Een 'Plug and Play' methode om water verspreidende Nanoassemblies bevattende een Amfifiele Polymer, organische kleurstoffen en Upconverting Nanodeeltjes maken

Samenvatting

Organische kleurstofmoleculen en oleic zuur gecoate upconverting nanodeeltjes zijn niet wateroplosbaar. Dit protocol beschrijft een ‘plug and play’ methode die de overdracht van organische kleurstofmoleculen en upconverting deeltjes van hun oorspronkelijke hydrofobe oplosmiddel naar water mogelijk maakt.

Samenvatting

In dit protocol beschrijven we eerst een procedure om lanthanide-gedopte upconverterende nanodeeltjes (UCNP's) te synthetiseren. We tonen vervolgens hoe amfifiele polymeren in situ kunnen worden gegenereerd en beschrijven een protocol om de bereide UCNP's en verschillende organische kleurstofmoleculen (porfyrines en diarylethenen) te encapsuleren met polymeerschelpen om stabiele, in water dispergeerbare nanoassemblies te vormen. De nanoassemblagemonsters die zowel de UCNP's als de diarylethene-organische kleurstoffen bevatten, hebben interessante fotochemische en fotofysische eigenschappen. Bij UV-bestraling van 365 nm ondergaat de diarylethenegroep een visuele kleurverandering. Wanneer de monsters worden bestraald met zichtbaar licht van een andere specifieke golflengte, vervaagt de kleur en keren de monsters terug naar de oorspronkelijke kleurloze toestand. De monsters stralen ook zichtbaar licht uit van de UCNP's bij bestraling met 980 nm nabij-infrarood licht. De emissie-intensiteit van de monsters kan worden afgesteld door afwisselend UV- en zichtbaar licht te gebruiken. Modulatie van fluorescentie kan gedurende vele cycli worden uitgevoerd zonder waarneembare afbraak van de monsters. Deze veelzijdige encapsulatieprocedure maakt de overdracht van hydrofobe moleculen en nanodeeltjes van een organisch oplosmiddel naar een waterige medium mogelijk. Het polymeer helpt om een lipide-achtig micro-omgeving voor de organische moleculen te handhaven om de behoud van hun fotochemische gedrag in water te bevorderen. Daarom is deze methode ideaal om water-dispergeerbare fotoresponsieve systemen te bereiden. Het gebruik van nabij-infrarood licht om upconverterende nanodeeltjes te activeren, maakt het mogelijk om licht met lagere energie te gebruiken om fotoreacties te activeren in plaats van schadelijker ultraviolet licht.

Inleiding

Vandaag is er nog steeds een dringende behoefte aan nieuwe vormen van bio-imaging agenten te ontwikkelen. Veel nieuwe fluorescerende probes zijn goed gedocumenteerd. ^06/01 echter aanzienlijke verbeteringen in de beeldresolutie blijft een uitdaging. ⁷ Een praktische methode is om direct te moduleren de fluorescentie probes tussen een 'light' emitterende staat en een 'donkere' uitgeblust staat. ^12/08 Deze specifieke methode is toegepast op technologieën zoals gestimuleerde emissie uitputting ontwikkelen (STED) microscopie ^{13 en} stochastische optische reconstructie microscopie (STORM). ¹⁴

Een andere benadering voor fluorescentie moduleren koppelen licht aansprekend chromoforen met fluorescerende probes. ^15,16 omschakelen het licht aansprekend chromofoor tussen twee isomeren waarin slechts één van de isomeren kan fungeren als een efficiënte energieoverdracht acceptor, maakt controle uitdoving van de fluorescentie van the sonde door middel van Förster Resonance Energy Transfer (FRET) en andere mechanismen. Het resultaat is de creatie van een emitterende staat en een uitgeblust staat die kan worden afgewisseld door blootstelling van de fotoresponsieve chromofoor op verschillende golflengten van het licht.

