En "Plug and Play" metode for å lage Vann dispersible Nanoassemblies inneholder en amfifil Polymer, Organiske fargestoffer og oppkonvertering Nanopartikler

* 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

I dag er det fortsatt et stort behov for å utvikle nye typer bio-kontrastmidler. Mange nye fluorescerende prober er godt dokumentert. 1-6 imidlertid betydelige forbedringer i bildeoppløsningen er fortsatt en utfordring. 7 En praktisk metode er å direkte modulere fluorescens prober mellom en 'lys' emisjons staten og en "mørk" slukket tilstand. til 8-12 Denne metoden har vært brukt til å utvikle teknologier som stimulert emisjon mangel (STED) mikros 13 og stokastisk optisk rekonstruksjon mikroskopi (STORM). 14

En annen tilnærming for å modulere fluorescens er å kople fotoreager kromoforer sammen med fluorescerende prober. 15,16 Veksling det fotoreagerende kromofor mellom to isomerer hvor bare en av isomerene kan fungere som en effektiv energioverføring akseptor, tillater kontroll over slukking av fluorescensen fra the sonde gjennom Förster Resonance Energy Transfer (FRET) og andre mekanismer. Resultatet er etableringen av en emisjons stat og et slukket tilstand som kan byttes ved eksponering av fotoreager kromofor til forskjellige bølgelengder av lys.

Fotoreager diarylethene kromoforer kan reversibelt veksles mellom en fargeløs ringåpne isomer og en farget ring-lukkede isomeren ved bestråling med UV og synlig lys. 17-19 Den termiske stabilitet av de to isomerer og avstembar absorpsjonsspektra av det ring lukket isomer make diarylethenes veldig gode kandidater som kontrollerbar FRET acceptors. 20-23 lanthanid-dopet NaYF fire upconverting nanopartikler er nyttige for bio-imaging. 24 Disse nanopartikler absorberer nær-infrarødt lys og avgir lys i flere regioner av det synlige spekteret. Eksempler på fluorescens modulering ved å kombinere fotoreager diarylethene kromoforer og nanopartikler er forhåndsfra stillingen rapportert av vår gruppe. 25-27 Imidlertid kreves det systemer som er beskrevet i hvert eksempel en ytterligere syntetisk modifisering å feste diarylethenes til overflaten av nanopartikler, som vanskeliggjør utvikling av mer utbredte systemer.

Heri vi demonstrere en enkel "plug-and-play" -metoden for å forberede vanndispergerbare organiske fargestoffer og fotoreager upconverting nanopartikler ved hjelp av en selvbygging strategi. Valget av polymerer; poly (styren alt -maleic anhydrid) og polyeteramin 2070 gir både en hydrofob og hydrofil miljø. De hydrofobe delene av polymeren hjelper til å holde de normalt vannoppløselige organiske molekyler og upconverting nanopartikler sammen, mens den hydrofile delen av polymeren er kritisk for å opprettholde vann-oppløselighet. Vi vil først demonstrerer syntese av upconverting nanopartikler ved termisk nukleasjon metoden. Deretter vil vi bevise how de organiske molekylene og upconverting nanopartikler er innkapslet innenfor hydrofobe regioner av polymerskall, og forbli stabil i vandige media ved ganske enkelt å medvirke under omrøring en oppløsning av upconverting nanopartikler, polymer og forskjellige organiske fargestoffer, etterfulgt av en enkel opparbeidelsesprosedyre. Vi viser også hvordan å modulere fluorescens utslipp av menighetene som bruker eksternt lys bestråling. Vi forventer omfanget av å bruke denne "plug-and-play" -metoden for å gjøre vanndispergerbare nanoassemblies vil fortsette å ekspandere.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese av NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ oppkonvertering Nanopartikler (UCNP)

  1. Sett opp apparatet som fulgte:
    1. Plasser en 250 ml varmemantel på jevnlig omrøring plate og plugg mantelen på termisk par.
    2. Plasser en 250 ml rundbunnet kolbe utstyrt med en magnetisk rørestav mot varmekappe med riktig fastspenning.
    3. Fest en luft adapter til venstre halsen på rundkolbe og koble denne luften adapteren til Schlenk tråd med plastrør.
    4. Fest en glass-adapter til høyre hals rundkolbe og feste et termometer adapter på glasset adapteren. Sett temperaturen sonden inn i kolben gjennom termometeret adapter og sette dette inn i termo.
    5. Fest et destillasjonshode til midten hals rundbunnet kolbe. Sett en stopper på toppen av destillasjon hodet. Koble hodet til en kondensator, fulgt av en vakuum distillation adapter og en 50 ml rundbunnet kolbe. Koble vakuumdestillasjon adapteren til en bobler gjennom plastslanger.
  2. Veie 1,17 g (3,9 mmol) av yttrium-acetat, 0,439 g av ytterbium acetat og 0,0727 g (0,1 mmol) av erbium acetat og plassere dem i reaksjonsrundbunnet kolbe.
  3. Tilsett 30 ml av oljesyre og 75 ml av octadecen til kolben ved hjelp av en målesylinder.
  4. Skyll den siden av reaksjonen, rundbunnet kolbe ved anvendelse av 5 ml metanol for å være sikker på at ingen oljesyre og oktadecen er fast til sidene i reaksjonskolben.
  5. Koble reaksjonskolben til et dobbelt manifold Schlenk linje og gjøre den tilsvarende ventilen for å holde reaksjonskolben som er koblet til nitrogen linje.
  6. Slå på termoelementet, sett temperaturen til 80 ° C, og gradvis oppvarming av systemet til denne temperatur. Ved 80 ° C, og etter at alle utgangsmaterialene oppløses, fjernes varmekappe og tillate at reaksjonenkjøle ned til 30 ° C.
  7. Når temperaturen når 30 ° C, ta av destillasjon hodet, slå luften adapter fra venstre nakken til midten halsen og stenge venstre hals med en propp. Sakte introdusere vakuum til reaksjonskolben ved å slå ventilen på Schlenk-linjen fra nitrogenledningen til vakuumledningen. Alle de lavtkokende komponenter vil bli trukket ut fra reaksjons på dette punktet.
  8. Når løsningen stopper bobler, heve temperaturen opp til 115 ° C i en hastighet på 5 ° C / min.
  9. Når temperaturen når 115 ° C, holde denne temperaturen i 15 minutter, deretter fjernes varmekappe og avkjøles reaksjonsblandingen til 50 ° C. Etterpå raskt bytte oppsettet tilbake til den opprinnelige form av reattaching destillasjon hodet til midten halsen og luften adapter til venstre hodet.
  10. Vei ut 0,74 g (12,5 mmol) NaOH og 0,50 g (20,0 mmol) 4-NH F under avkjølingsprosessen, og oppløse demi 50 ml metanol ved sonikering.
  11. Etter sonikering, helles oppløsningen inn i reaksjonsrundkolbe og skyll sidene av kolben med 5 ml MeOH.
  12. La oppløsningen under omrøring ved 50 ° C i 30 min.
  13. Øke temperaturen til 75 ° C for å destillere av metanol.
  14. I løpet av destillasjonen, tømme oppsamlingskolben når det er nødvendig. Etter destillasjonen er avsluttet, å varme opp reaksjonsblandingen til 300 ° C under nitrogenbeskyttelse så fort som mulig.
  15. Når temperaturen når 300 ° C, holde denne temperaturen i 1 time. Hvis nødvendig, dekker oppsett med aluminiumsfolie for å opprettholde temperaturen. Deretter fjernes varmekilden og la reaksjonen avkjøles til romtemperatur.
  16. Når den er avkjølt til romtemperatur, delt løsningen jevnt i tre sentrifugeringsrør (50 ml rør, omtrent 35 ml oppløsning per hvert rør), og topp opp røret til 50 ml forstørrelse med vannfri etanol. Sentrifuger alle tHan rørene ved 3400 x g i 15 min. Etter sentrifugering, bør UCNPs holdes på den side av rørene som et hvitt bunnfall.
  17. Kast supernatanten og redispergere de UCNPs pellets i heksaner (7,5 ml heksan per hvert rør), og deretter fylle opp røret med etanol til 50 ml skala. Sentrifugerør igjen ved 3400 xg i 15 min.
  18. Når sentrifugeringen er fullført, kast supernatanten og redispergere de faste UCNPs i 30 ml CHCI3 for videre bruk.

2. Montering av Vanndispergerbar Nanoassemblies inneholder organiske fargestoffer og oppkonvertering Nanopartikler

  1. Oppløs 25 mg (0,0147 mmol) av poly (styren-alt -maleic anhydrid) (PSMA) i 3 ml CHCI3 i en scintillasjonsflaske utstyrt med en magnetisk rørestav. Denne mengden er en optimalisert mengde etter flere forsøk.
  2. Tilsett 250 ul (47 mg / ml) av oppkonvertering nanopartikler kloroform stamoppløsning til scintillation hetteglass.
  3. Lukk glasset og plassere den på magnetrørerplate, og omrør løsningen ved romtemperatur i 2 timer.
  4. Veie 160 mg (0,0773 mmol) av polyeteramin 2070, og oppløse den i 1 ml CHCI3. Deretter legger denne løsningen til scintillasjonsglass i én porsjon ved hjelp av en pipette. Løsningen vil vende seg til lysegul indikerer omsetning av polyeteramin 2070 med anhydridgruppene på PSMA.
  5. Fortsett å omrøre oppløsningen ved romtemperatur over natten.
  6. Mål passende mengde av organiske fargestoffer så avgi den i scintillasjonsglass i én porsjon, omrør den resulterende løsning i 1 time.
    1. For prøven TPP-NP (nanoassembly inneholder polymer shell, tetrafenylammoniumjodid porfyrin og upconverting nanopartikler), direkte legge 1 mg tetrafenylammoniumjodid porfyrin til tellekar. For prøven DAE-UCNP (nanoassembly inneholder polymer shell, diarylethene molekyler og oppkonvertering nanopartikkels), er mengden av hver diarylethene molekyler 2 x 10 -7 mol. Tilsett de to diarylethene molekyler i reaksjonsløsningen. Volumene for de to diarylethene molekylene er: DAE-1o (1,8 mm), 111 mL og DAE-2o (1,6 mm), 125 mikroliter.
  7. Fjern det CHCI3 midlet under redusert trykk ved anvendelse av en rotasjonsfordamper, og deretter tilsettes 3 ​​ml av 0,001 M vandig NaOH (pH ≈ 11) til scintillasjonsglass, deretter sonikere hetteglasset til en melkeaktig suspensjon er dannet.
  8. Plasser flasken tilbake på rotasjonsfordamper, og forsiktig fjerne resterende CHCI3 inntil suspensjonen har vendt seg til en klar oppløsning.
  9. Overfør løsningen fra scintillasjonsglass til to 1,5 ml koniske sentrifugeringsrør, sentrifuger deretter løsningen ved 20 600 xg i 25 min.
  10. Kast supernatanten, og deretter legge til en total på 3 ml avionisert H 2 O i de to rørene (1,5 ml per rør), sonicate rørene for å redispergere pelletenei avionisert H 2 O.
  11. Sentrifuger de to rørene igjen ved 20 600 xg i 25 min.
  12. Kast supernatanten, og deretter legge totalt 3 ml deionisert H2O i de to rørene (1,5 ml per rør). Sonikere rørene for å redispergere pelletene i avionisert H2O
  13. Filtrer den vandige dispersjon av nanopartikler prøven gjennom et 0,2 um sprøytefilter for å oppnå den endelige prøven for ytterligere testing.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Absorpsjonsspektra og photoluminescence spektra ble samlet for prøve DAE-UCNP. Den absorpsjonsspektra er brukt for å sammenlikne den spektrale overlapping mellom de lukkede diarylethene kromoforer og upconverting nanopartikler. Fotografier av prøvene (både TPP-UCNP og DAE-UCNP) ble også inkludert for å demonstrere vellykket innkapsling av organiske fargestoffer og upconverting nanopartikler, som er plassert innenfor amfifile polymer skjell i vannfasen. Modulering av fotokjemi, og fluorescens ble også vist ved belysning av prøvene med forskjellige lyskilder.

Den kjemiske teori "som løser seg opp som forklarer hvorfor når en delmengde av porfyrin eller UCNPs i kloroform ble tilsatt til vann, selv etter kraftig risting, som begge forblir i det organiske laget (figur 2, a, b, d og e). Men når du bruker den "plug-and-play" innkapsling metode(Figur 1), en vanndispergerbar nanoassembly (TPP-UCNP) inneholdende både porfyrin og UCNPs produseres. Grunnen til at vi valgte tetrafenylammoniumjodid porfyrin som en modellforbindelse for å studere er fordi det er en ikke-vannløselig organisk forbindelse, og det har interessante anvendelser i fotodynamisk terapi. Når en vandig oppløsning inneholdende de nanoassemblies tilsettes til kloroform, selv etter kraftig risting, forble nanoassemblies i vannlaget (figur 2, c og f). Bruken av den amfifile polymer skallet har to fordeler: (1) det opprettes et indre hydrofobt miljø som feller både porfyrin og UCNPs, og (2) det opprettes et ytre hydrofilt miljø som kommuniserer med omgivende vannmolekyler for å opprettholde vann-dispergerbarhet av hele sammenstillingen. Den røde farge av prøven (figur 3) er knyttet til porfyrin molekylene fanget inne i sammenstillingen, og tilstedeværelsen av porfyrinmolekyler ble demonstrert ved hjelp av UV-vis absorpsjonsspektroskopi. Ved bestråling med en nær-infrarød laser 980 nm, grønn emisjon produsert fra prøven (figur 2, c og f, figur 3), som er tilordnet til utslipp fra den Er 3+ -doped NaYF 4 upconverting nanopartikler. Innkapsling protokollen krever ingen spesifikke endringer som skal gjøres i de innkapslede molekyler eller ligandutveksling av UCNPs, foreslår vi derfor at denne "plug-and-play" protokollen kan brukes som en generell strategi for å overføre en rekke ulike organiske molekyler fra et organisk oppløsningsmiddel til et vandig medium.

For å demonstrere allsidigheten vår prosedyre, samtidig overføres vi to hydrofobe diarylethenes (DAE-1o og DAE-2o) fra organiske løsemidler til vann (figur 4) for å generere en blandet nanoassembly (DAE-UCNP). Diarylethenes er fotoreagerende molekyler som gjennomgår omdannelse mellom en ringåpne isomer og en ring-lukkede isomer. 28 Ved bestråling med UV-lys, fargeløse ringåpne isomer omdannes til den fargede ring lukket isomer, og eksponering for synlig lys utløser omvendte prosessen. Disse reaksjoner er illustrert i figur 4. Omdannelse mellom ring-åpne og lukkede ring-isomerer kan gjentas mange ganger uten vesentlig degradering av kromoforer. Disse fotoreaksjoner blir typisk utført i organiske løsningsmidler, ikke bare for løselighets-grunner, men også fordi cykliseringen prosessen blir ofte hindret i vann. Dårlige prestasjoner av fotoreaksjoner i vann er hovedsakelig på grunn av: (1) undertrykt reaktivitet av den opphissede diarylethene molekyler i polare løsemidler på grunn av intraoverføringsavgift interaksjoner, og (2) muligheten for kollisjon mellom eksiterte organiske molekyler og vannmolekyler som fører til slukking av the eksiterte tilstander og nedleggelse fotocykliseringen reaksjon. Imidlertid kan disse problemene overvinnes ved innkapsling av diarylethene innenfor en amfifil polymer-skall til dannelse av vanndispergerbare nanoassemblies.

Ved å bruke samme "plug-and-play" protokoll beskrevet for porfyriner, ble diarylethenes og upconverting nanopartikler innkapslet i polymer skjell å danne vanndispergerbare nanoassemblies (figur 2 og figur 5). UV-vis absorpsjonsspektra av de to isomerene som gjennomgår lett induserte cykle og cycloreversion reaksjoner i nanoassemblies dispergert i vann er vist i figur 6. Som er typisk for diarylethenes, ingen av de ringåpnede isomerer (DAE-1o eller DAE- 2o) absorberer i det synlige området av det elektromagnetiske spekteret (figur 6a). Bestråling av ringåpnet isomerer med 365 nm lys produserer their ring stengt kolleger (DAE-1c og DAE-2c). Dette er også grunnen til den fargeløse prøven (figur 5a) endret til en oransje-farget prøve (figur 5b) og viste et sterkt bånd synlig i UV-vis spekteret (figur 6a). Bestråling av den fargede prøven med synlig lys med en bølgelengde som er større enn 434 nm blekner prøven til sin opprinnelige fargeløs tilstand inneholder ring åpnet isomerer (DAE-1o og DAE-2o). Alle spektrale endringer ble gjennomført i løpet av 3 minutter. Selektiv photochromism ble observert (figur 6c), fordi de to kromoforene innkapslet i polymeren skallet av DAE-UCNP ha godt adskilt absorpsjonsbånd. Når prøven DAE-UCNP ble bestrålt med synlig lys med en bølgelengde større enn 650 nm er mottakelig for denne bestemte bølgelengde av lys bare den ringlukkede isomer DAE-2cog ble konvertert til åpen ring isomer DAE-2o. Dette resulterer i en reduksjon i den synlige absorpsjonsbånd ved 647 nm og gir en løsning med en dypere oransje farge (figur 5c) fra den selektive fading av blå ringlukkede isomerer. Under disse betingelser er det bånd som tilsvarer DAE-1c nesten uforandret (orange heltrukket linje i figur 6c). Disse data støtter konklusjonen om at den amfifile polymer skall bidrar til å beholde effektiviteten av fotoreaksjoner i vann.

Når den vandige dispersjon av nanoassembly DAE-UCNP eksiteres med 980 nm lys, de to bånd sentrert ved 537 nm og 650 nm kan påvises med et fluorometer som er typisk for erbium-dopet nanopartikler. Bandet sentrert ved 537 nm (betegnet som grønn emisjon) kan tilskrives [2 11/2 H, 4S] 4 3/2 15/2 I overganger mens bandet centered ved 650 nm (betegnet som rød emisjon) er resultatet av [4-F 9/2, 4 S 3 halv] 4 I 15/2 overganger (figur 6b). De ringåpnede isomerer (DAE-1o og DAE-2o) absorberer ikke noen synlig lys, og som et resultat fluorescensemisjonen av prøven DAE-UCNP ikke stoppes ved en av de ringåpnede isomerer. Imidlertid bestråling av prøven med 365 nm lys omdanner de ringåpnede isomerer til de ringlukkede motstykker (DAE-1c og DAE-2c), og begge sterkt absorberer synlig lys. Siden utslipps band fra UCNPs overlapper med absorpsjonsbåndene for de ringlukkede isomerer, er stopping av UCNPs utslipps oppnådd gjennom en energioverføringsprosessen (figur 6b). Denne prosessen er en kombinasjon av både FRET og utslipps-reabsorpsjon mekanismer. 26 Den opprinnelige utslipps kan være regenerated ved bestråling av prøven med synlig lys av en bølgelengde større enn 434 nm lys, som omformer de ringlukkede isomerer tilbake til de tilsvarende ringåpnede isomerer. Som diskutert tidligere, kan de grønne og røde emisjonsbånd selektivt bli slukket på grunn av den selektive photochromism av prøven, og evnen til å slukke utslipps båndene med ringlukkede isomerer. Når prøven blir bestrålt med synlig lys av en bølgelengde større enn 650 nm, bare den ringlukkede isomer DAE-2c føres tilbake til åpen ring isomer DAE-2o og den røde emisjon regenereres mens den grønne utslipps fremdeles bråkjølt til en viss grad (figur 6d).

Figur 1
Figur 1. Syntese av nanoassemblies (TPP-UCNP) inneholdende polymeren innkapslet både upconverting nanopartikler og tetrafenylammoniumjodid porfyrin.

Figur 2
Figur 2. fotografier som viser vann forsiktig lagt på toppen av CHCI3 inneholdende (a) TPP i CHCI3 fase, (b) UCNPs i CHCI3 fasen, (c) nanoassemblies (TPP-UCNP) i vannfasen. Bilder (d), (e) og (f) er av de identiske ampuller etter at de er blitt rystet kraftig og viser ingen overføring av komponentene til de andre væskefaser. Den gule og grønne lys observert i bilder (b), (c), (e) og (f) er på grunn av bestråling med en 980 nm laser for å vise plasseringen av upconverting nanopartikler.


Figur 3. Fotografier av en vandig løsning av nanoassemblies (TPP-UCNP) ved bestråling med en 980 nm laser lys fra omgivelsene (til venstre) og i mørket (til høyre).

Figur 4
Figur 4. En blandet nanoassembly (DAE-UCNP) som inneholder polymer innkapslet upconverting nanopartikler og to forskjellige diarylethenes. De fotoindusert ring lukkende og ring-åpning reaksjoner av diarylethenes er vist til høyre.

Figur 5
Figur 5. Fotografier av vandige oppløsninger av de blandede nanoassemblies (DAE-UCNP) inneholdende diarylethenes (a) in sine ring åpen stater (DAE-1o og DAE-2o), (b) på sine photostationary statene som inneholder DAE-1c og DAE-2c, og (c) med DAE-1o på sitt photostationary staten og DAE-2o i sin ring-åpen form. De photostationary tilstander ble samlet ved bestråling av prøven med 365 nm lys i to min. Den blandet tilstand i (c) ble generert ved selektivt ring åpning DAE-2c med lys av en bølgelengder større enn 490 nm. De nedre fotografier viser de samme prøver når de blir bestrålt med en 980 nm laser i mørket.

Figur 6
Figur 6. (a) UV-vis absorpsjonsspektra av vann-dispergerte nano-system DAE-UCNP holdige diarylethenes 1o 2o før (heltrukket linje) og etter 365 nm lys bestråling (stiplet linje). De grønne og røde søylene representerer utslipps band av UCNPs når spent med 980 nm lys for å vise spektral overlapp mellom utslipp av UCNPs og absorpsjon av diarylethenes på photostationary staten. (B) Fluorescerende emisjonsspektra av den samme prøven (λ ex = 980 nm) før (sort linje) og etter (sort linje med grå skyggelagt område) bestråling med 365 nm lys. (C) UV-vis absorpsjon spektra av DAE-UCNP på photostationary state (stiplet linje), etter bestråling med> 490 nm lys fra photostationary tilstand (svart linje), og etter bestråling med> 650 nm lys fra photostationary tilstand (oransje linje ). (D) Relativ utslipp av DAE-UCNP målt når prøven var på photostationary tilstand (grått felt), etter bestråling med> 650 nm lys fra photostationary tilstand (oransje felt), og etter bestråling med> 490 nm lys fra photostationary tilstand (hvit bar).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nanopartikler syntetisert i henhold til denne protokollen har en størrelsesfordeling fra 20 til 25 nm sentrert på rundt 22,5 nm. 26,27 De kan klassifiseres som sfæriske partikler med en α-NaYF 4 vert gitterstrukturen. Det er to viktige skritt i denne protokollen. I UCNP syntesen, er det avgjørende å holde oppvarmingstemperaturen og tiden så presis som mulig for å sikre en snever fordeling av partikkelstørrelse. Samtidig tilsetning av NaOH og NH 4 F sammen med tilsetning av lanthanider ioner ved begynnelsen av reaksjonen ga ikke nanopartikler av et godt fordelt størrelse og god morfologi. Etter tilsetning av NaOH og NH 4 F, sikre at temperaturen holdes ved 75 ° C i tilstrekkelig lang tid for fullstendig å avdestillere all metanolen fra det høytkokende løsningsmiddel-blanding, og deretter heve temperaturen til 300 ° C så raskt som mulig etter destillasjon for å kontrollere størrelsen of nanopartikler. 24

Når du foretar vanndispergerbare nanoassemblies, kan det noen ganger være vanskelig å bestemme mengden av UCNPs (trinn 2.2) og organiske molekyler (trinn 2.6). Et forslag er å starte med et lite volum av UCNPs (dvs. 50 mL) og deretter gradvis øke denne mengde til en terskel er nådd. På grunnlag av våre forsøk, er en kombinasjon av 10 mg av partiklene og 2 x 10 -7 mol organiske molekyler den optimale mengde for denne type innkapsling. Selv om denne fremgangsmåte kan med hell overføre vannuløselige organiske forbindelser og nanopartikler til vandig medium og holde de to komponenter sammen i umiddelbar nærhet, har denne protokollen fremdeles begrensninger. Dette innkapsling prosessen er ikke aktuelt å vannløselige molekyler eller nanopartikler syntetisert i et vandig miljø (dvs. gull nanopartikler) fordi den store samspillet holder nanoassembly sammen er hydrophobic effekt. Hvis et vannløselig molekyl eller nanopartikler blir brukt, vil det sannsynligvis lekke ut av det hydrofobe polymerlaget, selv om de polymerer som innledningsvis danner miceller.

I konklusjonen, ved hjelp av en "plug-and-play" protokollen, viser vi hvordan du enkelt kapsle hydrofobe organiske kromoforer og uorganiske upconverting nanopartikler innenfor en amfifil polymer shell å generere fotoreager vanndispergerbare hybrid organisk-uorganiske nanoassemblies. Polymeren skallet bidrar til å opprettholde den hydrofobe miljø som er gunstig for organiske fotoreaksjoner, noe som gjør denne "plug-and-play" protokoll ideell for utarbeidelse av komplekse fotoreagerende systemer for applikasjoner i vandige miljøer. De eksisterende fremgangsmåter for tilvirkning av vanndispergerbare nanosystemer krever ofte komplisert kjemisk modifikasjon, men er denne protokollen stand til å overføre ikke-vannløselige komponenter i vann praktisk uten for spesifikk modifisering disse komponentene. Bruk av nær-infrarødt lys for å aktivere upconverting nanopartikler åpner muligheten for lavenergi-lys aktiverte fotoreaksjoner som er et fordelaktig trekk for biologiske anvendelser fordi det forårsaker mindre skade på celler og vev i levende organismer. En mulig ulempe med denne teknikken er den upconverted UV-lyset som sendes ut fra nanopartikler, og som brukes til å utløse høyere energi fotoreaksjoner (dvs. foto isomerisering av diarylethene molekyler), kan forårsake skade på celler eller levende organismer. For å overvinne dette problemet, kan en UV-beskyttelse lag belegges på nanopartikler for å hindre at upconverted UV fotoner fra å komme ut. Den nanosystem med fleksibel fluorescens vi demonstrert i denne artikkelen har potensial til å bli utviklet som en roman Bioimaging reagent for super-oppløsning imaging. Vi forventer omfanget av å bruke denne "plug-and-play" -metoden for å gjøre vanndispergerbare nanoassembløgner vil fortsette å 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