שיטה 'הכנס והפעל' ליצירת Nanoassemblies מים מסיסות המכיל פולימר amphiphilic, צבעים אורגניים וupconverting חלקיקים

14D LABS and Department of Chemistry, Simon Fraser University
* These authors contributed equally
Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

היום יש עדיין צורך דחוף לפתח סוגים חדשים של סוכנים ביו-הדמיה. בדיקות ניאון רומן רבות תועדו היטב. 1-6 עם זאת, חל שיפור משמעותי ברזולוציית התמונה עדיין מהווה אתגר. 7 אחת שיטה מעשית היא לווסת ישירות בדיקות הקרינה בין מדינה 'אור' emissive ומדינה 'חשוכה' הרווה. 8-12 שיטה מסוימת זו יושמה לפתח טכנולוגיות כגון דלדול פליטה מאולץ (STED) מיקרוסקופיה 13 ומיקרוסקופיה סטוכסטיים שיקום אופטי (סערה). 14

גישה נוספת ללווסת הקרינה היא הזוג chromophores photoresponsive יחד עם בדיקות ניאון. 15,16 החלפת כרומופור photoresponsive בין שני איזומרים שבו רק אחד מאיזומרים יכול לשמש acceptor אנרגיה-העברה יעילה, מאפשר שליטה על מרווה של הקרינה מהבדיקה דואר באמצעות העברת פורסטר תהודת אנרגיה (סריג) ומנגנונים אחרים. התוצאה היא יצירת מדינת emissive ומדינה הרוותה ​​שיכול להיות לסירוגין על ידי חשיפה של chromophore photoresponsive לאורכי גל שונה של אור.

chromophores diarylethene Photoresponsive ניתן מתג השחרור הפיך בין האיזומר טבעת-פתוחה חסר צבע והאיזומר טבעת סגורה בצבע על קרינת UV ועם אור הנראה. 17-19 יציבות התרמית של שני איזומרים וספקטרום קליטה מתכונן לאיפור האיזומר-סגור הטבעת diarylethenes מועמדים טובים מאוד כסריג שליטה acceptors. חלקיקי upconverting מסומם-נתניד 20-23 NaYF 4 שימושיים ליו-הדמיה. 24 חלקיקים אלה לקלוט אור האינפרה-אדום קרוב ופולטים אור במספר אזורים של הספקטרום הנראה. דוגמאות לאפנון הקרינה על ידי שילוב של chromophores diarylethene photoresponsive וחלקיקים כבר מראשדיווח לציין על ידי הקבוצה שלנו. 25-27 עם זאת, המערכות שתוארו בכל דוגמא נדרשה שינוי סינטטי נוסף לצרף diarylethenes אל פני השטח של חלקיקים, אשר מסבך את הפיתוח של מערכות מגוונות יותר.

במסמך זה אנו מדגימים שיטה פשוטה "plug-and-play 'להכין מולקולות מים מסיסות צבע אורגני וחלקיקי upconverting photoresponsive משתמשים באסטרטגית הרכבה עצמית. הבחירה של פולימרים; פולי (אנהידריד -maleic alt styrene-) וpolyether אמין 2,070 לספק גם סביבה הידרופובי והידרופילי. הקטעים הידרופובי לסייע הפולימר להחזיק מולקולות אורגניות בדרך כלל מים מסיסים וחלקיקי upconverting יחד, ואילו האזור הידרופילי של הפולימר הוא קריטי לשמירה על המים המסיסות. אנחנו הראשונים נדגים סינתזה של חלקיקי upconverting בשיטת התגרענות התרמית. לאחר מכן, אנחנו נוכיח הוw המולקולות אורגניות וחלקיקי upconverting כמוסות בתוך אזורים הידרופובי של פגז הפולימר ולהישאר יציבים בתקשורת מימית, פשוט על ידי שיתוף ערבוב פתרון של חלקיקי upconverting, הפולימר ומולקולות צבע אורגניים שונות, ואחריו הליך עבודה-אפ נוח. אנחנו גם מדגימים כיצד לווסת פליטת הקרינה של האסיפות באמצעות הקרנת אור חיצונית. אנו צופים היקף השימוש בשיטה זו "plug-and-play 'לעשות nanoassemblies מים מסיסות ימשיך להתרחב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סינתזה של NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ upconverting החלקיקים (UCNP)

  1. להגדיר את המנגנון אחריו כמו:
    1. הנח מעטפת מיליליטר חימום 250 על צלחת ערבוב רגילה ולחבר את המעטפת על הזוג התרמי.
    2. הנח בקבוק 250 מיליליטר תחתון עגול מצוידים בבר ומערבבים מגנטי על מעטפת החימום עם הידוק נכון.
    3. צרף מתאם אוויר לצוואר השמאלי של הבקבוק התחתון העגול ולהתחבר מתאם האוויר הזה לקו Schlenk עם צינורות פלסטיק.
    4. צרף מתאם זכוכית לצוואר תקין של הבקבוק התחתון העגול ולתקן מתאם מדחום על מתאם הזכוכית. הכנס את הבדיקה הטמפרטורה לתוך הבקבוק באמצעות מתאם המדחום וחבר זה לצמד התרמי.
    5. צרף ראש זיקוק לצוואר אמצע הבקבוק התחתון העגול. הנח פקק בחלק העליון של ראש הזיקוק. חבר ועד ראש הקבל, ואחריו distillat ואקוםמתאם יון ובקבוק תחתון עגול 50 מיליליטר. חבר את מתאם הזיקוק בוואקום לbubbler דרך צינורות פלסטיק.
  2. שוקל 1.17 גר '(3.9 mmol) של אצטט איטריום, .439 גרם של אצטט איטרביום ו.0727 גרם (0.1 mmol) של אצטט ארביום ולמקם אותם בתגובת סיבוב הבקבוק תחתון.
  3. להוסיף 30 מיליליטר של חומצה אולאית ו -75 מיליליטר של octadecene לבקבוק באמצעות גליל סיים.
  4. יש לשטוף את הצד של תגובת סיבוב הבקבוק תחתון באמצעות 5 מיליליטר של מתנול לוודא כי אין חומצה אולאית וoctadecene תקועה לצדדים של בקבוק התגובה.
  5. חבר את בקבוק התגובה לקו כפול Schlenk הסעפת ולהפוך את השסתום המקביל לשמור את בקבוק התגובה מחובר לקו החנקן.
  6. הפעל את הצמד התרמי, להגדיר את הטמפרטורה עד 80 מעלות צלזיוס, ולחמם את המערכת בהדרגה לטמפרטורה זו. על 80 מעלות צלזיוס ואחרי כל החומרים מתחילים הם מומסים, להסיר את מעטפת החימום ולאפשר התגובה ללהתקרר עד 30 מעלות צלזיוס.
  7. כאשר טמפרטורה מגיעה ל -30 מעלות צלזיוס, תוריד את ראש הזיקוק, לעבור את מתאם האוויר מהצוואר השמאלי לאמצע הצוואר ולסגור את הצוואר השמאלי עם פקק. לאט לאט להציג את הוואקום לבקבוק התגובה על ידי סיבוב השסתום על קו Schlenk מקו החנקן לקו הוואקום. כל רכיבי נקודת הרתיחה הנמוכים יהיה שלף מהתגובה בשלב זה.
  8. כאשר הפתרון מפסיק מבעבע, להעלות את הטמפרטורה ל -115 מעלות צלזיוס במהירות של 5 מעלות צלזיוס / דקה.
  9. ברגע שהטמפרטורה מגיעה 115 מעלות צלזיוס, לשמור על טמפרטורה זו במשך 15 דקות, ולאחר מכן להסיר את מעטפת החימום ולקרר את התגובה ל -50 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, לעבור במהירות להגדיר בחזרה לצורתו המקורית על ידי reattaching ראש הזיקוק לצוואר הבינוני ומתאם האוויר לראש השמאל.
  10. לשקול את 0.74 גר '(12.5 mmol) של NaOH ו0.50 גר' (20.0 mmol) של NH 4 F במהלך תהליך הקירור, ולפזר אותםב 50 מיליליטר של מתנול ידי sonication.
  11. , לאחר sonication לשפוך את הפתרון לתגובת סיבוב הבקבוק תחתון ולשטוף את הצדדים של הבקבוק עם 5 מיליליטר של MeOH.
  12. השאר את פתרון ערבוב על 50 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
  13. להגדיל את הטמפרטורה עד 75 מעלות צלזיוס לזקק מתנול.
  14. במהלך הזיקוק, רוקן את בקבוק האוסף בעת צורך. לאחר הזיקוק נגמר, לחמם את התגובה 300 מעלות צלזיוס מתחת הגנת חנקן מהר ככל האפשר.
  15. ברגע שהטמפרטורה מגיעה ל 300 מעלות צלזיוס, לשמור על טמפרטורה זו במשך שעה 1. במידת הצורך, לכסות את ההתקנה עם נייר אלומיניום כדי לעזור לשמור על הטמפרטורה. ואז להסיר מקור חום ולאפשר התגובה להתקרר לטמפרטורת חדר.
  16. ברגע שזה התקרר לטמפרטורת חדר, לפצל את הפתרון באופן שווה לשלושה צינורות צנטריפוגה (50 מיליליטר צינורות, בערך 35 מיליליטר פתרון לכל צינור), ולמעלה למעלה הצינור לקנה מידה 50 מיליליטר באמצעות אתנול נטול מים. צנטריפוגה כל tהוא צינורות ב 3400 XG במשך 15 דקות. לאחר צנטריפוגה, יש לשים לב UCNPs בצד של הצינורות כמשקע לבן.
  17. בטל supernatant וredisperse כדורי UCNPs בhexanes (7.5 מיליליטר של hexanes לכל צינור), ולאחר מכן להשלים את הצינור עם אתנול לקנה מידת 50 מיליליטר. צנטריפוגה צינורות שוב ב3,400 XG במשך 15 דקות.
  18. ברגע שצנטריפוגה היא מוחלטת, לבטל את supernatant וredisperse UCNPs המוצק ב 30 מיליליטר של CHCl 3 לשימוש נוסף.

