Een 'Plug and Play' methode om water verspreidende Nanoassemblies bevattende een Amfifiele Polymer, organische kleurstoffen en Upconverting Nanodeeltjes maken

* 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:

 

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

Vandaag is er nog steeds een dringende behoefte aan nieuwe vormen van bio-imaging agenten te ontwikkelen. Veel nieuwe fluorescerende probes zijn goed gedocumenteerd. 06/01 echter aanzienlijke verbeteringen in de beeldresolutie blijft een uitdaging. 7 Een praktische methode is om direct te moduleren de fluorescentie probes tussen een 'light' emitterende staat en een 'donkere' uitgeblust staat. 12/08 Deze specifieke methode is toegepast op technologieën zoals gestimuleerde emissie uitputting ontwikkelen (STED) microscopie 13 en stochastische optische reconstructie microscopie (STORM). 14

Een andere benadering voor fluorescentie moduleren koppelen licht aansprekend chromoforen met fluorescerende probes. 15,16 omschakelen het licht aansprekend chromofoor tussen twee isomeren waarin slechts één van de isomeren kan fungeren als een efficiënte energieoverdracht acceptor, maakt controle uitdoving van de fluorescentie van the sonde door middel van Förster Resonance Energy Transfer (FRET) en andere mechanismen. Het resultaat is de creatie van een emitterende staat en een uitgeblust staat die kan worden afgewisseld door blootstelling van de fotoresponsieve chromofoor op verschillende golflengten van het licht.

Fotoresponsieve diarylethene chromoforen kunnen reversibel worden omgeschakeld tussen een kleurloze ring-open isomeer en een gekleurde ring-gesloten isomeer na bestraling met UV en zichtbaar licht. 17-19 De thermische stabiliteit van de twee isomeren en afstembare absorptiespectra van de ringgesloten isomeer make diarylethenen zeer goede kandidaten als controleerbaar FRET acceptoren. 20-23 Lanthanide-gedoteerde NaYF 4 upconverting nanodeeltjes zijn nuttig voor bio-imaging. 24 Deze nanodeeltjes absorberen nabij-infrarood licht en licht uitzenden in verschillende regio's van het zichtbare spectrum. Voorbeelden van fluorescentie modulatie combineert licht aansprekend diarylethene chromoforen en nanodeeltjes zijn previously gerapporteerd door de groep. 25-27 De in elk voorbeeld beschreven systemen vereist een extra synthetische wijziging van de diarylethenen hechten aan het oppervlak van de nanodeeltjes, die de ontwikkeling van diverse systemen bemoeilijkt.

Hierin tonen we een eenvoudige 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbare organische kleurstofmoleculen en fotoresponsieve upconverting nanodeeltjes door middel van een zelf-assemblage strategie voor te bereiden. De keuze van polymeren; poly (styreen-alt-maleïnezuuranhydride) en polyetheramine 2070 bieden zowel een hydrofobe als hydrofiele omgeving. De hydrofobe gedeelten van het polymeer helpen om de normaal water oplosbare organische moleculen en omhoog converteren van nanodeeltjes samenhouden, terwijl de hydrofiele regio van het polymeer is essentieel voor het handhaven van de oplosbaarheid in water. We zullen eerst demonstreren de synthese van de up-converting nanodeeltjes door de thermische kiemvorming methode. Dan zullen we bewijzen how de organische moleculen en omhoog converteren van nanodeeltjes zijn ingekapseld in hydrofobe gebieden van de polymeermantel en stabiel in waterige media blijven door eenvoudigweg samen roeren van een oplossing van de upconverting nanodeeltjes, polymeren en andere organische kleurstofmoleculen, gevolgd door een geschikte opwerkprocedure. We tonen ook aan hoe fluorescentie-emissie van de samenstellen met behulp van externe bestraling met licht te moduleren. We anticiperen op de omvang van het gebruik van deze 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbaar nanoassemblies zal blijven uitbreiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Synthese van de NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ Upconverting Nanodeeltjes (UCNP)

  1. Stel het apparaat als volgt:
    1. Plaats een 250 ml verwarmingsmantel op een regelmatige roerplaat en sluit de mantel op de thermische paar.
    2. Plaats een 250 ml rondbodemkolf uitgerust met een magnetische roerstaaf op de verwarmingsmantel met de juiste klemming.
    3. Sluit een lucht adapter links hals van de rondbodemkolf en sluit deze lucht adapter aan de Schlenk lijn plastic buis.
    4. Bevestig een glazen adapter rechts hals van de rondbodemkolf en hun een thermometer adapter op het glas adapter. Steek de temperatuursensor in de kolf door de thermometer adapter en plug deze in de thermokoppel.
    5. Bevestig een destillatiekop de middelste hals van de rondbodemkolf. Plaats een stop op de top van de destillatie hoofd. Sluit de kop naar een condensor, gevolgd door een vacuum distillation adapter en een 50 ml rondbodemkolf. Sluit de vacuümdestillatie adapter aan op een wasfles door middel van kunststof buizen.
  2. Weeg 1,17 g (3,9 mmol) van yttrium acetaat, 0,439 g ytterbium acetaat en 0,0727 g (0,1 mmol) van erbium acetaat en plaats ze in de reactie rondbodemkolf.
  3. Voeg 30 ml oliezuur en 75 ml octadeceen aan de kolf met een maatcilinder.
  4. Spoel de kant van de reactie rondbodemkolf gebruik 5 ml methanol om ervoor te zorgen dat er geen oliezuur en octadeceen is vast aan de zijkanten van de reactiekolf.
  5. Verbind de reactiekolf met een dubbel verdeelstuk Schlenk lijn en zet de corresponderende klep aan de reactiekolf verbonden met het stikstofatoom lijn te houden.
  6. Zet het thermokoppel, de temperatuur tot 80 ° C en verwarm het systeem deze temperatuur. Bij 80 ° C en nadat alle uitgangsmaterialen opgelost, verwijdert de verwarmingsmantel en laat de reactieafkoelen tot 30 ° C.
  7. Wanneer de temperatuur bereikt 30 ° C, haal de destillatie hoofd, zet de lucht adapter van links nek naar het midden nek en sluit de linker hals met een stop. Langzaam introduceren vacuüm aan de reactiekolf door de klep op de Schlenk lijn van de stikstofleiding de vacuümleiding. Alle lage kookpunt componenten worden getrokken uit de reactie op dit punt.
  8. Wanneer de oplossing borrelen stopt, steekt de temperatuur tot 115 ° C bij een snelheid van 5 ° C / min.
  9. Zodra de temperatuur 115 ° C bereikt, houden deze temperatuur gedurende 15 minuten, verwijder de verwarmingsmantel en afkoelen van de reactie tot 50 ° C. Daarna snel te schakelen de set-up terug naar de oorspronkelijke vorm door reattaching de destillatie hoofd naar het midden nek en de lucht aan op de linker hoofd.
  10. Weeg 0,74 g (12,5 mmol) NaOH en 0,50 g (20,0 mmol) van NH 4 F tijdens het afkoelen en ontbindenin 50 ml methanol door sonicatie.
  11. Na sonicatie, giet de oplossing in het reactiemengsel rondbodemkolf en spoel de zijkanten van de kolf met 5 ml MeOH.
  12. Laat de oplossing roeren bij 50 ° C gedurende 30 min.
  13. Verhoog de temperatuur tot 75 ° C om de methanol te destilleren.
  14. Tijdens de destillatie legen het verzamelen kolf indien nodig. Nadat de destillatie voltooid is, het reactiemengsel opwarmen tot 300 ° C onder stikstofbescherming zo snel mogelijk.
  15. Zodra de temperatuur 300 ° C bereikt, houden deze temperatuur gedurende 1 uur. Indien nodig, bedek de setup met aluminiumfolie om de temperatuur te handhaven. Verwijder vervolgens warmtebron en laat het reactiemengsel afkoelen tot kamertemperatuur.
  16. Eenmaal afgekoeld tot kamertemperatuur, de oplossing gelijkmatig verdeeld in drie centrifugeren buisjes (50 ml buizen ongeveer 35 ml oplossing per elke buis) en vul de buis aan de 50 ml schaal gebruikt watervrije ethanol. Centrifuge alle tHij buizen bij 3400 xg gedurende 15 min. Na centrifugeren, dient de UCNPs voorkomen aan de kant van de buizen als een wit precipitaat.
  17. Verwijder het supernatant en het opnieuw te dispergeren UCNPs pellets in hexanen (7,5 ml hexaan per elke buis), dan bovenkant van de buis met ethanol om de schaal 50 ml. Centrifugebuizen opnieuw bij 3400 xg gedurende 15 min.
  18. Nadat het centrifugeren voltooid, Giet de bovenstaande vloeistof opnieuw te dispergeren vaste UCNPs in 30 ml CHCl3 voor verder gebruik.

2. Montage van de Water-verspreidbare Nanoassemblies die organische kleurstofmoleculen en Upconverting Nanodeeltjes

  1. Los 25 mg (0,0147 mmol) van poly (styreen-alt-maleïnezuuranhydride) (PSMA) in 3 ml CHCI3 in een scintillatieflesje uitgerust met een magnetische roerstaaf. Deze hoeveelheid is een geoptimaliseerde hoeveelheid na meerdere studies.
  2. Voeg 250 ul (47 mg / ml) van het omhoog converteren van nanodeeltjes chloroform stockoplossing aan de Scintillation flesje.
  3. Cap het flesje en plaats het op de magnetische plaat roeren, en roer de oplossing bij kamertemperatuur gedurende 2 uur.
  4. Weeg 160 mg (0,0773 mmol) van polyether amine 2070 en oplossen in 1 ml CHCl3. Voeg deze oplossing toe aan de scintillatieflesje in één portie met een pipet. De oplossing zal gaan tot lichtgeel vermelding van de reactie van polyether amine 2070 met anhydridegroepen op PSMA.
  5. Blijf de oplossing overnacht bij kamertemperatuur geroerd.
  6. Meet de juiste hoeveelheid organische kleurstofmoleculen vervolgens afzien deze in de scintillatieflesje in één portie, roer de verkregen oplossing gedurende 1 uur.
    1. Voor de steekproef TPP-NP (nanosamenstelling polymeer shell, tetrafenyl porfyrine en upconverting nanodeeltjes), rechtstreeks toe te voegen 1 mg tetrafenyl porfyrine aan de scintillatieflesje. Voor de steekproef DAE-UCNP (nanosamenstelling polymeer shell, diarylethene moleculen en upconverting nanodeeltjess), de hoeveelheid van elk diarylethene moleculen 2 × 10 -7 mol. Voeg de twee diarylethene moleculen in de reactieoplossing. De volumes voor de twee diarylethene moleculen: DAE-1o (1,8 mm), 111 ui en DAE-2o (1,6 mm), 125 ul.
  7. Verwijder de CHCl3 oplosmiddel onder verlaagde druk met een rotatieverdamper, voeg vervolgens 3 ml van 0,001 M waterig NaOH (pH ≈ 11) aan de scintillatieflesje vervolgens ultrasone trillingen het flesje tot een melkachtige suspensie wordt gevormd.
  8. Plaats de flacon terug op de roterende verdamper, en de resterende CHCl3 verwijder voorzichtig totdat de schorsing heeft zich tot een heldere oplossing.
  9. Breng de oplossing uit de scintillatieflesje twee 1,5 ml conische buisjes centrifugeren, centrifugeer de oplossing bij 20.600 xg gedurende 25 min.
  10. Verwijder het supernatant, voeg dan een totaal van 3 ml gedeïoniseerd H2O in de twee buizen (1,5 ml per buisje), ultrasone trillingen de buizen naar de pellets opnieuw te dispergerenin gedeïoniseerd H2O
  11. Centrifugeer de twee buizen opnieuw bij 20.600 xg gedurende 25 min.
  12. Verwijder het supernatant, voeg dan een totaal van 3 ml gedeïoniseerd H2O in de twee buizen (1,5 ml per buis). Sonificeer de buizen om de pellets opnieuw te dispergeren in gedeïoniseerd H2O
  13. Filtreer de waterige dispersie nanodeeltjes monster door een 0,2 urn spuitfilter het eindmonster verdere testen te verkrijgen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Absorptiespectra en fotoluminescentie spectra werden verzameld voor het monster DAE-UCNP. De absorptiespectra worden gebruikt voor het vergelijken van de spectrale overlap tussen de gesloten diarylethene chromoforen en upconverting nanodeeltjes. Foto's van de monsters (zowel TPP-UCNP en DAE-UCNP) werden ook succesvolle inkapseling van organische kleurstofmoleculen en upconverting nanodeeltjes, die zijn gelegen binnen het amfifiele polymeer schelpen in de waterfase te tonen. De modulatie van fotochemie en fluorescentie werd ook aangetoond door belichting van de monsters met verschillende lichtbronnen.

De chemische theorie als lost als 'verklaart waarom, wanneer een hoeveelheid van het porfyrine of UCNPs in chloroform wordt toegevoegd aan water, zelfs na krachtig schudden blijven zowel de organische laag (Figuur 2, a, b, d en e). Echter, bij gebruik van de 'plug-and-play' inkapselingsmethode(Figuur 1), een in water dispergeerbare nanosamenstelling (TPP-UCNP) die zowel porfyrine en UCNPs geproduceerd. De reden waarom wij kozen tetrafenyl porfyrine als een modelverbinding te bestuderen omdat het een niet-water oplosbare organische verbinding en heeft interessante toepassingen in fotodynamische therapie. Wanneer een waterige oplossing die het nanoassemblies toegevoegd aan chloroform, zelfs na krachtig schudden van de nanoassemblies bleef in de waterlaag (Figuur 2, c en f). Het gebruik van het amfifiele polymeer omhulsel heeft twee voordelen: (1) ontstaat een inwendige hydrofobe omgeving die zowel het porfyrine en UCNPs vangt, en (2) creëert een uitwendige hydrofiele omgeving die interageert met omringende watermoleculen in water dispergeerbaarheid handhaven van het gehele samenstel. De rode kleur van het monster (figuur 3) wordt toegeschreven aan de porfyrine moleculen gevangen binnen de samenstelling en de aanwezigheid van het porfyrinemoleculen werd aangetoond onder toepassing van UV-vis absorptiespectroscopie. Bij bestraling met een bijna infrarood laser 980 nm, groene emissie wordt geproduceerd uit het monster (Figuur 2, c en f, figuur 3), die is toegewezen aan de emissie van Er 3+ -gedoteerde NaYF 4 upconverting nanodeeltjes. De inkapseling protocol geen specifieke wijzigingen moeten worden aangebracht in de ingekapselde moleculen noch ligand uitwisseling van de UCNPs nodig, we dus stellen dat deze 'plug-and-play' protocol kan worden toegepast als een algemene strategie om een ​​verscheidenheid van verschillende organische overdragen moleculen uit een organisch oplosmiddel om een ​​waterig medium.

Om de veelzijdigheid van onze procedure aan te tonen, hebben we tegelijkertijd overgebracht twee hydrofobe diarylethenen (DAE-1o en DAE-2o) van organisch oplosmiddel tot water (figuur 4) naar een gemengde nanosamenstelling (DAE-UCNP) te genereren. Diarylethenes zijn fotoresponsieve moleculen die omzetting ondergaat tussen een ring-open isomeer en ringgesloten isomeer. 28 Bij bestraling met UV-licht, de kleurloze ring-geopende isomeer omgezet naar de gekleurde ring-gesloten isomeer, en blootstelling aan zichtbaar licht activeert de omgekeerde proces. Deze reacties zijn geïllustreerd in figuur 4. Onderlinge omzetting tussen de ring-open-ringgesloten isomeren kan vele malen herhaald zonder significante afbraak van de chromoforen. Deze fotoreacties worden doorgaans uitgevoerd in organische oplosmiddelen, niet alleen om de oplosbaarheid redenen, maar ook omdat de cyclisatie wordt vaak belemmerd in water. De slechte prestatie van fotoreacties in water is voornamelijk het gevolg van: (1) onderdrukte reactiviteit van de aangeslagen diarylethene moleculen in polaire oplosmiddelen wegens intramoleculaire ladingsoverdracht interacties, en (2) de mogelijkheid van een botsing tussen aangeslagen organische moleculen en watermoleculen die leiden tot blussen van the aangeslagen toestanden en het afsluiten van de fotocyclisatie reactie. Echter, kunnen deze problemen worden overwonnen door middel van inkapseling van de diarylethene binnen een amfifiel polymeer shell in water dispergeerbare nanoassemblies vormen.

Met behulp van dezelfde 'plug-and-play' protocol beschreven voor de porfyrinen werden diarylethenen en upconverting nanodeeltjes ingekapseld in polymeer schelpen waterdispergeerbaar nanoassemblies (figuur 2 en figuur 5) te vormen. De UV-vis absorptiespectra van de twee isomeren dat licht geïnduceerde cyclisatie en cycloreversion reacties binnen de nanoassemblies gedispergeerd in water ondergaan, zijn weergegeven in figuur 6. Zoals typisch voor diarylethenen geen van de ringgeopende isomeren (DAE-1o of Daemon 2o) absorberen in het zichtbare gebied van het elektromagnetische spectrum (figuur 6a). Bestraling van de ringgeopende isomeren met 365 nm licht produceert their-ring gesloten tegenhangers (DAE-1c en DAE-2c). Vandaar ook dat de kleurloze monster (figuur 5a) veranderd naar een oranjekleurige monster (figuur 5b) en vertoonden een sterke band in het zichtbare UV-vis spectrum (figuur 6a). Bestraling van het gekleurde monster met zichtbaar licht met een golflengte groter dan 434 nm het monster naar zijn oorspronkelijke kleurloze toestand waarin de ringopening isomeren (DAE-1o en DAE-2o) verdwijnt. Alle spectrale veranderingen werden binnen 3 minuten voltooid. Selectieve fotochromie werd waargenomen (Figuur 6c), omdat de twee chromoforen ingekapseld in het polymeer omhulsel van DAE-UCNP hebben goed gescheiden absorptiebanden. Wanneer het monster DAE-UCNP werd bestraald met zichtbaar licht met een golflengte groter dan 650 nm, maar het ringgesloten isomeer DAE-2c reageert op deze specifieke golflengte van lichten werd omgezet in het ring-geopende isomeer DAE-2o. Dit resulteert in een afname van het zichtbare absorptieband bij 647 nm en levert een oplossing met een diepere kleur oranje (figuur 5c) vanaf het selectieve fading blauwe ringgesloten isomeren. Onder deze omstandigheden is de band die overeenkomt met DAE-1c is vrijwel onveranderd (oranje vaste lijn in figuur 6c). Deze gegevens ondersteunen de conclusie dat het amfifiele polymeer buitenkant helpt de efficiëntie van fotoreacties in water vasthouden.

Wanneer de waterige dispersie van nanosamenstelling DAE-UCNP is geëxciteerd met 980 nm licht, de twee banden gecentreerd op 537 nm en 650 nm kan worden gedetecteerd met een fluorometer, die typisch zijn voor erbium gedoteerde nanodeeltjes. De band gecentreerd bij 537 nm (aangeduid als groene emissie) kan worden toegeschreven aan [2 H 02/11, 02/03 S 4] 4 I 15/2 overgangen terwijl de band centered bij 650 nm (aangeduid als rode emissie) is het resultaat van [4 F 9/2, 4 3/2 S] 4 I 15/2 overgangen (figuur 6b). De geopende ring isomeren (DAE-1o en DAE-2o) geen zichtbare licht absorbeert, en waardoor de fluorescentie-emissie van het monster DAE-UCNP niet wordt gedoofd door een van de ringgeopende isomeren. Echter, bestraling van het monster met 365 nm licht omzet de ringopening isomeren hun ringgesloten tegenhangers (DAE-1c en DAE-2c) en beiden zichtbaar licht sterk absorberen. Aangezien de emissiebanden van de UCNPs overlappen met de absorptiebanden van de ringgesloten isomeren, is het doven van de emissie UCNPs bereikt door een energie-overdracht (figuur 6b). Dit proces is een combinatie van beide FRET en emissie-heropname mechanismen. 26 De oorspronkelijke emissie kan regenerat wordened door bestraling van het monster met zichtbaar licht met een golflengte groter dan 434 nm licht, waarbij de ringgesloten isomeren naar de overeenkomstige ring-geopende isomeren omgezet. Zoals eerder besproken, kan de groene en rode emissiebanden selectief worden afgeschrikt door de selectieve fotochromie van het monster en de mogelijkheid van afschrikken van het emissiebanden de ringgesloten isomeren. Wanneer het monster wordt bestraald met zichtbaar licht met een golflengte groter dan 650 nm, maar het ringgesloten isomeer DAE-2c wordt teruggestuurd naar de geopende ring isomeer DAE-2o en de rode emissie wordt geregenereerd terwijl de groene emissie nog afgekoeld tot enigszins (Figuur 6d).

Figuur 1
Figuur 1. Synthese van de nanoassemblies (TPP-UCNP) bevattende polymeer ingekapselde beide upconvertinG nanodeeltjes en tetrafenyl porfyrine.

Figuur 2
Figuur 2. Foto toont water voorzichtig gelaagd bovenop CHCl3 bevattende (a) TPP in CHCI3 fase (b) de UCNPs in CHCI3 fase (c) de nanoassemblies (TPP-UCNP) in de waterfase. Beelden (d), (e) en (f) van de identieke flesjes nadat ze krachtig geschud en toont geen overdracht van de componenten aan de andere vloeistoffasen. De groen en geel licht waargenomen in beeld (b), (c), (e) en (f) zijn als gevolg van bestraling met een 980 nm laser om de locatie van up-converting nanodeeltjes vertonen.


Figuur 3. Foto van een waterige oplossing van de nanoassemblies (TPP-UCNP) na bestraling met een 980 nm laser omgevingslicht (links) en in het donker (rechts).

Figuur 4
Figuur 4. Een gemengde nanosamenstelling (DAE-UCNP) bevattende polymeer ingekapselde upconverting nanodeeltjes en twee diarylethenen. De fotogeïnduceerde ring-sluiting en de ring-opening reacties van de diarylethenen worden getoond aan de rechterkant.

Figuur 5
Figuur 5. Foto waterige oplossingen van de gemengde nanoassemblies (DAE-UCNP) die de diarylethenen (a) in de ring-open staten (DAE-1o en DAE-2o), (b) hun photostationary staten met DAE-1c en DAE-2c, en (c) met DAE-1o op zijn photostationary staat en DAE-2o in zijn ring-open vorm. De photostationary staten werden gegenereerd door bestraling van het monster met 365 nm licht gedurende 2 minuten. De gemengde toestand in (c) werd gegenereerd door het selectief ring-opening DAE-2c met licht van een golflengte groter dan 490 nm. De onderste foto's laten dezelfde monsters als ze bestraald met een 980 nm laser in het donker.

Figuur 6
Figuur 6 (a) UV-vis absorptiespectra van waterafvoer nano-systeem DAE-UCNP bevattende diarylethenen 1o 2o voor (vaste lijn) en na 365 nm licht bestraling (stippellijn). De groene en rode staven stellen de emissiebanden van UCNPs bij excitatie met 980 nm licht om de spectrale overlap tussen de emissie van de UCNPs en de absorptie van diarylethenen op photostationary toestand tonen. (B) TL emissiespectra van hetzelfde monster (λ ex = 980 nm) vóór (zwarte lijn) en na (zwarte lijn met grijze gearceerde gebied) bestraling met 365 nm licht. (C) UV-vis absorptie spectra van DAE-UCNP op photostationary staat (stippellijn), na bestraling met> 490 nm licht van photostationary staat (zwarte lijn) en na bestraling met> 650 nm licht van photostationary staat (oranje lijn ). (D) Relatieve emissie van DAE-UCNP gemeten wanneer het monster op de photostationary staat (grijze balk) was, na bestraling met> 650 nm licht van de photostationary staat (oranje balk), en na bestraling met> 490 nm licht van de photostationary staat (witte balk).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De nanodeeltjes gesynthetiseerd volgens dit protocol een grootteverdeling vanaf 20 tot 25 nm gecentreerd bij ongeveer 22,5 nm. 26,27 Deze kunnen worden geclassificeerd als bolvormige deeltjes met een α-NaYF 4 gastheer roosterstructuur. Er zijn twee belangrijke stappen in dit protocol. In de UCNP synthese, is het cruciaal om de verwarmingstemperatuur en de tijd zo nauwkeurig mogelijk te handhaven om een ​​nauwe verdeling van de deeltjesgrootte te verzekeren. Gelijktijdige toevoeging van NaOH en NH 4 F samen met de toevoeging van lanthaniden ionen aan het begin van de reactie geen nanodeeltjes van een goed verdeelde grootte en goede morfologie verkregen. Na toevoeging van NaOH en NH4F, dat de temperatuur wordt gehouden op 75 ° C gedurende een voldoende lange periode om volledig af te destilleren alle methanol uit het hoog- kookpunt oplosmiddelmengsel en vervolgens de temperatuur te verhogen tot 300 ° C zo snel mogelijk na destillatie om de grootte o besturenf nanodeeltjes. 24

Bij het maken van in water dispergeerbare nanoassemblies, kan het soms moeilijk zijn om de hoeveelheid UCNPs (stap 2,2) en organische moleculen (stap 2,6) te bepalen. Een suggestie is om te beginnen met een klein volume van de UCNPs (50 pl) en vervolgens geleidelijk toenemen totdat deze hoeveelheid een drempel wordt bereikt. Op basis van onze onderzoeken, een combinatie van 10 mg van deeltjes en 2 x 10 -7 mol organische moleculen is de optimale hoeveelheid voor dergelijke inkapseling. Hoewel deze werkwijze met succes in water oplosbare organische verbindingen en nanodeeltjes dragen aan waterig medium en houdt de twee componenten elkaar dicht Dit protocol nog beperkingen. Deze inkapseling proces geldt niet voor water oplosbare moleculen of nanodeeltjes gesynthetiseerd in een waterige omgeving (bijvoorbeeld goud nanodeeltjes) vanwege de grote interactie met de nanosamenstelling samen de hydrophobic effect. Als een in water oplosbaar molecuul of nanodeeltjes wordt gebruikt, zal het waarschijnlijk lekken uit de hydrofobe polymeerlaag ook wanneer de polymeren eerst vormen micellen.

Tot slot, met behulp van een 'plug-and-play' protocol, laten we zien hoe gemakkelijk te kapselen hydrofobe organische chromoforen en anorganische upconverting nanodeeltjes binnen een amfifiel polymeer shell om fotoresponsieve waterdispergeerbare hybride organisch-anorganische nanoassemblies genereren. Het polymeer shell helpt om de hydrofobe omgeving die gunstig is voor de biologische fotoreacties, die deze 'plug-and-play' protocol ideaal voor de voorbereiding van complexe fotoresponsieve systemen voor toepassingen in waterige omgevingen maakt behouden. De bestaande werkwijzen voor het vervaardigen van in water dispergeerbare nanosystemen vereist vaak ingewikkelde chemische modificatie, maar dit protocol in staat is om niet in water oplosbare bestanddelen in water gemakkelijk zonder for specifieke aanpassing van die componenten. Het gebruik van nabij-infrarood licht om omhoog converteren nanodeeltjes activeren opent de mogelijkheid voor lage energie licht geactiveerd fotoreacties hetgeen een gunstig kenmerk voor biologische toepassingen, aangezien zij minder schade aan cellen en weefsels in levende organismen veroorzaakt. Een mogelijk nadeel van deze techniek is het opgeconverteerd UV licht geëmitteerd vanuit de nanodeeltjes, en gebruikt om de hogere energie fotoreacties triggeren (dwz foto-isomerisatie van diarylethene moleculen), kan mogelijk schade aan cellen of levende organismen veroorzaken. Om dit probleem op te lossen, kan een UV-beschermende laag worden aangebracht op de nanodeeltjes te voorkomen dat de upconverted UV-fotonen uit coming out. De nanosystem met instelbare fluorescentie we aangetoond in dit artikel heeft het potentieel om te worden ontwikkeld als een nieuwe Bio-imaging reagens voor super-resolutie imaging. We anticiperen op de omvang van het gebruik van deze 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbaar nanoassemb makenleugens zal blijven uitbreiden.

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