JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

Organic dye molecules and oleic acid coated upconverting nanoparticles are not water-soluble. This protocol describes a ‘plug and play’ method that enables the transfer of organic dye molecules and upconverting particles from their initial hydrophobic solvent to water.

Abstract

In this protocol, we first describe a procedure to synthesize lanthanide doped upconverting nanoparticles (UCNPs). We then demonstrate how to generate amphiphilic polymers in situ, and describe a protocol to encapsulate the prepared UCNPs and different organic dye molecules (porphyrins and diarylethenes) using polymer shells to form stable water-dispersible nanoassemblies. The nanoassembly samples containing both the UCNPs and the diarylethene organic dyes have interesting photochemical and photophysical properties. Upon 365 nm UV irradiation, the diarylethene group undergoes a visual color change. When the samples are irradiated with visible light of another specific wavelength, the color fades and the samples return to the initial colorless state. The samples also emit visible light from the UCNPs upon irradiation with 980 nm near-infrared light. The emission intensity of the samples can be tuned through alternate irradiation with UV and visible light. Modulation of fluorescence can be performed for many cycles without observable degradation of the samples. This versatile encapsulation procedure allows for the transfer of hydrophobic molecules and nanoparticles from an organic solvent to an aqueous medium. The polymer helps to maintain a lipid-like microenvironment for the organic molecules to aid in preservation of their photochemical behavior in water. Thus this method is ideal to prepare water-dispersible photoresponsive systems. The use of near-infrared light to activate upconverting nanoparticles allows for lower energy light to be used to activate photoreactions instead of more harmful ultraviolet light.

Introduction

اليوم لا يزال هناك حاجة ملحة لتطوير أنواع جديدة من وكلاء التصوير الحيوي. وقد تم توثيق العديد من تحقيقات الفلورسنت الرواية أيضا. 1-6 ومع ذلك، وإدخال تحسينات كبيرة في دقة وضوح الصورة لا تزال تشكل تحديا. 7 أسلوب واحد العملي هو أن تعدل مباشرة تحقيقات مضان بين "الخفيفة" دولة انبعاثاتها و"المظلمة" دولة مروي. وقد تم تطبيق هذه الطريقة 12/8 خاص لتطوير تكنولوجيات مثل استنزاف الانبعاث المستحث (STED) المجهري 13 ومؤشر ستوكاستيك المجهر إعادة البناء الضوئي (STORM) (14).

مقاربة أخرى لتعديل مضان هو زوجين حاملات photoresponsive جنبا إلى جنب مع تحقيقات الفلورسنت. 15،16 تبديل حامل اللون photoresponsive بين أيزومرين حيث واحد فقط من أيزومرات يمكن أن تكون بمثابة كفاءة متقبل الطاقة والنقل، ويسمح السيطرة على التبريد من مضان من عشره التحقيق من خلال نقل فورستر الرنين الطاقة (الحنق) وغيرها من الآليات. والنتيجة هي إقامة دولة انبعاثاتها ودولة مروي التي يمكن أن يكون بالتناوب عن التعرض للحامل اللون photoresponsive لأطوال موجية مختلفة من الضوء.

حاملات diarylethene Photoresponsive يمكن ان يكون مثبت عكسية بين عديم اللون أيزومر-حلقة مفتوحة وحلقة مغلقة الملونة إيزومر بعد التشعيع مع الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي. 17-19 والاستقرار الحراري للاثنين الأيسومرات والانضباطي امتصاص أطياف مغلقة حلقة جعل الايزومرات diarylethenes المرشحين جيدة جدا، ويقبلون الحنق السيطرة عليها. النانوية مخدر انثانيد-20-23 NaYF 4 تحويله مفيدة للتصوير الحيوي. 24 هذه الجسيمات النانوية تمتص الضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة وينبعث الضوء في عدة مناطق من الطيف المرئي. تم مسبقا أمثلة مضان التشكيل من خلال الجمع بين حاملات diarylethene photoresponsive والنانويةذكرت viously مجموعتنا 25-27 ومع ذلك، فإن الأنظمة الموصوفة في كل سبيل المثال تتطلب تعديلا الاصطناعية إضافي إرفاق diarylethenes إلى السطح من الجسيمات النانوية، مما يعقد تطوير نظم أكثر تنوعا.

