방법 논문

바이오 메디컬 응용 프로그램에 적합 InP를 /의 ZnS 양자점 CD-자유의 합성

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⸱

DOI:

10.3791/53684

⸱

2016년 2월 6일

 ,  , 
1Department of Chemistry, Missouri State University, 2Center for Molecular Microscopy, Leidos Biomedical Research, Inc., Frederick National Laboratory for Cancer Research

이 논문에서

정오 공지

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요약

이 프로토콜에서는 Cd-free InP/ZnS 양자점(QD)의 합성이 자세히 설명되어 있습니다. InP 기반 QD는 나노입자 분해를 통해 방출될 수 있는 Cd2+ 이온의 독성으로 인해 인기를 얻고 있습니다. 합성 후 QD는 생물 의학 응용 분야에 사용하기 위해 양친매성 폴리머를 사용하여 물에 용해됩니다.

초록

형광 나노결정, 특히 양자점은 많은 생물 의학 응용 분야에 유용한 도구였습니다. 생물학적 시스템에서 성공적으로 사용하기 위해서는 양자점이 형광성이 높고 크기가 작거나 단분산되어야 합니다. 일반적으로 사용되는 카드뮴 기반 양자점은 이러한 특성을 가지고 있지만, 나노 입자 분해를 통해 Cd2+ 이온이 방출될 수 있기 때문에 잠재적으로 독성이 있습니다. 인듐 기반 양자점, 특히 InP/ZnS는 상대적으로 유사한 형광 특성과 크기로 인해 카드뮴 기반 양자점의 실행 가능한 대안으로 최근 연구되고 있습니다. 여기에 제시된 합성은 효과적인 나노 입자 성장을 위해 표준 고온 주입 기술을 사용합니다. 그러나 크기, 방출 파장 및 방출 강도와 같은 나노 입자 특성은 반응 조건의 작은 변화로 인해 크게 변할 수 있습니다. 따라서 온도, 반응 기간 및 전구체 농도와 같은 반응 조건은 재현 가능한 생성물을 생성하기 위해 정확하게 유지되어야 합니다. 양자점은 본질적으로 수용액에 용해되지 않기 때문에 물에 용해성을 부여하기 위해 표면 변형도 거쳐야 합니다. 이 프로토콜에서 양친매성 폴리머는 양자성 폴리머를 사용하여 양자점 표면의 소수성 리간드 및 벌크 용매 물 분자와 상호 작용합니다. 여기에서는 생물 의학 응용 분야에 사용하기에 적합한 고형광 InP/ZnS 양자점의 합성을 위한 자세한 프로토콜이 제공됩니다.

서론

양자 도트 (양자점)는 빛 (1) 조사에 형광 특성을 나타내는 나노 결정 반도체된다. 그들의 작은 많은 큰 생체 분자와 비슷합니다 크기 (2-5 ㎚), 및 biofunctionalization의 용이성, 양자점은 생명 의학 애플리케이션을위한 매우 매력적인 도구입니다. 그들은 생물학적 표지의 사용을 발견 한 많은 다른 용도 2-8 사이의 단일 분자 라이브 세포 이미징, 약물 전달, 생체 이미징, 병원체 탐지 및 세포 추적.

CD 기반 양자점 가장 일반적으로 인해 강한 형광 좁은 발광 피크 폭 (9)의 생의학 분야에 사용되어왔다. 그러나 우려 인해 카드뮴의 잠재적 인 독성 제기되고있다 2+ 나노 입자의 분해를 통해 공개 할 수있다 (10)를 이온. 그들은 많은 형광 특성을 유지하기 때문에, 최근의 InP 계 양자점 CD 기반 양자점 대안으로 탐구되어왔다의 양자점을 CD 기반과 11 개의 생체 적합성 수있다. CD 기반 양자점은 48 시간 11 후 10 오후의 낮은 농도에서 시험 관내 분석에서의 InP 기반의 양자점보다 훨씬 더 독성이 밝혀졌다.

양자점의 형광 방출 색상은 가변 크기 일 것이다. 즉 QD 크기가 증가, 형광 방출은 적색 편이된다. QD 상품의 크기 및 크기 분산은 반응 12시 온도, 반응 지속 시간, 또는 전구체 농도 조건을 변경함으로써 변경 될 수있다. InP의 양자점의 발광 피크는 일반적으로 넓은 그리고 CD 기반 양자점보다 강한 반면, InP를 양자점은 스펙트럼 중첩을 방지하기위한 수많은 색상 다양한 이루어진 것으로, 대부분 생물 의학 응용 (12)을 충분히 강렬 할 수있다. 이 프로토콜에 설명 합성은 600 nm에서 중심 적색 발광 피크 양자점을 산출한다.

몇 가지 단계가 AF 촬영QD 코어 터 합성은 양자점의 광학 무결성을 유지하고 생물 애플리케이션에 호환되도록 할 수 있습니다. QD 코어의 표면은 담금질의 원인이 산화 또는 표면 결함으로부터 보호되어야한다 따라서, 쉘은 ZnS의 InP /의 ZnS (코어 / 쉘) 13 양자점을 제조 코어 위에 코팅된다. 이 코팅은 QD 상품의 광 발광을 보호하는 것으로 나타났다. InP의 QD 합성 중에 아연 이온의 존재는 표면 결함의 감소뿐만 아니라 입도 분포 (12)를 제한하는 것으로 나타났다. 비록 반응 매질에서 아연 2+의 존재와 InZnP의 합성 12 희박하다. 코팅 후, 결과의 InP /의 ZnS 양자점은 이러한 트리 옥틸 포스 핀 옥사이드 (TOPO) 또는 올레 일 아민 (12, 14)과 같은 소수성 리간드에 코팅된다. 양쪽 성 중합체는 수용성을 부여하는 15 QD 표면의 소수성 리간드뿐만 아니라 대량의 물 분자와 상호 작용할 수있다. 침탄와 양친 매성 고분자xylate 화학 기는 상기 양자점을 기능화 "화학 핸들"로서 사용될 수있다.

이 프로토콜은 매우 강렬한 형광 방출과 상대적으로 작은 크기 분산과 합성 수용성의 InP /의 ZnS 양자점의 작용을 자세히 설명합니다. 이러한 양자점은 잠재적으로 일반적으로 사용의 CdSe /의 ZnS 양자점보다 독성이 낮음. 여기서, InP를 /의 ZnS 양자점의 합성은 생물 의학 응용 프로그램에 대한 CD 기반 양자점에 대한 실질적인 대안을 제공합니다.

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프로토콜

인듐 인화물 / 황화 아연 (InP를 /의 ZnS) 양자 점의 1. 합성

  1. 인듐 포스 파이드 (InP)와 같은 반도체 양자점 코어의 합성
    1. 12 인치 응축기 100 ㎖ 둥근 바닥 3 목 플라스크에 장착한다. 올레 일 아민 30 ㎖ (OLA), 0.398 g의 인듐 (III) 클로라이드 (3 포함), 0.245 g의 아연 (II) 클로라이드 (ZnCl 2)를 첨가하고 1 시간 동안 진공을 사용하여 RT에서 배기하면서 교반한다. 이 솔루션은 흰색 침전물과 무색 나타납니다.
    2. 열전쌍 및 비례 적분 미분 (PID) 온도 제어기로 가열 맨틀을 사용하여, 120 ° C까지 용액의 온도를 증가시킨다. 코어의 성장에 영향을 미칠 수있는 저비점 불순물을 제거하고 20 분 동안 진공 하에서 용액 대피.
      주의 : 가열 맨틀을 사용하여 모래 욕 및 온도계를 사용할 수 있고 PID가 반응 생성물의 균일 성 및 재현성을 향상 동안.
    3. 불활성 가스에서 (예를 들어,, N 2) 용액을 환류하에 15 분 동안 220 ℃까지 온도를 증가시킨다. 포함 3 ZnCl 2 완전히 담황색 용액 결과 녹인다. 온도가 10 분 동안 안정화 할 수 있습니다.
    4. 일회용 3 ㎖ 플라스틱 주사기 및 4 인치, 질소 가스를 22 G 바늘을 제거. 주사기를 사용하여 신속하게 포함 3 용액에 0.5 ㎖의 트리스 (디메틸 아미노) 포스 핀 (TDMAP)를 제공한다. 용액의 온도가 약간 감소하고 220 ° C까지 돌아갑니다. 투명에서 솔루션을 변경, 블랙, 불투명 한 노란색 창백.
    5. 온도가 200 ° C 이하로 감소 될 때까지 9.5 분 후, 가열 맨틀로부터 반응 플라스크를 제거한다. InP의 코어의 무결성을 보호하기 위해 단계 1.2.1에서의 ZnS 코팅에 직접 진행합니다.
  2. 황화 아연 (의 ZnS) 양자 도트 쉘의 합성
    1. 가열 맨틀에 단계 1.1.5에서 반응 플라스크를 놓고 t을 안정200 ° C에서 럼 온. 천천히 InP를 양자점을 함유하는 용액에 15 초에 걸쳐 3.58 g의 도데 칸 티올 (DDT)을 추가한다. 용액을 1 시간 동안 반응 할 수 있습니다.
      참고 인 ZnS 쉘 두께를 증가 시키거나 단계 1.2.4 첨가 아연 스테아 레이트의 양을 감소시킴으로써 변화 될 수있다. 단계 1.1.1 및 1.2.1에 ZnCl 2의 양을 변경하거나 도데 상당히 반응 속도를 변화시킴으로써 양자점의 품질에 영향을 미칠 수있다.
      1. 그 후, 가열 맨틀로부터 반응 플라스크를 제거하고, 용액을 약 60 ℃로 냉각 할 수있다.
    2. InP의 / 인 ZnS 용액 이르면 ~ 60 ° C 10 ml의 헥산을 부가하고 50 ㎖ 폴리 프로필렌 원심 분리 튜브에 약 45 ㎖의 전체 용액 옮긴다. 미 반응 고체 전구체를 제거하기 위해 샘플 (10 분 동안 3,000 XG)를 원심 분리기.
    3. 조심스럽게 (원심 분리기 3,000 X를 솔루션을 250 ml의 폴리 프로필렌 원심 분리기 병에 뜨는을 전송 200ml의 아세톤을 추가하고,10 분)에 대한 g을 InP를 /의 ZnS 양자점을 침전합니다. 필요한 로터 / 액세서리 원심 분리기를 사용할 수없는 경우이 볼륨은 원심 분리에 대해 사 50 ㎖ 튜브에 균등하게 분할 할 수 있습니다. 뜨는을 가만히 따르다 및 아세톤을 제거하기 위해 질소 가스로 완전히 QD 펠렛을 건조.
    4. 초음파 처리를 사용하여 20 ㎖ OLA에 재현 탁 양자점을 50 ㎖ 둥근 바닥 3 목 플라스크에 0.474 g 함유 아연 스테아 레이트 및 교반 옮긴다. 실온에서 20 분 동안 진공 솔루션을 대피.
    5. 질소 하에서 180 ℃까지 온도를 증가시키고, 반응을 3 시간 동안 수행 할 수있다. 반응 중에 발생하는 반응 액에 띄는 시각적 변화가 없지만 스테아린산 아연을 첨가하여 이렇게 양자점 (12)의 표면 보호를 개선 QY 증가의 ZnS 쉘 두께를 증가시킨다. 상기 반응이 완료되면, 가열 맨틀로부터 플라스크를 제거 상기 용액을 약 60 ℃로 냉각 할 수있다.
    6. InP를 /의 ZnS soluti 번에 도달 ~ 60 ° C 20 ml의 헥산을 부가하고 50 ㎖ 폴리 프로필렌 원심 분리 튜브로 옮긴다. 미 반응의 아연 스테아 레이트를 제거하기 위해 샘플 (10 분 동안 3,000 XG)를 원심 분리기.
    7. 조심스럽게, 250 ml의 폴리 프로필렌 원심 분리기 병에 뜨는을 전송 InP를 /의 ZnS 양자점을 침전 200ml의 아세톤, 원심 분리 용액 (10 분 3,000 XG)를 추가합니다. 조심스럽게 뜨는을 가만히 따르다 및 아세톤을 제거하기 위해 질소 가스로 완전히 건조.
    8. 30 ml의 헥산의 InP /의 ZnS QD 펠렛을 녹인다. 소용돌이와는 완전한 분산을 보장하기 위해 잠시 솔루션을 초음파 처리.
    9. 반복 정제를 초과하는 유기 리간드의 철저한 제거를 보장하기 위해 1.2.6-1.2.8 두 번 더 반복합니다. 양친 매성 고분자 단계 1.2 QD 사이의 상호 작용이 과잉의 리간드의 존재 하에서 저하 될 수있다.
    10. 시에 의해 설명 계산, 등. (16), UV-마주 분광학 사용하여 합성 된 InP를 /의 ZnS 양자점의 크기와 농도를 결정한다.
      주 :이 해석 중요한 분광 특성 흡수 피크의 숄더이다. 이 어깨의 최대 파장과 흡광도 값은 각각 크기 및 양자점의 농도를 계산하는데 사용된다. 이 반응은 전형적으로 600 nm에서 발광 피크와 약 5 μmol의 양자점을 산출한다. 다른 색상의 양자점을 합성 반응의 지속 시간 및 / 또는 온도를 변경할 수있다. 긴 반응 시간 및 / 또는 적색 편이 방출 피크 용액 결과 고온. 예를 들어, 10 분, 240 ℃까지 반응 온도를 증가시키고, 반응 유지 시간은 최대 680 nm의 방출 피크 양자점을 초래할 것이다. 마찬가지로, 2 분으로 반응 시간을 감소시키고 470 nm의 최대 발광 피크 양자점 될 것이다 사용 염화 아연 배로. 이들의 InP / 인 ZnS 양자점은 불활성 기체하에 어둠 속에서 4 ℃에서 1 개월 이상 동안 안정하다.

2. 물양친 매성 고분자를 사용하여 InP를 /의 ZnS 양자점의 가용화

  1. 물 가용화
    1. 단계 1.2.10에서의 InP / 양자점은 ZnS를 사용하여 1 μM 양자점 1 ㎖를 수득 헥산으로 양자점의 일부를 희석.
      1. 원심 분리 관에서 각 튜브에 0.25 mL의의 InP / 양자점은 ZnS 옮긴다. 원심 분리기 튜브와 원심 분리기 (10 분 3,000 XG)에 1 ml의 아세톤 또는 메탄올을 추가합니다. 조심스럽게 상층 액을 제거하고 1 ml의 테트라 하이드로 퓨란 (THF)에 각각의 침전물을 용해.
      2. 100ml의 둥근 바닥 플라스크에 THF에 용해 InP를 /의 ZnS 양자점을 전송하고 16 ML의 THF로 희석. 용액의 응집체의 수를 감소 5-10 분 동안 초음파 처리 양자점한다.
    2. 10 ㎖의 분자량 등급 물에 30 mg의 폴리 (말레 andhydride- ALT -1- 옥타 데센), 3- (디메틸 아미노) -1- 프로필 아민 (PMAL-D)를 녹인다. 용액이 투명해질 때까지 수조에서 초음파 또는 부드러운 교반은 중합체를 완전히 용해하기에 충분하다. 그만큼소용돌이 나 격렬한 교반 사용 QD로 중합체의 상호 작용을 방해하는 많은 거품을 생성 할 수있다. 라운드 THF에서의 InP /의 ZnS 양자점을 포함하는 바닥 플라스크 100 ㎖에 10 ml의 폴리머 솔루션을 추가합니다.
    3. 회전 증발기를 사용 QD / 중합체 용액으로부터 THF를 증발시켰다. 중합체 및 QD 사이의 상호 작용을 용이하게하기 위해 증착 동안 얼음 용기에 플라스크를 배치. 진공의 강도에 따라, 대부분의 THF 10 분 후에 증발시키고, 용액을 혼탁 나타난다.
      1. 용액을 10 ㎖로 증발되면, 회전식 증발기에서 제거하고, 플라스크를 30 ㎖을 분자 수준의 물을 첨가 하였다. 회전 증발기에 플라스크를 돌려 2 ml의 증발을 계속합니다. 이 최종 증발 단계는 많은 시간이 걸릴 수 있습니다; 얼음 목욕이 유지되어 있는지 확인합니다.
    4. 피펫 둥근 바닥 플라스크에서 수용성의 InP /의 ZnS 양자점을 제거합니다. 0.1㎛의 나일론 SY 부착 3 ㎖ 플라스틱 주사기를 사용 QD 용액 필터ringe는 5 ML의 원심 분리기 튜브에 필터링 할 수 있습니다.
    5. 20,000 MWCO 막 투석 장치에 양자점을 놓고 여분의 중합체를 제거하기 위해 0.05 M 붕산 완충액 pH 8.5에 대해 투석. (pH가이 붕산 완충액을 8.5가 될 때까지 천천히 격렬한 교반과 함께, 0.05 M 붕산 0.05 M 소듐 테트라 보레이트 십수화물을 추가한다.) 진공 농축기를 사용하여 1 ml의 보레이트 완충액에 양자점을 농축시킨다.
    6. 저장을 위해, 파라 필름으로 밀봉하기 전에 질소 가스 퍼지 용액. 수용성의 InP /의 ZnS 양자점은 어둠 속에서 4 ° C에서 최소 4 개월 동안 안정하다.

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결과

코팅의 InP 코어는 눈으로 상당한 보이는 형광을 보여주지 않습니다. 그러나, InP를 /의 ZnS (코어 / 쉘) 양자점은 UV 조사에서 눈으로 밝은 형광을 보인다. InP를 /의 ZnS 양자점의 형광은 형광 분광법을 사용하여 분석되었다. 헥산 양자점의 형광 스펙트럼 73 나노 미터의 절반 최대 (FWHM)에서 전체 폭이 600 nm에서 중심으로 한 주요 피크를 보여줍니다 nm의 533에서 여기 (그림 1). 그림 1의 오프셋 (offset) 흡광도 (0.2) 이렇게 집계 된 양자점의 존재, 분석 (보라 인프라를) 깜박이를 빛을 산란 양자점을 의미하고, 수 있지만 대부분의 양자점이 양자점의, 그룹 단일, 또는 매우 작은 것을 나타냅니다. 양친 매성 고분자 PMAL-D로 도포 후, InP의 / 양자점은 ZnS의 양자 수율은 표준 로다 민 B (17)와 통합 된 양자점의 형광...

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토론

이 프로토콜은 많은 생물학적 시스템에서 사용할 수있는 매우 형광체의 InP / 인 ZnS 양자점의 합성 세부. 여기에 합성 QD 제품은 전술 한 다른 비교 합성 12 내지 73 (도 1)의 FWHM, 600 nm에서 중심 단일 형광 발광 피크를 나타내었다. 반응 시간과 반응 온도 QD 합성 품질 및 재현성에 미치는 큰 영향으로 인해 매우 중요한 단계이다. 물에 용해 후, 양자점은 약 6 %의 양자 수율을하기로 결정했다. 반응 시간, 온도, 또는 전구 물질의 농도 변화는 멀티 스펙트럼 애플리케이션에서 사용될 수있다 QD 크기 및 방출 파장의 조정을 허용한다.

크기 및 표면 전하 생물학적 시스템에서 나노 입자를 사용할 때 고려해야 할 매우 중요한 요소입니다. 표적 생체 분자의 교란을 최소화하기 위해 양자점 작은 월을 유지해야odisperse 크기입니다. 또한 용액 양자점의 표면 전하가 의도 대상으로 비특이적 감소하도록 수정 될 수...

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공개 사항

저자는 공개 아무것도 없어.

감사의 글

저자는 기꺼이이 프로젝트의 그들의 지원을 위해 미주리 주립 대학에서 화학학과 및 대학원 대학을 인정합니다. 우리는 또한, 투과 전자 현미경 탄소 코팅 된 그리드의 사용 암 연구 프레드릭 국립 연구소 전자 현미경 실험을 인정한다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
OleylamineAcros129540010
아연 (II) 염화물시그마030-003-00-2
Indium (III) 염화물Chem-Impex24560
Tris (dimethylamino) phosphineEncompass50-901-10500
1-dodecanethiolAcros117625000
HexanesFisher SciH292-4
아세톤트랜스케미컬UN 1090
아연 스테아레이트Aldrich Chem307564-1KG
테트라하이드로푸란아크로스34845-0010
분자수Fisher SciBP2470-1
폴리(말레산 안히르드라이드-alt-1-tetradecene), 3-(디메틸아미노)-1-프로필아민 유도체시그마90771-1G
붕산Fisher SciBP168-500
사붕산 나트륨 12 수화물Fisher SciBP175-500
Rhodamine BAldrich ChemR95-3
질소 가스AirgasUN1066
Trypan blueThermo SciSV30084.01
3 ml 플라스틱 Luer-lock 주사기BD309657
Luer-lock NeedleAir-Tite83000144714인치, 22
50ml 폴리프로피엔 원심분리기 튜브Falcon352098
250ml 원심분리기 병Thermo Sci05-562-23Nalgene PPCO
5ml 원심분리기 튜브Argos-TechT2076
1.5ml 마이크로 원심분리기 튜브Bio Plas4150
0.1 &뮤; m 주사기 필터Whatman6786-1301Puradisc 13 mm 나일론 필터
Slide-A-Lyzer MINI 투석 유닛Thermo Sci6959020,000 MWCO
회전 증발기Heidolph
Centrifuge 5072EppendorfSwinging Bucket with 50  ml 튜브 어댑터
Lambda 650 UV/VIS 분광계Perkin ElmerUV-Vis 분광 광도계
LS 55 형광 분광계Perkin Elmer형광계
Axio Observer.A1Zeissepifluorescence microscope
AxioCam MRmZeissCCD 카메라
Tecnai TF20 현미경FEITransmisison 전자 Miscroscope
TEM 독수리 CCDFEITEM CCD 카메라
NanoBrook Omni DLSBrookhaven동적 광 산란 기기
게이지

참고문헌

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Formal Correction: Erratum: Synthesis of Cd-free InP/ZnS Quantum Dots Suitable for Biomedical Applications
Posted by JoVE Editors on 2/29/2016. Citeable Link.

A correction was made to: Synthesis of Cd-free InP/ZnS Quantum Dots Suitable for Biomedical Applications. There was an error with an author's given name. The author's name was corrected to:

Katye M. Fichter

from:

Kathryn M. Fichter

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