A 'Plug and Play' Methode, um Wasser dispergierbare Nanoanordnungen mit einem Gehalt eines amphiphilen Polymers, organische Farbstoffe und Hochskalierungs-Nanopartikel erstellen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Heute gibt es immer noch ein dringender Bedarf an neuen Arten von Bio-Imaging-Agenten zu entwickeln. Viele neue Fluoreszenzsonden sind gut dokumentiert. ^1-6, wesentliche Verbesserungen in der Bildauflösung bleibt jedoch eine Herausforderung. ⁷ Eine praktische Methode ist es, direkt modulieren die Fluoreszenzsonden zwischen einer 'light' emittierenden Zustand und einem "dunklen" Zustand abgeschreckt. ^8-12 Diese besondere Methode wurde angewandt, um Technologien wie stimulierte Emission zu entwickeln (STED) Mikroskopie ^{13 und} stochastischen optischen Rekonstruktionsmikroskopie (STORM). ¹⁴

Ein weiterer Ansatz, um die Fluoreszenz zu modulieren zu koppeln Licht ansprechende Chromophore gemeinsam mit fluoreszierenden Sonden. ^15,16 Umschalten des photo Chromophor zwischen zwei Isomeren, wo nur eines der Isomere als effizienter Energietransfer-Akzeptor dienen können, ermöglicht die Kontrolle über Quenchen der Fluoreszenz von the Sonde durch Förster Resonance Energy Transfer (FRET) und andere Mechanismen. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines emittierenden Zustand und einem abgeschreckten Zustand, der durch Belichtung der photoreaktiven Chromophor auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichtes abwechseln können.

Licht ansprechende Diarylethens Chromophore reversibel zwischen einem farblosen Ring-open-Isomer und einem farbigen Ring geschlossene Isomer bei Bestrahlung mit UV- und sichtbarem Licht umgeschaltet werden. ^17-19 Die thermische Stabilität der beiden Isomere und abstimmbaren Absorptionsspektren der Ring geschlossen Isomer make Diarylethene sehr gute Kandidaten als steuerbare FRET-Akzeptoren. ^20-23 Lanthaniden dotierten NaYF ₄ upconverting Nanopartikel eignen sich für Bio-Imaging. ²⁴ Diese Nanopartikel absorbieren Licht im nahen Infrarot und Licht in mehreren Regionen des sichtbaren Spektrums. Beispiele für Fluoreszenzmodulation durch die Kombination von Licht ansprechende Diarylethens Chromophore und Nanopartikel wurden vor,zuvor von unserer Arbeitsgruppe berichtet. ^25-27, benötigt die in jedem Beispiel beschriebenen Systeme jedoch einen zusätzlichen Modifizierungs die Diarylethene an die Oberfläche der Nanopartikel, die die Entwicklung von verschiedenen Systemen erschwert befestigen.

Hier zeigen wir ein einfaches "Plug-and-Play" Verfahren zu wasserdispergierbaren organischen Farbstoffmolekülen und auf Licht upconverting Nanopartikel mit einem Selbstorganisationsstrategie vorzubereiten. Die Wahl der Polymere; Poly (styrol-alt-Maleinsäureanhydrid) und Polyetheramin 2070 sowohl eine hydrophobe und hydrophile Umgebung. Die hydrophoben Abschnitte des Polymers beitragen, die normalerweise in Wasser unlöslichen organischen Molekülen und upconverting Nanopartikel zusammenzuhalten, während der hydrophile Bereich des Polymers ist kritisch für die Aufrechterhaltung der Wasserlöslichkeit. Wir werden zunächst die Synthese der Nanopartikel upconverting demonstrieren durch die thermische Keimbildungsmethode. Dann werden wir beweisen, how die organischen Moleküle und upconverting Nanopartikel in hydrophobe Bereiche der Polymerhülle eingekapselt und verbleiben durch einfaches Zusammen Rühren eine Lösung des upconverting Nanopartikeln Polymer und verschiedenen organischen Farbstoffmolekülen, gefolgt von einem geeigneten Aufarbeitungsverfahren in wässrigen Medien stabil. Wir zeigen auch, wie die Fluoreszenzemission der Anordnungen unter Verwendung externer Lichtbestrahlung zu modulieren. Wir erwarten, den Umfang der Verwendung dieser "Plug-and-play" Methode, um in Wasser dispergierbare Nanoanordnungen wird weiter expandieren.

