Name: synthesis of immunotargeted magneto-plasmonic nanoclusters
Uploaded: 2014-08-22T16:00:00.000+00:00
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Diese Arbeit wurde zum Teil durch die NIH Zuschüsse R01 R01 CA103830 EB008101 und unterstützt.

1. Messgeraete, Glaswaren Herstellung <ol><li> Geeignete Schutzausrüstung, dh, einen Laborkittel, Einweghandschuhe und Augenschutz tragen. </li><li> Anschluss eines Rundkolben mit einem Kondensator und tauchen in einem Siliconöl mit einer Temperatur-Überwachung durch ein Thermometer. Legen Sie eine Wärmequelle (zB Hitzeschild) unter dem Ölbad (Abbildung 1). Verwenden Sie ein Thermometer zur Messung der Temperatur von mehr als 260 ° C ist. </li></ol> 2. Synthese von primären Hybrid Magneto-Plasmonen-Nanopartikel <ol><li> Herstellung von magnetischen Kern-Nanopartikel <ol><li> Hinzufügen 353,2 mg (1 mmol) Eisen (III)-acetylacetonat, 1 ml (2 mmol) Ölsäure, 1 ml (2 mmol) Oleylamin, 1,292 g (5 mmol) 1,2-Hexadecandiol und 10 ml Phenylether in einen Rund -bottom Kolben. </li><li> Rühren Sie die Mischung kräftig mit einem Magnetrührstab und Wärme auf 250-260 ° C für 1 h unter Rückfluss. Dann warten, bis die Lösung abkühlenauf RT. Sicherzustellen, dass die Temperatur unter 260 ° C bis Siedetemperatur des Phenylether verhindern und ein Platzen der Reaktionsmischung aus dem Rundkolben in den Kondensator. ACHTUNG: Die Reaktionsmischung wird extrem heiß und die Chemikalien kann zu Reizungen führen. Muss unter einem Abzug arbeiten und tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung. Für ausreichende Belüftung sorgen für die Öl-Bad. Hinweis: Das Ölbad bei 250-260 ° C Temperatur für 1 h bei der Synthese der magnetischen Nanopartikel gehalten. Im Prinzip kann ein Pyrex-Glasschale für diesen Zweck verwendet werden. , Die maximale Dauertemperatur für Pyrex Glas ist jedoch ~ 260 ° C laut Herstellerangabe. Daher stellt ein Metallbehälter eine sicherere Option für die Reaktion, da sie eine höhere Temperatur aushalten und länger in mehreren Läufen kann. </li></ol></li><li> Abscheidung einer Goldschale auf Magnetkern-Nanopartikel <ol><li> 411,5 mg hinzufügen (1,1 mmol) gold-AssTate, 0.25 ml (0.75 mmol) Ölsäure, 1,5 ml (3,0 mmol) Oleylamin, 775,3 mg (3 mmol) 1,2-Hexadecandiol und 15 ml Phenylether in einen Rundkolben gegeben. </li><li> 5 ml Suspension von magnetischen Nanopartikeln aus Schritt 2.1. Das Reaktionsgemisch auf 180 ° C und halten unter Rückfluss für 1 Stunde. Warten, bis die Lösung auf RT abkühlen. </li><li> 50 ml Ethanol zu der primären Hybrid-Nanopartikel, gefolgt von einer Zentrifugation bei 3.250 × g für 15 min ausgefällt. </li><li> Resuspendieren den Niederschlag in 25 ml Hexan mit Hilfe eines Ultraschallbad. 25 ml Ethanol, um die primären Hybrid-Nanopartikeln ausfällt. Zentrifuge bei 3.250 g für 15 min und Resuspendieren des Niederschlags in Hexan. Wiederholen Sie diesen Schritt dreimal. </li><li> Trocknen Sie die gefällte Grund Hybrid-Nanopartikeln im Vakuumtrockenschrank O / N. Bestätigen Sie, dass die Partikel vollständig trocken sind. </li></ol></li></ol> 3. Hybrid Magneto-Plasmonen Nanocluster Synthese und Größentrennung <ol><li&gt; Resuspendieren 5 mg Trockenprimär Hybrid-Nanopartikeln in 1 ml Hexan mit Hilfe eines Ultraschallbad. Beschallen die Nanopartikel-Suspension, bis kein sichtbarer Niederschlag vorhanden ist. </li><li> Zugeben der Lösung aus Schritt 3.1 zu 10 ml wässrige Lösung von Natriumdodecylsulfat (2,8 mg / ml) in einem 20 ml Glasröhrchen mit Kappen angebracht. Fügen Sie die Aussetzung der primären Hybridnanopartikeln Tropfen für Tropfen zu vermeiden Mischen der beiden Phasen vor dem nächsten Schritt. </li><li> Beschallen die zweiphasige Lösung in einem Ultraschallbad für 2 h, gefolgt von Erhitzen in einem Wasserbad bei 80 ° C für 10 min. Warten, bis die Lösung auf RT abkühlen. <ol><li> Füllen Sie Wasser in die Arbeitsebene der Linie Ultraschallbad. Zentrieren Sie die Glasflasche in der Ultraschallbad. Eine Emulsion bildet sich sofort zwischen den beiden Phasen. Schütteln Sie die Zwei-Phasen-Lösung mit der Hand nach Beginn der Ultraschallbehandlung; dies erleichtert das Mischen zwischen der Phase, die primäre Hybrid-Nanopartikeln und der unteren wässrigen Phase. Hinweis: Beachten Sie that der Ultraschallgerät erwärmt sich nach 2 Stunden Betrieb. </li></ol></li><li> Zentrifugieren Sie die Hybrid-Nanocluster Suspension bei 100 g für 30 min. Sammeln sowohl des Präzipitats und des Überstandes. Resuspendieren Niederschlag in 0,1 mM Natriumcitrat unter 10 min Beschallung. Die erwartete Größe der Nanocluster beträgt ~ 180 nm im Durchmesser. </li><li> Den Überstand aus Schritt 3.3 auf einen neuen konischen Röhrchen. </li><li> Zentrifugieren der Suspension aus Schritt 3.4 bei 400 × g für 30 min. Sammeln sowohl des Präzipitats und des Überstandes. Resuspendieren Niederschlag in 0,1 mM Natriumcitrat unter 10 min Beschallung. Die erwartete Größe der Nanocluster beträgt ~ 130 nm im Durchmesser. </li><li> Den Überstand aus Schritt 3.5 auf einen neuen konischen Röhrchen. </li><li> Zentrifugieren der Suspension aus Schritt 3.6 bei 1.500 xg für 30 min. Den Niederschlag und resuspendieren in 0,1 mM Natriumcitrat unter 10 min Beschallung. Die erwartete Größe der Nanocluster ist ~ 90 nm Durchmesser. </li><li> Geben Sie 300 _6, l-Nanocluster Suspension zu einer 96-Well-Mikrotiterplatten-Lesegerät zum Messen einer UV-VIS-NIR-Absorptionsspektrum. Fallen 10 ul Nanocluster Suspension auf Kohlenstoff beschichteten Kupfernetz für TEM-Aufnahmen. </li></ol> 4. Konjugation von monoklonalen Antikörpern gegen Nanocluster <ol><li> Planen 100 ul monoklonaler Antikörperlösung (1 mg / ml) in PBS, pH 7,2, beispielsweise Anti-Epidermal Growth Factor Receptor 2 (HER2)-Antikörper oder Anti-Epidermal Growth Factor Receptor 1 (EGFR)-Antikörper. </li><li> Fügen Sie die Antikörperlösung aus Schritt 4,1 bis 3,9 ml 4 mM HEPES, pH 7,2. Zentrifuge die Lösung durch einen 10 K MWCO Filterzentrifuge bei 3.250 · g für 20 min bei 8 ° C hat. Resuspendieren des Antikörpers in 4 mM HEPES, pH 7,2, auf ein Endvolumen von 100 ul. HINWEIS: Dieser Schritt wird ausgeführt, um das Originalmedium in der Antikörper-Lösung mit HEPES ersetzen. </li><li> Werden 10 ul 100 mM NaIO 4 bis 100 ul der Antikörperlösung. Decken Sie die Reaktionsgefäß mit einem Al-uminum Folie bei RT und mischen für 30 min mit einem Orbitalschüttler. </li><li> Die Reaktion wird durch Zugabe von 500 ul 1x PBS. </li><li> Add 2 ul 46,5 mM Linkerlösung (dithiolaromatic PEG6-CONHNH 2) zu der Antikörperlösung aus Schritt 4.4 und Schütteln für 1 h bei RT. </li><li> Die Lösung wird unter Verwendung eines 10 k MWCO-Filter-Zentrifuge bei 3.250 × g für 20 min bei 8 ° C hat. Resuspendieren Antikörper in 1 × PBS auf ein Endvolumen von 100 ul, die zu einer Antikörperkonzentration von ~ 1 mg / ml führt. </li><li> Mischungs 100 ul Nanocluster Suspension bei OD ~ 1,0 mit 1 ul modifizierter Antikörper aus Schritt 4.6 (1 mg / ml) für 120 min bei RT. </li><li> Fügen Sie 10 ul 10 -3 M 5 kDa PEG Thiol und schütteln für 15 min bei RT. </li><li> Zentrifugieren Sie die Lösung bei 830 x g für 3 min. Überstand verwerfen und das Sediment resuspendieren in 100 ul 2% w / v 5 kDa PEG in PBS, pH 7,2. </li><li> Messen Sie das Absorptionsspektrum der antikörperkonjugierten Nanocluster und vergleichen zu ter Absorptionsspektrum des nackten Nanocluster. Erwarten Sie ein paar Nanometer-Rotverschiebung nach der Konjugation. </li><li> Wenn die Nanopartikel Aggregat durch eine deutliche Verschiebung zu einem Anstieg der OD im Bereich rot-NIR gezeigt, erhöhen die Konzentration der Thiol-PEG bis 5 x 10 -3 M. Auch erhöhen die Inkubationszeit mit Thiol PEG bis 30 min und eine Verringerung der Schleuderdrehzahl in 200 × g-Schritten. </li><li> Für die Krebszellmarkierung Test, fügen Sie die Antikörper konjugiert Nanopartikel aus Schritt 4,9 bis Krebszellsuspension in entweder Medium oder 1x PBS (1 ml ~ 10 6 Zellen) zugeben und 60 min. </li></ol>

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.

Kritische Schritte in der erfolgreichen Synthese von magneto-plasmonischen Nanocluster gehört es, hoch monodispersen primären Gold-Schale / Eisenoxid-Kern-Nanopartikel und Leitung der Selbstorganisation der Primärpartikel in Nanocluster. Das Molverhältnis zwischen den Primärteilchen und Tenside spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Größenverteilung der Nanocluster. Ungleichmäßige Größenverteilung der primären Nanopartikel können die Bildung von großen Aggregaten während der Montage der magnet...

Hybrid-Nanopartikeln, die aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften können neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Anwendungen, einschließlich des multimodalen molekularen Bildgebung, Therapieabgabe und Überwachung, neue Früherkennungstest 1-3 öffnen. Die Kombination von Plasmonen und magnetischen Eigenschaften in einem einzigen Nanopartikel ist von besonderem Interesse, da sie eine sehr starke Lichtstreuung und Absorptionsquerschnitte mit Plasmonenresonanzen und Reaktionsfähigkeit auf ein Magnetfeld verbunden. So wurden beispielsweise magneto-Plasmonen-Nanopartikeln verwendet werden, um den Kontrast in Dunkelfeldabbildung der markierten Zellen durch Anwenden eines zeitlichen Signalmodulation durch einen externen Elektromagneten 3-5 zu erhöhen. Magneto-photoakustische Bildgebung, wo magneto-Plasmonen-Nanopartikel ermöglichen große Verbesserungen in Kontrast und Signal-zu-Hintergrund Ratte - Vor kurzem wurde ein ähnliches Prinzip in der Entwicklung eines neuen bildgebenden Verfahren angewendetio 6,7. Es wurde auch gezeigt, dass die Hybrid-Nanopartikel können zur gleichzeitigen Aufnahme und Detektion von zirkulierenden Tumorzellen im Vollblut und in vivo 8,9 verwendet werden. Weiterhin sind magneto-Plasmonen-Nanopartikel verspricht theranostic Mittel, die für die molekulare spezifischen optischen und MR-Bildgebung in Verbindung mit photothermische Therapie von Krebszellen 10 verwendet werden kann. Verschiedene Ansätze wurden für die Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikel untersucht. B. Yu et al. Verwendet Zersetzung und Oxidation von Fe (CO) 5 auf Gold-Nanopartikel zu hantelartigen bifunktionellen Au-Fe 3 O 4-Nanopartikel 11 bilden. Wang et al., Gold beschichteten Eisenoxid-Nanopartikel unter Verwendung von thermischen Zersetzungsverfahren 12 synthetisiert. Einige andere Ansätze beruhen auf Beschichtungspolymer oder Amin-funktionellen Moleküle auf Magnetkern-Nanopartikel, gefolgt von Abscheiden von Agalte Schale auf die Polymeroberfläche zu erstellen, um das Hybridpartikel 7,13. Ferner wurden Eisen-Nanopartikeln, Gold-Nanostäbchen über elektrostatische Wechselwirkung oder eine chemische Reaktion 14,15 befestigt. Obwohl diese Ansätze ergeben magneto-Plasmonen-Nanostrukturen, in gewissem Umfang Eigenschaften des magneto-Plasmonen Kombination beeinträchtigen, wie optische Absorption im nahen Infrarot (NIR)-Fenster oder ein starkes magnetisches Moment von denen beide in biomedizinischen Anwendungen höchst wünschenswert sind. Beispielsweise hantel Au-Fe 3 O 4-Nanopartikel eine Plasmonresonanz-Peak bei 520 nm, die ihre Nützlichkeit in vivo durch eine hohe Gewebe Trübung in diesem Spektralbereich begrenzt. Weiterhin werden die von Current Protocols magneto-Plasmonen-Nanopartikel nur eine 11 oder weniger (weniger als 10) 14,15 superparamagnetischen Anteile (beispielsweise Eisenoxid-Nanoteilchen) begrenzt, der deutlich kleiner als sein könnte ACH istin einer dicht gepackten Nanostruktur ieved. Zum Beispiel kann ein dicht gepacktes 60 nm Durchmesser sphärische Nanopartikel in der Größenordnung von eintausend 6 nm superparamagnetische Nanopartikel enthalten. Daher besteht ein großer Raum für Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Hybrid-Nanopartikel. Darüber hinaus sind einige der zuvor beschriebenen Protokolle relativ komplex und erfordern eine sorgfältige Optimierung, um Partikelaggregation während der Synthese 14,15 vermeiden. Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikel mit einem starken magnetischen Moment und eine starke NIR-Absorption, die wesentliche Einschränkungen der aktuellen Kunst befasst. Die Synthese hat ihren Ursprung in Öl-in-Wasser-Mikroemulsion Verfahren 16. Es wird bei der Montage von Nanopartikeln mit einer gewünschten Größe aus einem viel kleineren Primärpartikel. Dieser Ansatz wurde erfolgreich auf Nanostrukturen aus einem einzigen Material wie Gold, Eisenoxid und Halbleiter pri produzierenmary Partikel 16. Wir erweitern es zur Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikeln durch, erstens, dass 6 nm Durchmesser Goldhülle / Eisenoxid-Kernteilchen, und dann wird die Montage der primären Hybrid-Partikel in der endgültigen kugelförmigen Nanostruktur. Zusammenbau Primärpartikel in Nanoclustern ermöglicht nicht nur die Verbesserung der Eigenschaften der Nanopartikel Bestandteil, wie die stärkere magnetische Moment Beibehaltung superparamagnetischen Eigenschaften, sondern nutzt auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Nanopartikeln somit neue Merkmale fehlen Bestand Nanopartikel wie stark optische Absorption im NIR-Fenster. Dieses Protokoll liefert Hybrid-Nanopartikel mit einer hohen Dichte von magnetischen und plasmonischer Funktionalitäten. Nach Primärpartikel synthetisiert werden, ist unser Verfahren im wesentlichen eine einfache Ein-Topf-Reaktion. Die Gesamtplasmonresonanz Festigkeit und magnetische Moment durch eine Anzahl von Primärpartikeln und ther bestimmtevor, kann leicht optimiert werden, je nach Anwendung. Darüber hinaus haben wir auch ein Verfahren zur Antikörper-Konjugation entwickelt, um die Hybrid-Nanopartikeln für verschiedene biomedizinische Anwendungen, die molekularen spezifisches Targeting erfordern. Antikörper werden durch den Fc-Teil Verlassen der Fab-Teil, der für die Antigenbindung für die Ausrichtung verantwortlich ist verfügbar angebracht.

<table><tbody><tr><td>PYREX 50 ml round bottom boiling flask with short neck &amp;amp; 24/40 [ST] joint</td><td>Corning</td><td>4320A-50</td><td>Thermal decomposition reaction</td></tr><tr><td>PYREX 41 x 300 mm 5-bulb Allihn condenser with 24/40 [ST] outer/inner joints</td><td>Corning</td><td>2480-300</td><td>Thermal decomposition reaction</td></tr><tr><td>Silicone oil</td><td>Fisher</td><td>S159-500</td><td>Oil bath</td></tr><tr><td>Hot plate stirrer</td><td>Corning</td><td>PC-351</td><td>Heat the reacton with stirring function</td></tr><tr><td>Thermometer</td><td>ThermoWorks</td><td>221-092</td><td>Measure temperature</td></tr><tr><td>Iron(III) acetylacetonate</td><td>Fisher</td><td>AC11913-0250</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Oleic acid 99%</td><td>Fisher</td><td>A195-500</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Gold(III) acetate</td><td>Fisher</td><td>AA3974206</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Hexane</td><td>Fisher</td><td>H292-1</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Phenyl ether 99%</td><td>Fisher</td><td>AC13060-0025</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>1,2-Hexadecanediol 90%</td><td>Sigma</td><td>213748-50G</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Oleylamine 70%</td><td>Sigma</td><td>O7805-100G</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Sodium dodecyl sulfate</td><td>Fisher</td><td>BP166-100</td><td>Cluster synthesis</td></tr><tr><td>Sodium citrate dihydrate</td><td>Sigma</td><td>W302600</td><td>Cluster synthesis</td></tr><tr><td>Monoclonal anti-EGF receptor antibody</td><td>Sigma</td><td>E2156</td><td>Cell labeling specificity test</td></tr><tr><td>Monoclonal anti-HER2 antibody</td><td>Sigma</td><td>AMAB90627</td><td>Cell labeling specificity test</td></tr><tr><td>Sodium periodate</td><td>Sigma</td><td>311448</td><td>Oxidate Fc region of antibodies</td></tr><tr><td>Dithiolaromatic PEG6-CONHNH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>SensoPath Technologies</td><td>SPT-0014B</td><td>Heterofunctional linker for antibody conjugation to nanoclusters</td></tr><tr><td>Methoxy-PEG-thiol, 5 k</td><td>Creative PEGworks</td><td>PLS-604</td><td>Passivate the remaining gold surface after antibody conjugation</td></tr><tr><td>Amicon Ultra-4 centrifugal filter unit with Ultracel-10 membrane</td><td>Millipore</td><td>UFC801008</td><td>Protein purification</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma</td><td>H3375</td><td>Buffer</td></tr><tr><td>PBS, 1x solution</td><td>Fisher</td><td>BP2438-20</td><td>Buffer</td></tr><tr><td>UV-Vis spectroscopy</td><td>BioTek&amp;nbsp;</td><td>Synergy HT</td><td>Obtain spectrum</td></tr><tr><td>Centrifuge</td><td>Eppendorf</td><td>5810R</td><td>Separation</td></tr><tr><td>Transmission Electron Microscope</td><td>FEI</td><td>TECNAI G2 F20 X-TWIN</td><td>Obtain morphology of nanostructures</td></tr><tr><td>Upright microscope</td><td>Leica</td><td>DM6000</td><td>Obtain dark-field images</td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson</td><td>1510</td><td>Sonication</td></tr><tr><td>Carbon film 300 mesh grid</td><td>EMS</td><td>CF300-Cu</td><td>TEM imaging</td></tr><tr><td>96-well plate</td><td>Corning</td><td>09-761-145</td><td>UV-Vis reading plate</td></tr></tbody></table>

synthesis of immunotargeted magneto-plasmonic nanoclusters

Magnetische und plasmonischer Eigenschaften in einem einzigen Nanopartikel kombiniert eine Synergie, die vorteilhaft in einer Reihe von biomedizinischen Anwendungen, einschließlich Kontrastverstärkung in neuartigen magnetoBildgebungsModalitäten, gleichzeitige Erfassung und Detektion von zirkulierenden Tumorzellen (CTC) und multimodaler Molekularabbildungs ​​Kombination mit photothermische Therapie von Krebszellen. Diese Anwendungen haben großes Interesse an der Entwicklung von Protokollen für die Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikel mit einer optischen Absorption im nahen Infrarotbereich (NIR) und ein starkes magnetisches Moment stimuliert. Hier stellen wir ein neues Protokoll für die Herstellung dieser Hybrid Nanopartikel, die auf einer Öl-in-Wasser-Mikroemulsionsverfahren basiert. Die Besonderheit des hier beschriebenen Protokoll ist die Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikel in verschiedenen Größen von der Grundbausteine, die auch magneto-plasmonischen Eigenschaften. Dieser Ansatz führt zu Nanopartikeln mit einem hohen Höhlesität von magnetischen und plasmonischen Funktionalitäten, die gleichmäßig in der Nanopartikel-Volumen verteilt sind. Die Hybrid-Nanopartikel können durch Anbringen Antikörper durch den Fc-Teil Verlassen der Fab-Teil, der für die Antigenbindung für die Ausrichtung verantwortlich ist verfügbar funktionalisiert werden.

Ein Schema für die Synthese von immunotargeted magneto-Plasmonen-Nanocluster in Figur 2 gezeigt. Zuerst werden die magnetischen Fe 3 O 4 Eisenoxid-Nanopartikel durch thermische Zersetzungsverfahren synthetisiert. Dann wird eine dünne ca. 1 nm Gold-Schale an den Eisenoxidkern Teilchen durch thermische Zersetzung abgeschieden. Die primären ca. 6 nm Hybrid-Nanopartikel dienen als Saatgut zu magneto-plasmonischen Nanocluster durch den Einsatz einer Öl-in-Wasser-Mi...

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Synthesis of Immunotargeted Magneto-plasmonic Nanoclusters

Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikel mit einem starken magnetischen Moments und einer starken Nah-Infrarot (NIR)-Absorption. Das Protokoll schließt auch Antikörper-Konjugation in den Nanopartikeln durch die Fc-Teil für verschiedene biomedizinische Anwendungen, die Molekular spezifisches Targeting erforderlich.

Synthese von Immunotargeted Magneto-Plasmonen Nanocluster

Magnetic and plasmonic properties combined in a single nanoparticle provide a synergy that is advantageous in a number of biomedical applications ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

15.2K Aufrufe.  University of Texas at Austin.  Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Synthese von magneto-Plasmonen-Nanopartikel mit einem starken magnetischen Moments und einer starken Nah-Infrarot (NIR)-Absorption. Das Protokoll schließt auch Antikörper-Konjugation in den Nanopartikeln durch die Fc-Teil für verschiedene biomedizinische Anwendungen, die Molekular spezifisches Targeting erforderlich. 

Serie: Synthesis of Immunotargeted Magneto-plasmonic Nanoclusters

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

Nutzung von Plasmonic und Photonic Crystal Nanostrukturen für verbesserte Mikro-und Nanopartikel-Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

Forschung

Biotechnik

Synthesis, Characterization, and Functionalization of Hybrid Au/CdS and Au/ZnS Core/Shell Nanoparticles

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large extinction coefficients which can be tuned across the visible spectrum. Research into the plasmonic enhancement of optical transitions has become popular, due to the possibility of altering and in some cases improving photo-absorption or emission properties of nearby chromophores such as molecular dyes or quantum dots. The electric field of the plasmon can couple with the excitation dipole of a chromophore, perturbing the electronic states involved in the transition and leading to increased absorption and emission rates. These enhancements can also be negated at close distances by energy transfer mechanism, making the spatial arrangement of the two species critical. Ultimately, enhancement of light harvesting efficiency in plasmonic solar cells could lead to thinner and, therefore, lower cost devices. The development of hybrid core/shell particles could offer a solution to this issue. The addition of a dielectric spacer between a gold nanoparticles and a chromophore is the proposed method to control the exciton plasmon coupling strength and thereby balance losses with the plasmonic gains. A detailed procedure for the coating of gold nanoparticles with CdS and ZnS semiconductor shells is presented. The nanoparticles show high uniformity with size control in both the core gold particles and shell species allowing for a more accurate investigation into the plasmonic enhancement of external chromophores.

The synthesis of uniform gold nanoparticles coated with semiconductor shells of CdS or ZnS is performed. The semiconductor coating is conducted by first depositing a silver sulfide shell and exchanging the silver cations for zinc or cadmium cations.

Synthese, Charakterisierung und Funktionalisierung von Hybrid Au / CdS und Au / ZnS Kern / Schale-Nanopartikel

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large ...

Chemie

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to neutral gold Au(0) by reducing agents, such as sodium citrate or sodium borohydride. The extension of this method to decorate iron oxide or similar nanoparticles with gold nanoparticles to create multifunctional hybrid Fe2O3-Au nanoparticles is straightforward. This approach yields fairly good control over Au nanoparticle dimensions and loading onto Fe2O3. Additionally, the Au metal size, shape, and loading can easily be tuned by changing experimental parameters (e.g., reactant concentrations, reducing agents, surfactants, etc.). An advantage of this procedure is that the reaction can be done in air or water, and, in principle, is amenable to scaling up. The use of such optically tunable Fe2O3-Au nanoparticles for hyperthermia studies is an attractive option as it capitalizes on plasmonic heating of gold nanoparticles tuned to absorb light strongly in the VIS-NIR region. In addition to its plasmonic effects, nanoscale Au provides a unique surface for interesting chemistries and catalysis. The Fe2O3 material provides additional functionality due to its magnetic property. For example, an external magnetic field could be used to collect and recycle the hybrid Fe2O3-Au nanoparticles after a catalytic experiment, or alternatively, the magnetic Fe2O3 can be used for hyperthermia studies through magnetic heat induction. The photothermal experiment described in this report measures bulk temperature change and nanoparticle solution mass loss as functions of time using infrared thermocouples and a balance, respectively. The ease of sample preparation and the use of readily available equipment are distinct advantages of this technique. A caveat is that these photothermal measurements assess the bulk solution temperature and not the surface of the nanoparticle where the heat is transduced and the temperature is likely to be higher.

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.

Multifunktions-Hybrid Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; -Au Nanopartikel für effiziente Plasmonische Heizung

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to ...

Ingenieurwesen

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

Kolloidales Synthese von Nanopatch Antennen für Anwendungen in Plasmonics und Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

Herstellung von periodischen Gold Nanocup Arrays mit kolloidalen Lithographie

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Enrich and Expand Rare Antigen-specific T Cells with Magnetic Nanoparticles

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of antigen-specific T cells, B) probe the dynamics of antigen-specific responses, C) understand how antigen-specific responses affect disease state such as autoimmunity, D) demystify heterogeneous responses for antigen-specific T cells, or E) utilize antigen-specific cells for therapy. The tool is based on a magnetic particle that we conjugate antigen-specific and T cell co-stimulatory signals, and that we term as artificial antigen presenting cells (aAPCs). Consequently, since the technology is simple to produce, it can easily be adopted by other laboratories; thus, our purpose here is to describe in detail the fabrication and subsequent use of the aAPCs. We explain how to attach antigen-specific and co-stimulatory signals to the aAPCs, how to utilize them to enrich for antigen-specific T cells, and how to expand antigen-specific T cells. Furthermore, we will highlight engineering design considerations based on experimental and biological information of our experience with characterizing antigen-specific T cells.

Antigen-specific T cells are difficult to characterize or utilize in therapies due to their extremely low frequency. Herein, we provide a protocol to develop a magnetic particle which can bind to antigen-specific T cells to enrich these cells and then to expand them several hundred-fold for both characterization and therapy.

Bereichern Sie und erweitern Sie seltene antigenspezifischen T-Zellen mit magnetischen Nanopartikeln

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of ...

Cell Labeling and Targeting with Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles

Targeted delivery of cells and therapeutic agents would benefit a wide range of biomedical applications by concentrating the therapeutic effect at the target site while minimizing deleterious effects to off-target sites. Magnetic cell targeting is an efficient, safe, and straightforward delivery technique. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) are biodegradable, biocompatible, and can be endocytosed into cells to render them responsive to magnetic fields. The synthesis process involves creating magnetite (Fe3O4) nanoparticles followed by high-speed emulsification to form a poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) coating. The PLGA-magnetite SPIONs are approximately 120 nm in diameter including the approximately 10 nm diameter magnetite core. When placed in culture medium, SPIONs are naturally endocytosed by cells and stored as small clusters within cytoplasmic endosomes. These particles impart sufficient magnetic mass to the cells to allow for targeting within magnetic fields. Numerous cell sorting and targeting applications are enabled by rendering various cell types responsive to magnetic fields. SPIONs have a variety of other biomedical applications as well including use as a medical imaging contrast agent, targeted drug or gene delivery, diagnostic assays, and generation of local hyperthermia for tumor therapy or tissue soldering.

Targeted cell delivery is useful in a variety of biomedical applications. The goal of this protocol is to use superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) to label cells and thereby enable magnetic cell targeting approaches for a high degree of control over cell delivery and localization.

Zellmarkierung und Targeting mit superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel

Targeted delivery of cells and therapeutic agents would benefit a wide range of biomedical applications by concentrating the therapeutic effect at the ...

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Synthesis of Near-Infrared Emitting Gold Nanoclusters for Biological Applications

Over the past decade, fluorescent gold nanoclusters (AuNCs) have witnessed growing popularity in biological applications and enormous efforts have been devoted to their development. In this protocol, a recently developed, facile method for preparation of water soluble, biocompatible, and colloidally stable near-infrared emitting AuNCs have been described in detail. This room-temperature, bottom-up chemical synthesis provides easily functionalizable AuNCs capped with thioctic acid and thiol-modified polyethylene glycol in aqueous solution. The synthetic approach requires neither organic solvents or additional ligand exchange nor extensive knowledge of synthetic chemistry to reproduce. The resulting AuNCs offer free surface carboxylic acids, which can be functionalized with various biological molecules bearing a free amine group without adversely affecting the photoluminescent properties of the AuNCs. A quick, reliable procedure for flow cytometric quantification and confocal microscopic imaging of AuNC uptake by HeLa cells also been described. Due to the large Stokes shift, proper setting of filters in flow cytometry and confocal microscopy is necessary for efficient detection of near-infrared photoluminescence of AuNCs.

A reliable and easily reproducible method for preparation of functionalizable, near-infrared emitting photoluminescent gold nanoclusters and their direct detection inside HeLa cells by flow cytometry and confocal laser scanning microscopy is described.

Synthese von Nahinfrarot emittierenden Gold-Nanoclustern für biologische Anwendungen

Over the past decade, fluorescent gold nanoclusters (AuNCs) have witnessed growing popularity in biological applications and enormous efforts have been ...

Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has been challenged. Here, we fabricate iron oxide nanoparticle shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform. Iron oxide nanoparticles serve as both magnetic and photothermal agents. Once intravenously injected, NSMs can be magnetically guided to the tumor site. Ultrasound triggers the release of iron oxide nanoparticles, facilitating the penetration of nanoparticles deep into the tumor due to the cavitation effect of microbubbles. Thereafter, magnetic hyperthermia and photothermal therapy can be performed on the tumor for combinational cancer therapy, a solution for cancer resistance due to the tumor heterogeneity. In this protocol, the synthesis and characterization of NSMs including structural, chemical, magnetic and acoustic properties were performed. In addition, the anti-cancer efficacy by thermal therapy was investigated using in vitro cell cultures. The proposed delivery strategy and combination therapy holds great promise in cancer treatment to improve both delivery and anticancer efficacies.

Presented here is a protocol for the fabrication of iron oxide nanoparticle-shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform for magnetic hyperthermia and photothermal combination cancer therapy.

Magnetische, akustische und optische dreifach ansprechende Mikroblasen für magnetische Hyperthermie und pothotothermische Kombinationskrebstherapie

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...