Методическая статья

Синтез Cd-фри InP / ZnS квантовых точек Подходит для биомедицинских применений

13.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53684

⸱

6 февраля 2016 г.

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

В этой статье

Уведомление об исправлении

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Краткое содержание

В этом протоколе подробно описан синтез квантовых точек (QD) InP/ZnS без Cd. Квантовые точки на основе InP набирают популярность из-за токсичности ионов Cd2+, которые могут выделяться в результате деградации наночастиц. После синтеза квантовые точки растворяют в воде с помощью амфифильного полимера для использования в биомедицинских приложениях.

Аннотация

Флуоресцентные нанокристаллы, в частности квантовые точки, были полезным инструментом для многих биомедицинских приложений. Для успешного использования в биологических системах квантовые точки должны быть высокофлуоресцентными и иметь малый/монодисперсный размер. Хотя широко используемые квантовые точки на основе кадмия обладают этими качествами, они потенциально токсичны из-за возможного высвобождения ионов Cd2+ в результате деградации наночастиц. Квантовые точки на основе индия, в частности InP/ZnS, в последнее время были исследованы в качестве жизнеспособной альтернативы квантовым точкам на основе кадмия из-за их относительно схожих характеристик флуоресценции и размера. В представленном здесь синтезе используются стандартные методы горячей инжекции для эффективного роста наночастиц; Однако свойства наночастиц, такие как размер, длина волны излучения и интенсивность излучения, могут резко измениться из-за небольших изменений условий реакции. Следовательно, условия реакции, такие как температура, продолжительность реакции и концентрация прекурсора, должны быть точно соблюдены для получения воспроизводимых продуктов. Поскольку квантовые точки по своей природе не растворимы в водных растворах, они также должны подвергаться модификации поверхности для придания растворимости в воде. В этом протоколе амфифильный полимер используется для взаимодействия как с гидрофобными лигандами на поверхности квантовой точки, так и с молекулами воды с объемным растворителем. Здесь представлен подробный протокол синтеза высокофлуоресцентных квантовых точек InP/ZnS, которые подходят для использования в биомедицинских приложениях.

Введение

Квантовые точки (КТ) полупроводниковые нанокристаллы, которые проявляют флуоресцентные свойства при облучении светом 1. Из-за их небольшого размера (2-5 нм), который похож на многих крупных биомолекул и простоты biofunctionalization, КТ являются чрезвычайно привлекательным инструментом для биомедицинских применений. Они нашли применение в биологической классификации, одной молекулы живых клеток изображений, доставки лекарств, изображений в естественных условиях, обнаружение патогена, и отслеживание сотового, среди многих других целей 2-8.

Cd основе КТ были наиболее часто используется в биомедицинских применений из-за их интенсивной флуоресценции и узкий пик эмиссии шириной 9. Тем не менее, проблемы были подняты в связи с потенциальной токсичности Cd 2+ 10, которые могут просочиться через деградации наночастицы. Недавно InP на основе КТ были исследованы в качестве альтернативы КТ с компакт-диска, потому что они поддерживают многие характеристики флуоресценциикомпакт-основе КТ и могут быть более биологически совместимым 11. Cd основе КТ были обнаружены значительно более токсичны, чем КТ InP основе в анализах в пробирке при таких низких концентрациях, как 10 часов вечера, после всего лишь 48 часов 11.

Цвет флуоресценции квантовых точек является размер перестраиваемого 1. То есть, как от размера КТ возрастает, флуоресцентное излучение является красное смещение. Размер и размер дисперсность КТ продуктов могут быть изменены путем изменения температуры, продолжительности реакции или ее предшественника условия концентрации в ходе реакции 12. В то время как пик излучения ИЯФ КТ обычно шире и менее интенсивны, чем КТ с компакт-диска, InP КТ могут быть сделаны в большом разнообразии цветов, призванных предотвращать спектральную перекрытие, и достаточно интенсивным для большинства биомедицинских применений 12. Синтез подробно в данном протоколе дает КТ с красной пика излучения с центром при 600 нм.

Несколько шаги AFтер синтез ядер КТ поддерживать оптическую целостность КТ и сделать их совместимыми для биологических применений. Поверхность ядра QD должен быть защищен от окисления или поверхностных дефектов, которые могут привести закалки; Поэтому, оболочка ZnS покрыта вокруг сердечника для получения InP / ZnS (ядро / оболочка) КТ 13. Это покрытие было показано, чтобы защитить фотолюминесценции продукта QD. Присутствие ионов цинка, в процессе синтеза InP КТ было показано, чтобы ограничить поверхностные дефекты, а также распределение уменьшить размер 12. Даже при наличии Zn 2+ в реакционной среде, синтез InZnP являются весьма маловероятно 12. После нанесения покрытия, полученные КТ InP / ZnS покрыты гидрофобным лигандов, таких как оксид триоктилфосфина (ТОРО) или олеиламином 12,14. Амфифильный полимер может взаимодействовать с гидрофобными лигандами на поверхности КТ, а также объемных молекул воды для придания растворимости 15 воды. Амфифильных полимеров с карбоxylate химические группы могут быть использованы в качестве "химических ручками» дополнительно функциональных групп в КТ.

Этот протокол детали синтез и функционализация водорастворимых InP / ZnS КТ с очень интенсивным флуоресценции и относительно небольшой размер-дисперсности. Эти КТ являются потенциально менее токсичны, чем обычно используемых CdSe / ZnS КТ. В данном случае синтез InP / ZnS КТ обеспечивает практическую альтернативу с компакт-диска КТ для биомедицинских применений.

