Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Um método 'Plug and Play' para criar Nanoassemblies dispersáveis ​​em água contendo um polímero anfifílicas, corantes orgânicos e Upconverting Nanopartículas

Published: November 14, 2015 doi: 10.3791/52987
Automatic Translation
*1, *1, 1, *1, *1, 1
14D LABS and Department of Chemistry, Simon Fraser University
* These authors contributed equally

Introduction

Hoje ainda há uma necessidade urgente de desenvolver novos tipos de agentes de bio-imagem. Muitas novas sondas fluorescentes têm sido bem documentadas. 1-6 No entanto, melhorias substanciais na resolução de imagem continua a ser um desafio. 7 Um método prático é para modular directamente as sondas de fluorescência entre um estado emissivo 'light' e um estado extinta 'dark'. 12/08 Este método particular tem sido aplicado no desenvolvimento de tecnologias como o empobrecimento da emissão estimulada (STED) microscopia 13 e microscopia óptica reconstrução estocástico (STORM). 14

Outra abordagem para modular a fluorescência é acoplar cromóforos fotossensíveis juntamente com sondas fluorescentes. 15,16 Alternando o cromóforo fotossensíveis entre dois isómeros em que apenas um dos isómeros pode actuar como um aceitador de transferência de energia eficiente, permite o controle sobre extinção da fluorescência do po dee sonda através de transferência Förster Ressonância Energia (FRET) e outros mecanismos. O resultado é a criação de um estado emissiva e extinguiu-se um estado que pode ser alternado por exposição do cromóforo fotossensíveis para diferentes comprimentos de onda de luz.

Cromóforos diarylethene fotossensíveis pode ser reversivelmente alternada entre um isómero de anel aberto incolor e um isómero de anel fechado de cor após irradiação com UV e luz visível 17-19 A estabilidade térmica dos dois isómeros e os espectros de absorção sintonizável do anel fechado composição isómero. diarylethenes muito bons candidatos como FRET controlável aceitantes. nanopartículas 20-23 Lanthanide dopado NaYF 4 upconverting são úteis para bio-imagem. 24 Estas nanopartículas absorvem a luz infravermelha próxima e emitem luz em várias regiões do espectro visível. Exemplos de modulação de fluorescência através da combinação de cromóforos diarylethene fotossensíveis e nanopartículas foram previamenteriormente relatado pelo nosso grupo. 25-27 No entanto, os sistemas descritos em cada exemplo necessária uma modificação sintética adicional para unir as diarylethenes à superfície das nanopartículas, o que complica o desenvolvimento de sistemas mais diversos.

Aqui demonstramos um método simples "plug-and-play 'para preparar moléculas de corante orgânico dispersíveis em água e nanopartículas fotossensíveis upconverting usando uma estratégia de auto-montagem. A escolha dos polímeros; poli (anidrido maleico estireno-alt) e poliéter amina 2,070 fornecer um ambiente hidrofílico e hidrofóbico. As secções hidrófobas do polímero ajuda a manter as moléculas orgânicas insolúveis em água e normalmente nanopartículas upconverting juntos, enquanto que a região hidrófila do polímero é essencial para manter a solubilidade em água. Vamos primeiro demonstrar síntese das nanopartículas upconverting pelo método de nucleação térmica. Então, vamos provar how as moléculas orgânicas e nanopartículas upconverting são encapsulados dentro de regiões hidrofóbicas do invólucro de polímero e permanecem estáveis ​​em meio aquoso por simplesmente co-agitação de uma solução do nanopartículas upconverting, polímero e diferentes moléculas de corantes orgânicos, seguido por um procedimento de trabalho conveniente. Nós também demonstrar como para modular a emissão de fluorescência das montagens usando a irradiação de luz externa. Nós antecipamos o âmbito da utilização deste método 'plug-and-play "para fazer nanoassemblies dispersíveis em água continuará a se expandir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Síntese do 4 NaYF / Yb 3+ / Er 3+ Upconverting Nanopartículas (UCNP)