2. Nanoassemblies עצרת של מים-מסיסות המכיל אורגניות דיי מולקולות וחלקיקי upconverting

  1. ממיסים 25 מ"ג (.0147 mmol) של פולי (אנהידריד -maleic alt styrene-) (PSMA) ב 3 מיליליטר של CHCl 3 לתוך בקבוקון נצנץ מצויד בבר ומערבבים מגנטי. כמות זו היא כמות מותאמת לאחר ניסויים רבים.
  2. הוסף 250 μl (47 מ"ג / מיליליטר) של upconverting חלקיקי פתרון מניות כלורופורם לscintiבקבוקון llation.
  3. מכסה את הבקבוקון ולמקם אותו על צלחת ערבוב המגנטית, ומערבבים את הפתרון בטמפרטורת חדר למשך שעה 2.
  4. שוקל 160 מ"ג (.0773 mmol) של polyether אמין 2,070, ולפזר אותו ב 1 מיליליטר של CHCl 3. לאחר מכן להוסיף את הפתרון הזה לבקבוקון הנצנץ בחלק אחד באמצעות פיפטה. הפתרון יהפוך לצהוב חיוור המציין את התגובה של polyether אמין 2,070 עם קבוצות אנהידריד על PSMA.
  5. ממשיך לערבב פתרון הלילה בטמפרטורת חדר.
  6. מדוד את הכמות המתאימה של מולקולות צבע אורגניות אז מוציא אותו לתוך בקבוקון הנצנץ בחלק אחד, מערבבים הפתרון לשעה 1 וכתוצאה מכך.
    1. לדוגמא TPP-NP (nanoassembly המכיל פולימר פגז, פורפירין tetraphenyl וחלקיקי upconverting), להוסיף ישירות 1 מ"ג של פורפירין tetraphenyl לבקבוקון הנצנץ. לדוגמא DAE-UCNP (המכיל פולימר פגז, מולקולות diarylethene וננו-חלקיקי upconverting nanoassemblyים), הכמות של כל מולקולות diarylethene הוא 2 × 10 -7 mol. להוסיף שתי מולקולות diarylethene לפתרון התגובה. הכרכים לשתי מולקולות diarylethene הם: DAE-1o (1.8 מ"מ), 111 μl וDAE-2o (1.6 מ"מ), 125 μl.
  7. הסר את ממס CHCl 3 תחת לחץ מופחת באמצעות מאייד סיבובי, ולאחר מכן להוסיף 3 מיליליטר של 0.001 NaOH (≈ pH 11) המימי M לבקבוקון הנצנץ, אז sonicate הבקבוקון עד השעיה חלבית נוצר.
  8. מניחים את הבקבוקון בחזרה על המאייד הסיבובי, ולהסיר בזהירות את CHCl נותר 3 עד ההשעיה הפכה לפתרון ברור.
  9. מעבירים את הפתרון מבקבוקון הנצנץ לצינורות צנטריפוגה שני 1.5 מיליליטר חרוטי, אז צנטריפוגות הפתרון ב20600 XG במשך 25 דקות.
  10. בטל supernatant, ולאחר מכן להוסיף סך של 3 מיליליטר של H 2 O deionized לשני צינורות (1.5 מיליליטר לכל צינור), sonicate הצינורות לredisperse כדוריםבH deionized 2 O.
  11. צנטריפוגה שני צינורות שוב ב20600 XG במשך 25 דקות.
  12. בטל supernatant, ולאחר מכן להוסיף סך של 3 מיליליטר של H 2 O deionized לשני צינורות (1.5 מיליליטר לכל צינור). Sonicate הצינורות לredisperse כדורים בH deionized 2 O.
  13. סנן מדגם פיזור חלקיקים המימי דרך פילטר מזרק 0.2 מיקרומטר להשיג המדגם הסופי לבדיקות נוספות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ספקטרום קליטה וספקטרום photoluminescence נאספו למדגם DAE-UCNP. ספקטרום הקליטה משמש להשוואת החפיפה ספקטרלית בין chromophores diarylethene הסגור וחלקיקי upconverting. תמונות של הדגימות (שני TPP-UCNP וDAE-UCNP) נכללו גם להפגין אנקפסולציה המוצלחת של מולקולות אורגניות לצבוע וחלקיקי upconverting, אשר ממוקמים בתוך פגזי פולימר amphiphilic בשלב המימי. האפנון של פוטוכימיה וקרינה גם שמוצג על ידי הארת הדגימות עם מקורות אור שונים.

התאוריה הכימית "כמו מתמוסס כמו 'מסבירה מדוע כאשר aliquot של פורפירין או UCNPs בכלורופורם הוא הוסיף להשקות גם אחרי מרץ רועד, שניהם יישארו בשכבה האורגנית (איור 2, A, B, D ו- E). עם זאת, שיטת אנקפסולציה בעת שימוש ב'plug-and-play '(איור 1), nanoassembly מים מסיסות (TPP-UCNP) המכיל את שני פורפירין וUCNPs מיוצר. הסיבה שבחרנו tetraphenyl פורפירין כמתחם מודל ללמוד היא כי זה הוא תרכובת אורגנית מסיסה שאינם מים ויש לו יישומים מעניינים בטיפול פוטודינמי. כאשר תמיסה מימית המכילה nanoassemblies מתווספת לכלורופורם, גם לאחר תקיפות רועדות, nanoassemblies נשאר בשכבת המים (איור 2, C, F). השימוש בפגז פולימר amphiphilic יש שני יתרונות: (1) היא יוצרת סביבה הידרופובי פנימית שלוכדת שני פורפירין וUCNPs, ו- (2) זה יוצר סביבה חיצונית הידרופילי כי אינטראקציה עם מולקולות מים המקיפים לשמור מים dispersibility של כל ההרכבה. הצבע האדום של המדגם (איור 3) מיוחס למולקולות פורפירין לכודים בתוך ההרכבה, ואת הנוכחות של פורפיריןמולקולות הודגמו באמצעות ספקטרוסקופיה קליטת UV מול. עם הקרנה עם לייזר ננומטר קרוב אינפרא אדום 980, פליטה ירוקה מופקת מהמדגם (איור 2, C, F, איור 3), שהוקצה לפליטה מ3+ Er -doped NaYF 4 חלקיקי upconverting. פרוטוקול אנקפסולציה אינו דורש כל שינוי ספציפי שבוצע במולקולות במארז ולא התמורה ליגנד של UCNPs, ולכן אנו מציעים שפרוטוקול "plug-and-Play" זה יכול להיות מיושם כאסטרטגיה כללית להעברת מגוון אורגני שונה מולקולות מממס אורגני למדיום המימי.

כדי להדגים את הרבגוניות של התהליך שלנו, בו-זמנית הועבר שתי diarylethenes הידרופובי (DAE-1o וDAE-2o) מממס אורגני למים (איור 4) כדי ליצור nanoassembly מעורב (DAE-UCNP). Diarylethenes הן מולקולות photoresponsive שעוברות המרה בין האיזומר טבעת פתוחה וסגור האיזומר-טבעת. 28 עם ההקרנה עם אור UV, האיזומר טבעת-פתוחה חסר הצבע מומר להאיזומר טבעת סגורה בצבע, וחשיפה לאור הנראה מעוררת תהליך הפוך. תגובות אלה הן באיור 4. מרה הדדית בין איזומרים הטבעת פתוחה וסגור-טבעת ניתן לחזור פעמים רבות ללא השפלה משמעותית של chromophores. photoreactions אלו מבוצעות בדרך כלל בממסים אורגניים, לא רק מסיבות מסיסות אלא גם משום שתהליך cyclization לעתים קרובות הפריע במים. הביצועים הירודים של photoreactions במים נובעים בעיקר: (1) דוכא תגובתיות של מולקולות diarylethene נרגשות בממסים קוטביים בשל אינטראקציות העברת מטען intramolecular, ו- (2) לאפשרות של התנגשות בין מולקולות אורגניות נרגשות ומולקולות מים שיובילו ל מרווה של הדואר מדינות נרגשות וכיבוי תגובת photocyclization. עם זאת, ניתן להתגבר על בעיות אלה באמצעות אנקפסולציה של diarylethene בתוך קליפת פולימר amphiphilic כדי ליצור nanoassemblies מים מסיסות.

השימוש באותו הפרוטוקול "plug-and-play 'תאר לפורפירינים, diarylethenes וחלקיקי upconverting היו ארוזים בתוך פגזי פולימר ליצירת nanoassemblies מים מסיסות (איור 2 ואיור 5). ספקטרום קליטת UV מול שני איזומרים שעוברים תגובות cyclization וcycloreversion אור מושרה בתוך nanoassemblies המפוזר במים מוצג באיור 6. כאופייני לdiarylethenes, אף אחד מאיזומרים נפתח הטבעת (DAE-1o או DAE- 2o) לספוג באזור הגלוי של הספקטרום האלקטרומגנטי (איור 6 א). הקרנה של איזומרים נפתח טבעת עם 365 ננומטר אור מייצרת theiעמיתי r-סגור טבעת (DAE-1c וDAE-2C). זו גם הסיבה שהמדגם חסר הצבע (איור 5 א) השתנה למדגם בצבע כתום (איור 5) והראה להקה גלויה חזקה בUV מול הקשת (איור 6 א). הקרנה של המדגם הצבעוני עם אור הנראה של אורך גל גדול יותר מאשר 434 ננומטר נמוג המדגם למדינה חסרת הצבע המקורי שלה המכילה את איזומרים נפתח טבעת (DAE-1o וDAE-2o). כל שינויי הרפאים הושלמו תוך 3 דקות. פוטוכרומיזם סלקטיבי נצפה (איור 6 ג) כי יש לי שני chromophores כמוס בתוך קליפת הפולימר של DAE-UCNP להקות קליטה גם נפרדות. כאשר מדגם DAE-UCNP היה מוקרן באור הנראה של אורך גל גדול יותר מ -650 ננומטר, DAE-2c האיזומר-סגור הטבעת רק מגיב לגל מסוים של אורהיה והמיר לDAE-2o האיזומר נפתח הטבעת. התוצאה היא ירידה בלהקת הקליטה גלויה ב647 ננומטר ומניבה פתרון עם (5 ג איור) צבע כתום עמוקים יותר מהדהייה סלקטיבית של איזומרים-סגור טבעת כחול. בתנאים אלה, הלהקה המתאימה לDAE-1c הוא (קו כתום מוצק באיור 6 ג) כמעט ללא שינוי. נתונים אלה תומכים במסקנה כי פגז פולימר amphiphilic עוזר לשמר את היעילות של photoreactions במים.