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

Protokoll

1. Synthese des NaYF _{4 /} Yb ^{3+ / Er} 3+ Hochskalierungs-Nanopartikel (UCNP)

1. Richten Sie das Gerät wie folgt:
   1. Legen Sie eine 250 ml Heizmantel auf einer regelmäßigen Rührplatte und stecken Sie den Mantel auf das Thermoelement.
   2. Legen Sie einen 250 ml-Rundkolben mit einem magnetischen Rührstab auf den Heizmantel mit der richtigen Spann ausgestattet.
   3. Befestigen Sie einen Luftadapter an der linken Hals des Rundkolben und verbinden diese Luftadapter an den Schlenk-Linie mit Kunststoffschlauch.
   4. Bringen Sie ein Glasteil an der rechten Hals des Rundkolben und fixieren ein Thermometer-Adapter auf das Glasteil. Legen Sie die Temperatursonde in den Kolben durch die Thermometer-Adapter und stecken Sie diese in das Thermoelement.
   5. Bringen Sie einen Destillationskopf in die Mitte Hals des Rundkolben. Legen Sie einen Anschlag auf der Oberseite der Destillationsaufsatz. Verbinden Sie den Kopf mit einem Kondensator, gefolgt von einer Vakuum distillatIonen-Adapter und ein 50 ml-Rundkolben. Schließen Sie die Vakuumdestillation Adapter, um eine Waschflasche durch Kunststoffschlauch.
2. Wiegt 1,17 g (3,9 mmol) Yttriumacetat, 0,439 g Ytterbium acetat und 0,0727 g (0,1 mmol) von Erbium Acetat und sie in der Reaktionsrundkolben.
3. 30 ml Oleinsäure und 75 ml Octadecen zu dem Kolben mit Hilfe eines Messzylinders.
4. Spülen der Seite des Reaktionsrundkolben mit 5 ml Methanol, um sicherzustellen, dass keine Ölsäure und Octadecen zu den Seiten des Reaktionskolbens fest.
5. Verbinden Sie den Reaktionskolben zu einer Doppelverteiler Schlenklinie und schalten Sie das entsprechende Ventil, das an das Stickstoffleitung angeschlossen Reaktionskolben zu halten.
6. Einschalten des Thermoelement, die Temperatur auf 80 ° C und heizen das System auf dieser Temperatur gehalten. Bei 80 ° C und nach alle Ausgangsmaterialien gelöst werden, entfernen Sie den Heizmantel und reagieren lassen,Abkühlen auf 30 ° C.
7. Wenn die Temperatur 30 ° C erreicht, nehmen Sie den Destillationskopf, schalten Sie die Luftadapter von der linken Hals bis in die Mitte Nacken und schließen Sie die linke Hals mit einem Stopfen. Langsam einführen Vakuum in den Reaktionskolben durch Drehen des Ventils auf der Schlenk-Linie von der Stickstoffleitung mit der Vakuumleitung. Alle Komponenten mit niedrigem Siedepunkt wird aus dem Reaktions an dieser Stelle gezogen werden.
8. Wenn die Lösung sprudeln stoppt, erwecken die Temperatur auf 115 ° C in einer Geschwindigkeit von 5 ° C / min.
9. Sobald die Temperatur erreicht 115 ° C, zu halten diese Temperatur für 15 Minuten, dann entfernen Sie den Heizmantel und Abkühlen der Reaktion auf 50 ° C. Danach schnell wechseln die durch Wiederanbringen des Destillationskopf in die Mitte Nacken und der Luft-Adapter auf der linken Seite den Kopf zurück in die ursprüngliche Form einzurichten.
10. Abwiegen 0,74 g (12,5 mmol) NaOH und 0,50 g (20,0 mmol) _NH 4 F während des Kühlprozesses und auflösenin 50 ml Methanol durch Beschallung.
11. Nach der Ultraschallbehandlung, gießen Sie die Lösung in die Reaktionsrundkolben und spülen Sie die Seiten des Kolbens mit 5 ml MeOH.
12. Lassen die Lösung unter Rühren bei 50 ° C für 30 min.
13. Erhöhung der Temperatur auf 75 ° C, um das Methanol zu destillieren.
14. Während der Destillation, leeren Sie den Sammelkolben, wenn notwendig. Nachdem die Destillation beendet ist, zu erhitzen, um die Reaktion bis 300 ° C unter Stickstoffschutz so schnell wie möglich.
15. Sobald die Temperatur 300 ° C erreicht, halten diese Temperatur für 1 Stunde. Bei Bedarf decken das Setup mit Aluminiumfolie, um die Temperatur zu halten. Dann entfernen Wärmequelle, die die Reaktion auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
16. Sobald es auf Raumtemperatur abgekühlt, teilen Sie die Lösung gleichmäßig in drei Zentrifugenröhrchen (50 ml Tuben, etwa 35 ml Lösung pro jedem Röhrchen), und füllen Sie den Schlauch an die 50 ml-Maßstab unter Verwendung wasserfreies Ethanol. Centrifuge alle ter Röhrchen bei 3.400 xg für 15 min. Nach Zentrifugation sollten die UCNPs auf der Seite der Rohre in Form eines weißen Niederschlags beobachtet werden.
17. Überstand verwerfen und redispergieren die UCNPs Pellets in Hexan (7,5 ml Hexan pro jeder Röhre), dann von oben bis das Rohr mit Ethanol bis zur 50 ml-Maßstab. Zentrifugenröhrchen erneut bei 3.400 × g für 15 min.
18. Sobald die Zentrifugation abgeschlossen ist, den Überstand verwerfen und redispergieren die festen UCNPs in 30 ml CHCl ₃ zur weiteren Verwendung.

2. Montage des Wasser dispergierbare Nanoanordnungen, die organische Farbstoffmoleküle und Hochskalierungs-Nanopartikel

1. Auflösen 25 mg (0,0147 mmol) Poly (styrol-alt-Maleinsäureanhydrid) (PSMA) in 3 ml CHCl _{3 in ein} Szintillationsfläschchen mit einem magnetischen Rührstab versehen ist. Diese Menge ist eine optimierte Menge nach mehreren Studien.
2. Fügen Sie 250 ul (47 mg / ml) des upconverting Nanopartikel Chloroform-Stammlösung zu dem scintillation Fläschchen.
3. Verschließe das Röhrchen und legen Sie es auf dem magnetischen Rührplatte und rühren Sie die Lösung bei Raumtemperatur für 2 Std.
4. Wiegen 160 mg (0,0773 mmol) Polyetheramin 2070 und löst ihn in 1 ml CHCl _3. Dann fügen Sie diese Lösung für das Szintillationsfläschchen in einer Portion mit einer Pipette. Die Lösung wird sich bis blassgelb, die die Reaktion von Polyetheramin 2070 mit den Anhydridgruppen am PSMA.
5. Auch weiterhin die Lösung über Nacht bei Raumtemperatur rühren.
6. Die entsprechende Menge organischer Farbstoffmoleküle dann verzichten sie in die Szintillationsfläschchen in einer Portion, rühren Sie die resultierende Lösung für 1 Stunde.
   1. Für die Probe TPP-NP (Polymerhülle, Tetraphenylporphyrin und upconverting Nanopartikel Nanoanordnung enthält), direkt hinzufügen 1 mg Tetraphenylporphyrins auf die Szintillationsfläschchen. Für die Probe DAE-UCNP (Nanoanordnung Polymerhülle, Diarylethen-Moleküle und Nanopartikel enthalten upconvertings), ist die Menge jeder Diarylethen-Moleküle 2 ^× 10 -7 mol. Fügen Sie die beiden Diarylethen-Moleküle in die Reaktionslösung. Die Volumina der beiden Diarylethen-Moleküle sind: DAE-1o (1,8 mM), 111 ul und DAE-2o (1,6 mM), 125 & mgr; l.
7. Entfernen der CHCl ₃ Lösungsmittel unter reduziertem Druck mit einem Rotationsverdampfer, dann werden 3 ml 0,001 M wässrigen NaOH (pH ≈ 11) zu der Szintillationsampulle dann beschallen das Fläschchen bis eine milchige Suspension wird gebildet.
8. Legen Sie das Fläschchen wieder auf dem Rotationsverdampfer, und entfernen Sie vorsichtig die verbleibende CHCl _3, bis die Suspension wurde auf eine klare Lösung verwandelt.
9. Übertragen der Lösung aus dem Szintillationsfläschchen zwei 1,5 ml konischen Zentrifugenröhrchen, dann zentrifugieren die Lösung bei 20.600 × g für 25 min.
10. Überstand verwerfen, dann fügen insgesamt 3 ml entionisiertem H _{2 O in} den beiden Rohren (1,5 ml pro Röhrchen), beschallen die Rohre, um die Pellets zu redispergierenin entionisiertem _H 2 O.
11. Wieder Zentrifugieren Sie die beiden Rohre an 20.600 × g für 25 min.
12. Überstand verwerfen, dann fügen Sie insgesamt 3 ml entionisiertem _H 2 O in den beiden Rohren (1,5 ml pro Röhrchen). Beschallen der Rohre, um die Pellets in dem deionisierten _H 2 O. redispergieren
13. Filtern der wässrigen Nanoteilchen-Dispersion Probe durch einen 0,2 um-Spritzenfilter, um die endgültige Probe für weitere Tests zu erhalten.

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

Ergebnisse

Absorptionsspektren und Photolumineszenz-Spektren wurden für die Proben DAE-UCNP gesammelt. Die Absorptionsspektren werden zum Vergleichen der spektralen Überlappung zwischen der geschlossenen Diarylethens Chromophoren und den Aufwärtswandler Nanopartikel eingesetzt. Fotografien der Proben (sowohl TPP-UCNP und DAE-UCNP) wurden ebenfalls eingeschlossen, um erfolgreiche Verkapselung von organischen Farbstoffmolekülen und upconverting Nanopartikel, die in der amphiphilen Polymerhüllen in der wässrigen Phase befinden,...

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

Diskussion

Die nach diesem Protokoll synthetisierten Nanopartikel eine Größenverteilung von 20 bis 25 nm bei ungefähr 22,5 nm. ^26,27 Sie können als kugelförmige Teilchen mit einem α-NaYF ₄ Wirtsgitterstruktur klassifiziert werden zentriert. Es gibt zwei kritische Schritte in diesem Protokoll. Im UCNP Synthese ist es wichtig, die Erwärmungstemperatur und -zeit so präzise wie möglich zu halten, um eine enge Verteilung der Partikelgröße zu gewährleisten. Gleichzeitige Zugabe von NaOH _und N...

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

Materialien

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