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

Протокол

1. Синтез фосфида индия / сульфида цинка (InP / ZnS) квантовыми точками

  1. Синтез фосфида индия (InP) квантовых точек ядер
    1. Установить 100 мл с круглым дном и 3-горлую колбу с, 12-дюймовым конденсатора. Добавить 30 мл олеиламином (УПВ), 0,398 г индия (III) хлорид (включая 3), 0,245 г хлорида цинка (II) (ZnCl 2) и перемешать с одновременной откачкой при КТ с использованием вакуума в течение 1 ч. Раствор должен появиться бесцветные с белым осадком.
    2. Использование колбонагревателя термопарой и пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор температуры, увеличить температуру раствора до 120 ° С. Откачать раствора под вакуумом в течение 20 мин, чтобы удалить примеси с низкой температурой кипения, которые могут повлиять основной рост.
      Примечание: В то время как это можно использовать песочную баню и термометр, с помощью нагревательного кожуха и ПИД увеличивает равномерность и воспроизводимость продуктов реакции.
    3. Под инертным газом (например,, N 2), обратным холодильником раствор и повышают температуру до 220 ° С в течение 15 мин. InCl 3 и ZnCl 2 полностью растворить, в результате чего бледно-желтого раствора. Разрешить стабилизации температуры в течение 10 мин.
    4. Чистки одноразовый, 3 мл пластиковый шприц и 4 дюйма, 22 г иглу с газообразным азотом. Используя шприц, быстро доставить 0,5 мл трис (диметиламино) фосфина (TDMAP) к раствору InCl 3. Температуру раствора незначительно уменьшается и возвращается к 220 ° С. Изменения решение от прозрачной, бледно-желтый до непрозрачного, черный.
    5. После 9,5 мин, удалить реакционной колбы из нагревательного кожуха, пока температура не упадет ниже 200 ° С. Для защиты целостности ядер InP, перейдем непосредственно к покрытию ZnS в шаге 1.2.1.
  2. Синтез сульфид цинка (ZnS) квантовая точка оболочек
    1. Поместите реакционной колбы со стадии 1.1.5 на нагревательной рубашкой и стабилизировать темпера тура при 200 ° С. Медленно добавить 3,58 г додекантиол (ДДТ) в течение 15 сек в раствор, содержащий InP КТ. Разрешить решение реагировать в течение 1 ч.
      Примечание: толщина корпуса ZnS можно варьировать путем увеличения или уменьшения количества стеарата цинка, добавленную на шаге 1.2.4. Изменение количества ZnCl 2 или додекантиол с шагом 1.1.1 и 1.2.1 может значительно повлиять на качество КТ путем изменения кинетики реакции.
      1. После этого удалить реакционной колбы с нагревательным кожухом и позволить раствору охладиться до приблизительно 60 ° C.
    2. Как только раствор InP / ZnS достигает ~ 60 ° C, добавляют 10 мл гексана и передать весь раствор примерно 45 мл до центрифужную пробирку 50 мл полипропиленовую. Центрифуга образца (3000 мкг в течение 10 мин) для удаления непрореагировавших твердых предшественников.
    3. Тщательно передачи супернатант в 250 мл бутылку полипропиленовую центрифужную, добавить 200 мл ацетона, и центрифуге раствора (3,000 хг в течение 10 мин), чтобы осадить InP / ZnS КТ. Этот объем может быть также разделены поровну на четыре 50 мл пробирки для центрифугирования, если центрифуга с необходимыми ротора / аксессуаров недоступен. Слейте супернатант и высушить QD осадок тщательно газообразным азотом для удаления ацетона.
    4. Ресуспендируют КТ в 20 мл УПВ с использованием ультразвука, трансфер в 50 мл круглым дном, 3-образным вырезом, колбу, содержащую 0,474 г стеарат цинка, и перемешать. Откачать раствора под вакуумом в течение 20 мин при комнатной температуре.
    5. Под азотом, повышают температуру до 180 ° С и позволяют реакции протекать в течение 3 ч. Хотя нет никаких заметных визуальных изменений к реакционному раствору, которые происходят во время этой реакции, добавляя стеарат цинка увеличивает толщину оболочки ZnS, тем самым увеличивая QY путем улучшения пассивации поверхности КТ 12.. После завершения реакции, удалить колбу с нагревательным кожухом и позволить раствору охладиться до приблизительно 60 ° C.
    6. После того, как Soluti InP / ZnSна течении ~ 60 ° C, добавляют 20 мл гексана и передать центрифужную пробирку 50 мл полипропиленовую. Центрифуга образца (3000 мкг в течение 10 мин), чтобы удалить непрореагировавший стеарат цинка.
    7. Тщательно передачи супернатант в бутылке центрифуги 250 мл полипропиленовую, добавить 200 мл ацетона, и центрифуга раствора (3000 мкг в течение 10 мин), чтобы осадить InP / ZnS КТ. Осторожно сливают супернатант и тщательно высушены азотом для удаления ацетона.
    8. Растворите таблетку InP / ZnS КТ в 30 мл гексана. Vortex и разрушать ультразвуком решение кратко, чтобы обеспечить полное диспергирование.
    9. Повторите очистку шаги 1.2.6-1.2.8 еще два раза, чтобы обеспечить тщательное удаление избытка органических лигандов. Взаимодействия между амфифильного полимера и QD в шаге 1.2 может быть нарушена в присутствии избытка лигандов.
    10. С расчетами, подробно описанным Се, др. 16, определить размер и концентрацию синтезированных КТ InP / ZnS с помощью УФ-Вид спектроскопии.
      Примечание: Важным спектральная характеристика для этого анализа является плечо пика поглощения. Длина волны и значение поглощения максимума этого плеча используется для вычисления размера и концентрации КТ, соответственно. Эта реакция обычно дает приблизительно 5 мкмоль КТ с пиком излучения при 600 нм. Для синтеза КТ разных цветов, продолжительность и / или температура реакции может изменяться. Более длительное время реакции и / или более высокая температура раствора приводит красной смещенной эмиссионный пик. Например, увеличение температуры реакции до 240 ° C и поддержание время реакции 10 мин приведет КТ с 680 нм пика в максимальные выбросы. Аналогично, уменьшение времени реакции до 2 мин и удвоение хлорид цинка, используемый приведет КТ с 470 нм максимального пика испускания. Эти КТ InP / ZnS стабильны в течение по меньшей мере одного месяца при температуре 4 ° С в темноте в атмосфере инертного газа.