هنا علينا أن نظهر "التوصيل والتشغيل" طريقة بسيطة لتحضير جزيئات الصبغة العضوية التشتت في الماء والجسيمات النانوية تحويله photoresponsive باستخدام استراتيجية التجميع الذاتي. اختيار البوليمرات. بولي (styrene- بديل أنهيدريد -maleic) والبولي أمين 2070 توفر كل من بيئة مسعور وماء. الأقسام مسعور من العون البوليمر لعقد عادة المياه غير قابلة للذوبان الجزيئات العضوية والنانوية تحويله معا، في حين أن المنطقة ماء من البوليمر أمر بالغ الأهمية للحفاظ على القابلية للذوبان في الماء. سوف نظهر أولا توليف النانوية تحويله من طريقة التنوي الحراري. ثم، فإننا سوف تثبت حوث يتم تغليف الجزيئات العضوية والنانوية تحويله داخل المناطق مسعور من قذيفة البوليمر وتظل مستقرة في الأوساط المائية ببساطة عن طريق المشاركة في اثارة حل النانوية تحويله البوليمر ومختلفة جزيئات الصبغة العضوية، يليها إجراء متابعة العمل مريحة. علينا أن نظهر أيضا كيفية تعدل الانبعاثات مضان من المجالس باستخدام أشعة الضوء الخارجي. نتوقع نطاق استخدام هذا الأسلوب "التوصيل والتشغيل" لجعل سيستمر nanoassemblies التشتت في الماء في التوسع.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. توليف NaYF 4 / الإيتيربيوم 3+ / إيه 3+ تحويله النانوية (UCNP)

