Introduction
Oggi c'è ancora un urgente bisogno di sviluppare nuovi tipi di agenti bio-imaging. Molti sonde fluorescenti nuovi sono stati ben documentati. 1-6 Tuttavia, i miglioramenti sostanziali nella risoluzione dell'immagine rimane una sfida. 7 Un metodo pratico è di modulare direttamente le sonde a fluorescenza tra una 'luce' stato emissivi ed uno stato bonificato 'dark'. 8-12 Questo particolare metodo è stato applicato a sviluppare tecnologie quali l'esaurimento emissione stimolata (STED) microscopia a 13 e stocastico microscopia ottica ricostruzione (STORM). 14
Un altro approccio per modulare fluorescenza è accoppiare cromofori fotorisposta insieme con sonde fluorescenti. 15,16 Toggling cromoforo fotosensibile tra due isomeri in cui solo uno degli isomeri può agire come un efficiente trasferimento di energia-accettore, permette il controllo sulla quenching della fluorescenza da the sonda attraverso trasferimento Förster Resonance Energy (FRET) e altri meccanismi. Il risultato è la creazione di uno stato emissiva ed uno stato temprato che può essere alternato da esposizione del cromoforo fotosensibile a diverse lunghezze d'onda della luce.
Cromofori diarylethene fotoresponsivi possono essere commutati tra reversibilmente un isomero anello aperto incolore e un anello chiuso isomero colorato su irradiazione con UV e luce visibile. 17-19 La stabilità termica dei due isomeri e gli spettri di assorbimento sintonizzabile dell'anello chiuso isomero make diarileteni molto buoni candidati come FRET controllabile accettori. nanoparticelle 20-23 Lanthanide drogato NaYF 4 Upconverting sono utili per bio-immagini. 24 Queste nanoparticelle assorbono la luce nel vicino infrarosso ed emettono luce in diverse regioni dello spettro visibile. Esempi di modulazione fluorescenza unendo cromofori diarylethene fotorisposta e nanoparticelle sono state preprecedentemente riportato dal nostro gruppo. 25-27 Tuttavia, i sistemi descritti in ciascun esempio necessaria una modifica sintetico aggiuntivo per collegare i diarileteni alla superficie delle nanoparticelle, che complica lo sviluppo di sistemi più diversi.
Qui si dimostra un semplice 'plug-and-play' il metodo per preparare molecole di colorante organico idrodisperdibili e nanoparticelle Upconverting fotorisposta utilizzando una strategia di self-assembly. La scelta dei polimeri; poli (stirene-alt anidride -maleic) e polietere ammina 2070 forniscono sia un ambiente idrofobico e idrofilo. Le sezioni idrofoba del polimero aiuto tenere i normalmente insolubili in acqua molecole organiche e nanoparticelle Upconverting insieme, considerando che la regione idrofila del polimero è fondamentale per mantenere la solubilità in acqua. Per prima dimostrare sintesi delle nanoparticelle Upconverting dal metodo nucleazione termico. Poi, proveremo how le molecole organiche e nanoparticelle Upconverting sono incapsulati all'interno delle regioni idrofobiche del guscio polimero e rimangono stabili in ambiente acquoso semplicemente co-agitazione una soluzione di nanoparticelle Upconverting, polimero e molecole diverse colorante organico, seguita da una comoda procedura di work-up. Dimostriamo anche come modulare emissione di fluorescenza delle assemblee con irradiazione di luce esterna. Anticipiamo il campo di applicazione di questo metodo 'plug-and-play' per rendere nanoassemblies idrodisperdibili continuerà ad espandersi.
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Protocol
1. Sintesi della NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ Upconverting nanoparticelle (UCNP)
- Sistemare il dispositivo come seguito:
- Posizionare un 250 ml di riscaldamento mantello su una piastra di agitazione regolare e collegare il mantello sulla coppia termico.
- Posizionare un pallone a fondo arrotondato da 250 ml dotato di ancoretta magnetica sul mantello di riscaldamento con la corretta chiusura.
- Collegare un adattatore di aria al collo sinistra del pallone a fondo tondo e collegare l'adattatore aria alla linea Schlenk con tubi di plastica.
- Collegare un adattatore di vetro a destra collo del pallone a fondo tondo e fissare un adattatore termometro sull'adattatore vetro. Inserire la sonda di temperatura nel pallone attraverso l'adattatore termometro e collegarlo alla termocoppia.
- Collegare un capo di distillazione al collo centro del pallone a fondo tondo. Posizionare un tappo sulla parte superiore della testa di distillazione. Collegare la testa ad un condensatore, seguito da un distillat vuotoAdattatore di ioni e un round pallone a fondo da 50 ml. Collegare l'adattatore di distillazione sotto vuoto di un gorgogliatore attraverso tubo di plastica.
- Pesare 1,17 g (3,9 mmoli) di acetato di ittrio, 0,439 g di acetato di itterbio e 0,0727 g (0,1 mmoli) di acetato di Erbio e metterli nella reazione pallone a fondo tondo.
- Aggiungere 30 ml di acido oleico e 75 ml di ottadecene alla beuta mediante un cilindro graduato.
- Risciacquare lato della reazione pallone a fondo tondo con 5 ml di metanolo per assicurarsi che nessun acido oleico e ottadecene è bloccato ai lati del pallone di reazione.
- Collegare il pallone di reazione di una doppia linea collettore Schlenk e girate la valvola corrispondente per mantenere il pallone di reazione collegato alla linea di azoto.
- Accendere termocoppia, impostare la temperatura a 80 ° C, e gradualmente riscaldare il sistema a questa temperatura. A 80 ° C e dopo tutte le materie prime sono dissolti, togliere la camicia di riscaldamento e permettere la reazione diraffreddare a 30 ° C.
- Quando la temperatura raggiunge i 30 ° C, togliere la testa di distillazione, commutare l'adattatore aria dal collo sinistra al collo centrale e chiudere il collo sinistro con un tappo. Lentamente introdurre vuoto per pallone di reazione ruotando la valvola sulla linea schlenk dalla linea di azoto alla linea del vuoto. Tutti i componenti a basso punto di ebollizione sarà tirato fuori dalla reazione a questo punto.
- Quando la soluzione ferma gorgogliare, alza la temperatura a 115 ° C in una velocità di 5 ° C / min.
- Una volta che la temperatura raggiunge 115 ° C, mantenere questa temperatura per 15 minuti, quindi rimuovere la camicia di riscaldamento e raffreddare la reazione a 50 ° C. In seguito, passare rapidamente il set-up torna alla forma originale riattaccare la testa di distillazione al collo di mezzo e l'adattatore aria sulla testa di sinistra.
- Pesare 0,74 g (12,5 mmol) di NaOH e 0,50 g (20,0 mmol) di NH 4 F durante il processo di raffreddamento, e dissolverliin 50 ml di metanolo per sonicazione.
- Dopo sonicazione, versare la soluzione nella reazione rotonda pallone a fondo e risciacquare le pareti del pallone con 5 ml di MeOH.
- La soluzione viene lasciata sotto agitazione a 50 ° C per 30 min.
- Aumentare la temperatura a 75 ° C per distillare il metanolo.
- Durante la distillazione, svuotare il pallone di raccolta quando necessario. Dopo la distillazione viene terminato, riscaldare la reazione a 300 ° C sotto protezione di azoto più velocemente possibile.
- Una volta che la temperatura raggiunge 300 ° C, mantenere questa temperatura per 1 ora. Se necessario, coprire il setup con un foglio di alluminio per aiutare a mantenere la temperatura. Togliere quindi fonte di calore e lasciare la reazione raffreddare a temperatura ambiente.
- Una volta raffreddata a temperatura ambiente, la soluzione dividere equamente in tre tubi centrifugazione (50 ml tubi, circa 35 ml di soluzione per ciascuna provetta) e rabboccare il tubo 50 ml scala utilizzando etanolo anidro. Centrifuga tutto tegli provette a 3.400 xg per 15 min. Dopo centrifugazione, i UCNPs dovrebbero essere osservati sul lato dei tubi come un precipitato bianco.
- Scartare il surnatante e redisperse il pellet UCNPs in esani (7,5 ml di esani per ogni tubo), quindi riempire il tubo con etanolo alla scala 50 ml. Provette da centrifuga di nuovo a 3.400 xg per 15 min.
- Una volta che la centrifugazione è completa, scartare il surnatante e redisperse le UCNPs solido in 30 ml di CHCl3 per ulteriore uso.
2. Nanoassemblies Assemblaggio di acqua dispersibili organici contenenti Dye Molecole e Upconverting Nanoparticelle
- Sciogliere 25 mg (0,0147 mmol) di poli (alt stirene anidride -maleic) (PSMA) in 3 ml di CHCl 3 in una fiala di scintillazione dotato di ancoretta magnetica. Questa quantità è una quantità ottimizzata dopo prove multiple.
- Aggiungere 250 microlitri (47 mg / ml) del upconverting nanoparticelle soluzione cloroformica azioni al Scintillation fiala.
- Chiudere la fiala e posizionarlo sulla piastra di agitazione magnetica, e agitare la soluzione a temperatura ambiente per 2 ore.
- Pesare 160 mg (0,0773 mmoli) di polietere ammina 2070, e sciogliere in 1 ml di CHCl3. Quindi aggiungere questa soluzione nella fiala di scintillazione in una porzione con una pipetta. La soluzione diventerà pallido giallo che indica la reazione di polietere ammina 2070 con i gruppi di anidride sul PSMA.
- Continuare ad agitare la soluzione per una notte a temperatura ambiente.
- Misurare la quantità appropriata di molecole di colorante organiche poi dispensare nel flaconcino scintillazione in una porzione, mescolare la soluzione risultante per 1 ora.
- Per il campione TPP-NP (nanoassembly contenente guscio di polimero, tetrafenil porfirina e nanoparticelle Upconverting), aggiungere direttamente 1 mg di tetrafenil porfirina al flaconcino scintillazione. Per il campione di DAE-UCNP (nanoassembly contenente guscio di polimero, le molecole diarylethene e upconverting nanoparticelles), la quantità di ciascuno molecole diarylethene è 2 × 10 -7 mol. Aggiungere le due molecole diarylethene nella soluzione di reazione. I volumi dei due molecole diarylethene sono: DAE-1o (1,8 mM), 111 microlitri e DAE-2o (1.6 mM), 125 microlitri.
- Rimuovere il CHCl3 solvente a pressione ridotta utilizzando un evaporatore rotante, quindi aggiungere 3 ml di NaOH acquosa 0,001 M (pH ≈ 11) al flaconcino scintillazione, seguito da sonicazione il flaconcino fino a formare una sospensione lattiginosa.
- Posizionare la fiala posteriore sull'evaporatore rotante, e rimuovere con attenzione il restante CHCl3 fino sospensione è trasformata in una soluzione limpida.
- Trasferire la soluzione dal flaconcino scintillazione ai tubi centrifugazione due 1,5 ml coniche, quindi centrifugare la soluzione a 20.600 xg per 25 min.
- Eliminare il supernatante, quindi aggiungere un totale di 3 ml di H 2 O deionizzata nei due tubi (1,5 ml per provetta), sonicare i tubi redisperse pelletnel deionizzata H 2 O.
- Centrifugare i due tubi di nuovo a 20.600 xg per 25 min.
- Eliminare il surnatante, quindi aggiungere un totale di 3 ml di H 2 O deionizzata nei due tubi (1,5 ml per provetta). Sonicare i tubi redisperse i pellet nel deionizzata H 2 O.
- Filtrare il campione nanoparticelle dispersione acquosa attraverso un filtro a siringa da 0,2 micron per ottenere il campione finale per ulteriori test.
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Representative Results
Spettri di assorbimento e spettri di fotoluminescenza sono stati raccolti per il campione DAE-UCNP. Gli spettri di assorbimento sono utilizzati per confrontare la sovrapposizione spettrale tra i cromofori diarylethene chiusi e le nanoparticelle Upconverting. Le fotografie dei campioni (sia TPP-UCNP e DAE-UCNP) sono stati inclusi anche per dimostrare il successo incapsulamento di molecole di colorante organico e nanoparticelle Upconverting, che si trovano all'interno dei gusci di polimeri anfifilici in fase acquosa. La modulazione della fotochimica e la fluorescenza è stato anche dimostrato da illuminazione dei campioni con diverse sorgenti luminose.
La teoria chimica 'come si scioglie come' spiega perché quando una aliquota della porfirina o UCNPs in cloroformio viene aggiunto all'acqua anche dopo scuotendo vigorosamente, entrambi rimangono nello strato organico (Figura 2, a, b, d, e). Tuttavia, quando si utilizza il 'plug-and-play' metodo di incapsulamento(Figura 1), un nanoassembly disperdibile in acqua (TPP-UCNP) contenente sia porfirina e UCNPs viene prodotto. Il motivo per cui abbiamo scelto tetrafenile porfirina come modello per lo studio è composto perché è un composto organico solubile in acqua e non ha interessanti applicazioni nella terapia fotodinamica. Quando si aggiunge una soluzione acquosa contenente i nanoassemblies al cloroformio, anche dopo agitando vigorosamente, i nanoassemblies rimasti nello strato di acqua (Figura 2, c ed f). L'utilizzo del guscio di polimero amfifilico ha due vantaggi: (1) crea un ambiente idrofobico interno che intrappola sia porfirina e UCNPs, e (2) crea un ambiente idrofilo esterno che interagisce con circostanti molecole di acqua per mantenere l'acqua-dispersibilità dell'intero gruppo. Il colore rosso del campione (Figura 3) è attribuito alle molecole di porfirina intrappolate all'interno del gruppo, e la presenza di porfirinamolecole è stata dimostrata utilizzando la spettroscopia di assorbimento UV-vis. Dopo irradiazione con un vicino infrarosso 980 nm laser, emissione verde è prodotto dal campione (Figura 2, cef, Figura 3), che è assegnato alle emissioni dal Er 3+ -doped NaYF 4 nanoparticelle Upconverting. Il protocollo di incapsulamento non richiede modifiche specifiche da apportare alle molecole incapsulati né scambio ligando delle UCNPs si propone dunque che questo protocollo 'plug-and-play' può essere applicato come una strategia generale per trasferire una varietà di differenti organico molecole di un solvente organico ad un mezzo acquoso.
Per dimostrare la versatilità della nostra procedura, abbiamo trasferito simultaneamente due diarileteni idrofobiche (DAE-1o e 2o DAE-) dal solvente organico all'acqua (figura 4) per generare un nanoassembly misto (DAE-UCNP). Diarylethenes sono molecole fotorisposta che subiscono la conversione tra un isomero anello aperto e un isomero anello chiuso. 28 Dopo irradiazione con luce UV, l'isomero anello aperto incolore viene convertito l'isomero anello chiuso colore, e l'esposizione alla luce visibile innesca la processo inverso. Queste reazioni sono illustrati nella Figura 4. Interconversione tra gli isomeri ad anello aperto e ad anello chiuso può essere ripetuto molte volte senza degrado significativo dei cromofori. Questi fotoreazioni sono tipicamente condotte in solventi organici, non solo per ragioni di solubilità, ma anche perché il processo di ciclizzazione è spesso ostacolato in acqua. Lo scarso rendimento di fotoreazioni in acqua è principalmente dovuta a: (1) soppresso reattività delle molecole diarylethene eccitate in solventi polari a causa di interazioni trasferimento di carica intramolecolari, e (2) la possibilità di collisione tra molecole organiche eccitate e molecole d'acqua che portano quenching di thall'e stati eccitati e spegnere la reazione photocyclization. Tuttavia, questi problemi possono essere superati attraverso l'incapsulamento della diarylethene all'interno di un guscio di polimero amfifilico per formare nanoassemblies idrodisperdibili.
Utilizzando lo stesso protocollo 'plug-and-play' descritto per i porfirine, diarileteni e nanoparticelle Upconverting sono stati incapsulati all'interno gusci polimerici per formare nanoassemblies idrodispersibili (Figura 2 e Figura 5). Gli spettri di assorbimento UV-vis dei due isomeri che subiscono reazioni di ciclizzazione e cycloreversion luce indotta nei nanoassemblies disperse in acqua sono mostrati in Figura 6. Come è tipico per diarileteni, nessuno degli isomeri anello-aperto (DAE-1o o ne demone 2o) assorbono nella regione visibile dello spettro elettromagnetico (Figura 6a). L'irradiazione degli isomeri ad anello aperto con 365 nm luce produce theicontroparti ad anello chiuso r (DAE-1c e DAE-2c). Questo è anche il motivo per cui il campione incolore (Figura 5a) cambiato in un campione arancione (Figura 5b) e ha mostrato un forte banda visibile nella UV-vis spettro (Figura 6a). L'irradiazione del campione di colore con la luce visibile di una lunghezza d'onda superiore a 434 nm sfuma il campione al suo stato originale incolore contenente gli isomeri ad anello aperto (DAE-1o e DAE-2o). Tutte le modifiche spettrali sono stati completati entro 3 minuti. Fotocromismo selettiva è stato osservato (Figura 6c), perché i due cromofori incapsulati all'interno del guscio di polimero di DAE-UCNP hanno bande di assorbimento ben separati. Quando il campione DAE-UCNP è stato irradiato con luce visibile di una lunghezza d'onda superiore a 650 nm, solo l'isomero DAE-2c anello chiuso è sensibile a questo particolare lunghezza d'onda della luceed è stato convertito per l'isomero DAE-2o anello aperto. Ciò si traduce in una diminuzione della banda di assorbimento a 647 nm visibile e produce una soluzione con un profondo colore arancione (figura 5c) dal fading selettivo di isomeri anello chiuso blu. In queste condizioni, la banda corrispondente al DAE-1c è pressoché invariata (linea continua in figura 6c arancione). Questi dati confermano la conclusione che il guscio di polimero amfifilico aiuta a trattenere l'efficienza fotoreazioni in acqua.
Quando la dispersione acquosa di nanoassembly DAE-UCNP è eccitato con luce 980 nm, le due bande centrate a 537 nm e 650 nm possono essere rilevati con un fluorimetro, che sono tipici per le nanoparticelle drogate con Erbio. La banda centrata a 537 nm (indicata come emissione di verde) può essere attribuita a [2 H 11/2, 4 S 3/2] 4 I 15/2 transizioni, mentre la banda di centered a 650 nm (indicato come emissione rossa) è il risultato di [4 F 9/2, 3/2 4 S] 4 I 15/2 transizioni (Figura 6b). Gli isomeri anello-aperto (DAE-1o e DAE-2o) non assorbono la luce visibile, e di conseguenza l'emissione di fluorescenza del campione DAE-UCNP non si spegne da uno degli isomeri anello-aperto. Tuttavia, l'irradiazione del campione con 365 nm luce converte isomeri ad anello aperto alle loro controparti ad anello chiuso (DAE-1c e DAE-2c) e ciascuno di essi assorbono fortemente la luce visibile. Poiché le bande di emissione dei UCNPs sovrappongono alle bande di assorbimento degli isomeri chiuso ad anello, il quenching dell'emissione UCNPs è ottenuto attraverso un processo di trasferimento di energia (Figura 6b). Questo processo è una combinazione di entrambi i meccanismi e FRET emissioni riassorbimento. 26 L'emissione originale può essere regeneratcato mediante irradiazione del campione con luce visibile di una lunghezza d'onda superiore a 434 nm di luce, che converte gli isomeri chiuso ad anello indietro alle corrispondenti isomeri anello-aperto. Come discusso in precedenza, le bande di emissione verde e rosso possono essere selettivamente temprati causa della fotocromismo selettiva del campione e la capacità di tempra le bande di emissione dai isomeri anello chiuso. Quando il campione viene irradiato con luce visibile di una lunghezza d'onda superiore a 650 nm, solo l'isomero DAE-2c anello chiuso viene restituito l'isomero DAE-2o anello aperto e l'emissione rossa viene rigenerato mentre l'emissione verde è ancora raffreddata a in una certa misura (Figura 6d).
Figura 1. Sintesi delle nanoassemblies (TPP-UCNP) contenente il polimero sia incapsulato il upconverting nanoparticelle e la porfirina tetrafenil.
Figura 2. Le fotografie che mostrano acqua strato delicatamente sulla sommità della CHCl3 contenente (a) TPP nella fase CHCl3, (b) le UCNPs nella fase CHCl3, (c) i nanoassemblies (TPP-UCNP) nella fase acquosa. Immagini (d), (e) e (f) sono delle fiale identici dopo che sono stati vigorosamente agitata e mostrando alcun trasferimento dei componenti alle altre fasi liquide. La luce verde e giallo osservata nelle immagini (b), (c), (e) e (f) sono dovute alla irradiazione con un laser 980 nm per mostrare la posizione di nanoparticelle Upconverting.
Figura 3. Fotografie di una soluzione acquosa dei nanoassemblies (TPP-UCNP) su irraggiamento con un laser 980 nm in luce ambiente (a sinistra) e al buio (destra).
Figura 4. nanoassembly misto (DAE-UCNP) contenente i polimeri incapsulati nanoparticelle Upconverting e due diarileteni diversi. Le reazioni anello di chiusura e l'anello di apertura fotoindotti delle diarileteni vengono visualizzati sulla destra.
Figura 5. Fotografie di soluzioni acquose dei nanoassemblies misti (DAE-UCNP) contenenti le diarileteni (a) in loro stati ad anello aperto (DAE-1o e DAE-2o), (b) alla loro stati fotostazionario contenenti DAE-1c e DAE-2c, e (c) con DAE-1o al suo stato fotostazionario e DAE-2o nella sua anello aperto modulo. Gli stati fotostazionario sono stati generati mediante irradiazione del campione con luce 365 nm per 2 min. Lo stato misto a (c) è stato generato selettivamente anello di apertura del DAE-2c con la luce di una lunghezza d'onda superiore a 490 nm. Le fotografie inferiori mostrano gli stessi campioni quando sono irradiati con un laser 980 nm nel buio.
Figura 6. (a) UV-vis spettri di assorbimento del nano-system-disperso acqua DAE-UCNP contenente diarileteni 1o 2o prima (linea continua) e dopo 365 nm irradiazione di luce (linea tratteggiata). Le barre verde e rosso rappresentano le bande di emissione di UCNPs quando eccitato con luce 980 nm per mostrare la sovrapposizione spettrale tra l'emissione dei UCNPs e l'assorbimento di diarileteni allo stato fotostazionario. (B) spettri di emissione fluorescente dello stesso campione (λ = 980 nm ex) prima (linea nera) e dopo (linea nera con zona ombreggiata grigia) irradiazione con luce 365 nm. (C) spettri di assorbimento UV-vis di DAE-UCNP allo stato fotostazionario (linea tratteggiata), dopo l'irradiazione con luce> 490 nm da stato fotostazionario (linea nera), e dopo l'irradiazione di luce> 650 nm da stato fotostazionario (linea arancione ). (D) emissione relativa di DAE-UCNP misurata quando il campione era stato fotostazionario (barra grigia), dopo l'irradiazione con> 650 nm luce dal photStato ostationary (barra arancione), e dopo l'irradiazione con> 490 nm luce dallo stato fotostazionario (barra bianca).
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Discussion
Le nanoparticelle sintetizzate secondo questo protocollo hanno una distribuzione dimensionale da 20 a 25 nm centrata a circa il 22,5 nm. 26,27 Possono essere classificati come particelle sferiche con una struttura reticolare 4 ospitante α-NaYF. Ci sono due passaggi critici di questo protocollo. Nella sintesi UCNP, è essenziale per mantenere la temperatura di riscaldamento ed il tempo il più preciso possibile per assicurare una stretta distribuzione della dimensione delle particelle. Simultanea aggiunta di NaOH e NH 4 F con l'aggiunta di ioni lantanidi all'inizio della reazione non ha dato nanoparticelle di dimensioni ben distribuito e buona morfologia. Dopo l'aggiunta di NaOH e NH 4 F, accertarsi che la temperatura viene mantenuta a 75 ° C per un periodo di tempo abbastanza lungo per distillare completamente fuori tutto il metanolo dal punto miscela solvente altobollente e quindi aumentare la temperatura a 300 ° C il più velocemente possibile dopo distillazione per controllare la dimensione of nanoparticelle. 24
Quando si effettuano nanoassemblies idrodispersibili, a volte può essere difficile determinare la quantità di UCNPs (Step 2.2) e molecole organiche (punto 2.6). Un suggerimento è di iniziare con un piccolo volume di UCNPs (cioè 50 mL) e poi aumentare gradualmente questa quantità fino al raggiungimento di una soglia. Sulla base di nostre prove, una combinazione di 10 mg di particelle e 2 × 10 -7 mol molecole organiche è la quantità ottimale per questo tipo di incapsulamento. Tuttavia, anche se questo metodo può trasferire composti organici e nanoparticelle insolubili in acqua per mezzo acquoso e tenere assieme i due componenti in stretta prossimità, questo protocollo ha ancora limitazioni. Questo processo di incapsulamento non è applicabile a molecole o nanoparticelle sintetizzate in un ambiente acquoso (cioè nanoparticelle di oro) idrosolubili perché la maggiore interazione esercita la nanoassembly insieme è il hydrophoeffetto bic. Se si utilizza una molecola idrosolubile o nanoparticelle, sarà probabilmente percolare dello strato di polimero idrofobo anche se i polimeri inizialmente formano micelle.
In conclusione, utilizzando un protocollo 'plug-and-play', dimostriamo come incapsulare comodamente cromofori organici idrofobici e nanoparticelle inorganiche Upconverting all'interno di un guscio di polimero amfifilico per generare fotorisposta ibridi organici-inorganici nanoassemblies idrodisperdibili. Il guscio di polimero contribuisce a mantenere l'ambiente idrofobico che è benefico per fotoreazioni organici, il che rende questa 'plug-and-play' protocollo ideale per la preparazione di sistemi fotoresponsivi complessi per applicazioni in ambienti acquosi. I metodi esistenti per fabbricare nanosistemi idrodispersibili richiede spesso complicata modificazione chimica, tuttavia, questo protocollo è in grado di trasferire componenti non solubili in acqua in acqua convenientemente senza la for modifica specifica tali componenti. L'uso di luce nel vicino infrarosso per attivare nanoparticelle Upconverting apre l'opportunità di luce a basso consumo energetico fotoreazioni attivato, che è una caratteristica vantaggiosa per le applicazioni biologiche in quanto provoca meno danni alle cellule e tessuti negli organismi viventi. Un possibile svantaggio di questa tecnica è la luce UV emessa dalla upconverted nanoparticelle, e utilizzato per innescare i fotoreazioni più alta energia (cioè foto-isomerizzazione di molecole diarylethene), potrebbe potenzialmente causare danni alle cellule o organismi viventi. Per superare questo problema, uno strato di protezione UV può essere rivestito su nanoparticelle per prevenire i fotoni UV upconverted fuoriuscita. Il nanosistema con fluorescenza sintonizzabile abbiamo dimostrato in questo articolo ha il potenziale per essere sviluppato come un reagente bioimaging romanzo per super-Resolution Imaging. Anticipiamo il campo di applicazione di questo metodo 'plug-and-play' per rendere nanoassemb idrodisperdibilebugie continuerà ad espandersi.
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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 |
References
- Fery-Forgues, S. Fluorescent organic nanocrystals and non-doped nanoparticles for biological applications. Nanoscale. 5 (18), 8428-8442 (2013).
- 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).
- 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).
- Luo, P. G., et al. Carbon-based quantum dots for fluorescence imaging of cells and tissues. RSC Adv. 4, 10791-10807 (2014).
- 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).
- Kairdolf, B. A., et al. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (1), 143-162 (2013).
- Huang, B., Bates, M., Zhuang, X.
- Fölling, J., et al. Photochromic Rhodamines Provide Nanoscopy with Optical Sectioning. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (33), 6266-6270 (2007).
- 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).
- Bossi, M., et al. Multicolor Far-Field Fluorescence Nanoscopy through Isolated Detection of Distinct Molecular Species. Nano Lett. 8 (8), 2463-2468 (2008).
- 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).
- Zou, Y., et al. Amphiphilic Diarylethene as a Photoswitchable Probe for Imaging Living Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (47), 15750-1 (2008).
- Westphal, V., et al. Video-Rate Far-Field Optical Nanoscopy Dissects Synaptic Vesicle Movement. Science. 320, 246-249 (2008).
- Zhuang, X. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Nat Photonics. 3, 365-367 (2009).
- Cusido, J., Deniz, E., Raymo, F. M. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Eur. J. Org. Chem. 13, 2031-2045 (2009).
- Raymo, F. M., Tomasulo, M. Electron and energy transfer modulation with photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 34, 327-336 (2005).
- Feringa, B. L. Molecular Switches. , Wiley-VCH. Weinheim. (2010).
- Tian, H., Yang, S. Recent progresses on diarylethene based photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 33, 85-97 (2004).
- 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).
- Norsten, T. B., Branda, N. R. Photoregulation of Fluorescence in a Porphyrinic Dithienylethene Photochrome. J. Am. Chem. Soc. 123 (8), 1784-1785 (2001).
- 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).
- Fölling, J., et al. Synthesis and Characterization of Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles. Small. 4 (1), 134-142 (2008).
- Jeong, J., et al. Photoreversible cellular imaging using photochrome-conjugated fullerene silica nanoparticles. Chem. Commun. 47, 10668-10670 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Irie, M. Photochromism: Memories and Switches Introduction. Chem. Rev. 100 (5), 1683-1684 (2000).
