Une méthode 'Plug and Play' pour créer Nanoassemblies dispersibles dans l'eau contenant un polymère amphiphile, colorants organiques et Upconverting nanoparticules

Résumé

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.

Résumé

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

Aujourd'hui, il ya toujours un besoin urgent de développer de nouveaux types d'agents de bio-imagerie. Beaucoup de nouvelles sondes fluorescentes ont été bien documentés. ^1-6 Cependant, des améliorations substantielles dans la résolution de l'image reste un défi. ⁷ Une méthode pratique consiste à moduler directement les sondes de fluorescence entre un état ​​«lumière» émissive et un état ​​trempé «sombre». ^8-12 Cette méthode particulière a été utilisée pour développer des technologies telles que l'appauvrissement de l'émission stimulée (STED) microscopie ¹³ et la microscopie optique de reconstruction stochastique (STORM). ¹⁴

Une autre approche pour moduler la fluorescence est de coupler des chromophores photosensibles avec des sondes fluorescentes. ^15,16 Basculer le chromophore photosensible entre deux isomères où un seul des isomères peut agir comme un accepteur de transfert d'énergie efficace, permet de contrôler extinction de la fluorescence de esonde e par le transfert d'énergie par résonance Förster (FRET) et d'autres mécanismes. Le résultat est la création d'un Etat émissive et un état trempé qui peut être alterné par l'exposition du chromophore photosensible à différentes longueurs d'onde de la lumière.

Chromophores diaryléthène photosensibles peuvent être réversible basculé entre un isomère de cycle ouvert incolore et un isomère à cycle fermé de couleur lors de l'irradiation avec les UV et la lumière visible. ^17-19 La stabilité thermique des deux isomères et les spectres d'absorption accordable de la marque isomère à cycle fermé diaryléthènes très bons candidats comme FRET contrôlable accepteurs. nanoparticules ^20-23 lanthanides dopé NaYF ₄ upconverting sont utiles pour la bio-imagerie. ²⁴ Ces nanoparticules absorbent la lumière dans le proche infrarouge et émettent de la lumière dans plusieurs régions du spectre visible. Des exemples de fluorescence modulation en combinant chromophores et nanoparticules photosensibles diaryléthène ont été préont rapporté précédemment par notre groupe. ^{25 à 27} Toutefois, les systèmes décrits dans chaque exemple nécessaire une modification synthétique supplémentaire pour fixer les diaryléthènes à la surface des nanoparticules, ce qui complique l'élaboration de systèmes plus diverses.

Ici, nous démontrons une méthode simple «plug-and-play 'pour préparer des molécules de colorant organique dispersibles dans l'eau et les nanoparticules upconverting photosensibles en utilisant une stratégie d'auto-assemblage. Le choix des polymères; poly (anhydride alt -maleic styrène) et de polyéther amine 2070 fournissent à la fois un environnement hydrophobe et hydrophile. Les sections hydrophobes du polymère à l'aide d'maintiennent les normalement insolubles dans l'eau des molécules organiques et des nanoparticules de conversion ascendante en même temps, alors que la région hydrophile du polymère est critique pour maintenir la solubilité dans l'eau. Nous allons d'abord démontrer la synthèse des nanoparticules upconverting par la méthode de nucléation thermique. Ensuite, nous allons prouver how molécules organiques et des nanoparticules de conversion ascendante sont encapsulés au sein des régions hydrophobes de la coque de polymère et restent stables dans des milieux aqueux par simple co-agitation d'une solution de nanoparticules à conversion ascendante, un polymère et différentes molécules de colorant organique, suivie d'une procédure de traitement final convenable. Nous démontrons également comment moduler l'émission de fluorescence des assemblées à l'aide de l'irradiation de la lumière extérieure. Nous prévoyons que le champ d'application de cette méthode «plug-and-play 'pour faire nanoassemblies dispersibles dans l'eau vont continuer à se développer.

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Protocole

1. Synthèse de la NaYF ₄ / Yb ³⁺ / Er ³⁺ Upconverting nanoparticules (UCNP)

1. Mettre en place l'appareil comme suit:
   1. Placez une enveloppe de chauffage 250 ml sur une plaque d'agitation régulière et branchez le manteau sur le couple thermique.
   2. Placez un ballon à fond rond de 250 ml équipé d'une barre d'agitation magnétique sur le manteau de chauffage avec bon serrage.
   3. Reliez un adaptateur d'air au cou gauche du ballon à fond rond et connectez cet adaptateur de l'air à la ligne de Schlenk avec des tubes en plastique.
   4. Fixez un adaptateur de verre vers la droite col du ballon à fond rond et fixer un adaptateur de thermomètre sur l'adaptateur de verre. Insérez la sonde de température dans le ballon par l'adaptateur de thermomètre et le brancher sur le thermocouple.
   5. Attacher une tête de distillation au milieu de la nuque ballon à fond rond. Placez un bouchon sur le dessus de la tête de distillation. Branchez la tête à un condenseur, suivie par un distillat sous videet un adaptateur ion tour ballon à fond 50 ml. Branchez l'adaptateur de distillation sous vide à un barboteur à travers des tubes en plastique.
2. Peser 1,17 g (3,9 mmol) d'acétate d'yttrium, 0,439 g d'acétate d'ytterbium et 0,0727 g (0,1 mmol) d'acétate d'erbium et les placer dans la réaction de ballon à fond rond.
3. Ajouter 30 ml d'acide oléique et de 75 ml d'octadécène dans le ballon l'aide d'une éprouvette graduée.
4. Rincer le côté de la réaction ballon à fond rond en utilisant 5 ml de methanol pour faire en sorte que l'acide oléique et ne octadécène est collée sur les côtés du ballon de réaction.
5. Raccorder le ballon de réaction à une double ligne collecteur d'Schlenk et tournez la vanne correspondante de garder le ballon de réaction reliée à la ligne d'azote.
6. Allumez le thermocouple, régler la température à 80 ° C, et chauffer progressivement le système à cette température. A 80 ° C et après que tous les matériaux de départ sont dissous, enlever la chemise de chauffage et de permettre à la réaction derefroidir à 30 ° C.
7. Lorsque la température atteint 30 ° C, enlever la tête de distillation, passer l'adaptateur d'air à partir du cou gauche au cou milieu et fermer le col gauche avec un bouchon. Introduire lentement le vide dans le ballon de réaction en faisant tourner la vanne sur le tube de Schlenk de la ligne de l'azote à la ligne de vide. Tous les composants à faible ébullition point sera retiré de la réaction à ce point.
8. Lorsque la solution arrête bouillonnant, élever la température à 115 ° C dans une vitesse de 5 ° C / min.
9. Une fois que la température atteint 115 ° C, maintenir cette température pendant 15 min, puis retirez le manteau de chauffage et de refroidissement de la réaction à 50 ° C. Ensuite, passer rapidement la mise en place de retour à la forme originale de rattacher la tête de distillation à la nuque du milieu et l'adaptateur d'air à la tête de gauche.
10. Peser 0,74 g (12,5 mmol) de NaOH et 0,50 g (20,0 mmol) de _NH 4 F pendant le processus de refroidissement, et les dissoudredans 50 ml de methanol par sonication.
11. Après sonication, verser la solution dans le ballon à fond rond réaction et rincer les parois du ballon avec 5 ml de MeOH.
12. Laissez la solution sous agitation à 50 ° C pendant 30 min.
13. Augmenter la température à 75 ° C pour distiller le methanol.
14. Pendant la distillation, vider le flacon de collecte lorsque cela est nécessaire. Après la distillation est terminée, la réaction se réchauffer à 300 ° C sous protection d'azote le plus rapidement possible.
15. Une fois que la température atteint 300 ° C, maintenir cette température pendant 1 heure. Si nécessaire, couvrir la configuration avec du papier d'aluminium pour aider à maintenir la température. Ensuite, retirer la source de chaleur et laisser la réaction refroidir à température ambiante.
16. Une fois qu'il est refroidi à la température ambiante, la solution uniformément divisé en trois tubes de centrifugation de 50 ml (tubes, environ 35 ml de solution pour chaque tube), et remplir le tube de l'échelle en utilisant 50 ml d'éthanol anhydre. Centrifugeuse tout til tubes à 3400 g pendant 15 min. Après centrifugation, les UCNPs doivent être observées sur le côté des tubes comme un précipité blanc.
17. Jeter le surnageant et redisperser les pastilles UCNPs dans l'hexane (7,5 ml d'hexane par chaque tube), puis recharger le tube avec de l'éthanol à l'échelle de 50 ml. Tubes à centrifuger de nouveau à 3400 g pendant 15 min.
18. Une fois la centrifugation est terminée, jeter le surnageant et redisperser les UCNPs solides dans 30 ml de CHCl ₃ pour une utilisation ultérieure.

2. Nanoassemblies Assemblée des dispersibles dans l'eau contenant un colorant organique Molécules et Upconverting nanoparticules

1. Dissoudre 25 mg (0,0147 mmol) de poly (styrène-anhydride alt -maleic) (PSMA) dans 3 ml de CHCl ₃ dans un flacon de scintillation équipé d'une barre d'agitation magnétique. Cette quantité est une quantité optimisée après de multiples essais.
2. Ajouter 250 pi (47 mg / ml) de la conversion ascendante nanoparticules chloroforme solution stock à la scintigraphiellation flacon.
3. Boucher le flacon et placez-le sur la plaque d'agitation magnétique et agiter la solution à la température ambiante pendant 2 heures.
4. Peser 160 mg (0,0773 mmol) de polyéther-amine 2070, et le dissoudre dans 1 ml de CHCl _3. Ensuite, ajouter cette solution dans le flacon de scintillation en une portion à l'aide d'une pipette. La solution va tourner au jaune pâle indiquant la réaction du polyéther amine 2,070 avec les groupes anhydride sur le PSMA.
5. Continuer à agiter la solution pendant une nuit à température ambiante.
6. Mesurer la quantité appropriée de molécules de colorant organiques, puis passer dans le flacon à scintillation en une seule portion, agiter la solution résultante pendant 1 h.
   1. Pour l'échantillon de TPP-NP (contenant nanoassembly enveloppe de polymère, le tétraphényl porphyrine et des nanoparticules de conversion ascendante), ajouter directement une tétraphényl porphyrine mg d'au flacon à scintillation. Pour l'échantillon DAE-UCNP (contenant nanoassembly enveloppe de polymère, des molécules d'diaryléthène et upconverting nanoparticules), la quantité de chacune des molécules de diaryléthène est de 2 × 10 ^-7 mol. Ajouter les deux molécules diaryléthène dans la solution de réaction. Les volumes pour les deux molécules sont diaryléthène: DAE-1o (1,8 mm), 111 pl et DAE-2o (1,6 mm), 125 pl.
7. Retirer le solvant _CHCl3 sous pression réduite en utilisant un évaporateur rotatif, puis ajouter 3 ml de NaOH 0,001 M aqueux (pH ≈ 11) dans le flacon de scintillation, puis traitement par ultrasons jusqu'à ce que le flacon une suspension laiteuse est formé.
8. Placez la fiole sur l'évaporateur rotatif, et retirer délicatement le reste CHCl _{3 jusqu'à ce que} la suspension est tourné vers une solution claire.
9. Transférer la solution dans le flacon de scintillation dans des tubes de centrifugation de 1,5 ml deux coniques, puis à centrifuger la solution 20 600 xg pendant 25 min.
10. Jeter le surnageant, puis ajouter un total de 3 ml de H _{2 O} déminéralisée dans les deux tubes (1,5 ml par tube), soniquer les tubes pour redisperser les pelletsdans le H ₂ O. désionisée
11. Centrifuger les deux tubes à nouveau à 20 600 g pendant 25 min.
12. Jeter le surnageant, puis ajouter un total de 3 ml de H _{2 O} déminéralisée dans les deux tubes (1,5 ml par tube). Soniquer les tubes pour redisperser les pastilles dans la désionisée H _{2 O.}
13. Filtrer la aqueuse échantillon de dispersion des nanoparticules à travers un filtre seringue de 0,2 um pour obtenir l'échantillon final pour des tests supplémentaires.

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Résultats

Les spectres d'absorption et de spectres de photoluminescence ont été recueillies pour l'échantillon DAE-UCNP. Les spectres d'absorption sont utilisés pour comparer le chevauchement spectral entre les chromophores diaryléthène fermés et les nanoparticules de conversion ascendante. Photographies des échantillons (à la fois TPP-UCNP et DAE-UCNP) ont également été inclus pour démontrer encapsulation succès de molécules de colorant organique et de nanoparticules upconverting, qui sont situés à l...

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Discussion

Les nanoparticules synthétisées selon ce protocole ont une distribution de taille de 20 à 25 nm centrée autour de 22,5 nm. ^26,27 Ils peuvent être classés comme des particules sphériques avec une structure en treillis ₄ hôte α-NaYF. Il ya deux étapes critiques dans ce protocole. Dans la synthèse de UCNP, il est essentiel de maintenir la température et le temps de chauffage le plus précis possible afin d'assurer une distribution étroite de taille de particules. Addition simultanée ...

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matériels

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