  1. إعداد الجهاز على النحو التالي:
    1. وضع 250 مل التدفئة عباءة على طبق من اثارة العادية والمكونات عباءة على الزوجين الحراري.
    2. وضع أسفل القارورة 250 مل مستديرة مزودة بقضيب مغناطيسي على فروة التسخين مع لقط السليم.
    3. إرفاق محول الهواء في الرقبة اليسرى من أسفل القارورة المستديرة وربط هذا المحول الهواء إلى خط Schlenk مع أنابيب البلاستيك.
    4. إرفاق محول الزجاج إلى اليمين عنق أسفل القارورة المستديرة وإصلاح محول الحرارة على محول الزجاج. إدراج التحقيق في درجة الحرارة في قارورة من خلال محول الحرارة ولسد هذا إلى الحرارية.
    5. إرفاق رئيس التقطير في الرقبة الوسطى من قاع القارورة المستديرة. وضع سدادة على أعلى الرأس التقطير. ربط رئيس لمكثف، تليها distillat فراغمحول أيون و 50 مل جولة أسفل القارورة. قم بتوصيل محول التقطير الفراغي إلى الفوار من خلال أنابيب من البلاستيك.
  2. تزن 1.17 غرام (3.9 ملمول) من خلات الإيتريوم، 0.439 غرام من خلات الإيتربيوم و0.0727 غرام (0.1 ملمول) من خلات الإربيوم ووضعها في الجولة رد فعل قارورة القاع.
  3. إضافة 30 مل من حمض الأوليك و 75 مل من octadecene إلى القارورة باستخدام الاسطوانة.
  4. شطف جانب رد فعل جولة قارورة القاع باستخدام 5 مل من الميثانول للتأكد من عدم وجود حمض الأوليك وoctadecene عالق على جانبي القارورة رد فعل.
  5. ربط قارورة رد فعل على خط متعددة Schlenk مزدوج وتحويل صمام المقابلة للحفاظ على قارورة رد الفعل متصلا خط النيتروجين.
  6. بدوره على الحرارية، ضبط درجة الحرارة إلى 80 درجة مئوية، والحرارة النظام تدريجيا لدرجة الحرارة هذه. في 80 ° C وبعد أن يتم حله عن المواد الأولية، وإزالة عباءة التدفئة والسماح للرد فعل ليبرد إلى 30 درجة مئوية.
  7. عندما تصل درجة الحرارة 30 ° C، خلع رئيس التقطير، تبديل محول الجو من الرقبة اليسرى إلى عنقه المتوسطة وإغلاق الرقبة اليسرى مع سدادة. إدخال ببطء فراغ قارورة التفاعل من خلال تحويل صمام على خط Schlenk من خط النيتروجين إلى خط فراغ. سوف يتم سحب كافة مكونات نقطة غليان منخفضة الخروج من رد الفعل عند هذه النقطة.
  8. عندما يتوقف الحل محتدما، جمع ما يصل درجة الحرارة إلى 115 درجة مئوية في سرعة 5 ° C / دقيقة.
  9. وبمجرد أن تصل درجة الحرارة إلى 115 درجة مئوية، والحفاظ على هذه الدرجة لمدة 15 دقيقة، ثم إزالة عباءة التدفئة وتهدئة رد الفعل إلى 50 درجة مئوية. بعد ذلك، والتحول بسرعة إعداد العودة إلى شكلها الأصلي قبل اعادة ربط رئيس التقطير في الرقبة المتوسطة ومحول الهواء في الرأس الأيسر.
  10. وزن من 0.74 غرام (12.5 ملمول) من هيدروكسيد الصوديوم و 0.50 غرام (20.0 ملمول) من NH 4 F أثناء عملية التبريد، ويحل لهمفي 50 مل من الميثانول صوتنة.
  11. بعد صوتنة، من أجل حل في رد فعل جولة قارورة القاع وشطف جانبي القارورة مع 5 مل من MeOH.
  12. ترك الحل اثارة عند 50 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
  13. زيادة درجة الحرارة إلى 75 درجة مئوية لتقطير الميثانول.
  14. خلال التقطير، وتفريغ القارورة جمع عند الضرورة. بعد الانتهاء من التقطير، وتسخين رد الفعل إلى 300 درجة مئوية تحت حماية النيتروجين في أسرع وقت ممكن.
  15. وبمجرد أن تصل درجة الحرارة إلى 300 درجة مئوية، والحفاظ على هذه الدرجة لمدة 1 ساعة. إذا لزم الأمر، وتغطي الإعداد مع رقائق الألومنيوم للمساعدة في الحفاظ على درجة الحرارة. ثم إزالة مصدر الحرارة والسماح للرد فعل ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
  16. مرة واحدة يتم تبريده الى درجة حرارة الغرفة، وتقسيم الحل بالتساوي إلى ثلاث أنابيب الطرد المركزي (50 مل أنابيب، ما يقرب من 35 مل من محلول في كل أنبوب)، وأعلى حتى الأنبوب إلى 50 مل نطاق استخدام الإيثانول اللامائي. الطرد المركزي كل رانه أنابيب في 3400 x ج لمدة 15 دقيقة. بعد الطرد المركزي، ينبغي مراعاة UCNPs على جانب من الأنابيب كما راسب أبيض.
  17. تجاهل طاف وredisperse الكريات UCNPs في hexanes (7.5 مل من hexanes في كل أنبوب)، ثم ملأ أنبوب مع الايثانول لحجم 50 مل. أنابيب الطرد المركزي مرة أخرى في 3400 x ج لمدة 15 دقيقة.
  18. بمجرد اكتمال الطرد المركزي، تجاهل طاف وredisperse وUCNPs الصلبة في 30 مل من CHCl 3 لاستخدامها مرة أخرى.