  1. Configure o aparelho como se segue:
    1. Coloque um manto de aquecimento 250 ml em uma placa de agitação regular e ligue o manto para o casal térmica.
    2. Coloque um bal de fundo redondo de 250 ml equipado com uma barra de agitação magnética para a manta de aquecimento com aperto apropriado.
    3. Conecte um adaptador de ar para o pescoço esquerdo do balão de fundo redondo e conectar esse adaptador de ar para a linha de Schlenk com tubos de plástico.
    4. Anexe um adaptador de vidro para o pescoço direito do balão de fundo redondo e fixar um adaptador de termômetro para o adaptador de vidro. Inserir a sonda de temperatura para o balão através do adaptador termômetro e ligue-a a par termoeléctrico.
    5. Anexar uma cabeça de destilação para o pescoço meio do frasco de fundo redondo. Coloque um bujão na parte superior da cabeça de destilação. Ligue a cabeça para um condensador, seguindo-se um vácuo distillatAdaptador de iões e um balão de fundo redondo de 50 ml. Conecte o adaptador de destilação a vácuo para um bubbler através de tubos de plástico.
  2. Pesar 1,17 g (3,9 mmol) de acetato de ítrio, 0,439 g de acetato de itérbio e 0,0727 g (0,1 mmol) de acetato de érbio e colocá-los na reacção balão de fundo redondo.
  3. Adicionar 30 ml de ácido oleico e 75 ml de octadeceno ao frasco utilizando uma proveta graduada.
  4. Lavar o lado da reacção balão de fundo redondo utilizando 5 ml de metanol para se certificar de que não o ácido oleico e octadeceno está presa às paredes do balão de reacção.
  5. Ligue o balão de reacção para uma linha de Schlenk colector duplo e transformar a válvula correspondente para manter o balão de reacção ligada à linha de azoto.
  6. Ligue o termopar, ajustar a temperatura a 80 ° C, e gradualmente aquecer o sistema a esta temperatura. A 80 ° C e depois de todos os materiais de partida são dissolvidos, remover a manta de aquecimento e para permitir que a reacçãoarrefecer a 30 ° C.
  7. Quando a temperatura chega a 30 ° C, tirar a cabeça de destilação, mude o adaptador de ar a partir do pescoço para a esquerda para o meio do pescoço e feche o pescoço esquerda com uma rolha. Lentamente introduzir vácuo ao balão de reacção, rodando a válvula na linha de Schlenk a partir da linha de azoto para a linha de vácuo. Todos os componentes de baixo ponto de ebulição irá ser puxado para fora a partir da reacção neste ponto.
  8. Quando a solução deixar de borbulhar, elevar-se a temperatura para 115 ° C a uma velocidade de 5 ° C / min.
  9. Uma vez que a temperatura atinge 115 ° C, manter esta temperatura durante 15 min, depois remover a manta de aquecimento e arrefecer a reacção a 50 ° C. Em seguida, alternar rapidamente a configuração de volta à forma original por recolocar a cabeça de destilação para o pescoço meio eo adaptador de ar para a cabeça esquerda.
  10. Pesar 0,74 g (12,5 mmol) de NaOH e 0,50 g (20,0 mmol) de NH 4 F, durante o processo de arrefecimento, e dissolvê-losem 50 ml de metanol por sonicação.
  11. Após sonicação, verter a solução de reacção para o balão de fundo redondo e lavar as paredes do balão com 5 ml de MeOH.
  12. Deixar a solução agitar a 50 ° C durante 30 min.
  13. Aumentar a temperatura para 75 ° C para destilar o metanol.
  14. Durante a destilação, esvaziar o balão de recolha quando necessário. Após a destilação é terminada, aquecer a reacção a 300 ° C sob protecção de azoto tão rápido quanto possível.
  15. Uma vez que a temperatura atinge 300 ° C, manter esta temperatura durante 1 h. Se necessário, cobrir a configuração com folha de alumínio para ajudar a manter a temperatura. Em seguida, remover fonte de calor e deixar a reacção arrefecer até à temperatura ambiente.
  16. Uma vez que é resfriado a temperatura ambiente, a solução uniformemente dividida em três tubos de centrifugação (50 ml tubos, cerca de 35 ml de solução por cada tubo), e encher o tubo para os 50 ml escala utilizando etanol anidro. Centrífuga tudo tele tubos a 3400 xg durante 15 min. Após centrifugação, as UCNPs deve ser observado no lado dos tubos como um precipitado branco.
  17. Descartar o sobrenadante e redispersar os peletes UCNPs em hexanos (7,5 mL de hexanos por cada tubo), em seguida, encher o tubo com etanol para a escala de 50 ml. Tubos Centrifugar novamente a 3400 xg durante 15 min.
  18. Uma vez que a centrifugação é completa, descartar o sobrenadante e redispersar os UCNPs sólidos em 30 ml de CHCl 3 para utilização posterior.

2. Nanoassemblies Assembleia da água dispersíveis contendo orgânicos Dye Moléculas e Upconverting Nanopartículas

  1. Dissolve-se 25 mg (0,0147 mmol) de poli (anidrido maleico estireno-alt) (PSMA) em 3 ml de CHCI3 num frasco de cintilação equipado com uma barra de agitação magnética. Esta quantidade é uma quantidade otimizada após várias tentativas.
  2. Adicionar 250 ul (47 mg / ml) da solução de estoque upconverting nanopartículas clorofórmio ao scintifrasco llation.
  3. Tapar o frasco e colocá-lo na placa de agitação magnética, e agitou-se a solução à temperatura ambiente durante 2 h.
  4. Pesar 160 mg (0,0773 mmol) de poliéter amina 2070, e dissolvê-lo em 1 ml de CHCl3. Em seguida, adicionar esta solução ao frasco de cintilação numa porção, utilizando uma pipeta. A solução torna-se a amarelo pálido, indicando que a reacção de poliéter amina 2070 com os grupos anidrido no PSMA.
  5. Continuar a agitar a solução durante a noite à temperatura ambiente.
  6. Medir a quantidade adequada de moléculas de corante orgânico, em seguida, dispensam-lo dentro do frasco de cintilação numa porção, agita-se a solução resultante durante 1 hora.
    1. Para a amostra TPP-NP (nanoassembly contendo shell de polímero, tetrafenil porfirina e nanopartículas upconverting), diretamente adicionar 1 mg de tetrafenil porfirina para o frasco de cintilação. Para a amostra DAE-UCNP (nanoassembly contendo casca de polímeros, moléculas diarylethene e upconverting nanopartículas), a quantidade de cada uma das moléculas diarylethene é 2 x 10 -7 mol. Adicionar as duas moléculas diarylethene dentro da solução reaccional. Os volumes para as duas moléculas são diarylethene: DAE-1o (1,8 mM), 111 ul e DAE-2o (1,6 mM), 125 ul.
  7. Remover o solvente CHCI3 sob pressão reduzida utilizando um evaporador rotativo, em seguida, adicionar 3 ml de 0,001 M de NaOH aquoso (pH ≈ 11) para o frasco de cintilação, em seguida, sonicar o frasco até uma suspensão leitosa é formado.
  8. Colocar o frasco de volta no evaporador rotativo, e cuidadosamente remover o restante CHCI3 até que a suspensão se transformou a uma solução clara.
  9. Transferir a solução do frasco de cintilação para tubos de centrifugação cónicos de 1,5 ml dois, depois centrifugar a solução a 20.600 xg durante 25 min.
  10. Rejeitar o sobrenadante, adicionar em seguida um total de 3 ml de H2O desionizada para os dois tubos (1,5 ml por tubo), sonicar os tubos para redispersar os peletesno desionizada H 2 O.
  11. Centrifugar os dois tubos novamente em 20.600 xg durante 25 min.
  12. Rejeitar o sobrenadante, adicionar em seguida um total de 3 ml de H2O desionizada para os dois tubos (1,5 ml por tubo). Sonicar os tubos para redispersar os peletes no desionizada H 2 O.
  13. Filtrar a amostra dispersão aquosa de nanopartículas através de um filtro de seringa de 0,2 | iM para se obter a amostra final para mais testes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Espectros de absorção e espectros de fotoluminescência foram coletadas para amostra DAE-UCNP. Os espectros de absorção são usados ​​para comparar a sobreposição espectral entre os cromóforos diarylethene fechadas e as nanopartículas upconverting. As fotografias das amostras (tanto TPP-UCNP e DAE-UCNP) também foram incluídos para demonstrar a encapsulação bem sucedida das moléculas de corante e nanopartículas upconverting orgânicos, que estão localizados dentro das conchas polímero anfifílico na fase aquosa. A modulação da fotoquímica e fluorescência foi também demonstrada com iluminação das amostras com diferentes fontes luminosas.

A teoria química ", como se dissolve como" explica porque quando uma alíquota da porfirina ou UCNPs em clorofórmio é adicionada a água mesmo depois de agitação vigorosa, ambos permanecem na camada orgânica (Figura 2, a, b, d e e). No entanto, quando se utiliza o 'plug-and-play' método de encapsulamento(Figura 1), uma nanoassembly dispersível em água (TPP-UCNP) contendo ambos porfirina e UCNPs é produzido. A razão pela qual se escolheu tetrafenil porfirina como um composto modelo para estudar é porque é um composto orgânico solúvel em água e não tem aplicações interessantes em terapia fotodinâmica. Quando uma solução aquosa contendo os nanoassemblies é adicionado clorofórmio, mesmo depois de agitação vigorosa, as nanoassemblies permaneceu na camada de água (Figura 2, C e F). A utilização do material de cobertura polimérica anfifílico tem duas vantagens: (1) que cria um ambiente hidrofóbico interno que retém tanto a porfirina e os UCNPs, e (2) ele cria um ambiente hidrófilo exterior que interage com circundante moléculas de água para manter a água-dispersibilidade de toda a assembléia. A cor vermelha da amostra (Figura 3) é atribuída às moléculas de porfirina aprisionado dentro do conjunto, e a presença da porfirinamoléculas foi demonstrada usando espectroscopia de absorção de UV-VIS. Após a irradiação com uma infravermelho próximo do laser 980 nm, emissão verde é produzido a partir da amostra (Figura 2, C e F, a Figura 3), o que é atribuído à emissão do dopado com Er 3+ NaYF 4 nanopartículas upconverting. O protocolo de encapsulamento não requer quaisquer modificações específicas a serem feitas às moléculas encapsuladas nem troca de ligantes das UCNPs, nós Assim, proponho que este protocolo 'plug-and-play' pode ser aplicada como uma estratégia geral para transferir uma variedade de diferentes orgânico moléculas de um solvente orgânico a um meio aquoso.

Para demonstrar a versatilidade do nosso processo, nós transferidos simultaneamente dois diarylethenes hidrofóbicos (DAE-1o e 2o-DAE) de solvente orgânico para água (Figura 4) para gerar um nanoassembly misto (DAE-UCNP). Diarylethenes são moléculas fotossensíveis que são submetidos a conversão entre um isómero de anel aberto e um isómero de anel fechado 28. Após a irradiação com luz UV, o isómero de anel aberto incolor é convertido para o isómero de anel fechado de cor, e a exposição à luz visível desencadeia a processo inverso. Estas reacções são ilustradas na Figura 4. A interconversão entre os isómeros de anel aberto e de anel fechado pode ser repetido várias vezes sem degradação significativa dos cromóforos. Estes fotor reacções são tipicamente realizadas em solventes orgânicos, não só por razões de solubilidade, mas também porque o processo de ciclização é frequentemente dificultada em água. O fraco desempenho do fotoreações em água é principalmente devido a: (1) suprimiu reatividade das moléculas diarylethene excitados em solventes polares, devido às interações de transferência de carga intramolecular, e (2) a possibilidade de colisão entre moléculas orgânicas animado e moléculas de água que levam a têmpera de thum e estados excitados e desligar a reação photocyclization. Contudo, estes problemas podem ser superados através da encapsulação do diarylethene dentro de uma concha de polímero anfifílico para formar nanoassemblies dispersáveis ​​em água.

Usando o mesmo protocolo de "plug-and-play 'descrito para as porfirinas, e nanopartículas upconverting diarylethenes foram encapsulados dentro dos invólucros poliméricos para formar nanoassemblies dispersáveis ​​em água (Figura 2 e Figura 5). Os espectros de absorção de UV-vis dos dois isómeros que se submetem a ciclização e cycloreversion reacções induzidas pela luz dentro dos nanoassemblies dispersas em água são apresentados na Figura 6. Como é típico para diarylethenes, nenhum dos isómeros de anel aberto (DAE-1o ou Dae- 2o) absorver na região do visível do espectro electromagnético (Figura 6a). A irradiação dos isômeros de anel aberto com 365 nm de luz produz theihomólogos de anel fechado r (DAE-1C e DAE-2c). Isto é também porque a amostra incolor (Figura 5a) alterado para uma amostra de cor laranja (Figura 5b) e mostrou uma banda forte visível no espectro de UV-vis (Figura 6a). A irradiação da amostra de cor com a luz visível de um comprimento de onda maior que 434 nm desaparece a amostra para o seu estado incolor original contendo os isômeros de anel aberto (DAE-1o e 2o) DAE-. Todas as alterações espectrais foram concluídas dentro de 3 minutos. Fotocromismo selectiva foi observado (Figura 6c), porque os dois cromóforos encapsulados dentro do invólucro de polímero de DAE-UCNP tem bandas de absorção bem separadas. Quando a amostra DAE-UCNP foi irradiada com luz visível de um comprimento de onda superior a 650 nm, apenas o isómero DAE-2c anel fechado é sensível a este comprimento de onda particular de luze foi convertido para o isómero DAE-2o de anel aberto. Isto resulta numa diminuição na banda de absorção no visível a 647 nm e produz uma solução com uma cor de laranja profunda (Figura 5c) do desvanecimento selectivo de azul isómeros de anel fechado. Sob estas condições, a banda correspondente ao DAE-1C é quase inalterada (linha a cheio na Figura 6c laranja). Estes dados apoiam a conclusão de que o revestimento polimérico anfifílico ajuda a reter a eficiência de fotoreações em água.

Quando a dispersão aquosa de nanoassembly DAE-UCNP é animado com 980 nm de luz, as duas bandas centrado em 537 nm e 650 nm, pode ser detectado com um fluorómetro, que são típicas para as nanopartículas dopada com érbio. A banda centrada a 537 nm (indicado como emissão verde) pode ser atribuída a [2 H 11/2, 3/2] 4 S 4 i 15/2 transições, enquanto a banda cenrtod a 650 nm (indicado como emissão vermelha) é o resultado de [4 F 9/2, 3/2 4 S] 4 i 15/2 transições (Figura 6b). Os isómeros de anel aberto (DAE-1o e 2o) DAE-não absorvem toda a luz visível, e como resultado a emissão de fluorescência da amostra DAE-UCNP não é extinta por um ou outro dos isómeros de anel aberto. No entanto, a irradiação da amostra com 365 nm de luz converte os isômeros de anel aberto com os seus homólogos de anel fechado (DAE-1C e DAE-2c) e ambos absorvem fortemente a luz visível. Uma vez que as bandas de emissão dos UCNPs se sobrepõem com as bandas de absorção dos isómeros de anel fechado, a supressão de emissão UCNPs é atingido através de um processo de transferência de energia (Figura 6b). Este processo é uma combinação de ambos os mecanismos de FRET e emissão-reabsorção. 26 A emissão original pode ser regeneraed por irradiação da amostra com luz visível de um comprimento de onda superior a 434 nm de luz, o qual converte os isómeros de anel fechado de volta para os isómeros de anel aberto correspondentes. Como foi discutido antes, as bandas de emissão verde e vermelho podem ser selectivamente desactivada por causa da fotocromismo selectiva da amostra e a capacidade de têmpera as bandas de emissão pelos isómeros de anel fechado. Quando a amostra é irradiada com luz visível de um comprimento de onda superior a 650 nm, apenas o isómero DAE-2c anel fechado é retornado para o isómero DAE-2o de anel aberto e a emissão vermelha é regenerado enquanto a emissão verde ainda é temperada a certa medida (Figura 6d).

figura 1
Figura 1. Síntese dos nanoassemblies (TPP-UCNP) contendo o polímero encapsulado tanto o upconverting nanopartículas e da porfirina tetrafenil.