2. ВодаСолюбилизация InP / ZnS квантовых точек Использование амфифильных Polymer

  1. водорастворимости
    1. Использование КТ InP / ZnS с шага 1.2.10, разбавленные часть КТ с гексаном с получением 1 мл 1 мкМ КТ.
      1. В пробирку центрифуги, передавать 0,25 мл InP / ZnS КТ в каждую пробирку. Добавить 1 мл ацетона или метанола в центрифужную пробирку и центрифугируют (3000 х г в течение 10 мин). Осторожно удалите супернатант и растворить осадок каждый в 1 мл тетрагидрофурана (ТГФ).
      2. Передача КТ InP / ZnS растворяют в ТГФ в 100 мл круглодонную колбу и разбавить 16 мл ТГФ. Чтобы уменьшить количество агрегатов в растворе, разрушать ультразвуком КТ в течение 5-10 мин.
    2. Растворите 30 мг поли (малеинового andhydride- альт -1-октадецене), 3- (диметиламино) -1-пропиламина (PMAL-D) в 10 мл очищенной воды молекулярного. Водяная баня обработку ультразвуком или осторожное перемешивание, пока раствор не станет прозрачным является достаточным для полного растворения полимера.Использование вихря или интенсивном перемешивании может производить много пузырьков, что затрудняет взаимодействие полимера с КТ. Добавить раствор полимера 10 мл на 100 мл круглодонную колбу, содержащую InP / ZnS КТ в ТГФ.
    3. Упаривают ТГФ из раствора QD / полимер с использованием роторного испарителя. Поместить колбу на бане со льдом в то время выпаривания для облегчения взаимодействия между полимером и QD. В зависимости от силы вакуума, наиболее ТГФ выпаривают через 10 мин и раствор появляется мутным.
      1. После того, как раствор выпаривают до 10 мл, удалить колбу из роторном испарителе и добавляют 30 мл воды молекулярную класса. Возвращение колбу на роторном испарителе и продолжать испаряться до 2 мл. Этот последний шаг испарение может занять несколько часов; обеспечить ледяную баню поддерживали.
    4. Удалить водорастворимые InP / ZnS КТ с круглодонную колбу с помощью пипетки. Фильтр решение QD с помощью пластикового шприца 3 мл, прикрепленный к 0,1 мкм нейлоновую SYРинге просачиваться в пробирку центрифуги 5 мл.
    5. Поместите КТ в 20000 MWCO мембранной диализа и диализ против 0,05 М боратный буфер рН 8,5 для удаления избытка полимера. (Медленно добавить тетрабората декагидрат 0,05 М натрия 0,05 М борной кислоты, при интенсивном перемешивании, пока рН не является 8,5, чтобы сделать этот борного буферного раствора.) С помощью вакуумного концентратора, сконцентрировать КТ в боратного буфера до 1 мл.
    6. Для хранения, очистить раствор с газообразным азотом перед герметизацией парафильмом. Водорастворимые InP / ZnS КТ являются стабильными в течение не менее 4 месяцев при 4 ° С в темноте.

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

Результаты

Непокрытые ядра InP не демонстрируют существенное видимое свечение невооруженным глазом. Тем не менее, InP / ZnS (ядро / оболочка) квантовые точки появляются флуоресцировать ярко глазом при УФ облучении. Флуоресценция InP / ZnS КТ характеризовалась использованием флуоресцентной спектроскопии. Спектр флуоресценции квантовых точек в гексане (Рисунок 1) возбуждается на 533 нм демонстрирует один основной пик с центром при 600 нм с полуширина (FWHM) 73 нм. В то время как плот...

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

Обсуждение

Этот протокол детали синтез высоко флуоресцентных квантовых точек InP / ZnS которые могут быть использованы во многих биологических системах. КТ продукты, синтезированные здесь выставлены единственный пик флуоресценции с центром при 600 нм с полушириной 73 нм (рис 1), что сопоставимо с другими описанными ранее синтезов 12. Время реакции и температура реакции чрезвычайно важные шаги в связи с их глубокое воздействие на качество синтеза QD и повторяемости. После солюбилизации в воде, КТ предпоч...

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

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Авторы благодарят химический факультет и выпускник колледжа в Государственном университете штата Миссури за поддержку этого проекта. Мы также признаем микроскопии Лаборатория электронов при Национальной лаборатории Фредерика по исследованию рака за использование их просвечивающего электронного микроскопа и углерода покрытием сетки.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ОлейламинАкрос129540010
Цинк(II) хлоридSigma030-003-00-2
Хлорид индия(III)Chem-Impex24560
Трис(диметиламино)фосфинEncompass50-901-10500
1-додекантиолAcros117625000
гексаныFisher SciH292-4
АцетонтрансхимическийUN 1090
Стеарат цинкаAldrich Chem307564-1KG
ТетрагидрофуранAcros34845-0010
Молекулярная водаFisher SciBP2470-1
Поли(малеиновый ангирдрид-alt-1-тетрадецен), 3-(диметиламино)-1-пропиламина производноеSigma90771-1G
Борная кислотаFisher SciBP168-500
Тетраборат натрия ДекагидратFisher SciBP175-500
Родамин BAldrich ChemR95-3
Азот газообразныйВоздушный газ UN1066
Трипановый синийThermo SciSV30084.01
3 мл пластиковый шприц с люэровским замкомBD309657
Luer-lock ИглаAir-Tite83000144714 дюйма, 22 калибр
50 мл полипропиеновая центрифугаFalcon352098
250 мл центрифугаThermo Sci05-562-23Nalgene PPCO
5 мл центрифужные пробиркиArgos-TechT2076
1,5 мл микроцентрифужные пробиркиBio Plas4150
0.1 μ m Шприцевой фильтрWhatman6786-1301Puradisc 13 мм нейлоновый фильтр
Slide-A-Lyzer MINI Dialysis UnitThermo Sci6959020,000 MWCO
Роторный испарительHeidolph
Centrifuge 5072EppendorfКачающееся ведро с 50  ml адаптеры трубок
Lambda 650 UV/VIS СпектрометрPerkin ElmerUV-VIS Спектрофотометр
LS 55 Флуоресцентный спектрометрPerkin ElmerФлуориметр
Axio Observer.A1Эпифлуоресцентный микроскопZeiss
AxioCam MRmZeissCCD камера
Tecnai TF20 МикроскопFEITransmisison Электронный Miscroscope
TEM Eagle CCDFEITEM CCD Camera
NanoBrook Omni DLSBrookhavenИнструмент динамического рассеяния света

Ссылки

  1. Alivisatos, A. P. Semicondictor clusters, nanocrystals, and quantum dots. Science. 271 (5251), 933-937 (1996).
  2. Michalet, X., et al. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science. 307 (5709), 538-544 (2005).
  3. Jaiswal, J. K., Mattoussi, H., Mauro, J. M., Simon, S. M. Long-term multiple color imaging of live cells using quantum dot bioconjugates. Nat. Biotechnol. 21 (1), 47-51 (2009).
  4. Deerinck, T. J. The application of fluorescent quantum dots to confocal, multiphoton, and electron microscopic imaging. Toxicol. Pathol. 36 (1), 112-116 (2008).
  5. Smith, A. M., Duan, H., Mohs, A. M., Nie, S. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging. Adv. Drug Deliv. Rev. 60 (11), 1226-1240 (2008).
  6. Jamieson, T., et al. Biological applications of quantum dots. Biomaterials. 28 (31), 4717-4732 (2007).
  7. Lidke, D. S., Arndt-Jovin, D. J. Imaging takes a quantum leap. Physiology. 19, 322-325 (2004).
  8. Fichter, K. M., Flajolet, M., Greengard, P., Vu, T. Q. Kinetics of G-protein-couple receptor endosomal trafficking pathways revealed by single quantum dots. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 (43), 18658-18663 (2010).
  9. Smith, A. M., Ruan, G., Rhyner, M. N., Nie, S. Engineering luminescent quantum dots for in vitro molecular and cellular imaging. Ann. Biomed. Eng. 34 (1), 3-14 (2006).
  10. Derfus, A. M., Chan, W. C. W., Bhatia, S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots. Nano Lett. 4 (1), 11-18 (2004).
  11. Brunetti, V., et al. InP/ZnS as a safer alternative to CdSe/ZnS core/shell quantum dots: in vitro and in vivo toxicity assessment. Nanoscale. 5 (1), 307-317 (2013).
  12. Song, W., et al. Amine-derived synthetic approach to color-tunable InP/ZnS quantum dots with high fluorescent qualities. J. Nanopart. Res. 15 (1750), (1750).
  13. Dabbousi, B. O., et al. (CdSe)ZnS core-shell quantum dots: Synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites. J. Phys. Chem. B. 101 (46), 9463-9475 (1997).
  14. Micic, O. I., Curtis, C. J., Jones, K. M., Sprague, J. R., Nozik, A. J. Synthesis and characterization of InP quantum dots. J. Phys. Chem. 98 (19), 4966-4969 (1994).
  15. Qi, L., Gao, X. Quantum dot-amphipol nanocomplex for intracellular delivery and realtime imaging of siRNA. ACS Nano. 2 (7), 1403-1410 (2008).
  16. Xie, R., Zheng, L., Peng, X. Nucleation kinetics vs chemical kinetics in the initial formation of semiconductor nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. 131 (42), 15457-15466 (2009).
  17. Williams, A. T. R., Winfield, S. A., Miller, J. N. Relative fluorescence quantum yields using a computer-controlled luminescence spectrometer. Analyst. 108, 1067-1071 (1983).
  18. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nat. Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  19. Schnieder, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat. Methods. 9, 671-675 (2012).
  20. Jin, Y., Kannan, S., Wu, M., Zhao, J. X. Toxicity of luminescent silica nanoparticles to living cells. Chem. Res. Toxicol. 20 (8), 1126-1133 (2007).
  21. Corazzari, I., Gilardino, A., Dalmazzo, S., Fubini, B., Lovisolo, D. Localization of CdSe/ZnS quantum dots in the lysosomal acidic compartment of cultured neurons and its impact on viability: potential role of ion release. Toxicol. In Vitro. 27 (2), 752-759 (2013).
  22. Pons, T., Uyeda, H. T., Medintz, I., Mattoussi, H. Hydrodynamic dimensions, electrophoretic mobility, and stability of hydrophilic quantum dots. J. Phys. Chem. B. 110 (41), 20308-20316 (2006).
  23. Durisic, N., Wiseman, P., Grutter, P., Heyes, C. D. A common mechanism underlies the dark fraction formation and fluorescence blinking of quantum dots. ACS Nano. 3 (5), 1167-1175 (2009).
  24. Vermehren-Schmaedick, A., et al. Heterogeneous intracellular trafficking dynamics of brain-derived neurotropic factor complexes in the neuronal soma revealed by single quantum dot tracking. PLoS ONE. 9 (4), e95113(2014).

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

Исправление


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

Теги

Похожие статьи