Fotoresponsieve diarylethene chromoforen kunnen reversibel worden omgeschakeld tussen een kleurloze ring-open isomeer en een gekleurde ring-gesloten isomeer na bestraling met UV en zichtbaar licht. ^17-19 De thermische stabiliteit van de twee isomeren en afstembare absorptiespectra van de ringgesloten isomeer make diarylethenen zeer goede kandidaten als controleerbaar FRET acceptoren. ^20-23 Lanthanide-gedoteerde NaYF ₄ upconverting nanodeeltjes zijn nuttig voor bio-imaging. ²⁴ Deze nanodeeltjes absorberen nabij-infrarood licht en licht uitzenden in verschillende regio's van het zichtbare spectrum. Voorbeelden van fluorescentie modulatie combineert licht aansprekend diarylethene chromoforen en nanodeeltjes zijn previously gerapporteerd door de groep. ^25-27 De in elk voorbeeld beschreven systemen vereist een extra synthetische wijziging van de diarylethenen hechten aan het oppervlak van de nanodeeltjes, die de ontwikkeling van diverse systemen bemoeilijkt.

Hierin tonen we een eenvoudige 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbare organische kleurstofmoleculen en fotoresponsieve upconverting nanodeeltjes door middel van een zelf-assemblage strategie voor te bereiden. De keuze van polymeren; poly (styreen-alt-maleïnezuuranhydride) en polyetheramine 2070 bieden zowel een hydrofobe als hydrofiele omgeving. De hydrofobe gedeelten van het polymeer helpen om de normaal water oplosbare organische moleculen en omhoog converteren van nanodeeltjes samenhouden, terwijl de hydrofiele regio van het polymeer is essentieel voor het handhaven van de oplosbaarheid in water. We zullen eerst demonstreren de synthese van de up-converting nanodeeltjes door de thermische kiemvorming methode. Dan zullen we bewijzen how de organische moleculen en omhoog converteren van nanodeeltjes zijn ingekapseld in hydrofobe gebieden van de polymeermantel en stabiel in waterige media blijven door eenvoudigweg samen roeren van een oplossing van de upconverting nanodeeltjes, polymeren en andere organische kleurstofmoleculen, gevolgd door een geschikte opwerkprocedure. We tonen ook aan hoe fluorescentie-emissie van de samenstellen met behulp van externe bestraling met licht te moduleren. We anticiperen op de omvang van het gebruik van deze 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbaar nanoassemblies zal blijven uitbreiden.

Protocol

1. Synthese van de NaYF ₄ / Yb ³⁺ / Er ³⁺ Upconverting Nanodeeltjes (UCNP)

1. Stel het apparaat als volgt:
   1. Plaats een 250 ml verwarmingsmantel op een regelmatige roerplaat en sluit de mantel op de thermische paar.
   2. Plaats een 250 ml rondbodemkolf uitgerust met een magnetische roerstaaf op de verwarmingsmantel met de juiste klemming.
   3. Sluit een lucht adapter links hals van de rondbodemkolf en sluit deze lucht adapter aan de Schlenk lijn plastic buis.
   4. Bevestig een glazen adapter rechts hals van de rondbodemkolf en hun een thermometer adapter op het glas adapter. Steek de temperatuursensor in de kolf door de thermometer adapter en plug deze in de thermokoppel.
   5. Bevestig een destillatiekop de middelste hals van de rondbodemkolf. Plaats een stop op de top van de destillatie hoofd. Sluit de kop naar een condensor, gevolgd door een vacuum distillation adapter en een 50 ml rondbodemkolf. Sluit de vacuümdestillatie adapter aan op een wasfles door middel van kunststof buizen.
2. Weeg 1,17 g (3,9 mmol) van yttrium acetaat, 0,439 g ytterbium acetaat en 0,0727 g (0,1 mmol) van erbium acetaat en plaats ze in de reactie rondbodemkolf.
3. Voeg 30 ml oliezuur en 75 ml octadeceen aan de kolf met een maatcilinder.
4. Spoel de kant van de reactie rondbodemkolf gebruik 5 ml methanol om ervoor te zorgen dat er geen oliezuur en octadeceen is vast aan de zijkanten van de reactiekolf.
5. Verbind de reactiekolf met een dubbel verdeelstuk Schlenk lijn en zet de corresponderende klep aan de reactiekolf verbonden met het stikstofatoom lijn te houden.
6. Zet het thermokoppel, de temperatuur tot 80 ° C en verwarm het systeem deze temperatuur. Bij 80 ° C en nadat alle uitgangsmaterialen opgelost, verwijdert de verwarmingsmantel en laat de reactieafkoelen tot 30 ° C.
7. Wanneer de temperatuur bereikt 30 ° C, haal de destillatie hoofd, zet de lucht adapter van links nek naar het midden nek en sluit de linker hals met een stop. Langzaam introduceren vacuüm aan de reactiekolf door de klep op de Schlenk lijn van de stikstofleiding de vacuümleiding. Alle lage kookpunt componenten worden getrokken uit de reactie op dit punt.
8. Wanneer de oplossing borrelen stopt, steekt de temperatuur tot 115 ° C bij een snelheid van 5 ° C / min.
9. Zodra de temperatuur 115 ° C bereikt, houden deze temperatuur gedurende 15 minuten, verwijder de verwarmingsmantel en afkoelen van de reactie tot 50 ° C. Daarna snel te schakelen de set-up terug naar de oorspronkelijke vorm door reattaching de destillatie hoofd naar het midden nek en de lucht aan op de linker hoofd.
10. Weeg 0,74 g (12,5 mmol) NaOH en 0,50 g (20,0 mmol) van NH ₄ F tijdens het afkoelen en ontbindenin 50 ml methanol door sonicatie.
11. Na sonicatie, giet de oplossing in het reactiemengsel rondbodemkolf en spoel de zijkanten van de kolf met 5 ml MeOH.
12. Laat de oplossing roeren bij 50 ° C gedurende 30 min.
13. Verhoog de temperatuur tot 75 ° C om de methanol te destilleren.
14. Tijdens de destillatie legen het verzamelen kolf indien nodig. Nadat de destillatie voltooid is, het reactiemengsel opwarmen tot 300 ° C onder stikstofbescherming zo snel mogelijk.
15. Zodra de temperatuur 300 ° C bereikt, houden deze temperatuur gedurende 1 uur. Indien nodig, bedek de setup met aluminiumfolie om de temperatuur te handhaven. Verwijder vervolgens warmtebron en laat het reactiemengsel afkoelen tot kamertemperatuur.
16. Eenmaal afgekoeld tot kamertemperatuur, de oplossing gelijkmatig verdeeld in drie centrifugeren buisjes (50 ml buizen ongeveer 35 ml oplossing per elke buis) en vul de buis aan de 50 ml schaal gebruikt watervrije ethanol. Centrifuge alle tHij buizen bij 3400 xg gedurende 15 min. Na centrifugeren, dient de UCNPs voorkomen aan de kant van de buizen als een wit precipitaat.
17. Verwijder het supernatant en het opnieuw te dispergeren UCNPs pellets in hexanen (7,5 ml hexaan per elke buis), dan bovenkant van de buis met ethanol om de schaal 50 ml. Centrifugebuizen opnieuw bij 3400 xg gedurende 15 min.
18. Nadat het centrifugeren voltooid, Giet de bovenstaande vloeistof opnieuw te dispergeren vaste UCNPs in 30 ml _CHCl3 voor verder gebruik.

2. Montage van de Water-verspreidbare Nanoassemblies die organische kleurstofmoleculen en Upconverting Nanodeeltjes

1. Los 25 mg (0,0147 mmol) van poly (styreen-alt-maleïnezuuranhydride) (PSMA) in 3 ml _CHCI3 in een scintillatieflesje uitgerust met een magnetische roerstaaf. Deze hoeveelheid is een geoptimaliseerde hoeveelheid na meerdere studies.
2. Voeg 250 ul (47 mg / ml) van het omhoog converteren van nanodeeltjes chloroform stockoplossing aan de Scintillation flesje.
3. Cap het flesje en plaats het op de magnetische plaat roeren, en roer de oplossing bij kamertemperatuur gedurende 2 uur.
4. Weeg 160 mg (0,0773 mmol) van polyether amine 2070 en oplossen in 1 ml _CHCl3. Voeg deze oplossing toe aan de scintillatieflesje in één portie met een pipet. De oplossing zal gaan tot lichtgeel vermelding van de reactie van polyether amine 2070 met anhydridegroepen op PSMA.
5. Blijf de oplossing overnacht bij kamertemperatuur geroerd.
6. Meet de juiste hoeveelheid organische kleurstofmoleculen vervolgens afzien deze in de scintillatieflesje in één portie, roer de verkregen oplossing gedurende 1 uur.
   1. Voor de steekproef TPP-NP (nanosamenstelling polymeer shell, tetrafenyl porfyrine en upconverting nanodeeltjes), rechtstreeks toe te voegen 1 mg tetrafenyl porfyrine aan de scintillatieflesje. Voor de steekproef DAE-UCNP (nanosamenstelling polymeer shell, diarylethene moleculen en upconverting nanodeeltjess), de hoeveelheid van elk diarylethene moleculen 2 × 10 ^-7 mol. Voeg de twee diarylethene moleculen in de reactieoplossing. De volumes voor de twee diarylethene moleculen: DAE-1o (1,8 mm), 111 ui en DAE-2o (1,6 mm), 125 ul.
7. Verwijder de _CHCl3 oplosmiddel onder verlaagde druk met een rotatieverdamper, voeg vervolgens 3 ml van 0,001 M waterig NaOH (pH ≈ 11) aan de scintillatieflesje vervolgens ultrasone trillingen het flesje tot een melkachtige suspensie wordt gevormd.
8. Plaats de flacon terug op de roterende verdamper, en de resterende _CHCl3 verwijder voorzichtig totdat de schorsing heeft zich tot een heldere oplossing.
9. Breng de oplossing uit de scintillatieflesje twee 1,5 ml conische buisjes centrifugeren, centrifugeer de oplossing bij 20.600 xg gedurende 25 min.
10. Verwijder het supernatant, voeg dan een totaal van 3 ml gedeïoniseerd _H2O in de twee buizen (1,5 ml per buisje), ultrasone trillingen de buizen naar de pellets opnieuw te dispergerenin gedeïoniseerd _H2O
11. Centrifugeer de twee buizen opnieuw bij 20.600 xg gedurende 25 min.
12. Verwijder het supernatant, voeg dan een totaal van 3 ml gedeïoniseerd _H2O in de twee buizen (1,5 ml per buis). Sonificeer de buizen om de pellets opnieuw te dispergeren in gedeïoniseerd _H2O
13. Filtreer de waterige dispersie nanodeeltjes monster door een 0,2 urn spuitfilter het eindmonster verdere testen te verkrijgen.

Resultaten

Absorptiespectra en fotoluminescentie spectra werden verzameld voor het monster DAE-UCNP. De absorptiespectra worden gebruikt voor het vergelijken van de spectrale overlap tussen de gesloten diarylethene chromoforen en upconverting nanodeeltjes. Foto's van de monsters (zowel TPP-UCNP en DAE-UCNP) werden ook succesvolle inkapseling van organische kleurstofmoleculen en upconverting nanodeeltjes, die zijn gelegen binnen het amfifiele polymeer schelpen in de waterfase te tonen. De modulatie van fotochemie en fluorescent...

Discussie

De nanodeeltjes gesynthetiseerd volgens dit protocol een grootteverdeling vanaf 20 tot 25 nm gecentreerd bij ongeveer 22,5 nm. ^26,27 Deze kunnen worden geclassificeerd als bolvormige deeltjes met een α-NaYF ₄ gastheer roosterstructuur. Er zijn twee belangrijke stappen in dit protocol. In de UCNP synthese, is het cruciaal om de verwarmingstemperatuur en de tijd zo nauwkeurig mogelijk te handhaven om een ​​nauwe verdeling van de deeltjesgrootte te verzekeren. Gelijktijdige toevoeging van NaOH en NH <...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Yttriumacetaat	Sigma	326046	Yttrium(III) acetaat hydraat
Ytterbiumacetaat	Sigma	544973	Ytterbium(III) acetaat hydraat
Erbiumacetaat	Sigma	325570	Erbium(III) acetaat hydraat
Oleaanzuur	Sigma	75096	analytische standaard
Octadeceen	Sigma	O806	Technische kwaliteit
NaOH	Sigma	S5881	reagenskwaliteit
NH4F	Sigma	216011	ACS reagens
Poly(styreen-co-maleïne-anhydride)	Sigma	442399	Gemiddelde Mn = 1700
JeffAmine 2070	Huntsman	M-2070
Varian Carry 300	Agilent
JDSU NIR-laser	JSDU	L4-9897510-100M	980 nm diodelaser