Un método 'Plug and Play' para crear nanoconjuntos dispersables en agua que contiene un polímero anfífilo, colorantes orgánicos y conversión ascendente Nanopartículas

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

Hoy en día todavía hay una necesidad urgente de desarrollar nuevos tipos de agentes bio-imágenes. Muchas sondas fluorescentes novedosos han sido bien documentados. ^6.1 Sin embargo, las mejoras sustanciales en la resolución de la imagen sigue siendo un desafío. ⁷ Un método práctico es modular directamente las sondas de fluorescencia entre un estado de emisión "luz" y un estado apagada 'oscura'. ^8-12 Este método en particular se ha aplicado para desarrollar tecnologías, tales como el agotamiento de la emisión estimulada (STED) ¹³ microscopía y microscopía óptica de reconstrucción estocástico (Storm). ¹⁴

Otro enfoque para modular la fluorescencia es al par de cromóforos fotosensibles junto con sondas fluorescentes. ^15,16 Alternar el cromóforo photoresponsive entre dos isómeros donde sólo uno de los isómeros puede actuar como un aceptor de transferencia de energía eficiente, permite el control sobre la extinción de la fluorescencia de The sonda a través de transferencia de energía de resonancia Förster (FRET) y otros mecanismos. El resultado es la creación de un Estado de emisión y un estado templado que puede ser alternado por la exposición del cromóforo photoresponsive a diferentes longitudes de onda de la luz.

Cromóforos diarileteno fotosensibles se pueden activar de forma reversible entre un isómero de anillo abierto incolora y un isómero de anillo cerrado de color tras la irradiación con rayos UV y la luz visible. ^17-19 La estabilidad térmica de los dos isómeros y espectros de absorción sintonizable del anillo cerrado maquillaje isómero diariletenos muy buenos candidatos como FRET controlable aceptantes. nanopartículas dopado con lantánidos ^20-23 Nayf ₄ conversión ascendente son útiles para la bio-imágenes. ²⁴ Estas nanopartículas absorben la luz del infrarrojo cercano y emiten luz en varias regiones del espectro visible. Los ejemplos de modulación de la fluorescencia mediante la combinación de cromóforos diarileteno fotosensibles y nanopartículas han sido previamente reportados por nuestro grupo. ^25-27 Sin embargo, los sistemas descritos en cada ejemplo requiere una modificación sintética adicional para fijar los diariletenos a la superficie de las nanopartículas, lo que complica el desarrollo de sistemas más diversos.

Aquí se demuestra un método sencillo "plug-and-play 'para preparar moléculas de colorante orgánico dispersables en agua y nanopartículas conversión ascendente fotosensibles utilizando una estrategia de auto-ensamblaje. La elección de los polímeros; poli (anhídrido maleico estireno-alt) y poliéter amina 2070 proporcionan tanto un entorno hidrófobo e hidrófilo. Las secciones hidrófobas del polímero ayuda para sostener las moléculas orgánicas normalmente insolubles en agua y nanopartículas conversión ascendente juntos, mientras que la región hidrófila del polímero es crítico para mantener la solubilidad en agua. Primero vamos a demostrar la síntesis de las nanopartículas de conversión ascendente por el método de la nucleación térmica. Entonces, vamos a probar how las moléculas orgánicas y nanopartículas conversión ascendente se encapsulan dentro de las regiones hidrófobas de la cubierta de polímero y permanecen estables en medios acuosos simplemente co-agitación una solución de la nanopartículas de conversión ascendente, polímero y diferentes moléculas de colorante orgánico, seguido por un procedimiento de tratamiento conveniente. También demostramos cómo modular la emisión de fluorescencia de los conjuntos utilizando la irradiación de luz externa. Anticipamos el alcance de la utilización de este método "plug-and-play" para hacer nanoconjuntos dispersables en agua continuarán expandiéndose.

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Protocolo

1. Síntesis de la Nayf ₄ / Yb ³⁺ / Er ³⁺ conversión ascendente nanopartículas (UCNP)

1. La instalación del equipo como sigue:
   1. Coloque una capa de 250 ml de calentamiento en una placa de agitación regular y enchufe el manto a la pareja térmica.
   2. Coloque un matraz de fondo redondo de 250 ml equipado con una barra de agitación magnética en el manto de calentamiento con sujeción adecuada.
   3. Conecte un adaptador de aire a la parte izquierda del cuello del matraz de fondo redondo y conecte este adaptador de aire a la línea de Schlenk con un tubo de plástico.
   4. Adjuntar un adaptador de vidrio a la parte derecha del cuello del matraz de fondo redondo y fijar un adaptador de termómetro en el adaptador de vidrio. Inserte la sonda de temperatura en el matraz a través del adaptador de termómetro y enchufar esto en el termopar.
   5. Adjuntar una cabeza de destilación al cuello medio del matraz de fondo redondo. Coloque un tapón en la parte superior de la cabeza de destilación. Conectar la cabeza a un condensador, seguido por un vacío distillatadaptador de iones y un matraz de fondo redondo de 50 ml. Conecte el adaptador de destilación al vacío a un pelele a través de tubos de plástico.
2. Pesar 1,17 g (3,9 mmol) de acetato de itrio, 0,439 g de acetato de iterbio y 0,0727 g (0,1 mmol) de acetato de erbio y colocarlos en la reacción matraz de fondo redondo.
3. Añadir 30 ml de ácido oleico y 75 ml de octadeceno al matraz usando un cilindro graduado.
4. Enjuague el lado de la reacción matraz de fondo redondo utilizando 5 ml de metanol para asegurarse de que ningún ácido oleico y octadeceno se pega a los lados del matraz de reacción.
5. Conectar el matraz de reacción a un colector de doble línea Schlenk y gire la válvula correspondiente para mantener el matraz de reacción conectado a la línea de nitrógeno.
6. Encienda el termopar, ajustar la temperatura a 80 ° C, y se calienta gradualmente el sistema a esta temperatura. A 80 ° C y después de que se disuelvan todos los materiales de partida, retirar el manto de calefacción y de permitir que la reacciónenfriar a 30 ° C.
7. Cuando la temperatura alcanza los 30 ° C, sacar la cabeza de destilación, cambie el adaptador de aire de la parte izquierda del cuello al cuello medio y cerrar el cuello de izquierda con un tapón. Poco a poco introducir vacío al matraz de reacción girando la válvula en la línea de Schlenk desde la línea de nitrógeno a la línea de vacío. Todos los componentes de bajo punto de ebullición se sacó de la reacción en este punto.
8. Cuando la solución deje de burbujear, levante la temperatura a 115 ° C en una velocidad de 5 ° C / min.
9. Una vez que la temperatura alcanza los 115 ° C, mantener esta temperatura durante 15 minutos, luego retire la camisa de calentamiento y enfriamiento de la reacción a 50 ° C. Después, cambiar rápidamente la puesta en marcha de nuevo a la forma original de volver a colocar la cabeza de destilación al cuello medio y el adaptador de aire a la cabeza de izquierda.
10. Pesar 0,74 g (12,5 mmol) de NaOH y 0,50 g (20,0 mmol) de NH ₄ F durante el proceso de enfriamiento, y disolverlosen 50 ml de metanol por sonicación.
11. Después de la sonicación, se vierte la solución en el matraz de fondo redondo de reacción y enjuagar las paredes del matraz con 5 ml de MeOH.
12. Deja la solución de agitar a 50 ° C durante 30 min.
13. Aumentar la temperatura a 75 ° C para destilar el metanol.
14. Durante la destilación, vaciar el matraz de recogida cuando sea necesario. Una vez finalizada la destilación, calentar la reacción a 300 ° C bajo protección de nitrógeno lo más rápido posible.
15. Una vez que la temperatura alcanza 300 ° C, mantener esta temperatura durante 1 hora. Si es necesario, cubra la configuración con papel de aluminio para ayudar a mantener la temperatura. A continuación, retire la fuente de calor y permitir que la reacción se enfríe a temperatura ambiente.
16. Una vez que se enfría a temperatura ambiente, se dividió la solución de manera uniforme en tres tubos de centrifugación (tubos de 50 ml, aproximadamente 35 ml de solución por cada tubo), y la parte superior por el tubo a los 50 ml escala utilizando etanol anhidro. Centrífuga todo tél tubos a 3.400 xg durante 15 min. Después de la centrifugación, los UCNPs se deben observar en el lado de los tubos como un precipitado blanco.
17. Descartar el sobrenadante y redispersar los pellets UCNPs en hexanos (7,5 ml de hexano por cada tubo), y luego rellenar el tubo con etanol para la escala de 50 ml. Tubos de centrífuga de nuevo a 3400 xg durante 15 min.
18. Una vez que la centrifugación es completa, descartar el sobrenadante y redispersar los UCNPs sólidos en 30 ml de CHCl ₃ para su uso posterior.

2. nanoconjuntos Asamblea de dispersables en agua que contienen Orgánica Tinte Moléculas y Nanopartículas conversión ascendente

1. Disolver 25 mg (0,0147 mmol) de poli (anhídrido maleico estireno-alt) (PSMA) en 3 ml de CHCl ₃ en un vial de centelleo equipado con una barra de agitación magnética. Esta cantidad es una cantidad optimizada después de múltiples ensayos.
2. Añadir 250 l (47 mg / ml) de la conversión ascendente nanopartículas solución de cloroformo acciones al Scintivial lación.
3. Tapar el frasco y lo coloca en la placa de agitación magnética, y se agita la solución a temperatura ambiente durante 2 horas.
4. Pesar 160 mg (0,0773 mmol) de poliéter amina 2070, y se disuelven en 1 ml de _CHCl3. A continuación, añadir esta solución a la vial de centelleo en una porción con una pipeta. La solución se volverá a amarillo pálido que indica la reacción de poliéter amina 2070 con los grupos anhídrido en la PSMA.
5. Continuar agitando la solución durante la noche a temperatura ambiente.
6. Medir la cantidad apropiada de moléculas de colorante orgánicas entonces dispensarla en el vial de centelleo en una porción, se agitó la solución resultante durante 1 hr.
   1. Para la muestra TPP-NP (que contiene nanoconjunto cubierta de polímero, tetrafenilporfirina y nanopartículas conversión ascendente), directamente añadir 1 mg de porfirina tetrafenil al vial de centelleo. Para la muestra DAE-UCNP (que contiene nanoconjunto cubierta de polímero, moléculas diarileteno y nanopartículas upconvertings), la cantidad de cada moléculas de diarileteno es 2 × 10 ^-7 mol. Añadir las dos moléculas de diarileteno en la solución de reacción. Los volúmenes de las dos moléculas diarileteno son: DAE-1o (1,8 mM), 111 l y DAE-2o (1,6 mM), 125 l.
7. Se elimina el disolvente CHCl ₃ bajo presión reducida usando un evaporador rotatorio, a continuación, añadir 3 ml de 0,001 acuosa de NaOH (pH ≈ 11) M al vial de centelleo, después sonicar el vial hasta que se forma una suspensión lechosa.
8. Coloque el vial de nuevo en el evaporador rotativo, y retirar con cuidado el resto _CHCl3 hasta que la suspensión se ha convertido en una solución clara.
9. Transferir la solución del vial de centelleo para dos tubos de centrifugación cónicos de 1,5 ml y centrifugar la solución a 20.600 xg durante 25 min.
10. Descartar el sobrenadante, a continuación, añadir un total de 3 ml de _H2O desionizada en los dos tubos (1,5 ml por tubo), sonicar los tubos para redispersar los pelletsen el _H2O desionizada
11. Centrifugar los dos tubos de nuevo a 20.600 xg durante 25 min.
12. Descartar el sobrenadante, a continuación, añadir un total de 3 ml de _H2O desionizada en los dos tubos (1,5 ml por tubo). Sonicar los tubos para redispersar los pellets en el desionizada H ₂ O.
13. Filtrar la muestra acuosa nanopartículas dispersión a través de un filtro de jeringa de 0,2 micras para obtener la muestra final para la prueba adicional.

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Resultados

Los espectros de absorción y espectros de fotoluminiscencia se recogieron para la muestra DAE-UCNP. Los espectros de absorción se utilizan para comparar la superposición espectral entre los cromóforos diarileteno cerradas y las nanopartículas conversión ascendente. Las fotografías de las muestras (tanto TPP-UCNP y DAE-UCNP) también se incluyen para demostrar la encapsulación con éxito de moléculas de colorante orgánicos y nanopartículas conversión ascendente, que se encuentran dentro de las conchas de pol?...

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Discusión

Las nanopartículas sintetizadas según este protocolo tienen una distribución de tamaño de 20 a 25 nm centrada en torno al 22,5 nm. ^26,27 Se pueden clasificar como partículas esféricas con una estructura reticular ₄ acogida α-Nayf. Hay dos pasos críticos en este protocolo. En la síntesis UCNP, es crucial para mantener la temperatura y el tiempo de calentamiento tan preciso como sea posible para asegurar una estrecha distribución de tamaño de partícula. La adición simultánea de NaOH y N...

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Materiales

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