Figura 2
Figura 2. Fotografias mostrando água suavemente em camadas no topo de CHCl3 contendo (a) TPP na fase CHCI3, (b) os UCNPs na fase CHCI3, (c) os nanoassemblies (TPP-UCNP) na fase aquosa. Imagens (d), (e) e (f) são idênticas dos frascos depois de terem sido vigorosamente agitadas e mostrando nenhuma transferência dos componentes para as outras fases líquidas. A luz verde e amarela observado em imagens (b), (c), (e) e (f) são devidos à irradiação com um laser de 980 nm, para mostrar a localização de nanopartículas upconverting.


Figura 3. As fotografias de uma solução aquosa dos nanoassemblies (TPP-UCNP) mediante irradiação com um laser de 980 nm de luz ambiente (à esquerda) e no escuro (à direita).

Figura 4
Figura 4. Um nanoassembly misto (DAE-UCNP) contendo o polímero encapsulado nanopartículas upconverting e dois diarylethenes diferentes. O anel de fechamento e de abertura do anel reações fotoinduzidos dos diarylethenes são mostrados à direita.

Figura 5
Figura 5. Fotografias de soluções aquosas dos nanoassemblies mistos (DAE-UCNP) contendo o diarylethenes (a) in seus estados de anel aberto (DAE-1o e DAE-2o), (b) em seus estados photostationary contendo DAE-1c e DAE-2c, e (c) com DAE-1o no seu estado photostationary e DAE-2o na sua ring-aberto formulário. Os estados photostationary foram geradas por irradiação da amostra com luz de 365 nm, durante 2 min. O estado misto em (c), foi gerado por abertura de anel selectivamente DAE-2c com luz de um comprimento de onda superior a 490 nm. As fotografias de baixo mostram as mesmas amostras quando são irradiados com laser de 980 nm, uma no escuro.

Figura 6
Figura 6. (a) os espectros de UV-vis de absorção do sistema de nano-dispersos em água DAE-UCNP contendo diarylethenes 1o 2o antes (linha contínua) e após 365 nm irradiação de luz (linha pontilhada). As barras verdes e vermelhas representam as bandas de emissão de UCNPs quando excitado com 980 nm de luz para mostrar a sobreposição espectral entre a emissão dos UCNPs ea absorção de diarylethenes no estado photostationary. (B) espectro de emissão fluorescente da mesma amostra (λ ex = 980 nm) antes (linha preta) e depois (linha preta com cinza área sombreada) irradiação com luz de 365 nm. (C) os espectros de absorção de UV-vis de DAE-UCNP na (linha tracejada) estado photostationary, após a irradiação com luz> 490 nm de estado photostationary (linha preta), e após a irradiação com luz> 650 nm de estado photostationary (linha laranja ). (D) emissão relativa do DAE-UCNP medido quando a amostra foi no estado photostationary (barra cinza), após a irradiação com> 650 nm de luz a partir do photestado ostationary (barra laranja), e após a irradiação com> 490 nm de luz a partir do estado photostationary (barra branca).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

As nanopartículas sintetizado de acordo com este protocolo tem uma distribuição de tamanho de 20 a 25 nm centrada em torno de 22,5 26,27 nm. Eles podem ser classificados como partículas esféricas com uma estrutura de rede 4 de acolhimento α-NaYF. Existem dois passos críticos neste protocolo. Na síntese UCNP, é crucial para manter a temperatura de aquecimento e tempo tão preciso quanto possível para assegurar uma distribuição estreita de tamanho de partícula. A adição simultânea de NaOH e NH 4 F, juntamente com a adição de iões lantanídeos no início da reacção não deu nanopartículas com uma dimensão bem-distribuídos e boa morfologia. Após a adição de NaOH e NH 4 F, assegurar que a temperatura é mantida a 75 ° C durante um período de tempo suficientemente longo para destilar completamente fora de todo o metanol a partir do ponto de mistura solvente de elevado ponto de ebulição e em seguida elevar a temperatura para 300 ° C tão rapidamente quanto possível após a destilação para controlar o tamanho ó24 f nanopartículas.

Ao fazer nanoassemblies dispersíveis em água, pode às vezes ser um desafio para determinar a quantidade de UCNPs (Passo 2.2) e moléculas orgânicas (passo 2.6). Uma sugestão é começar com um pequeno volume das UCNPs (ou seja, 50 ul) e, em seguida, gradualmente, aumentar esta quantidade até um limite máximo é atingido. Com base nos nossos ensaios, uma combinação de 10 mg de partículas e moléculas orgânicas 2 x 10 -7 mol é a quantidade óptima para este tipo de encapsulamento. No entanto, embora este método pode transferir com sucesso compostos e nanopartículas orgânicas insolúveis em água para meio aquoso e manter os dois componentes em conjunto em estreita proximidade, este protocolo ainda tem limitações. Este processo de encapsulamento não é aplicável para moléculas solúveis em água ou nanopartículas sintetizados num ambiente aquoso (isto é, as nanopartículas de ouro), porque a maior interacção segurando o nanoassembly juntos é a hydrophobic efeito. Se uma molécula solúvel em água ou de nanopartículas é usado, ele irá provavelmente lixiviar para fora da camada de polímero hidrofóbico, mesmo se os polímeros inicialmente formar micelas.

Em conclusão, utilizando um protocolo de 'plug-and-play ", demonstramos como encapsular convenientemente cromóforos orgânicos hidrofóbicos e nanopartículas inorgânicas upconverting dentro de um invólucro de polímero anfifílico para gerar híbridos orgânico-inorgânico nanoassemblies dispersíveis em água fotossensíveis. O shell de polímero ajuda a manter o ambiente hidrofóbico que é benéfico para fotoreações orgânicos, o que torna esse 'plug-and-play "protocolo ideal para a preparação de sistemas fotossensíveis complexas para aplicações em ambientes aquosos. Os métodos existentes para fabricar nanossistemas dispersíveis em água, muitas vezes requer modificação química complicada, no entanto, este protocolo é capaz de transferir componentes não solúveis em água em água convenientemente sem a for modificação específica para esses componentes. O uso de luz infravermelha para ativar nanopartículas upconverting abre a oportunidade para fotoreações ativados baixo luz de energia, que é uma característica vantajosa para aplicações biológicas, uma vez que causa menos danos às células e tecidos em organismos vivos. Uma possível desvantagem desta técnica é a luz UV upconverted emitida a partir das nanopartículas, e usado para accionar as fotoreações energia mais elevados (ou seja foto-isomerização das moléculas diarylethene), poderia potencialmente causar danos a células ou organismos vivos. Para ultrapassar este problema, uma camada de protecção UV pode ser revestido sobre as nanopartículas para evitar que os fotões UV upconverted de sair. O nanosystem com fluorescência sintonizável nós demonstrado neste artigo tem o potencial de ser desenvolvido como um reagente bioimaging romance para super-resolução de imagem. Nós antecipamos o âmbito da utilização deste método 'plug-and-play "para fazer nanoassemb dispersíveis em águamentiras continuará a se expandir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Yttrium acetate Sigma 326046 Yttrium(III) acetate hydrate
Ytterbium acetate Sigma 544973 Ytterbium(III) acetate hydrate
Erbium acetate Sigma 325570 Erbium(III) acetate hydrate
Oleic acid Sigma 75096 analytical standard
Octadecene Sigma O806 Technical grade
NaOH Sigma S5881 reagent grade
NH4F Sigma 216011 ACS reagent
Poly(styrene-co-maleic anhydride) Sigma 442399 Average Mn = 1700
JeffAmine 2070 Huntsman M-2070
Varian Carry 300 Agilent
JDSU NIR laser JSDU L4-9897510-100M 980 nm diode laser

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Química edição 105 de água de dispersão plug and play upconverting nanopartículas diarylethene porfirina
Um método 'Plug and Play' para criar Nanoassemblies dispersáveis ​​em água contendo um polímero anfifílicas, corantes orgânicos e Upconverting Nanopartículas
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Arafeh, K. M., Asadirad, A. M., Li,… More

Arafeh, K. M., Asadirad, A. M., Li, J. W., Wilson, D., Wu, T., Branda, N. R. A 'Plug and Play' Method to Create Water-dispersible Nanoassemblies Containing an Amphiphilic Polymer, Organic Dyes and Upconverting Nanoparticles. J. Vis. Exp. (105), e52987, doi:10.3791/52987 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter