酸 PCIの合成 4671-75-4
オクタデセン Alfa Aesar社 L11004 工業銘柄
ヘキサシグマアルドリッチ H7408
ジフェニルシグマアルドリッチ 252964 自然発火性の
酢酸水銀シグマアルドリッチ 456012 非常に有毒：使用注意
1 - オクタンチオールシグマアルドリッチ 471836 悪臭
オレイン酸シグマアルドリッチ W281506
酢酸亜鉛 Alfa Aesar社 35792
酢酸塩水和物カドミウムシグマアルドリッチ 229490 非常に有毒：使用注意
オレイルアミンフィッシャー·サイエンティフィック AC12954 空気中で不安定である
硫黄シグマアルドリッチ 344621
トリオクチルホスフィンオキシドストレム 15から6661 99パーセント
ピリジン VWR EM-PX2012から6 無水
チオシグマアルドリッチ M1753 悪臭
トリエチルアミンシグマアルドリッチ 471283 無水
透析チューブスペクトラムラボ 131342 20kDaのカットオフ
遠心ろ過機ミリポア UFC801024 10kDaのカットオフ
モノアミノ-PEG ラップPolymere 12 750から2 750ダ
DMTMM、4 - （4,6 - ジメトキシ-1,3,5 - トリアジン-2 - イル）-4 - メチルモルホリニウムクロリド水和物 Alfa Aesar社 H26333
AKTAprimeプラスクロマトグラフィーシステム GEヘルスケア
スーパーロース6 10/300 GLカラムクロマトグラフィー GEヘルスケア 17-5172-01
アガロース、OmniPur VWR EM-2120

付録

水銀octanethiolateの合成 ：ゆっくり1 -オクタンチオール（3当量）を、室温でメタノール中の水酸化カリウム（3当量）の撹拌溶液に酢酸水銀（1当量）のメタノール溶液を加える。濾過により水銀（II）octanethiolate沈殿を分離し、真空下で乾燥した後、メタノールで2回洗浄し、一度エーテルで、と。

多座ポリマーの合成 ：30分間アルゴンを150ミリリットルの三口フラスコと泡で25mlのジメチルホルムアミド（DMF）中のポリアクリル酸（1g、1773 Da）を溶かす。 10mlのDMF中のシステアミン（374ミリグラム、4.87 mmol）の無水溶液を加える。激しく撹拌しながら室温では、ゆっくりと無水ジイソプロピルを追加（トリエチルアミン（170μL、1.22 mmol）を加え、反応を60℃で72時間進行させる℃に続いて30分、オーバーDIC、736ミリグラム、5.83 mmol）を反応を停止させ、室温で2時間撹拌し（501ミリグラム、6.41 mmol）のメルカプトエタノールを追加します。ロータリーエバポレーターを介してDMFを除去し、氷冷アセトンの2:1混合物を添加してポリマーを単離：続いて遠心分離し、クロロホルム。ジエチルエーテル、リピートで再度沈殿〜5ミリリットル無水DMF、フィルター、中のポリマーを溶かす。アルゴン下で真空や店舗で製品を乾燥させてください。

CdSeコア径の決定 ：UV-Vis吸収スペクトルから最長波長のピーク（ 例えば 図2a中のCdSeのためのおよそ498 nm）である第一励起子ピーク（λ、nm単位）の波長を決定し、使用マルヴェイニーや同僚12の曲線をサイジング：

式1

CdSeナノ結晶の濃度の測定 ：CdSeナノ結晶の光学的に透明な液のバックグラウンド減算UV-Visスペクトルから、350nmの波長での吸光度を決定します。連続希釈液は、光の吸収はBeerの法則の線形範囲内にあるかどうかを判断するために使用できます。ナノ結晶の濃度は（QD、M中）から次の式にナノ結晶粒径（D、nm単位）、光吸収値（3SA）、およびキュベット·パスの長さ（cm単位リットル ）を接続することによって決定することができるBawendiや同僚13の経験的相関：

figure-materials-2

参考文献

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