A 'Plug and Play' metode til at skabe Vanddispergerbare Nanoassemblies indeholdende en amfifile polymer, organiske farvestoffer og upconverting Nanopartikler

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

I dag er der stadig et presserende behov for at udvikle nye typer af bio-billeddannende midler. Mange nye fluorescerende prober er veldokumenteret. 1-6 er dog væsentlige forbedringer i billedopløsningen fortsat en udfordring. 7 En praktisk metode er at direkte modulere fluorescens sonder mellem en "light" emitterende stat og en "mørk" slukket tilstand. 8-12 Denne særlige metode er blevet anvendt til at udvikle teknologier som stimuleret emission depletion (STED) mikroskopi 13 og stokastisk optisk genopbygning mikroskopi (STORM). 14

En anden fremgangsmåde til at modulere fluorescensen er at par photoresponsive kromoforer sammen med fluorescerende prober. 15,16 Toggling photoresponsive kromofor mellem to isomerer, hvor kun en af isomererne kan fungere som en effektiv energioverførselsfarvestofpar acceptor, giver kontrol over quenching af fluorescens fra the sonde gennem Förster Resonance Energy Transfer (FRET) og andre mekanismer. Resultatet er oprettelsen af ​​en emitterende tilstand og en slukket tilstand, som kan skiftes af udsættelse af photoresponsive kromofor til forskellige bølgelængder af lys.

Photoresponsive diarylethene kromoforer kan reversibelt skiftes mellem en farveløs ring-åben isomer og en farvet ring-lukket isomer ved bestråling med UV og synligt lys. 17-19 Den termiske stabilitet af de to isomerer og afstemmelige absorptionsspektre af ringsluttes isomer make diarylethenes meget gode kandidater som styrbar FRET acceptorer. 20-23 lanthanid-doteret NaYF 4 upconverting nanopartikler er anvendelige til bio-imaging. 24 Disse nanopartikler absorberer nær-infrarødt lys og udsender lys i flere regioner i det synlige spektrum. Eksempler på fluorescens graduering ved at kombinere photoresponsive diarylethene chromophorer og nanopartikler er blevet præligere rapporteret af vores gruppe. 25-27, de der er beskrevet i hvert eksempel kræves imidlertid en yderligere syntetisk modifikation at fastgøre diarylethenes til overfladen af nanopartiklerne, hvilket komplicerer udviklingen af flere forskellige systemer.

Heri viser vi en simpel 'plug-and-play "metode til at forberede vanddispergerbare organisk farvestof molekyler og photoresponsive upconverting nanopartikler ved hjælp af en selv-samling strategi. Valget af polymerer; poly (styren alt -maleic anhydrid) og polyether amin 2070 giver både en hydrofob og hydrofil miljø. Den hydrofobe del af polymeren hjælp til at holde de normalt vanduopløselige organiske molekyler og upconverting nanopartikler sammen, mens den hydrofile region i polymeren er kritisk for opretholdelse af vandopløseligheden. Vi vil først vise syntesen af ​​opkonvertere nanopartikler ved den termiske kernedannelse metode. Derefter vil vi bevise how de organiske molekyler og upconverting nanopartikler er indkapslet inden hydrofobe regioner i den polymere skal og forbliver stabile i vandige medier ved at co-omrøring af en opløsning af op-konverterende nanopartikler, polymer og forskellige organiske farvestofmolekyler, efterfulgt af en passende oparbejdning procedure. Vi viser også, hvordan man kan modulere fluorescensemission af forsamlinger hjælp eksterne lys bestråling. Vi forventer omfanget af at bruge denne 'plug-and-play "metode til at gøre vanddispergerbare nanoassemblies vil fortsætte med at ekspandere.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese af NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ opkonvertere Nanopartikler (UCNP)

  1. Opsæt apparatet som følges:
    1. Placer en 250 ml varmekappe på en regelmæssig omrøring plade og stik kappen på den termiske par.
    2. Placer en 250 ml rundbundet kolbe udstyret med en magnetisk omrører på varmekappe med korrekt fastspænding.
    3. Vedhæft en luft-adapter til venstre hals rundbundet kolbe og tilslut denne luft adapteren til Schlenk linie med plastrør.
    4. Vedhæft et glas adapter til højre hals rundbundet kolbe og løse et termometer adapter på glasset adapter. Sæt temperaturen sonde i kolben gennem termometeret adapter og tilslut dette til termoelement.
    5. Vedhæfte et destillationshoved til midten hals rundbundet kolbe. Placer en prop oven på destillationshoved. Slut hovedet til en kondensator, efterfulgt af et vakuum distillation adapter og en 50 ml rundbundet kolbe. Slut vakuumdestillation adapteren til en bobleflasken gennem plastrør.
  2. 1,17 g (3,9 mmol) af yttrium-acetat, 0,439 g ytterbium acetat og 0,0727 g (0,1 mmol) af erbium acetat vejes, og placere dem i reaktionen rundbundet kolbe.
  3. Der tilsættes 30 ml oliesyre og 75 ml octadecen til kolben med en gradueret cylinder.
  4. Skyl side af reaktionen rundbundet kolbe under anvendelse af 5 ml methanol for at sikre, at ingen oleinsyre og octadecen sidder fast på siderne af reaktionskolben.
  5. Reaktionskolben forbindelse til en dobbelt manifold Schlenk linie og slår de tilsvarende ventil til at holde reaktionskolben forbundet til nitrogentilledning.
  6. Tænd termoelement, indstille temperaturen til 80 ° C, og gradvist opvarme systemet til denne temperatur. Ved 80 ° C, og efter alle udgangsmaterialer opløses, fjernes varmekappen, og reaktionen tilkøle ned til 30 ° C.
  7. Når temperaturen når 30 ° C, tag destillation hoved, skifte luften adapteren fra venstre halsen til midten hals og lukke venstre halsen med en prop. Langsomt indføre vakuum til reaktionskolben ved at dreje ventilen på Schlenk linie fra nitrogen linje til vakuumledningen. Alle de lavtkogende komponenter vil blive trukket ud fra reaktionen på dette tidspunkt.
  8. Når opløsningen stopper boblende, oprejse temperaturen til 115 ° C i en hastighed på 5 ° C / min.
  9. Når temperaturen når 115 ° C, holder denne temperatur i 15 minutter, fjern derefter varmekappe og køle ned reaktionen til 50 ° C. Bagefter hurtigt skifte opsætningen tilbage til den oprindelige form ved genmonteres destillationshoved til midten hals og luft adapteren til venstre hoved.
  10. I løbet af køleprocessen afvejes 0,74 g (12,5 mmol) NaOH og 0,50 g (20,0 mmol) af NH4 F og opløse demi 50 ml methanol ved sonikering.
  11. Efter sonikering, opløsningen hældes reaktionen rundbundet kolbe og skyl siderne af kolben med 5 ml MeOH.
  12. Lad opløsningen under omrøring ved 50 ° C i 30 minutter.
  13. Hæves temperaturen til 75 ° C for at destillere methanol.
  14. Under destillationen, tømme indsamlingen kolben når det er nødvendigt. Efter destillationen er afsluttet, opvarmes reaktionsblandingen til 300 ° C under beskyttelse nitrogen så hurtigt som muligt.
  15. Når temperaturen når 300 ° C, holder denne temperatur i 1 time. Hvis det er nødvendigt, dække setup med alufolie for at hjælpe med at opretholde temperaturen. Derefter fjernes varmekilden, og reaktionen afkøle til stuetemperatur.
  16. Når det er afkølet til stuetemperatur, delt opløsningen jævnt i tre centrifugeringsrør (50 ml rør, ca. 35 ml opløsning pr hvert rør), og påfyld røret til 50 ml skala under anvendelse af vandfrit ethanol. Centrifuge alle than rør ved 3.400 xg i 15 min. Efter centrifugering bør UCNPs observeres på den side af rørene som et hvidt bundfald.
  17. Supernatanten fjernes, og redispergere de UCNPs pellets i hexaner (7,5 ml hexaner pr hvert rør), derefter top op røret med ethanol til 50 ml skala. Centrifugerør igen ved 3.400 xg i 15 minutter.
  18. Når centrifugeringen er færdig, kassere supernatanten og gendispergere de faste UCNPs i 30 ml CHCl3 til videre brug.

2. Montering af vanddispergerbart Nanoassemblies indeholdende organiske farvemolekyler og upconverting Nanopartikler

  1. Opløs 25 mg (0,0147 mmol) af poly (styren alt -maleic anhydrid) (PSMA) i 3 ml CHCl3 i et scintillationshætteglas udstyret med en magnetisk omrører. Denne mængde er en optimeret mængde efter flere forsøg.
  2. Tilføj 250 pi (47 mg / ml) af opkonvertere nanopartikler chloroform stamopløsning til scintillation hætteglas.
  3. Luk hætteglasset og placere den på den magnetiske omrøring plade, og opløsningen omrøres ved stuetemperatur i 2 timer.
  4. 160 mg (0,0773 mmol) polyether afvejes amin 2070, og opløs det i 1 ml CHCl3. Derefter tilsættes denne opløsning til scintillationshætteglas i en portion ved anvendelse af en pipette. Løsningen vil vende til lysegul angiver omsætningen af ​​polyetheramin 2070 med anhydridgrupper på PSMA.
  5. Fortsæt med at omrøre opløsningen natten over ved stuetemperatur.
  6. Mål en passende mængde af organiske farvestofmolekyler derefter dispensere det i scintillationshætteglas i en portion, omrøres den resulterende opløsning i 1 time.
    1. For prøven TPP-NP (nanoassembly polymer skal, tetraphenyl porfyrin og upconverting nanopartikler), direkte tilsættes 1 mg tetraphenyl porfyrin til scintillationshætteglas. For prøven DAE-UCNP (nanoassembly polymer skal, diarylethene molekyler og upconverting nanopartikels), mængden af hver diarylethene molekyler er 2 × 10 -7 mol. Tilsæt to diarylethene molekyler i reaktionsopløsningen. Mængderne for de to diarylethene molekyler er: DAE-1o (1,8 mM), 111 pi og DAE-2o (1,6 mM), 125 pi.
  7. Fjern CHCl3 opløsningsmidlet under reduceret tryk under anvendelse af en rotationsfordamper, hvorefter der tilsættes 3 ​​ml 0,001 M vandig NaOH (pH ≈ 11) til scintillationshætteglas, derefter sonikeres hætteglasset, indtil en mælkeagtig suspension dannes.
  8. Placer hætteglasset tilbage på rotationsinddamperen, og omhyggeligt fjerne det resterende CHCl3, indtil suspensionen har henvendt sig til en klar opløsning.
  9. Opløsningen overføres fra scintillationshætteglas til to 1,5 ml koniske centrifugeringsrør, centrifugeres opløsningen ved 20.600 xg i 25 min.
  10. Supernatanten fjernes, hvorefter der tilsættes i alt 3 ml deioniseret H2O i de to rør (1,5 ml pr rør), sonikeres rørene til redispergere pelletsi deioniseret H 2 O.
  11. Centrifuger de to rør igen ved 20.600 xg i 25 min.
  12. Supernatanten fjernes, hvorefter der tilsættes i alt 3 ml deioniseret H2O i de to rør (1,5 ml pr rør). Sonikeres rørene til redispergere pellets i deioniseret H 2 O.
  13. Foretage vandige dispersion nanopartikler prøven gennem en 0,2 um sprøjtefilter at opnå den endelige prøve til yderligere testning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Absorptionsspektre og fotoluminescensspektrene blev indsamlet for prøve DAE-UCNP. Absorptionsspektre anvendes til at sammenligne spektral overlapning mellem den lukkede diarylethene kromoforer og upconverting nanopartikler. Fotografier af prøverne (både TPP-UCNP og DAE-UCNP) blev også inkluderet for at demonstrere vellykket indkapsling af organiske farvestofmolekyler og upconverting nanopartikler, som er placeret inden for de amfifile polymer skaller i den vandige fase. Modulering af fotokemi og fluorescens blev også vist ved belysning af prøverne med forskellige lyskilder.

Den kemiske teori "som opløses som forklarer grunden til, når en portion af porphyrin eller UCNPs i chloroform tilsættes til vand selv efter kraftigt omrystning begge forbliver i den organiske fase (figur 2, a, b, d og e). Men når du bruger den "plug-and-play" indkapsling metode(Figur 1), et vanddispergerbart nanoassembly (TPP-UCNP) indeholdende både porphyrin og UCNPs produceres. Grunden til at vi valgte tetraphenyl porphyrin som en model til at studere forbindelse, fordi det er et ikke-vandopløseligt organisk forbindelse, og det har interessante programmer i fotodynamisk terapi. Når en vandig opløsning indeholdende de nanoassemblies tilsættes til chloroform, selv efter kraftigt omrystning de nanoassemblies forblev i vandlaget (figur 2, c og f). Anvendelsen af ​​den amfifile polymer skal har to fordele: (1) den skaber en intern hydrofobt miljø, der fælder både porphyrin og UCNPs, og (2) Det skaber en ekstern hydrofil miljø, der vekselvirker med omgivende vandmolekyler til at opretholde vanddispergerbarhed af hele aggregatet. Den røde farve af prøven (figur 3) er tilskrevet porphyrin molekyler fanget i samlingen, og tilstedeværelsen af porphyrinmolekyler blev påvist under anvendelse af UV-vis spektroskopi. Ved bestråling med en nær-infrarødt 980 nm laser, er grøn emission fremstillet fra prøven (figur 2, c og f, figur 3), som er overdraget til emissionen fra ER 3+ doteret NaYF 4 upconverting nanopartikler. Indkapslingen-protokollen kræver ingen specifikke ændringer der skal foretages i de indkapslede molekyler eller ligandudveksling af UCNPs derfor foreslår vi, at dette "plug-and-play" protokol kan anvendes som en generel strategi for at overføre en række forskellige organiske molekyler fra et organisk opløsningsmiddel til et vandigt medium.

For at demonstrere Alsidigheden af vores procedure, vi samtidig overførte to hydrofobe diarylethenes (DAE-1o og DAE-2o) fra organisk opløsningsmiddel og vand (figur 4) for at danne en blandet nanoassembly (DAE-UCNP). Diarylethenes er photoresponsive molekyler, der undergår omdannelse mellem en ring-åben isomer og en ring-lukket isomer. 28 Ved bestråling med UV-lys, den farveløse ring-åben isomer omdannes til farvede ring-lukket isomer, og udsættelse for synligt lys udløser omvendte proces. Disse reaktioner er illustreret i figur 4. Mellemomdannelse mellem ringen åbne og ringsluttes isomerer kan gentages mange gange uden væsentlig nedbrydning af kromoforerne. Disse fotoreaktioner udføres typisk i organiske opløsningsmidler, ikke kun for opløselighed grunde, men også fordi cykliseringsfremgangsmåde ofte hindres i vand. Den dårlige resultater af fotoreaktioner i vand skyldes primært: (1) undertrykte reaktiviteten af ​​de ophidsede diarylethene molekyler i polære opløsningsmidler som følge af intramolekylære interaktioner ladning transfer, og (2) muligheden for kollision mellem begejstrede organiske molekyler og vandmolekyler, der fører til quenching af the exciterede tilstande og lukke photocyclization reaktion. Imidlertid kan disse problemer løses ved indkapsling af diarylethene inden en amfifil polymer shell til dannelse vanddispergerbare nanoassemblies.

Brug den samme "plug-and-play" protokollen beskrevet for porphyrinerne blev diarylethenes og upconverting nanopartikler indkapslet i polymere skaller til at danne vanddispergerbare nanoassemblies (figur 2 og figur 5). UV-vis absorptionsspektre af de to isomerer, som undergår lysinduceret cykliseringen og cycloreversion reaktioner i nanoassemblies dispergeret i vand er vist i figur 6. Som det er typisk for diarylethenes, ingen af de ringåbnede isomerer (DAE-1o eller DAE- 2o) absorberer i det synlige område af det elektromagnetiske spektrum (figur 6a). Bestråling af ringåbnede isomerer med 365 nm lys producerer their ring-lukkede modstykker (DAE-1c og DAE-2c). Dette er også grunden til den farveløse prøve (figur 5a) ændret til en orangefarvet prøve (figur 5b) og viste en stærk synligt bånd i UV-vis spektret (figur 6a). Bestråling af den farvede prøve med synligt lys med en bølgelængde på mere end 434 nm, svinder prøven til sin oprindelige farveløs tilstand indeholder de ringåbnede isomerer (DAE-1o og DAE-2o). Alle spektrale ændringer blev afsluttet inden for 3 minutter. Selektiv photochromism blev observeret (figur 6c), fordi de to kromoforer indkapslet i den polymere skal af DAE-UCNP har godt adskilt absorptionsbånd. Når prøven DAE-UCNP blev bestrålet med synligt lys med en bølgelængde større end 650 nm, kun ringsluttes isomer DAE-2c reagerer på denne særlige bølgelængde af lysog blev omdannet til ringåbnede isomer DAE-2o. Dette resulterer i et fald i det synlige absorptionsbånd ved 647 nm og giver en opløsning med en dybere orange farve (figur 5c) fra fading af blå ring lukkede isomerer. Under disse betingelser, båndet svarende til DAE-1c er næsten uændret (orange faststof linie i figur 6c). Disse data understøtter den konklusion, at den amfifile polymer shell hjælper med at bevare effektiviteten af ​​fotoreaktioner i vand.

Når den vandige dispersion af nanoassembly DAE-UCNP exciteres med 980 nm lys, de to bånd centreret ved 537 nm og 650 nm kan detekteres med et fluorometer, som er typiske for erbiumdoterede nanopartikler. Det bånd centreret ved 537 nm (betegnet som grøn emission) kan tilskrives [2 H 11/2, 4 S 3/2] 4 I 15/2 overgange medens båndet centered ved 650 nm (betegnet som rødt emission) er resultatet af [4 F 9/2, 4 S 3/2] 4 I 15/2 overgange (6b figur). De ringåbnede isomerer (DAE-1o og DAE-2o) ikke absorberer nogen synligt lys, og som et resultat fluorescensemission af prøven DAE-UCNP ikke standses af en af de ringåbnede isomerer. Imidlertid bestråling af prøven med 365 nm lys konverterer ringåbnede isomerer til deres ringsluttes modstykker (DAE-1c og DAE-2c), og begge af dem kraftigt absorberer synligt lys. Siden den emission bands fra de UCNPs overlapper absorptionsbånd af ringen lukkede isomerer er quenching af UCNPs emission opnås gennem en proces energioverførsel (6b figur). Denne proces er en kombination af både FRET og emission-reabsorption mekanismer. 26 Den oprindelige emission kan være regenerated ved bestråling af prøven med synligt lys med en bølgelængde større end 434 nm lys, som konverterer ringsluttes isomerer tilbage til de tilsvarende ringåbnede isomerer. Som omtalt før, kan de grønne og røde emissionsbånd selektivt slukket på grund af den selektive photochromism af prøven og evne til at slukke de emissionsbånd af ring-lukkede isomerer. Når prøven bestråles med synligt lys med en bølgelængde større end 650 nm, kun ringsluttes isomer DAE-2c returneres til ringåbnede isomer DAE-2o og den røde emission regenereres, mens den grønne emission stadig quenches til en vis grad (Figur 6d).

Figur 1
Figur 1. Syntese af nanoassemblies (TPP-UCNP) indeholdende polymeren indkapslet både upconverting nanopartikler og tetraphenyl porphyrin.

Figur 2
Figur 2. Fotografier viser vand forsigtigt i lag oven på CHCl3 indeholdende (a) TPP i CHCl3 fase (b) de UCNPs i CHCl3 fase (c) nanoassemblies (TPP-UCNP) i vandfasen. Billeder (d), (e) og (f) er af de identiske hætteglas efter de er blevet kraftigt rystet og viser nogen overførsel af komponenterne til de andre flydende faser. Den grønne og gule lys observeret i billeder (b), (c), (e) og (f) er som følge af bestråling med en 980 nm laser til at vise placeringen af upconverting nanopartikler.


Figur 3. Fotografier af en vandig opløsning af nanoassemblies (TPP-UCNP) ved bestråling med en 980 nm laser i omgivende lys (venstre) og i mørke (højre).

Figur 4
Figur 4. En blandet nanoassembly (DAE-UCNP), der indeholder de polymere indkapslet upconverting nanopartikler og to forskellige diarylethenes. De fotoinducerede ring-lukning og ring-åbning reaktioner diarylethenes er vist til højre.

Figur 5
Figur 5. Fotografier af vandige opløsninger af de blandede nanoassemblies (DAE-UCNP) indeholdende diarylethenes (a) in deres ring-åben stater (DAE-1o og DAE-2o), (b) ved deres photostationary stater indeholder DAE-1c og DAE-2c, og (c), med DAE-1o på sit photostationary stat og DAE-2o i sin ring-åben form. De photostationary stater blev dannet ved bestråling af prøven med 365 nm lys i 2 minutter. Den blandede stat i (c), blev genereret ved selektivt ring åbning DAE-2c med lys af en bølgelængde større end 490 nm. De nederste fotografier viser de samme prøver, når de bestråles med en 980 nm laser i mørke.

Figur 6
Figur 6. (a) UV-vis absorptionsspektre af vanddispergeret nano-systemet DAE-UCNP indeholdende diarylethenes 1o 2o før (fuldt optrukket linie) og efter 365 nm lys bestråling (stiplet linie). De grønne og røde bjælker repræsenterer emission bands af UCNPs når ophidset med 980 nm lys for at vise den spektrale overlapning mellem emissionen af ​​de UCNPs og absorptionen af ​​diarylethenes på photostationary tilstand. (B) Fluorescerende emissionsspektret af den samme prøve (λ = 980 ex nm) før (sort linie) og efter (sorte linie med grå skraverede område) bestråling med 365 nm lys. (C) UV-vis absorptionsspektre DAE-UCNP på photostationary tilstand (stiplet linje) efter bestråling med> 490 nm lys fra photostationary tilstand (sort linie) og efter bestråling med> 650 nm lys fra photostationary tilstand (orange linje ). (D) Relativ udledning af DAE-UCNP målt når prøven var på photostationary tilstand (grå bar), efter bestråling med> 650 nm lys fra photostationary tilstand (orange streg), og efter bestråling med> 490 nm lys fra photostationary tilstand (hvid søjle).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nanopartiklerne syntetiseret ifølge denne protokol har en størrelsesfordeling fra 20 til 25 nm, centreret omkring 22,5 nm. 26,27 De kan klassificeres som sfæriske partikler med en α-NaYF 4 vært gitterstruktur. Der er to vigtige skridt i denne protokol. I UCNP syntese, er det afgørende at holde temperaturen og tiden opvarmning så præcis som muligt for at sikre en snæver fordeling af partikelstørrelse. Samtidig tilsætning af NaOH og NH4F sammen med tilsætning af lanthanider ioner ved begyndelsen af reaktionen gav ikke nanopartikler af et godt fordelt størrelse og god morfologi. Efter tilsætning af NaOH og NH4F, at temperaturen holdes ved 75 ° C i tilstrækkelig lang tid til fuldstændig afdestillering alle methanolen fra højtkogende opløsningsmiddel blandingen og hæve temperaturen til 300 ° og derefter C så hurtigt som muligt efter destillation for at kontrollere størrelsen of nanopartikler. 24

Når du foretager vanddispergerbare nanoassemblies, kan det nogle gange være en udfordring at bestemme mængden af ​​UCNPs (trin 2.2) og organiske molekyler (Trin 2.6). Et forslag er at starte med et lille volumen af UCNPs (dvs. 50 pi) og derefter gradvist øge denne mængde, indtil en grænse er nået. Baseret på vores studier, en kombination af 10 mg af partikler og 2 × 10 -7 mol organiske molekyler er den optimale mængde for denne type indkapsling. Selv om denne metode kan med held overføre vanduopløselige organiske forbindelser og nanopartikler til vandigt medium og holde de to komponenter sammen i tæt nærhed, denne protokol stadig begrænsninger. Denne indkapsling proces gælder ikke for vandopløselige molekyler eller nanopartikler syntetiseret i et vandigt miljø (dvs. guld nanopartikler), fordi den store interaktion holder nanoassembly sammen, er den hydrophobic virkning. Hvis der anvendes et vandopløseligt molekyle eller nanopartikel, vil det sandsynligvis sive ud af den hydrofobe polymer lag selvom polymererne oprindeligt danner miceller.

Afslutningsvis ved hjælp af en 'plug-and-play "protokol, viser vi, hvordan man nemt indkapsle hydrofobe organiske chromophorer og uorganiske upconverting nanopartikler i en amfifile polymer skallen til at generere photoresponsive vanddispergerbare hybrid organisk-uorganisk nanoassemblies. Polymeren skallen bidrager til at opretholde den hydrofobe miljø, der er til gavn for organiske fotoreaktioner, hvilket gør denne "plug-and-play" protokol ideel til forberedelse af komplekse photoresponsive systemer til applikationer i vandige miljøer. De eksisterende metoder til fremstilling af vanddispergerbare nanosystemer kræver ofte komplicerede kemiske forandringer, men denne protokol er i stand til at overføre ikke vandopløselige bestanddele i vand hensigtsmæssigt uden for specifikke modifikation til disse komponenter. Anvendelsen af ​​nær-infrarødt lys for at aktivere opkonvertere nanopartikler åbner mulighed for lavenergi Lysaktiveret fotoreaktioner, som er et fordelagtigt træk for biologiske anvendelser, da det forårsager mindre skade på celler og væv i levende organismer. En mulig ulempe ved denne teknik er opkonverteret UV lys udsendt fra nanopartiklerne og bruges til at udløse de højere energiniveauer fotoreaktioner (dvs. foto-isomerisering af diarylethene molekyler), kan potentielt forårsage skade på celler eller levende organismer. For at overvinde dette problem, kan en UV-beskyttelse lag coatet på nanopartiklerne at forhindre upconverted UV fotoner i at komme ud. Den nanosystem med justerbar fluorescens vi demonstreret i denne artikel har potentiale til at blive udviklet som en ny bioimaging reagens til super-opløsning billeddannelse. Vi forventer omfanget af at bruge denne 'plug-and-play "metode til at gøre vanddispergerbart nanoassembligger vil fortsætte med at ekspandere.

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