2. Nanoassemblies جمعية المياه التشتت تحتوي على العضوية صبغ الجزيئات النانوية وتحويله

  1. حل 25 ملغ (0.0147 ملمول) من بولي (بديل styrene- أنهيدريد -maleic) (PSMA) في 3 مل من CHCl 3 إلى قارورة التلألؤ مجهزة شريط مغناطيسي. هذه الكمية هي كمية الأمثل بعد محاكمات متعددة.
  2. إضافة 250 ميكرولتر (47 ملغ / مل) من تحويله النانوية حل سهم الكلوروفورم إلى scintillation القارورة.
  3. سقف القارورة ووضعه على لوحة اثارة المغناطيسي، ويحرك الحل في درجة حرارة الغرفة لمدة 2 ساعة.
  4. تزن 160 ملغ (0.0773 ملمول) من البولي أمين 2070، وحله في 1 مل من CHCl 3. ثم قم بإضافة هذا الحل إلى قارورة التلألؤ في جزء واحد باستخدام ماصة. فإن الحل يتحول إلى الأصفر الشاحب يدل على رد فعل من البولي أمين 2070 مع مجموعة أنهيدريد على PSMA.
  5. الاستمرار في إثارة الحل بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة.
  6. قياس كمية مناسبة من جزيئات الصبغة العضوية ثم الاستغناء عليه في قارورة التلألؤ في جزء واحد، وإثارة الحل مما أدى لمدة 1 ساعة.
    1. بالنسبة للعينة TPP-NP (التي تحتوي على nanoassembly قذيفة البوليمر، tetraphenyl البورفيرين والجسيمات النانوية تحويله)، مباشرة إضافة 1 ملغ من tetraphenyl بورفيرين إلى قارورة التلألؤ. للحصول على نموذج دبي لصناعات الطيران-UCNP (التي تحتوي على nanoassembly قذيفة البوليمر، جزيئات diarylethene وتحويله جسيمات متناهية الصغرالصورة)، وكمية من كل جزيئات diarylethene هو 2 × 10 -7 مول. إضافة إلى اثنين من جزيئات diarylethene في محلول التفاعل. وحدات التخزين لمدة جزيئات diarylethene هي: دبي لصناعات الطيران-1O (1.8 ملم)، 111 ميكرولتر ودبي لصناعات الطيران-2O (1.6 ملم)، 125 ميكرولتر.
  7. إزالة المذيب CHCl 3 تحت ضغط منخفض باستخدام المبخر الدوار، ثم يضاف 3 مل من 0.001 M مائي هيدروكسيد الصوديوم (الرقم الهيدروجيني ≈ 11) إلى قارورة التلألؤ، ثم يصوتن القارورة حتى يتم تشكيل تعليق حليبي.
  8. ضع القارورة مرة أخرى على المبخر الدوار، وإزالة بعناية المتبقية CHCl 3 حتى تحولت تعليق على حل واضح.
  9. نقل الحل من القارورة التلألؤ إلى أنابيب الطرد المركزي اثنين من 1.5 مل المخروطية، ثم الطرد المركزي الحل في 20600 x ج لمدة 25 دقيقة.
  10. تجاهل طاف، ثم إضافة ما مجموعه 3 مل من H 2 O منزوع الأيونات في أنابيب اثنين (1.5 مل لكل أنبوب)، يصوتن أنابيب لredisperse الكرياتفي O. منزوع الأيونات H 2
  11. أجهزة الطرد المركزي لاثنين من الأنابيب مرة أخرى في 20600 x ج لمدة 25 دقيقة.
  12. تجاهل طاف، ثم إضافة ما مجموعه 3 مل من H 2 O منزوع الأيونات في أنابيب اثنين (1.5 مل لكل أنبوب). يصوتن أنابيب لredisperse الكريات في O. منزوع الأيونات H 2
  13. تصفية المائية عينة النانوية التشتت من خلال مرشح حقنة 0.2 ميكرون للحصول على العينة النهائية لإجراء مزيد من التجارب.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

تم جمع أطياف الامتصاص ومعان ضوئي الأطياف لعينة داي UCNP. وتستخدم أطياف الامتصاص لمقارنة التداخل الطيفي بين حاملات diarylethene المغلقة والنانوية تحويله. وقد تضمنت صورا من العينات (سواء TPP-UCNP ودبي لصناعات الطيران-UCNP) أيضا لإثبات التغليف الناجح للجزيئات الصبغة العضوية والنان?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

النانوية توليفها وفقا لهذا البروتوكول لديها توزيع حجم 20-25 نانومتر تركزت في جميع أنحاء 22.5 نانومتر. 26،27 ويمكن أن تصنف على أنها جسيمات كروية مع α-NaYF 4 المضيف بنية شعرية. هناك نوعان من الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول. في تركيب UCNP، فمن المهم للحفاظ على درجة حر?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada, the Canada Research Chairs Program, and Simon Fraser University. This work made use of 4D LABS shared facilities supported by the Canada Foundation for Innovation (CFI), British Columbia Knowledge Development Fund (BCKDF) and Simon Fraser University.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Yttrium acetateSigma326046Yttrium(III) acetate hydrate
Ytterbium acetateSigma544973Ytterbium(III) acetate hydrate
Erbium acetateSigma325570Erbium(III) acetate hydrate
Oleic acidSigma75096analytical standard
OctadeceneSigmaO806Technical grade
NaOHSigmaS5881reagent grade
NH4FSigma216011ACS reagent
Poly(styrene-co-maleic anhydride)Sigma442399Average Mn = 1700
JeffAmine 2070HuntsmanM-2070
Varian Carry 300Agilent
JDSU NIR laserJSDUL4-9897510-100M980 nm diode laser

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

105 diarylethene

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved