Síntesis de Cd-libre EAD / ZnS puntos cuánticos Adecuado para aplicaciones biomédicas

Resumen

In this protocol, the synthesis of Cd-free InP/ZnS quantum dots (QDs) is detailed. InP-based QDs are gaining popularity due to the toxicity of Cd²⁺ ions that may be released through nanoparticle degradation. After synthesis, QDs are solubilized in water using an amphiphilic polymer for use in biomedical applications.

Resumen

Fluorescent nanocrystals, specifically quantum dots, have been a useful tool for many biomedical applications. For successful use in biological systems, quantum dots should be highly fluorescent and small/monodisperse in size. While commonly used cadmium-based quantum dots possess these qualities, they are potentially toxic due to the possible release of Cd²⁺ ions through nanoparticle degradation. Indium-based quantum dots, specifically InP/ZnS, have recently been explored as a viable alternative to cadmium-based quantum dots due to their relatively similar fluorescence characteristics and size. The synthesis presented here uses standard hot-injection techniques for effective nanoparticle growth; however, nanoparticle properties such as size, emission wavelength, and emission intensity can drastically change due to small changes in the reaction conditions. Therefore, reaction conditions such temperature, reaction duration, and precursor concentration should be maintained precisely to yield reproducible products. Because quantum dots are not inherently soluble in aqueous solutions, they must also undergo surface modification to impart solubility in water. In this protocol, an amphiphilic polymer is used to interact with both hydrophobic ligands on the quantum dot surface and bulk solvent water molecules. Here, a detailed protocol is provided for the synthesis of highly fluorescent InP/ZnS quantum dots that are suitable for use in biomedical applications.

Introducción

Los puntos cuánticos (QDs) son semiconductores nanocristales que exhiben propiedades fluorescentes cuando se irradian con luz ^1. Debido a su pequeño tamaño (2-5 nm), que es similar a muchas biomoléculas más grandes, y la facilidad de biofuncionalización, los puntos cuánticos son una herramienta muy atractiva para aplicaciones biomédicas. Ellos han encontrado uso en el etiquetado biológica, una sola molécula de imágenes de células vivas, la administración de fármacos, de formación de imágenes in vivo, la detección de patógenos, y el seguimiento de la célula, entre muchos otros usos ^2-8.

Los puntos cuánticos basados ​​en Cd se han utilizado más comúnmente en aplicaciones biomédicas debido a su intensa fluorescencia y reducidos anchos de pico de emisión ^9. Sin embargo, han surgido preocupaciones debido a la toxicidad potencial de los iones ^Cd2 + ^{10 que puede} ser puesto en libertad debido a la degradación de la nanopartícula. Recientemente, puntos cuánticos basados ​​en InP se han explorado como una alternativa a los puntos cuánticos basados ​​en Cd porque mantienen muchas de las características de fluorescenciaCd de puntos cuánticos basados ​​y puede ser más biocompatible ^11. Puntos cuánticos basados ​​en Cd se han encontrado para ser significativamente más tóxico que los puntos cuánticos basados ​​en InP en ensayos in vitro en concentraciones tan bajas como 10 pM, después de sólo 48 h ^11.

El color de los puntos cuánticos de emisión de fluorescencia es de tamaño ^ajustable-1. Es decir, como el tamaño de los aumentos de QD, la emisión de fluorescencia es desplazada al rojo. El tamaño y las dimensiones dispersidad de los productos QD puede ser modificado cambiando la temperatura, duración de la reacción, o las condiciones de concentración de precursor durante la reacción ^12. Mientras que el pico de emisión de los puntos cuánticos InP es típicamente más amplio y menos intenso que los puntos cuánticos basados ​​en Cd, InP puntos cuánticos puede hacerse en una gran variedad de colores diseñados para evitar el solapamiento espectral, y son lo suficientemente intensa para la mayoría de aplicaciones biomédicas ^12. La síntesis se detalla en este protocolo da los puntos cuánticos con un pico de emisión roja centrada a 600 nm.

Varios pasos se toman after síntesis de los núcleos QD para mantener la integridad óptica de los puntos cuánticos y para hacerlos compatibles para aplicaciones biológicas. La superficie del núcleo QD debe ser protegido de defectos de la oxidación o de superficie que pueden causar enfriamiento rápido; Por lo tanto, una concha de ZnS se reviste sobre el núcleo para producir InP / ZnS (core / shell) qds ^13. Este revestimiento se ha demostrado que protege la fotoluminiscencia del producto QD. La presencia de iones de zinc durante la síntesis de InP QD se ha demostrado que limitar defectos de la superficie, así como distribución de tamaño de disminución ^12. Incluso con la presencia de Zn ^{2 + en} el medio de reacción, la síntesis de InZnP son muy poco probable ^12. Después del recubrimiento, los puntos cuánticos resultantes InP / ZnS se recubren en ligandos hidrófobos tales como óxido de trioctilfosfina (TOPO) o oleilamina ^12,14. Un polímero anfifílico puede interactuar con ligandos hidrófobos en la superficie QD, así como las moléculas de agua a granel para impartir solubilidad en agua ^15. polímeros anfifílicos con carbogrupos químicos xylate se pueden utilizar como "asas químicas" para funcionalizar adicionalmente los puntos cuánticos.

Este protocolo se detalla la síntesis y funcionalización de InP / puntos cuánticos ZnS solubles en agua con la emisión de fluorescencia muy intensa y tamaño relativamente pequeño-dispersidad. Estos puntos cuánticos son potencialmente menos tóxicos que los puntos cuánticos CdSe / ZnS de uso común. En esto, la síntesis de InP / ZnS puntos cuánticos ofrece una alternativa práctica a los puntos cuánticos basados ​​en Cd para aplicaciones biomédicas.

Protocolo

1. Síntesis de fosfuro de indio / sulfuro de zinc (InP / ZnS) Quantum Dots

1. Síntesis de fosfuro de indio (InP) Quantum Dot Núcleos
   1. Montar un fondo redondo de 100 ml, de 3 bocas, con un condensador de 12 pulgadas. Añadir 30 ml de oleilamina (OLA), cloruro de 0,398 g de indio (III) (incl _3), 0,245 g de cinc (II) cloruro _(ZnCl2) y se agita durante la evacuación a temperatura ambiente usando un vacío durante 1 hora. La solución debería aparecer incoloro con un precipitado blanco.
   2. El uso de una manta de calentamiento con un termopar y controlador de temperatura proporcional-integral-derivativo (PID), aumentar la temperatura de la solución a 120 ° C. Evacuar la solución bajo vacío durante 20 min para eliminar las impurezas de bajo punto de ebullición que pueden afectar el crecimiento del núcleo.
      Nota: Si bien es posible utilizar un baño de arena y termómetro, usando una manta de calentamiento y PID aumenta la uniformidad y reproducibilidad de los productos de reacción.
   3. Bajo gas inerte (por ejemplo,, N _2), reflujo la solución y aumentar la temperatura a 220 ° C durante 15 min. La incl ₃ y ZnCl ₂ completamente disuelven, lo que resulta en una solución de color amarillo pálido. Deje que la temperatura se estabilice durante 10 min.
   4. Purgar una jeringa desechable de 3 ml de plástico y 4 pulgadas, 22 aguja G con gas nitrógeno. El uso de la jeringa, entregar rápidamente 0,5 ml de tris (dimetilamino) fosfina (TDMAP) a la solución incl _3. La temperatura de la solución disminuye ligeramente y vuelve a 220 ° C. La solución cambia de transparente, amarillo claro a opaco, negro.
   5. Después de 9,5 min, retirar el matraz de reacción de la camisa de calentamiento hasta que la temperatura disminuye por debajo de 200 ° C. Para proteger la integridad de los núcleos de InP, proceder directamente a la capa de ZnS en el paso 1.2.1.
2. Síntesis del sulfuro de zinc (ZnS Conchas) Quantum Dot
   1. Colocar el matraz de reacción de la etapa 1.1.5 en una manta de calefacción y estabilizar el temperatura a 200 ° C. Agregar lentamente 3,58 g dodecanotiol (DDT) en el transcurso de 15 segundos a la solución que contiene los puntos cuánticos de InP. Deje que la solución reaccione durante 1 hora.
      Nota: grosor de la cáscara ZnS puede variarse aumentando o disminuyendo la cantidad de estearato de zinc añadido en la etapa 1.2.4. La alteración de la cantidad de ZnCl ₂ o dodecanotiol en los pasos 1.1.1 y 1.2.1 puede afectar significativamente la calidad de los puntos cuánticos cambiando la cinética de reacción.
      1. Después, retire el matraz de reacción de la camisa de calentamiento y permita que la solución se enfríe a aproximadamente 60 ° C.
   2. Una vez que la solución de InP / ZnS alcanza ~ 60 ° C, añadir 10 ml de hexanos y transferir toda la solución de aproximadamente 45 ml a un tubo de centrífuga de polipropileno de 50 ml. Centrifugar la muestra (3.000 xg durante 10 min) para eliminar los precursores sólidos sin reaccionar.
   3. transferir con cuidado el sobrenadante a una botella de centrífuga de polipropileno de 250 ml, añadir 200 ml de acetona, y se centrifuga la solución (3.000 xg durante 10 min) para precipitar los puntos cuánticos InP / ZnS. Este volumen también se puede dividir de manera uniforme en cuatro tubos de 50 ml por centrifugación si una centrífuga con rotor / los accesorios necesarios no está disponible. Decantar el sobrenadante y secar el pellet QD a fondo con gas nitrógeno para eliminar la acetona.
   4. Resuspender los puntos cuánticos en 20 ml OLA utilizando ultrasonidos, transferir a un fondo redondo de 50 ml, de 3 bocas, que contiene 0,474 g de estearato de zinc, y revuelva. Evacuar la solución bajo vacío durante 20 min a TA.
   5. Bajo gas nitrógeno, aumentar la temperatura a 180 ° C y permite que la reacción continúe durante 3 h. Si bien no hay cambios visuales notables en la solución de reacción que se producen durante esta reacción, la adición de estearato de zinc aumenta el grosor del cascarón ZnS, aumentando así QY mediante la mejora de pasivación de la superficie de los puntos cuánticos ^12.. Una vez que la reacción se ha completado, retirar el matraz de la manta calefactora y permita que la solución se enfríe a aproximadamente 60 ° C.
   6. Una vez que los soluti InP / ZnSen alcances ~ 60 ° C, añadir 20 ml de hexanos y transferir a un tubo de centrífuga de 50 ml de polipropileno. Centrifugar la muestra (3.000 xg durante 10 min) para eliminar el estearato de zinc sin reaccionar.
   7. transferir con cuidado el sobrenadante a una botella de centrífuga de 250 ml de polipropileno, añadir 200 ml de acetona, y se centrifuga la solución (3.000 xg durante 10 min) para precipitar InP / ZnS puntos cuánticos. Con cuidado, se decanta el sobrenadante y se seca a fondo con gas nitrógeno para eliminar la acetona.
   8. Disolver el precipitado InP / ZnS QD en 30 ml de hexano. Vortex y someter a ultrasonidos brevemente la solución para asegurar una dispersión completa.
   9. Repita los pasos de purificación 1.2.6-1.2.8 dos veces más para asegurar la eliminación completa de ligandos orgánicos en exceso. Las interacciones entre el polímero anfifílico y el QD en el paso 1.2 pueden verse comprometidas en presencia de un exceso de ligandos.
   10. Con cálculos detallados por Xie, et al. ^16, determinar el tamaño y concentración de los puntos cuánticos InP / ZnS sintetizados usando espectroscopia UV-Vis.
       Nota: La característica espectral importante para este análisis es el hombro del pico de absorción. El valor de longitud de onda y la absorbancia del máximo de este hombro se utiliza para calcular el tamaño y la concentración de los puntos cuánticos, respectivamente. Esta reacción típicamente produce aproximadamente 5 mol de los puntos cuánticos con un pico de emisión a 600 nm. Para sintetizar los puntos cuánticos de diferentes colores, la duración y / o la temperatura de la reacción se pueden modificar. Un tiempo de reacción más largo y / o una temperatura más alta de los resultados de la solución en un pico de emisión desplazada al rojo. Por ejemplo, el aumento de la temperatura de reacción a 240 ° C y mantener el tiempo de reacción de 10 min se traducirá en puntos cuánticos con un pico máximo de emisiones nm 680. Del mismo modo, la reducción de tiempo de reacción a 2 min y la duplicación de cloruro de zinc utilizado resultará en puntos cuánticos con un pico de emisión máxima nm 470. Estos puntos cuánticos InP / ZnS son estables durante al menos un mes a 4 ° C en la oscuridad bajo gas inerte.

2. aguaSolubilización de InP / ZnS Quantum Dots El uso de un polímero anfífilo

1. solubilización en agua
   1. Uso de los puntos cuánticos InP / ZnS desde el paso 1.2.10, diluir una parte de los puntos cuánticos con hexanos para obtener 1 ml de 1 M puntos cuánticos.
      1. En un tubo de centrífuga, transferir 0,25 ml de InP / ZnS puntos cuánticos en cada tubo. Añadir 1 ml de acetona o metanol para el tubo de centrífuga y se centrifuga (3.000 xg durante 10 min). Retirar con cuidado el sobrenadante y disolver cada precipitado en 1 ml de tetrahidrofurano (THF).
      2. La transferencia de los puntos cuánticos InP / ZnS disueltos en THF en un matraz de 100 ml de fondo redondo y se diluye con 16 ml de THF. Para reducir el número de agregados en solución, los puntos cuánticos someter a ultrasonidos durante 5-10 minutos.
   2. Disolver 30 mg de poli (ácido maleico alt andhydride- -1-octadeceno), 3- (dimetilamino) -1-propilamina (PMAL-d) en 10 ml de agua de grado molecular. Baño de agua sonicación o agitación suave hasta que la solución es translúcido es suficiente para disolver completamente el polímero. losuso de vórtice o agitación vigorosa puede producir muchas burbujas, lo que dificulta la interacción del polímero con el QD. Añadir la solución de polímero 10 ml a los 100 ml matraz de fondo redondo que contiene InP / ZnS puntos cuánticos en THF.
   3. Se evapora THF de la solución QD / polímero usando un evaporador rotatorio. Colocar el matraz en un baño de hielo mientras se evapora para facilitar la interacción entre el polímero y QD. Dependiendo de la fuerza del vacío, más THF se evapora después de 10 min y la solución aparece turbia.
      1. Una vez que la solución se evapora a 10 ml, quitar el matraz del evaporador rotativo y añadir 30 ml de agua de grado molecular. Devolver el matraz al evaporador rotatorio y continuar a evaporarse a 2 ml. Esta etapa de evaporación final puede tomar muchas horas; asegurar el baño de hielo se mantiene.
   4. Quitar los puntos cuánticos InP / ZnS solubles en agua del matraz de fondo redondo con una pipeta. Filtrar la solución QD utilizando una jeringa de plástico de 3 ml unido a un sy nylon 0,1 micrasringe filtrar en un tubo de centrífuga de 5 ml.
   5. Coloque los puntos cuánticos en una unidad de diálisis de membrana de MWCO de 20.000 y se dializa frente a tampón borato 0,05 M pH 8,5 para eliminar el exceso de polímero. (Añadir lentamente tetraborato decahidrato sódico 0,05 M en ácido bórico 0,05 M, con agitación vigorosa, hasta que el pH es 8,5 para hacer esta solución tampón de borato.) El uso de un concentrador de vacío, concentrar los puntos cuánticos en tampón de borato a 1 ml.
   6. Para el almacenamiento, purgar la solución con nitrógeno gaseoso antes del sellado con Parafilm. Los puntos cuánticos InP / ZnS solubles en agua son estables durante al menos 4 meses a 4 ° C en la oscuridad.

Resultados

Los núcleos no recubiertos InP no demuestran fluorescencia visible por el ojo sustancial. Sin embargo, InP / ZnS (core / shell) puntos cuánticos fluorescentes brillantes parecen a simple vista bajo irradiación UV. La fluorescencia de InP / ZnS los puntos cuánticos se ha caracterizado mediante espectroscopía de fluorescencia. El espectro de fluorescencia de los puntos cuánticos en hexanos (Figura 1) se excita a 533 nm muestra un pico principal centrado a 600 nm con ...

Discusión

Este protocolo se detalla la síntesis de los puntos cuánticos InP / ZnS altamente fluorescentes que se pueden utilizar en muchos sistemas biológicos. Los productos sintetizados QD aquí exhiben un solo pico de emisión de fluorescencia centrada en 600 nm con una FWHM de 73 nm (Figura 1), que es comparable a otras síntesis anteriormente descritos ^12. El tiempo de reacción y la temperatura de reacción son pasos muy importantes debido a su profundo efecto sobre la calidad de la síntesis d...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Oleylamine	Acros	129540010
Zinc(II) chloride	Sigma	030-003-00-2
Indium(III) chloride	Chem-Impex	24560
Tris(dimethylamino)phosphine	Encompass	50-901-10500
1-dodecanethiol	Acros	117625000
Hexanes	Fisher Sci	H292-4
Acetone	TransChemical	UN 1090
Zinc Stearate	Aldrich Chem	307564-1KG
Tetrahydrofuran	Acros	34845-0010
Molecular Water	Fisher Sci	BP2470-1
Poly(maleic anhyrdride-alt-1-tetradecene), 3-(dimethylamino)-1-propylamine derivative	Sigma	90771-1G
Boric acid	Fisher Sci	BP168-500
Sodium Tetraborate Decahydrate	Fisher Sci	BP175-500
Rhodamine B	Aldrich Chem	R95-3
Nitrogen gas	Airgas	UN1066
Trypan blue	Thermo Sci	SV30084.01
3 ml plastic Luer-lock syringe	BD	309657
Luer-lock Needle	Air-Tite	8300014471	4 inch, 22 gauge
50 ml polypropyene centrifuge tube	Falcon	352098
250 ml centrifuge bottle	Thermo Sci	05-562-23	Nalgene PPCO
5 ml centrifuge tubes	Argos-Tech	T2076
1.5 ml microcentrifuge tubes	Bio Plas	4150
0.1 μm Syringe filter	Whatman	6786-1301	Puradisc 13 mm nylon filter
Slide-A-Lyzer MINI Dialysis Unit	Thermo Sci	69590	20,000 MWCO
Rotary Evaporator	Heidolph
Centrifuge 5072	Eppendorf		Swinging Bucket with 50 ml tube adapters
Lambda 650 UV/VIS Spectrometer	Perkin Elmer		UV-Vis Spectrophotometer
LS 55 Fluorescence Spectrometer	Perkin Elmer		Fluorometer
Axio Observer.A1	Zeiss		epifluorescence microscope
AxioCam MRm	Zeiss		CCD Camera
Tecnai TF20 Microscope	FEI		Transmisison Electron Miscroscope
TEM Eagle CCD	FEI		TEM CCD Camera
NanoBrook Omni DLS	Brookhaven		Dynamic Light Scattering Instrument