כאשר הפיזור המימי של nanoassembly DAE-UCNP הוא נרגש עם 980 ננומטר אור, שתי הלהקות מרוכזות ב537 ננומטר ו -650 ננומטר יכולים להיות מזוהים עם fluorometer, שהם אופייניים לחלקיקים מסוממים ארביום. הלהקה מרוכזת ב537 ננומטר (מסומנת כפליטה ירוקה) ניתן לייחס ל[ 2 H 11/2, 4 S 3/2] 4 אני 15/2 מעברים תוך תורקיה הלהקהד ב 650 ננומטר (מסומן כפליטה אדומה) הוא התוצאה של [4 F 9/2, 3/2 4 S] 4 אני 15/2 מעברים (איור 6 ב). איזומרים נפתח הטבעת (DAE-1o וDAE-2o) לא לספוג כל אור הנראה, וכתוצאה מכך פליטת הקרינה של המדגם DAE-UCNP לא הרוותה ​​ידי מי מאיזומרים נפתח הטבעת. עם זאת, הקרנה של המדגם עם 365 ננומטר אור ממירה את איזומרים נפתח טבעת לעמיתיהם-סגור טבעת (DAE-1c וDAE-2C) ושניהם מאוד לספוג אור הנראה. מאז להקות הפליטה מUCNPs חפיפה עם להקות הקליטה של איזומרים-סגור טבעת, מרווה של פליטת UCNPs מושגת באמצעות תהליך העברת אנרגיה (איור 6 ב). תהליך זה הוא שילוב של שניהם מנגנוני סריג ופליטה-ספיגה. 26 הפליטה המקורית יכולה להיות regeneratאד על ידי הקרנה של המדגם עם אור הנראה של אורך גל גדול יותר מאשר 434 ננומטר אור, אשר ממיר את איזומרים-סגור טבעת חזרה לאיזומרים נפתח טבעת המקבילה. כפי שנאמר לפני, להקות פליטה ירוקה ואדום יכולות להיות הרווה באופן סלקטיבי בגלל פוטוכרומיזם סלקטיבית של המדגם והיכולת של מרווה להקות הפליטה ידי איזומרים-סגור טבעת. כאשר המדגם הוא מוקרן עם אור הנראה של אורך גל גדול יותר מ -650 ננומטר, רק DAE-2c האיזומר-סגור הטבעת חזר לDAE-2o האיזומר נפתח טבעת והפליטה האדומה נוצרה מחדש תוך הפליטה הירוקה עדיין הרווה ל כמה. מידה (6d איור)

איור 1
איור 1. סינתזה של nanoassemblies (TPP-UCNP) המכילה את הפולימר במארז שני upconvertin חלקיקים גרם ופורפירין tetraphenyl.

איור 2
איור 2. תמונות מראים מים שכבתיים בעדינות על גבי CHCl 3 המכילים (א) TPP בשלב CHCl 3, (ב) UCNPs בשלב CHCl 3, (ג) nanoassemblies (TPP-UCNP) בשלב המים. תמונות (ד), (ה) ו- (ו) הן בבקבוקונים הזהים לאחר שהתערערו במרץ ולא מראה העברה של הרכיבים לשלבי נוזל האחרים. האור הירוק וצהוב שנצפה בתמונות (ב), (ג), (ה) ו- (ו) הם תוצאה של הקרינה עם לייזר 980 ננומטר להראות את המיקום של חלקיקי upconverting.

= "תמיד"> איור 3
איור 3. תמונות של תמיסה מימית של nanoassemblies (TPP-UCNP) על הקרנה עם לייזר 980 ננומטר באור הסביבה (משמאל) ובחושך (מימין).

איור 4
איור 4. מעורב nanoassembly (DAE-UCNP) המכיל את חלקיקי upconverting פולימר כמוס ושתי diarylethenes שונה. תגובות טבעת הסגירה ופתיחת טבעת המושרות של diarylethenes מוצגות בצד הימין.

איור 5
5. תמונות איור של תמיסות מימיות של nanoassemblies המעורב (DAE-UCNP) המכיל את diarylethenes () in מדינות הטבעת-הפתוחה שלהם (DAE-1o וDAE-2o), (ב) במדינות photostationary מכילות DAE-1c וDAE-2C, ו- (ג) עם DAE-1o במצבו photostationary וDAE-2o בה טבעת-פתוחה צורה. מדינות photostationary נוצרו על ידי הקרנה של המדגם עם ננומטר אור 365 למשך 2 דקות. המדינה המעורבת ב( ג) נוצרה על ידי סלקטיבי טבעת פתיחת DAE-2c עם אור באורכי גל גדול יותר מאשר 490 ננומטר. התמונות התחתונה מראות את אותו דגימות כאשר הם מוקרן עם לייזר 980 ננומטר בחושך.

איור 6
איור 6. (א) UV מול ספקטרום קליטה של ננו-מערכת פיזור המים DAE-UCNP מכיל diarylethenes 1o ו2o לפני (קו מוצק) ולאחר 365 הקרנת אור ננומטר (קו מקווקו). הפסים הירוקים ואדומים מייצגים את להקות הפליטה של ​​UCNPs כאשר נרגשים עם 980 ננומטר אור כדי להראות את החפיפה ספקטרלית בין הפליטה של ​​UCNPs והקליטה של ​​diarylethenes במדינת photostationary. (ב) ספקטרום פליטת ניאון של אותו המדגם (לשעבר = 980 ננומטר λ) לפני (קו שחור) ואחרי (קו שחור עם אזור מוצל אפור) הקרנה עם 365 ננומטר אור. ספקטרום קליטת UV מול של DAE-UCNP ב( הקו המקווקו) מדינת photostationary (ג), אחרי הקרנה עם> 490 ננומטר אור ממדינת photostationary (קו שחור), ולאחר הקרנה עם> 650 ננומטר אור ממדינת photostationary (קו כתום ). פליטה יחסית של DAE-UCNP (ד) נמדדה כאשר המדגם היה במדינת photostationary (בר אפור), לאחר הקרנה עם> 650 ננומטר אור מאוריהמדינת ostationary (סרגל כתום), ולאחר ההקרנה עם> 490 ננומטר אור ממדינת photostationary (בר הלבן).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

יש לי חלקיקים מסונתזים על פי פרוטוקול זה התפלגות גודל 20-25 ננומטר מרוכז בסביבות 22.5 ננומטר. 26,27 הם יכולים להיות מסווגים כחלקיקים כדוריים עם מבנה סריג 4 מארח α-NaYF. ישנם שני שלבים קריטיים בפרוטוקול זה. בסינתזת UCNP, זה חיוני כדי לשמור על טמפרטורת החימום והזמן מדויק ככל האפשר כדי להבטיח הפצה צרה של גודל חלקיקים. בנוסף בו זמנית של NaOH וNH 4 F יחד עם התוספת של יוני lanthanides בתחילת התגובה לא הניבה חלקיקים בגודל מופץ היטב ומורפולוגיה טובה. לאחר התוספת של NaOH וNH 4 F, להבטיח שהטמפרטורה נשמרת על 75 מעלות צלזיוס במשך מספיק זמן תקופת הזמן לזקק לחלוטין את כל מתנול מתערובת ממס נקודת רתיחה הגבוהה ולאחר מכן להעלות את הטמפרטורה ל -300 מעלות C מהר ככל האפשר לאחר הזיקוק לשלוט o הגודלו חלקיקים. 24

בעת ביצוע nanoassemblies מים מסיסות, לפעמים זה יכול להיות מאתגר כדי לקבוע את כמות UCNPs (שלב 2.2) ומולקולות אורגניות (שלב 2.6). הצעה אחת היא להתחיל עם נפח קטן של UCNPs (כלומר 50 μl) ולאחר מכן להגדיל בהדרגה כמות זו עד לסף. בהתבסס על המחקרים שלנו, שילוב של 10 מ"ג של חלקיקים ומולקולות אורגניות 2 × 10 -7 mol הוא הכמות האופטימלית עבור סוג זה של אנקפסולציה. עם זאת, למרות ששיטה זו יכולה להעביר בהצלחה תרכובות אורגניות מסיסים במים וחלקיקים למדיום מימיים ולהחזיק יחד את שני מרכיבים בסמיכות, פרוטוקול זה עדיין יש מגבלות. תהליך אנקפסולציה זו אינו ישים למולקולות מסיסים במים או חלקיקים מסונתזים בסביבה מימית (כלומר חלקיקי זהב) כי האינטראקציה הגדולה מחזיקה nanoassembly יחד היא hydrophoהשפעת BIC. אם מולקולה מסיסה במים או ננו-חלקיקים משמשת, סביר להניח שיץ משכבת ​​הפולימר הידרופובי גם אם הפולימרים תחילה טופס מיצלות.

לסיכום, שימוש בפרוטוקול "plug-and-play ', אנו מדגימים כיצד לתמצת בנוחות chromophores האורגני הידרופובי וחלקיקי upconverting אורגניים בתוך קליפת פולימר amphiphilic ליצור nanoassemblies מים מסיסות photoresponsive ההיברידי אורגני-אורגני. פגז הפולימר עוזר לשמור על הסביבה הידרופובי שמועילה לphotoreactions אורגני, מה שהופך את זה "plug-and-play 'פרוטוקול אידיאלי להכנת מערכות photoresponsive המורכבות עבור יישומים בסביבות מימיות. השיטות קיימות לבודת ננו-מסיסות מים לעתים קרובות דורשת שינוי כימי מסובך, עם זאת, פרוטוקול זה הוא מסוגל להעביר רכיבים מסיסים במים שאינם למים בנוחות מבלי FOr שינוי ספציפי לרכיבים אלה. השימוש באור אינפרה-אדום קרוב כדי להפעיל חלקיקי upconverting פותח ההזדמנות לphotoreactions מופעל אור האנרגיה נמוך שהיא תכונת יתרון עבור יישומים ביולוגיים שכן הוא גורם פחות נזק לתאים ורקמות באורגניזמים חיים. חסרון אפשרי לטכניקה זו הוא אור upconverted UV הנפלט מהחלקיקים, ומשמש להפעלת photoreactions האנרגיה גבוהה יותר (כלומר צילום isomerization של מולקולות diarylethene), עלול לגרום לניזק לתאים או אורגניזמים חיים. כדי להתגבר על בעיה זו, שכבת הגנת UV יכולה להיות מצופה בחלקיקים כדי למנוע את הפוטונים UV upconverted מלצאת. Nanosystem עם הקרינה מתכונן הפגנו במאמר זה יש את הפוטנציאל להיות מפותח כמגיב bioimaging חדשני להדמיה ברזולוציה סופר. אנו צופים ההיקף של שימוש בשיטה "plug-and-play 'זה לעשות nanoassemb מים מסיסותשקרים ימשיכו להתרחב.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics