En "Plug and Play" metod för att skapa Vattendispergerbara Nanoassemblies innehållande en amfifil polymer, organiska färgämnen och uppkonverterande nanopartiklar

* 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

Idag finns det fortfarande ett stort behov av att utveckla nya typer av bio-avbildningsmedel. Många nya fluorescerande prober är väl dokumenterade. 1-6 dock avsevärda förbättringar i bildupplösningen är fortfarande en utmaning. 7 En praktisk metod är att direkt modulera fluorescenssonderna mellan en "lätt" emitterande staten och en "mörk" kylda tillstånd. 8-12 Denna speciella metod har använts för att utveckla tekniker som stimulerad utarmning emission (STED) mikroskopi 13 och stokastiska optisk rekonstruktion mikroskopi (STORM). 14

Ett annat tillvägagångssätt för att modulera fluorescens är att koppla fotokänsliga kromoforer tillsammans med fluorescerande prober. 15,16 Växla fotokänsliga kromoforen mellan två isomerer där endast en av isomererna kan fungera som en effektiv energiöverföringsmottagare, tillåter kontroll över släckning av fluorescensen från the sond genom Förster resonansenergiöverföring (FRET) och andra mekanismer. Resultatet är att skapa ett emissivt tillstånd och ett härdat tillstånd som kan alterneras genom exponering av fotokänsliga kromoforen till olika våglängder av ljus.

Fotokänsliga diarylethene kromoforer kan reversibelt växlas mellan ett färglöst ring öppen isomeren och en färgad ringslutna isomeren vid bestrålning med UV och synligt ljus. 17-19 Den termiska stabiliteten av de två isomererna och avstämbara absorptionsspektra av ringslutas isomeren fabrikat diarylethenes mycket goda kandidater som styrbar FRET-acceptorer. 20-23 lantanid-dopade NaYF 4 uppkonverterande nanopartiklar är användbara för biologisk avbildning. 24 Dessa nanopartiklar absorberar nära infrarött ljus och emitterar ljus i flera regioner i det synliga spektrat. Exempel på fluorescensmodulering genom att kombinera fotokänsliga diarylethene kromoforer och nanopartiklar har pregare rapporterats av vår grupp. 25-27 De system som beskrivs i varje exempel krävs ytterligare syntetisk modifiering att fästa diarylethenes till ytan av nanopartiklar, vilket försvårar utvecklingen av mer olika system.

Häri visar vi en enkel "plug-and-play" metod för att framställa vattendispergerbara organiska färgämnesmolekyler och fotokänsliga upkonverterande nanopartiklar med hjälp av en självorganisering strategi. Valet av polymerer; poly (styren alt -maleic hydrid) och polyeteramin 2070 ger både en hydrofob och hydrofil miljö. De hydrofoba delarna av polymeren bidrar till att hålla normalt vattenolösliga organiska molekyler och upconverting nanopartiklar tillsammans, medan det hydrofila området hos polymeren är kritisk för att upprätthålla vattenlöslighet. Vi kommer först att visa syntes av de upconverting nanopartiklar genom termisk kärnmetoden. Då kommer vi bevisa how de organiska molekylerna och uppkonverterande nanopartiklar är inkapslade i hydrofoba regioner i polymerskalet och förblir stabila i vattenhaltiga medier genom att helt enkelt samar omröring en lösning av den upconverting nanopartiklar, polymer och olika organiska färgämnesmolekyler, följt av en lämplig upparbetningsprocedur. Vi visar också hur man modulera fluorescensemission av enheterna använder externt ljus bestrålning. Vi räknar omfattningen att använda denna "plug-and-play" metod för att göra vattendispergerbara nanoassemblies kommer att fortsätta expandera.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntes av NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ uppkonverterande nanopartiklar (UCNP)

  1. Sätt upp utrustningen som följde:
    1. Placera en 250 ml värmemantel på en vanlig omrörningsplatta och anslut manteln på den termiska paret.
    2. Placera en 250 ml rundbottnad kolv utrustad med en magnetisk omrörarstav på värmemantel med ordentlig fastspänning.
    3. Fäst en luftadapter till vänster hals rundbottnad kolv och ansluta denna luft adaptern till Schlenk-ledning med plaströr.
    4. Fäst en glasadapter till höger hals rundkolv och fastställa en termometeradapter på glasadapter. Sätt i temperatursonden i kolven genom termometern adaptern och koppla detta till termoelement.
    5. Fäst ett destillationshuvud till mitten hals rundkolv. Placera en propp ovanpå destillationshuvud. Anslut huvudet till en kondensor, följt av ett vakuumdestillatjon adapter och en 50 ml rundbottnad kolv. Anslut vakuumdestillationen adaptern till en bubblare genom plastslangar.
  2. Väg 1,17 g (3,9 mmol) yttriumacetat, 0,439 g ytterbium acetat och 0,0727 g (0,1 mmol) erbium acetat och placera dem i reaktionsrundkolv.
  3. Tillsätt 30 ml oljesyra och 75 ml oktadecen till kolven med användning av en graderad cylinder.
  4. Skölj sidan av reaktionsrundkolv med användning av 5 ml metanol för att se till att ingen oljesyra och oktadecen har fastnat på sidorna av reaktionskolven.
  5. Anslut reaktionskolven till en dubbel grenrörs Schlenk-ledning och vrid motsvarande ventil för att hålla reaktionskolven ansluten till kväveledningen.
  6. Slå på termoelementet, ställa in temperaturen på 80 ° C, och gradvis värma systemet till denna temperatur. Vid 80 ° C och efter alla utgångsmaterial löses, avlägsna värmemanteln och tillåta att reaktionensvalna till 30 ° C.
  7. När temperaturen når 30 ° C, ta bort destillationshuvud, växla luftadaptern från vänster halsen till rygg och avsluta vänster hals med en propp. Sakta introducera vakuum till reaktionskolven genom att vrida ventilen på Schlenk-ledning från kväveledningen till vakuumledningen. Alla de låga punktkomponenterna kokpunkter kommer att dras ut från reaktionen vid denna punkt.
  8. När lösningen stannar bubblande, höja upp temperaturen till 115 ° C i en hastighet av 5 ° C / minut.
  9. När temperaturen når 115 ° C, bibehålla denna temperatur under 15 minuter, därefter avlägsna värmemanteln och kyla ner reaktionen till 50 ° C. Efteråt, snabbt växla inrättats tillbaka till den ursprungliga formen genom att ansluta destillation huvudet till rygg och luftadaptern till vänster huvudet.
  10. Väg in 0,74 g (12,5 mmol) NaOH och 0,50 g (20,0 mmol) NH4F under kylningsprocessen, och upplösa demi 50 ml metanol genom sonikering.
  11. Efter sonikering, häll lösningen i reaktionsrundkolv och skölj sidorna av kolven med 5 ml MeOH.
  12. Låt lösningen under omröring vid 50 ° C under 30 minuter.
  13. Öka temperaturen till 75 ° C för att destillera av metanolen.
  14. Under destillationen, tömma uppsamlingskolven vid behov. Efter destillationen är avslutad, värma upp reaktionsblandningen till 300 ° C skyddat kväve så snabbt som möjligt.
  15. När temperaturen når 300 ° C, bibehålla denna temperatur under 1 timme. Om det behövs, täcka setup med aluminiumfolie för att bidra till att upprätthålla temperaturen. Ta sedan bort värmekällan och låt reaktionsblandningen svalna till rumstemperatur.
  16. När den kyls ned till rumstemperatur, dela lösningen jämnt i tre centrifugrör (50 ml rör, ungefär 35 ml lösning per varje rör), och fyll röret till 50 ml skala med hjälp av vattenfri etanol. Centrifugera alla than rör vid 3400 xg under 15 minuter. Efter centrifugering, bör observeras UCNPs på sidan av rören som en vit fällning.
  17. Kasta bort supernatanten och återdispergera de UCNPs pelletar i hexaner (7,5 ml hexaner per varje rör), därefter fylla röret med etanol till 50 ml skala. Centrifugrör igen vid 3400 xg under 15 minuter.
  18. När centrifugeringen är klar, kassera supernatanten och återdispergera de fasta UCNPs i 30 ml CHCI3 för vidare användning.

2. Montering av vatten-dispergerbara Nanoassemblies innehållande organiskt färgämne molekyler och uppkonverterande nanopartiklar

  1. Lös 25 mg (0,0147 mmol) av poly (styren-alt -maleic anhydrid) (PSMA) i 3 ml CHCI3 till en scintillationsflaska utrustad med en magnetisk omrörarstav. Denna mängd är en optimerad mängd efter flera försök.
  2. Tillsätt 250 | il (47 mg / ml) av den uppkonverterande nanopartiklar kloroform stamlösning till den scintillation flaskan.
  3. Förslut flaskan och placera den på den magnetiska omrörningsplattan och rör om lösningen vid rumstemperatur under 2 h.
  4. Väg upp 160 mg (0,0773 mmol) polyeteramin 2070, och upplösa den i en ml CHCI3. Sedan till denna lösning på scintillationsflaska i en bild med hjälp av en pipett. Lösningen kommer att vända sig till blekgul anger reaktionen av polyeteramin 2070 med anhydridgrupperna på PSMA.
  5. Fortsätt att röra om lösningen över natten vid rumstemperatur.
  6. Mät lämplig mängd organiska färgämnesmolekyler därefter utmata den i scintillationsflaska i en portion, omrör den erhållna lösningen för en timme.
    1. För provet TPP-NP (nanoassembly innehåller polymerskal, tetrafenyl porfyrin och upconverting nanopartiklar), direkt tillsätt 1 mg tetrafenyl porfyrin till scintillationsflaska. För provet DAE-UCNP (nanoassembly innehåller polymerskal, diarylethene molekyler och upconverting nanoparticles), är den mängd av varje diarylethene molekyler 2 x 10 -7 mol. Lägg de två diarylethene molekyler i reaktionslösningen. Volymerna för de två diarylethene molekylerna är: DAE-1o (1,8 mM), 111 ul och DAE-2o (1,6 mM), 125 pl.
  7. Avlägsna CHCI3 lösningsmedlet under reducerat tryck med användning av en rotationsindunstare, tillsätt sedan 3 ml 0,001 M vattenlösning av NaOH (pH ≈ 11) till scintillationsflaska, därefter sonikera flaskan tills en mjölkaktig suspension bildas.
  8. Placera flaskan tillbaka på rotationsindunstare, och försiktigt bort återstående CHCI3 tills suspensionen har vänt sig till en klar lösning.
  9. Överför lösningen från scintillationsampull till två 1,5 ml koniska centrifugrör, centrifugera sedan lösningen vid 20.600 xg under 25 min.
  10. Kasta bort supernatanten, tillsätt sedan totalt 3 ml avjoniserat H2O i de två rören (1,5 ml per rör), sonikera rören att återdispergera pelletseni avjoniserat H2O
  11. Centrifugera de två rören igen vid 20.600 xg under 25 min.
  12. Kasta bort supernatanten, tillsätt sedan totalt 3 ml avjoniserat H2O i de två rören (1,5 ml per rör). Sonikera rören att återdispergera pellets i det avjoniserade H2O
  13. Filtrera vattennanopartiklar dispersion prov genom ett 0,2 pm sprutfilter för att få det slutliga provet för ytterligare tester.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Absorption spektra och fotoluminiscens spektra samlades för prov DAE-UCNP. Absorptionsspektra används för att jämföra den spektrala överlappningen mellan de slutna diarylethene kromoforer och upconverting nanopartiklar. Fotografier av proven (både TPP-UCNP och DAE-UCNP) inkluderades också för att demonstrera lyckad inkapsling av organiska färgämnesmolekyler och upkonverterande nanopartiklar, som är belägna inom de amfifila polymerskal i vattenfasen. Moduleringen av fotokemi och fluorescens visades också genom belysning av proven med olika ljuskällor.

Den kemiska teori "som upplöses som förklarar varför när en delmängd av porfyrin eller UCNPs i kloroform tillsätts till vatten även efter kraftig skakning, båda kvar i det organiska skiktet (Figur 2, a, b, d och e). Men när du använder "plug-and-play" inkapslingsmetod(Figur 1), en vattendispergerbar nanoassembly (TPP-UCNP) innehållande både porfyrin och UCNPs produceras. Anledningen till att vi valde tetrafenylporfyrin porfyrin som en modellförening för att studera beror på att det är en icke-vattenlöslig organisk förening och har intressanta applikationer i fotodynamisk terapi. När en vattenlösning innehållande de nanoassemblies sätts till kloroform, även efter kraftig skakning, förblev de nanoassemblies i vattenskiktet (fig 2, c och f). Användningen av den amfifila polymerskalet har två fördelar: (1) det skapar en inre hydrofob miljö som fällor både porfyrinet och UCNPs, och (2) Det skapar en yttre hydrofil miljö som interagerar med närliggande vattenmolekyler för att bibehålla vattendispergerbarhet av hela aggregatet. Den röda färgen hos provet (Figur 3) tillskrivs de porfyrin molekylerna fångade inom församlingen, och förekomsten av porfyrinetmolekyler demonstrerades med användning av UV-vis absorptionsspektroskopi. Vid bestrålning med en nära infraröd 980 nm laser, framställs grön emission från provet (fig 2, c och f, fig 3), som är överlåten till emissionen från Er 3+ -doped NaYF 4 uppkonverterande nanopartiklar. Inkapslings protokollet inte kräver några särskilda ändringar som skall göras till de inkapslade molekylerna eller ligandutbyte av UCNPs, därför föreslår vi att denna "plug-and-play" protokoll kan användas som en generell strategi för att överföra en mängd olika organiska molekyler från ett organiskt lösningsmedel till ett vattenbaserat medium.

För att visa mångsidigheten hos vårt förfarande, samtidigt överfört vi två hydrofoba diarylethenes (DAE-1o och DAE-2o) från organiskt lösningsmedel till vatten (Figur 4) för att generera en blandad nanoassembly (DAE-UCNP). Diarylethenes är fotokänsliga molekyler som undergår omvandling mellan en ring öppen isomeren och en ringslutas isomeren. 28 Vid bestrålning med UV-ljus, det färglösa ringöppna isomeren omvandlas till den färgade ringslutna isomeren, och exponering för synligt ljus utlöser omvänd process. Dessa reaktioner illustreras i fig 4. Interomvandling mellan de ring öppna och ringslutna isomerer kan upprepas många gånger utan någon betydande nedbrytning av kromoforer. Dessa photoreactions genomföres typiskt i organiska lösningsmedel, inte bara på grund löslighets- utan också för att cykliseringsförfarandet ofta hindras i vatten. Det dåliga resultatet för photoreactions i vatten beror främst på: (1) undertryckte reaktivitet excite diarylethene molekyler i polära lösningsmedel på grund av intramolekylära laddningsöverförings interaktioner, och (2) möjligheten för kollision mellan exciterade organiska molekyler och vattenmolekyler som leder till släckning av the exciterade tillstånden och stänga av photocyclization reaktionen. Dock kan dessa frågor lösas genom inkapsling av diarylethene inom en amfifil polymer skal för att bilda vattendispergerbara nanoassemblies.

Genom att använda samma "plug-and-play" protokoll som beskrivits för porfyriner har diarylethenes och upkonverterande nanopartiklar inkapslade i polymerskal för att bilda vattendispergerbara nanoassemblies (figur 2 och 5). UV-vis-absorptionsspektra av de båda isomererna som undergår ljus inducerade cyklisering och cycloreversion reaktioner i nanoassemblies dispergerade i vatten visas i figur 6. Såsom är typiskt för diarylethenes, ingen av de ringöppnade isomerer (DAE-1o eller DAE- 2o) absorberar i det synliga området av det elektromagnetiska spektrumet (figur 6a). Bestrålning av ringöppnade isomerer med 365 nm ljus producerar their ring stängda motsvarigheter (DAE-1c och DAE-2c). Det är också därför den färglösa provet (figur 5a) ändras till en orangefärgad provet (Figur 5b) och visade en stark synligt band i UV-vis-spektrum (figur 6a). Bestrålning av färgade provet med synligt ljus med en våglängd som är större än 434 nm bleknar provet till dess ursprungliga färglöst tillstånd innehåller ringöppnade isomerer (DAE-1o och DAE-2o). Alla spektrala förändringar genomfördes inom 3 minuter. Selektiv fotokromism observerades (figur 6c) eftersom de två kromoforer inkapslade i polymerskal DAE-UCNP har väl separerade absorptionsband. När provet DAE-UCNP bestrålades med synligt ljus av en våglängd större än 650 nm, är endast den ringslutna isomeren DAE-2c svarar på denna särskilda ljusvåglängdoch omvandlades till den ringöppnade isomeren DAE-2o. Detta resulterar i en minskning i det synliga absorptionsband vid 647 nm och ger en lösning med en djupare orange färg (Figur 5c) från den selektiva blekning av blå ring stängda isomerer. Under dessa förhållanden, är bandet som motsvarar DAE-1c nästan oförändrad (orange heldragen linje i figur 6c). Dessa data stöder slutsatsen att den amfifila polymerskalet hjälper till att behålla effektiviteten i photoreactions i vatten.

När den vattenhaltiga dispersionen av nanoassembly DAE-UCNP exciteras med 980 nm ljus, de två banden centrerad vid 537 nm och 650 nm kan detekteras med en fluorometer, som är typiska för erbiumdopade nanopartiklar. Bandet centrerat vid 537 nm (betecknat som grön emission) kan tillskrivas [2 H 11/2, 4 S 3/2] 4 I 15/2 övergångar medan bandet centered vid 650 nm (betecknas som rött emission) är resultatet av [4 F 02/09, 4 S 3/2] 4 I 15/2 övergångar (figur 6b). De ringöppnade isomerer (DAE-1o och DAE-2o) inte absorbera synligt ljus, och som ett resultat fluorescensemissionen av provet DAE-UCNP inte släcks av någon av de ringöppnade isomerer. Men, bestrålning av provet med 365 nm ljus omvandlar ringöppnade isomerer till sina ring stängda motsvarigheter (DAE-1c och DAE-2c) och båda starkt absorberar synligt ljus. Eftersom emissionsbanden från UCNPs lappa absorptionsband de ringslutna isomerer, är släckningen av emissionen UCNPs uppnås genom en energiöverföringsprocess (figur 6b). Denna process är en kombination av både FRET och utsläppsfri reabsorption mekanismer. 26 Den ursprungliga utsläpp kan vara regenerated genom bestrålning av provet med synligt ljus av en våglängd större än 434 nm ljus, som omvandlar de ring stängda isomerer tillbaka till motsvarande ringöppnade isomerer. Som diskuterats tidigare, kan de gröna och röda emissionsband selektivt släcktes på grund av den selektiva fotokromism av provet och förmåga att släcka emissionsbanden av ringslutna isomerer. När provet bestrålas med synligt ljus med en våglängd som är större än 650 nm, bara ringslutna isomeren DAE-2c återförs till den ringöppnade isomeren DAE-2o och den röda emission regenereras medan den gröna emissionen fortfarande släcktes till viss utsträckning (figur 6d).

Figur 1
Figur 1. Syntes av nanoassemblies (TPP-UCNP) innehållande polymeren inkapslad både upconverting nanopartiklar och tetrafenyl porfyrin.

Figur 2
Figur 2. Fotografier som visar vatten försiktigt skiktad ovanpå CHCI3 innehållande (a) TPP i CHCI3 fas, (b) UCNPs i CHCI3 fasen, (c) nanoassemblies (TPP-UCNP) i vattenfasen. Bilder (d), (e) och (f) är av de identiska flaskorna efter det att de har kraftigt skakat och visar ingen överföring av komponenterna till andra vätskefaser. Den gröna och gula ljus observerats i bilder (b), (c), (e) och (f) är på grund av bestrålning med en 980 nm laser för att visa platsen för upconverting nanopartiklar.


Figur 3. Fotografier av en vattenlösning av nanoassemblies (TPP-UCNP) vid bestrålning med en 980 nm laser i omgivande ljus (till vänster) och i mörker (höger).

Figur 4
Figur 4. En blandad nanoassembly (DAE-UCNP) innehåller polymer inkapslade upconverting nanopartiklar och två olika diarylethenes. De fotoinducerade ringstängnings och ringöppnande reaktioner av diarylethenes visas till höger.

Figur 5
Figur 5. Fotografier av vattenlösningar av de blandade nanoassemblies (DAE-UCNP) innehållande diarylethenes (a) in deras ring öppen stater (DAE-1o och DAE-2o), (b) vid deras photostationary tillstånd innehåller DAE-1c och DAE-2c, och (c) med DAE-1o på sin photostationary tillstånd och DAE-2o i sin ring öppna formen. De photostationary påstår genererades genom bestrålning av provet med 365 nm ljus under 2 minuter. Den blandade tillstånd i (c) genererades genom att selektivt ringöppning DAE-2c med ljus av en våglängd större än 490 nm. De nedre fotografier visar samma prover när de bestrålas med en 980 nm laser i mörker.

Figur 6
Figur 6. (a) UV-vis-absorptionsspektra av den vatten dispergerade nanosystem DAE-UCNP innehållande diarylethenes 1o 2o före (heldragen linje) och efter 365 nm ljus bestrålning (streckad linje). De gröna och röda staplar representerar emissionsband UCNPs när den exciteras med 980 nm ljus för att visa den spektrala överlappningen mellan utsläpp av UCNPs och absorptionen av diarylethenes på photostationary staten. (B) Lysrör emissionsspektra av samma prov (λ ex = 980 nm) före (svart linje) och efter (svart linje med grått skuggade område) bestrålning med 365 nm ljus. (C) UV-vis absorptionsspektra för DAE-UCNP vid photostationary tillståndet (streckad linje), efter bestrålning med> 490 nm ljus från photostationary tillstånd (svart linje) och efter bestrålning med> 650 nm ljus från photostationary tillstånd (orange linje ). (D) Relativ utsläpp av DAE-UCNP mäts när provet var på photostationary staten (grå fältet), efter bestrålning med> 650 nm ljus från photostationary tillstånd (orange bar), och efter bestrålning med> 490 nm ljus från photostationary staten (vit bar).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nanopartiklarna syntetiserade enligt detta protokoll har en storleksfördelning från 20 till 25 nm centrerad till cirka 22,5 nm. 26,27 De kan klassificeras som sfäriska partiklar med en α-NaYF fyra värdfackverkskonstruktion. Det finns två viktiga steg i detta protokoll. I UCNP syntesen, är det avgörande att upprätthålla värmetemperatur och tid så exakt som möjligt för att säkerställa en snäv fördelning av partikelstorleken. Samtidig tillsats av NaOH och NH4F tillsammans med tillsatsen av lantanidföreningar joner vid början av reaktionen gav inte nanopartiklar av en väl fördelad storlek och bra morfologi. Efter tillsats av NaOH och NH4F, säkerställa att temperaturen hålls vid 75 ° C under en tillräckligt lång tidsperiod för att fullständigt destillera av alla av metanolen från lösningsmedel med hög kokpunkt blandningen och därefter höja temperaturen till 300 ° C så fort som möjligt efter destillation för att kontrollera storleken of nanopartiklar. 24

Vid vattendispergerbara nanoassemblies, kan det ibland vara svårt att bestämma mängden UCNPs (steg 2,2) och organiska molekyler (Steg 2,6). Ett förslag är att börja med en liten volym av UCNPs (dvs. 50 pl) och sedan gradvis öka denna kvantitet tills en tröskel nås. Baserat på våra studier, är en kombination av 10 mg partiklar och 2 x 10 -7 mol organiska molekyler den optimala kvantiteten för denna typ av inkapsling. Emellertid, även om denna metod kan med framgång överföra vattenolösliga organiska föreningar och nanopartiklar till vattenhaltigt medium och hålla de två komponenterna tillsammans i omedelbar närhet, har detta protokoll fortfarande begränsningar. Denna inkapsling process är inte tillämplig på vattenlösliga molekyler eller nanopartiklar syntetiseras i en vattenbaserad miljö (dvs. guldnanopartiklar), eftersom den största interaktionen håller nanoassembly tillsammans är hydrophobic effekt. Om ett vattenlösligt molekyl eller nanopartikel används, kommer det sannolikt att läcka ut från det hydrofoba polymerskiktet, även om polymererna bildar initialt miceller.

Sammanfattningsvis, med hjälp av en "plug-and-play" protokoll, visar vi hur du enkelt kapsla hydrofoba organiska kromoforer och oorganiska upkonverterande nanopartiklar inom en amfifil polymer skal för att generera fotokänsliga vattendispergerbara hybrid ekologisk oorganiska nanoassemblies. Polymerskalet bidrar till att upprätthålla den hydrofoba miljö som är gynnsam för organiska photoreactions, vilket gör denna "plug-and-play" protokoll idealisk för framställning av komplexa fotokänsliga system för applikationer i vattenmiljöer. De existerande metoderna för framställning av vattendispergerbara nanosystem kräver ofta komplicerad kemisk modifiering är emellertid detta protokoll kan överföra icke vattenlösliga komponenter i vatten enkelt utan for särskild variant till dessa komponenter. Användningen av nära infrarött ljus för att aktivera upconverting nanopartiklar öppnar möjlighet för låg energi ljus aktiverade photoreactions vilket är ett fördelaktigt särdrag för biologiska tillämpningar eftersom det orsakar mindre skada på celler och vävnader i levande organismer. En möjlig nackdel med denna teknik är den uppkonverterad UV-ljus emitterat från nanopartiklarna, och används för att trigga de högre photoreactions energi (dvs. foto isomerisering av diarylethene molekyler), kan potentiellt skada celler eller levande organismer. För att lösa det här problemet, kan en UV-skyddsskikt beläggas på nanopartiklar för att förhindra att uppkonverterade UV fotoner från att komma ut. Den nanosystem med avstämbara fluorescens vi visat i den här artikeln har potential att utvecklas till ett nytt bioimaging reagens för super-upplösning. Vi räknar omfattningen att använda denna "plug-and-play" metod för att göra vattendispergerbara nanoassemblögner kommer att fortsätta att expandera.

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