Методическая статья

Метод «подключи и работай», чтобы создать воду диспергируемые Nanoassemblies Содержит амфифильным полимер, органических красителей и преобразования вверх наночастиц

DOI:

10.3791/52987

⸱

14 ноября 2015 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
14D LABS and Department of Chemistry, Simon Fraser University

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Молекулы органических красителей и наночастицы, покрытые олеиновой кислотой, не растворяются в воде. Этот протокол описывает метод «plug and play», который позволяет переносить молекулы органических красителей и повышающие конверсию частиц из их исходного гидрофобного растворителя в воду.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом протоколе мы сначала описываем процедуру синтеза наночастиц, легированных лантаноидом, повышающих конверсию (UCNPs). Затем мы продемонстрируем, как можно получить амфифильные полимеры in situ, и опишем протокол инкапсуляции приготовленных UCNP и различных органических молекул красителей (порфиринов и диарилетенов) с использованием полимерных оболочек для формирования стабильных водно-диспергируемых наносборок. Образцы наносборки, содержащие как UCNP, так и диарилетеновые органические красители, обладают интересными фотохимическими и фотофизическими свойствами. При облучении ультрафиолетом с длиной волны 365 нм группа диарилетена претерпевает визуальное изменение цвета. Когда образцы облучаются видимым светом другой определенной длины волны, цвет исчезает, и образцы возвращаются в исходное бесцветное состояние. Образцы также излучают видимый свет от UCNP при облучении ближним инфракрасным светом с длиной волны 980 нм. Интенсивность излучения образцов может быть настроена с помощью попеременного облучения ультрафиолетовым и видимым светом. Модуляция флуоресценции может выполняться в течение многих циклов без наблюдаемой деградации образцов. Эта универсальная процедура инкапсуляции позволяет переносить гидрофобные молекулы и наночастицы из органического растворителя в водную среду. Полимер помогает поддерживать липидную микросреду для органических молекул, способствуя сохранению их фотохимического поведения в воде. Таким образом, этот метод идеально подходит для приготовления вододиспергируемых фоточувствительных систем. Использование ближнего инфракрасного света для активации наночастиц позволяет использовать свет с более низкой энергией для активации фотореакций вместо более вредного ультрафиолетового света.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Сегодня есть все еще существует необходимость в разработке новых видов био-изображений агентов. Многие новые флуоресцентные зонды были хорошо документированы. 1-6 Однако, существенные улучшения в разрешении изображения остается проблемой. 7 Одним из практических метод непосредственно модулировать флуоресценции зондов между «легкого» эмиссионного государства и «темной» закаленном состоянии. 8-12 Данный метод был применен для разработки таких технологий, как вынужденного излучения истощения (STED) микроскопия 13 и стохастический микроскопия оптическая реконструкция (ШТОРМ). 14

Другой подход к модуляции флуоресценции для соединения фоточувствительных хромофоров с флуоресцентных зондов. 15,16 переключением фоточувствительных хромофор между двух изомеров, где только один из изомеров может выступать в качестве эффективного переноса энергии акцептора, позволяет контролировать гашение флуоресценции йе зонд через Ферстер резонанс переноса энергии (FRET) и других механизмов. Результатом является создание эмиссионного состоянии после закалки и утверждают, что можно чередовать с воздействием на фоточувствительных хромофора на различные длины волн света.

Фоточувствительных diarylethene хромофоры могут быть обратимо переключаться между бесцветного кольцевой открытый изомера и цветной кольцевой замкнутый изомера при облучении УФ и видимого света. 17-19 термическая стабильность двух изомеров и спектров поглощения перестраиваемого кольцевого-изомера закрыт марки диарилэтенов очень хорошие кандидатов, управляемый FRET акцепторов. наночастицы 20-23 лантанидов, легированных NaYF 4 преобразования вверх полезны для био-изображений. 24 Эти наночастицы поглощают почти инфракрасный свет и излучать свет в ряде регионов видимого спектра. Примеры флуоресценции модуляции путем объединения фоточувствительных diarylethene хромофоры и наночастиц были предварительноviously сообщалось нашей группой. 25-27 Однако системы, описанные в каждом примере требуется дополнительный синтетический модификации приложить диарилэтенов к поверхности наночастиц, что затрудняет разработку более разнообразных системах.

В этом мы демонстрируем простой способ "подключи и работай», чтобы подготовиться молекул органических красителей вододиспергируемые и фоточувствительных наночастиц преобразования вверх, используя стратегию самосборки. Выбор полимеров; поли (стирол -maleic ангидрид альт) и полиэфир амина 2070 обеспечить как гидрофобные и гидрофильные среды. Гидрофобные участки полимерной помощью удерживать обычно нерастворимые в воде органические молекулы и наночастицы преобразования вверх вместе, в то время как гидрофильный участок полимера является критическим для поддержания растворимости в воде. Сначала мы демонстрируют синтез наночастиц преобразования вверх по методу термического нуклеации. Затем мы докажем, хоW органические молекулы и наночастицы преобразования вверх инкапсулируются в гидрофобных областей полимерной оболочки, и остаются стабильными в водной среде, просто совместно перемешивании раствор наночастиц преобразования вверх, полимера и различных молекул органических красителей, а затем удобном процедуры обработки. Мы также продемонстрируем, как модулировать излучение флуоресценции узлов с использованием внешнего излучения света. Мы ожидаем, сферу применения этого метода "подключи и работай», чтобы вододиспергируемые nanoassemblies будет продолжать расширяться.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Синтез NaYF 4 / Yb 3+ / Э 3+ преобразования вверх наночастиц (UCNP)

  1. Настройте аппарат, как следует:
    1. Поместите 250 мл колбонагревателя на регулярной перемешивания пластины и подключите мантию на термопары.
    2. Поместите 250 мл круглодонную колбу, снабженную магнитной мешалкой на нагревательной рубашкой с надлежащей зажима.
    3. Приложить адаптер воздуха в левую горловину круглодонную колбу и соединить этот воздушный адаптер к линии Шленка с пластиковой трубки.
    4. Приложить стекло адаптер к правой шейки круглодонную колбу и закрепить переходник термометр на стеклянную адаптера. Вставьте датчик температуры в колбу через адаптер термометром и подключить это в термопары.
    5. Приложить дистилляционной насадкой к среднему шейки круглодонную колбу. Поместите пробку в верхней части дистилляционной насадкой. Подключите голову в конденсатор, а затем с помощью вакуумного distillatионная адаптер и 50 мл круглодонную колбу. Подключите адаптер вакуумной перегонки в барботер через пластиковую трубку.
  2. Взвесьте 1,17 г (3,9 ммоль) ацетата иттрия, 0,439 г ацетата иттербия и 0.0727 г (0,1 ммоль) ацетата эрбия и поместить их в реакции с круглым дном колбу.
  3. Добавить 30 мл олеиновой кислоты и 75 мл октадецена в колбу с помощью градуированный цилиндр.
  4. Промыть сторону реакции круглодонную колбу с помощью 5 мл метанола, чтобы убедиться, что ни олеиновой кислоты и октадецен не прилипает к сторонам в реакционную колбу.
  5. Подключите реакционную колбу с двойной линией Шленка коллектор и поверните соответствующий клапан, чтобы сохранить реакционную колбу, подключенного к линии азота.
  6. Включите термопарой, установить температуру до 80 ° С, постепенно нагрева и системы до этой температуры. При 80 ° С и после все исходные материалы растворяются, удалить колбонагревателя и оставляют реакционнуюостыть до 30 ° С.
  7. Когда температура достигает 30 ° C, снять дистилляции голову, включите адаптер воздуха с левой шеи до средней шею и закрыть левую шею с пробкой. Медленно ввести вакуум в реакционную колбу, повернув клапан на линии Шленка от линии азота к вакуумной линии. Все низкокипящих компонентов будут выведены из реакционной в этой точке.
  8. Когда раствор останавливает барботажа, поднимите температуру до 115 ° С в со скоростью 5 ° С / мин.
  9. Как только температура достигает 115 ° C, поддерживать эту температуру в течение 15 мин, затем удалить колбонагревателя и охладить реакцию на 50 ° C. После быстрого переключения настроенный обратно в первоначальном виде по реплантации перегонки голову к средней шее и адаптером воздуха в левой головки.
  10. Взвесить 0,74 г (12,5 ммоль) NaOH и 0,50 г (20,0 ммоль) NH 4 F в процессе охлаждения и растворить ихв 50 мл метанола с помощью ультразвука.
  11. После обработки ультразвуком, заливают раствор в реакции круглодонную колбу и ополаскивают стенки колбы с 5 мл метанола.
  12. Оставьте полученному раствору при перемешивании при 50 ° С в течение 30 мин.
  13. Повышение температуры до 75 ° С, чтобы отогнать метанол.
  14. В ходе перегонки опорожнить сбора колбу при необходимости. После перегонки закончена, нагревают реакционную смесь до 300 ° С под защитой азота как можно быстрее.
  15. Как только температура достигает 300 ° С, поддержание этой температуры в течение 1 часа. При необходимости, покрыть установку с алюминиевой фольгой, чтобы помочь сохранить температуру. Затем снимите источник тепла и позволяют реакции остыть до комнатной температуры.
  16. После того, как охлаждают до комнатной температуры, разделить раствор равномерно на три центрифужные пробирки (50 мл пробирки, примерно 35 мл раствора на каждую пробирку) и доливают трубку с 50 мл масштабе с использованием безводного этанола. Центрифуга все тон трубок в 3400 мкг в течение 15 мин. После центрифугирования UCNPs следует соблюдать на стороне трубок в виде белого осадка.
  17. Удалите супернатант и редиспергируются гранул UCNPs в гексане (7,5 мл гексана в каждую пробирку), то пополнить трубку с этанолом в масштабе 50 мл. Центрифуга трубки снова 3400 мкг в течение 15 мин.
  18. После центрифугирования завершена, отбросить супернатант и диспергировать твердые UCNPs в 30 мл CHCl 3 для дальнейшего использования.

2. Ассамблея вододиспергируемых Nanoassemblies содержащие органические молекулы красителей и преобразования вверх наночастиц

  1. Растворите 25 мг (0,0147 ммоль) поли (стирол--maleic ангидрида ALT) (PSMA) в 3 мл CHCl 3 в сцинтилляционный флакон, снабженный магнитной мешалкой. Эта величина представляет собой оптимизированный количество после нескольких испытаний.
  2. Добавить 250 мкл (47 мг / мл) в хлороформе преобразования вверх наночастиц исходного раствора в scintillation флакон.
  3. Крышка флакона и поместить его на магнитной перемешивающей пластине, и размешайте раствор при комнатной температуре в течение 2 ч.
  4. Взвешивают 160 мг (0,0773 ммоль) амина полиэфира 2070, и растворить его в 1 мл CHCl 3. Затем добавить этот раствор в сцинтилляционный флакон в виде одной порции с помощью пипетки. Решение превратится в бледно-желтый с указанием реакцию полиэфира амина 2070 с ангидридных групп на СМГП.
  5. Продолжать перемешивать раствор в течение ночи при комнатной температуре.
  6. Мера соответствующее количество молекул органических красителей, то обойтись его в сцинтилляционный флакон в виде одной порции, перемешивают полученный раствор в течение 1 часа.
    1. Для образца ТЭЦ-НП (наносборки содержащий полимерную оболочку, тетрафенилбората порфирина и наночастиц преобразования вверх), непосредственно добавить 1 мг тетрафенилбората порфирина в сцинтилляционный флакон. Для образца DAE-UCNP (наносборки содержащий полимерную оболочку, молекулы diarylethene и преобразования вверх наночастицы), количество каждого diarylethene молекул 2 × 10 -7 моль. Добавить два diarylethene молекул в реакционном растворе. Объемы для двух diarylethene молекул: DAE-1O (1,8 мм), 111 мкл и DAE-2O (1,6 мм), 125 мкл.
  7. Извлеките CHCl 3 растворителя при пониженном давлении с использованием роторного испарителя, а затем добавить 3 мл 0,001 М водного NaOH (рН ≈ 11) в сцинтилляционный флакон, а затем разрушать ультразвуком флакон до молочно суспензии не образуется.
  8. Поместите флакон обратно на роторном испарителе, и осторожно удалите оставшиеся CHCl 3 до суспензия не превратился в прозрачный раствор.
  9. Передача раствора из флакона сцинтилляционного два 1,5 мл конических центрифужных пробирках, а затем центрифугируют при 20600 решение мкг в течение 25 мин.
  10. Жидкость над осадком сливают, а затем добавить в общей сложности 3 мл деионизированной H 2 O в две пробирки (1,5 мл на пробирку), разрушать ультразвуком трубы, чтобы диспергировать гранулыв деионизированной H 2 O.
  11. Центрифуга две трубы снова в 20,600 мкг в течение 25 мин.
  12. Жидкость над осадком сливают, а затем добавить в общей сложности 3 мл деионизированной H 2 O в две пробирки (1,5 мл на пробирку). Разрушать ультразвуком трубы, чтобы диспергировать гранулы в деионизированной H 2 O.
  13. Фильтр водной дисперсии наночастиц образец через шприцевой фильтр 0,2 мкм для получения конечного образца для дальнейшего тестирования.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Спектры поглощения и фотолюминесценции были собраны пробы DAE-UCNP. Спектры поглощения используются для сравнения спектральной перекрытие между закрытыми diarylethene хромофоров и наночастиц преобразования вверх. Фотографии образцов (как ТЭС-UCNP и DAE-UCNP) были также включены, чтобы продемонстрировать успешное инкапсулирование молекул органических красителей и наночастиц преобразования вверх, которые расположены в пределах амфифильных полимерных оболочек в водной фазе. Модуляция фотохимии и флуоресценции было показано...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Наночастицы, синтезированные в соответствии с этим протоколом, имеют распределение размера от 20 до 25 нм с центром в нм. Вокруг 22.5 26,27 Они могут быть классифицированы как сферических частиц с α-NaYF структуры решетки 4 узла. Есть два важных шагов в этом протоколе. При синтезе UCNP, важно, чтобы поддерживать температуру и время нагрева как можно точнее, чтобы обеспечить узкое распределение размера частиц. Одновременное добавление NaOH и NH 4 F наряду с добавлением ионов лантанидов в ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было поддержано Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC) Канады, Канадской программой исследовательских кафедр и Университетом Саймона Фрейзера. В этой работе использовались общие средства 4D LABS при поддержке Канадского фонда инноваций (CFI), Фонда развития знаний Британской Колумбии (BCKDF) и Университета Саймона Фрейзера.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Ацетат иттрияСигма326046Гидрат ацетата иттрия(III) Ацетат
иттербияАцетат Сигма544973Гидрат ацетата иттербия(III)
Ацетат эрбияСигма325570Гидрат ацетата эрбия(III)
Олеиновая кислотаСигма75096аналитический стандарт
ОктадеценSigmaO806Технический
марка NaOHSigmaS5881реагент
марки NH4FSigma216011ACS реактив
поли(стирол-ко-малеиновый ангидрид)Sigma442399средний Mn = 1700
JeffAmine 2070HuntsmanM-2070
Varian Carry 300Agilent
JDSU NIR лазерДиодный лазер JSDUL4-9897510-100M980 нм

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Fery-Forgues, S. Fluorescent organic nanocrystals and non-doped nanoparticles for biological applications. Nanoscale. 5 (18), 8428-8442 (2013).
  2. Vollrath, A., Schubert, S., Schubert, U. S. Fluorescence imaging of cancer tissue based on metal-free polymeric nanoparticles. J. Mater. Chem. B. 1, 1994-2007 (2013).
  3. Cheng, X., Lowe, S. B., Reecec, P. J., Gooding, J. J. Colloidal silicon quantum dots: from preparation to the modification of self-assembled monolayers (SAMs) for bio-applications. Chem. Soc. Rev. 43, 2680-2700 (2014).
  4. Luo, P. G., et al. Carbon-based quantum dots for fluorescence imaging of cells and tissues. RSC Adv. 4, 10791-10807 (2014).
  5. Wang, Y., Hu, R., Lin, G., Roy, I., Yong, K. -T. Functionalized Quantum Dots for Biosensing and Bioimaging and Concerns on Toxicity. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5 (8), 2786-2799 (2013).
  6. Kairdolf, B. A., et al. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (1), 143-162 (2013).
  7. Huang, B., Bates, M., Zhuang, X. Super-Resolution Fluorescence Microscopy. Annu. Rev. Biochem. 78, 993-1016 (2009).
  8. Fölling, J., et al. Photochromic Rhodamines Provide Nanoscopy with Optical Sectioning. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (33), 6266-6270 (2007).
  9. Fölling, J., et al. Fluorescence Nanoscopy with Optical Sectioning by Two-Photon Induced Molecular Switching using Continuous-Wave Lasers. Chem. Phys. Chem. 9 (2), 321-326 (2008).
  10. Bossi, M., et al. Multicolor Far-Field Fluorescence Nanoscopy through Isolated Detection of Distinct Molecular Species. Nano Lett. 8 (8), 2463-2468 (2008).
  11. Berns, M. W., Krasieva, T., Sun, C. –H., Dvornikov, A., Rentzepis, P. M. A polarity dependent fluorescence "switch" in live cells. Photochem. Photobiol. B: Biol. 75, 51-56 (2004).
  12. Zou, Y., et al. Amphiphilic Diarylethene as a Photoswitchable Probe for Imaging Living Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (47), 15750-1(2008).
  13. Westphal, V., et al. Video-Rate Far-Field Optical Nanoscopy Dissects Synaptic Vesicle Movement. Science. 320, 246-249 (2008).
  14. Zhuang, X. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Nat Photonics. 3, 365-367 (2009).
  15. Cusido, J., Deniz, E., Raymo, F. M. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Eur. J. Org. Chem. 13, 2031-2045 (2009).
  16. Raymo, F. M., Tomasulo, M. Electron and energy transfer modulation with photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 34, 327-336 (2005).
  17. Feringa, B. L. Molecular Switches. , Wiley-VCH. Weinheim. (2010).
  18. Tian, H., Yang, S. Recent progresses on diarylethene based photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 33, 85-97 (2004).
  19. Ubaghs, L., Sud, D., Branda, N. R. Handbook in Thiophene-Based Materials: Applications in Organic Electronics and Photonics. Perepichka, I. D., Perepichka, D., Branda, N. R. 2, John Wiley and Sons. Chichester. (2009).
  20. Norsten, T. B., Branda, N. R. Photoregulation of Fluorescence in a Porphyrinic Dithienylethene Photochrome. J. Am. Chem. Soc. 123 (8), 1784-1785 (2001).
  21. Giordano, L., Jovin, T. M., Irie, M., Jares-Erijman, E. A. Diheteroarylethenes as Thermally Stable Photoswitchable Acceptors in Photochromic Fluorescence Resonance Energy Transfer (pcFRET). J. Am. Chem. Soc. 124 (25), 7481-7489 (2002).
  22. Fölling, J., et al. Synthesis and Characterization of Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles. Small. 4 (1), 134-142 (2008).
  23. Jeong, J., et al. Photoreversible cellular imaging using photochrome-conjugated fullerene silica nanoparticles. Chem. Commun. 47, 10668-10670 (2011).
  24. Gai, S., Li, C., Yang, P., Lin, J. Recent progress in rare earth micro/nanocrystals: soft chemical synthesis, luminescent properties, and biomedical applications. Chem. Rev. 114 (4), 2343-2389 (2014).
  25. Carling, C. -J., Boyer, J. -C., Branda, N. R. Multimodal fluorescence modulation using molecular photoswitches and upconverting nanoparticles. Org. Biomol. Chem. 10, 6159-6168 (2012).
  26. Wu, T., Boyer, J. -C., Barker, M., Wilson, D., Branda, N. R. A "Plug-and-Play" Method to Prepare Water-Soluble Photoresponsive Encapsulated Upconverting Nanoparticles Containing Hydrophobic Molecular Switches. Chem. Mater. 25 (12), (2013).
  27. Wu, T., Kaur, S., Branda, N. R. Energy transfer between amphiphilic porphyrin polymer shells and upconverting nanoparticle cores in water-dispersible nano-assemblies. Org. Biol. Chem. 13, 2317-2322 (2015).
  28. Irie, M. Photochromism: Memories and Switches Introduction. Chem. Rev. 100 (5), 1683-1684 (2000).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи