שיטה 'הכנס והפעל' ליצירת Nanoassemblies מים מסיסות המכיל פולימר amphiphilic, צבעים אורגניים וupconverting חלקיקים

Summary

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.

Abstract

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

היום יש עדיין צורך דחוף לפתח סוגים חדשים של סוכנים ביו-הדמיה. בדיקות ניאון רומן רבות תועדו היטב. ^1-6 עם זאת, חל שיפור משמעותי ברזולוציית התמונה עדיין מהווה אתגר. ⁷ אחת שיטה מעשית היא לווסת ישירות בדיקות הקרינה בין מדינה 'אור' emissive ומדינה 'חשוכה' הרווה. ^8-12 שיטה מסוימת זו יושמה לפתח טכנולוגיות כגון דלדול פליטה מאולץ (STED) מיקרוסקופיה ¹³ ומיקרוסקופיה סטוכסטיים שיקום אופטי (סערה). ¹⁴

גישה נוספת ללווסת הקרינה היא הזוג chromophores photoresponsive יחד עם בדיקות ניאון. ^15,16 החלפת כרומופור photoresponsive בין שני איזומרים שבו רק אחד מאיזומרים יכול לשמש acceptor אנרגיה-העברה יעילה, מאפשר שליטה על מרווה של הקרינה מהבדיקה דואר באמצעות העברת פורסטר תהודת אנרגיה (סריג) ומנגנונים אחרים. התוצאה היא יצירת מדינת emissive ומדינה הרוותה ​​שיכול להיות לסירוגין על ידי חשיפה של chromophore photoresponsive לאורכי גל שונה של אור.

chromophores diarylethene Photoresponsive ניתן מתג השחרור הפיך בין האיזומר טבעת-פתוחה חסר צבע והאיזומר טבעת סגורה בצבע על קרינת UV ועם אור הנראה. ^17-19 יציבות התרמית של שני איזומרים וספקטרום קליטה מתכונן לאיפור האיזומר-סגור הטבעת diarylethenes מועמדים טובים מאוד כסריג שליטה acceptors. חלקיקי upconverting מסומם-נתניד ^20-23 NaYF ₄ שימושיים ליו-הדמיה. ²⁴ חלקיקים אלה לקלוט אור האינפרה-אדום קרוב ופולטים אור במספר אזורים של הספקטרום הנראה. דוגמאות לאפנון הקרינה על ידי שילוב של chromophores diarylethene photoresponsive וחלקיקים כבר מראשדיווח לציין על ידי הקבוצה שלנו. ^25-27 עם זאת, המערכות שתוארו בכל דוגמא נדרשה שינוי סינטטי נוסף לצרף diarylethenes אל פני השטח של חלקיקים, אשר מסבך את הפיתוח של מערכות מגוונות יותר.

במסמך זה אנו מדגימים שיטה פשוטה "plug-and-play 'להכין מולקולות מים מסיסות צבע אורגני וחלקיקי upconverting photoresponsive משתמשים באסטרטגית הרכבה עצמית. הבחירה של פולימרים; פולי (אנהידריד -maleic alt styrene-) וpolyether אמין 2,070 לספק גם סביבה הידרופובי והידרופילי. הקטעים הידרופובי לסייע הפולימר להחזיק מולקולות אורגניות בדרך כלל מים מסיסים וחלקיקי upconverting יחד, ואילו האזור הידרופילי של הפולימר הוא קריטי לשמירה על המים המסיסות. אנחנו הראשונים נדגים סינתזה של חלקיקי upconverting בשיטת התגרענות התרמית. לאחר מכן, אנחנו נוכיח הוw המולקולות אורגניות וחלקיקי upconverting כמוסות בתוך אזורים הידרופובי של פגז הפולימר ולהישאר יציבים בתקשורת מימית, פשוט על ידי שיתוף ערבוב פתרון של חלקיקי upconverting, הפולימר ומולקולות צבע אורגניים שונות, ואחריו הליך עבודה-אפ נוח. אנחנו גם מדגימים כיצד לווסת פליטת הקרינה של האסיפות באמצעות הקרנת אור חיצונית. אנו צופים היקף השימוש בשיטה זו "plug-and-play 'לעשות nanoassemblies מים מסיסות ימשיך להתרחב.

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

Protocol

1. סינתזה של NaYF ₄ / Yb ³⁺ / Er ³⁺ upconverting החלקיקים (UCNP)

1. להגדיר את המנגנון אחריו כמו:
   1. הנח מעטפת מיליליטר חימום 250 על צלחת ערבוב רגילה ולחבר את המעטפת על הזוג התרמי.
   2. הנח בקבוק 250 מיליליטר תחתון עגול מצוידים בבר ומערבבים מגנטי על מעטפת החימום עם הידוק נכון.
   3. צרף מתאם אוויר לצוואר השמאלי של הבקבוק התחתון העגול ולהתחבר מתאם האוויר הזה לקו Schlenk עם צינורות פלסטיק.
   4. צרף מתאם זכוכית לצוואר תקין של הבקבוק התחתון העגול ולתקן מתאם מדחום על מתאם הזכוכית. הכנס את הבדיקה הטמפרטורה לתוך הבקבוק באמצעות מתאם המדחום וחבר זה לצמד התרמי.
   5. צרף ראש זיקוק לצוואר אמצע הבקבוק התחתון העגול. הנח פקק בחלק העליון של ראש הזיקוק. חבר ועד ראש הקבל, ואחריו distillat ואקוםמתאם יון ובקבוק תחתון עגול 50 מיליליטר. חבר את מתאם הזיקוק בוואקום לbubbler דרך צינורות פלסטיק.
2. שוקל 1.17 גר '(3.9 mmol) של אצטט איטריום, .439 גרם של אצטט איטרביום ו.0727 גרם (0.1 mmol) של אצטט ארביום ולמקם אותם בתגובת סיבוב הבקבוק תחתון.
3. להוסיף 30 מיליליטר של חומצה אולאית ו -75 מיליליטר של octadecene לבקבוק באמצעות גליל סיים.
4. יש לשטוף את הצד של תגובת סיבוב הבקבוק תחתון באמצעות 5 מיליליטר של מתנול לוודא כי אין חומצה אולאית וoctadecene תקועה לצדדים של בקבוק התגובה.
5. חבר את בקבוק התגובה לקו כפול Schlenk הסעפת ולהפוך את השסתום המקביל לשמור את בקבוק התגובה מחובר לקו החנקן.
6. הפעל את הצמד התרמי, להגדיר את הטמפרטורה עד 80 מעלות צלזיוס, ולחמם את המערכת בהדרגה לטמפרטורה זו. על 80 מעלות צלזיוס ואחרי כל החומרים מתחילים הם מומסים, להסיר את מעטפת החימום ולאפשר התגובה ללהתקרר עד 30 מעלות צלזיוס.
7. כאשר טמפרטורה מגיעה ל -30 מעלות צלזיוס, תוריד את ראש הזיקוק, לעבור את מתאם האוויר מהצוואר השמאלי לאמצע הצוואר ולסגור את הצוואר השמאלי עם פקק. לאט לאט להציג את הוואקום לבקבוק התגובה על ידי סיבוב השסתום על קו Schlenk מקו החנקן לקו הוואקום. כל רכיבי נקודת הרתיחה הנמוכים יהיה שלף מהתגובה בשלב זה.
8. כאשר הפתרון מפסיק מבעבע, להעלות את הטמפרטורה ל -115 מעלות צלזיוס במהירות של 5 מעלות צלזיוס / דקה.
9. ברגע שהטמפרטורה מגיעה 115 מעלות צלזיוס, לשמור על טמפרטורה זו במשך 15 דקות, ולאחר מכן להסיר את מעטפת החימום ולקרר את התגובה ל -50 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, לעבור במהירות להגדיר בחזרה לצורתו המקורית על ידי reattaching ראש הזיקוק לצוואר הבינוני ומתאם האוויר לראש השמאל.
10. לשקול את 0.74 גר '(12.5 mmol) של NaOH ו0.50 גר' (20.0 mmol) של NH ₄ F במהלך תהליך הקירור, ולפזר אותםב 50 מיליליטר של מתנול ידי sonication.
11. , לאחר sonication לשפוך את הפתרון לתגובת סיבוב הבקבוק תחתון ולשטוף את הצדדים של הבקבוק עם 5 מיליליטר של MeOH.
12. השאר את פתרון ערבוב על 50 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
13. להגדיל את הטמפרטורה עד 75 מעלות צלזיוס לזקק מתנול.
14. במהלך הזיקוק, רוקן את בקבוק האוסף בעת צורך. לאחר הזיקוק נגמר, לחמם את התגובה 300 מעלות צלזיוס מתחת הגנת חנקן מהר ככל האפשר.
15. ברגע שהטמפרטורה מגיעה ל 300 מעלות צלזיוס, לשמור על טמפרטורה זו במשך שעה 1. במידת הצורך, לכסות את ההתקנה עם נייר אלומיניום כדי לעזור לשמור על הטמפרטורה. ואז להסיר מקור חום ולאפשר התגובה להתקרר לטמפרטורת חדר.
16. ברגע שזה התקרר לטמפרטורת חדר, לפצל את הפתרון באופן שווה לשלושה צינורות צנטריפוגה (50 מיליליטר צינורות, בערך 35 מיליליטר פתרון לכל צינור), ולמעלה למעלה הצינור לקנה מידה 50 מיליליטר באמצעות אתנול נטול מים. צנטריפוגה כל tהוא צינורות ב 3400 XG במשך 15 דקות. לאחר צנטריפוגה, יש לשים לב UCNPs בצד של הצינורות כמשקע לבן.
17. בטל supernatant וredisperse כדורי UCNPs בhexanes (7.5 מיליליטר של hexanes לכל צינור), ולאחר מכן להשלים את הצינור עם אתנול לקנה מידת 50 מיליליטר. צנטריפוגה צינורות שוב ב3,400 XG במשך 15 דקות.
18. ברגע שצנטריפוגה היא מוחלטת, לבטל את supernatant וredisperse UCNPs המוצק ב 30 מיליליטר של CHCl ₃ לשימוש נוסף.

2. Nanoassemblies עצרת של מים-מסיסות המכיל אורגניות דיי מולקולות וחלקיקי upconverting

1. ממיסים 25 מ"ג (.0147 mmol) של פולי (אנהידריד -maleic alt styrene-) (PSMA) ב 3 מיליליטר של CHCl ₃ לתוך בקבוקון נצנץ מצויד בבר ומערבבים מגנטי. כמות זו היא כמות מותאמת לאחר ניסויים רבים.
2. הוסף 250 μl (47 מ"ג / מיליליטר) של upconverting חלקיקי פתרון מניות כלורופורם לscintiבקבוקון llation.
3. מכסה את הבקבוקון ולמקם אותו על צלחת ערבוב המגנטית, ומערבבים את הפתרון בטמפרטורת חדר למשך שעה 2.
4. שוקל 160 מ"ג (.0773 mmol) של polyether אמין 2,070, ולפזר אותו ב 1 מיליליטר של CHCl _3. לאחר מכן להוסיף את הפתרון הזה לבקבוקון הנצנץ בחלק אחד באמצעות פיפטה. הפתרון יהפוך לצהוב חיוור המציין את התגובה של polyether אמין 2,070 עם קבוצות אנהידריד על PSMA.
5. ממשיך לערבב פתרון הלילה בטמפרטורת חדר.
6. מדוד את הכמות המתאימה של מולקולות צבע אורגניות אז מוציא אותו לתוך בקבוקון הנצנץ בחלק אחד, מערבבים הפתרון לשעה 1 וכתוצאה מכך.
   1. לדוגמא TPP-NP (nanoassembly המכיל פולימר פגז, פורפירין tetraphenyl וחלקיקי upconverting), להוסיף ישירות 1 מ"ג של פורפירין tetraphenyl לבקבוקון הנצנץ. לדוגמא DAE-UCNP (המכיל פולימר פגז, מולקולות diarylethene וננו-חלקיקי upconverting nanoassemblyים), הכמות של כל מולקולות diarylethene הוא 2 × 10 ^-7 mol. להוסיף שתי מולקולות diarylethene לפתרון התגובה. הכרכים לשתי מולקולות diarylethene הם: DAE-1o (1.8 מ"מ), 111 μl וDAE-2o (1.6 מ"מ), 125 μl.
7. הסר את ממס CHCl ₃ תחת לחץ מופחת באמצעות מאייד סיבובי, ולאחר מכן להוסיף 3 מיליליטר של 0.001 NaOH (≈ pH 11) המימי M לבקבוקון הנצנץ, אז sonicate הבקבוקון עד השעיה חלבית נוצר.
8. מניחים את הבקבוקון בחזרה על המאייד הסיבובי, ולהסיר בזהירות את CHCl נותר ₃ עד ההשעיה הפכה לפתרון ברור.
9. מעבירים את הפתרון מבקבוקון הנצנץ לצינורות צנטריפוגה שני 1.5 מיליליטר חרוטי, אז צנטריפוגות הפתרון ב20600 XG במשך 25 דקות.
10. בטל supernatant, ולאחר מכן להוסיף סך של 3 מיליליטר של H ₂ O deionized לשני צינורות (1.5 מיליליטר לכל צינור), sonicate הצינורות לredisperse כדוריםבH deionized ₂ O.
11. צנטריפוגה שני צינורות שוב ב20600 XG במשך 25 דקות.
12. בטל supernatant, ולאחר מכן להוסיף סך של 3 מיליליטר של H ₂ O deionized לשני צינורות (1.5 מיליליטר לכל צינור). Sonicate הצינורות לredisperse כדורים בH deionized ₂ O.
13. סנן מדגם פיזור חלקיקים המימי דרך פילטר מזרק 0.2 מיקרומטר להשיג המדגם הסופי לבדיקות נוספות.

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

תוצאות

ספקטרום קליטה וספקטרום photoluminescence נאספו למדגם DAE-UCNP. ספקטרום הקליטה משמש להשוואת החפיפה ספקטרלית בין chromophores diarylethene הסגור וחלקיקי upconverting. תמונות של הדגימות (שני TPP-UCNP וDAE-UCNP) נכללו גם להפגין אנקפסולציה המוצלחת של מולקולות אורגניות לצבוע וחלקיקי upconverting, אשר ממוקמים בתוך ...

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

Discussion

יש לי חלקיקים מסונתזים על פי פרוטוקול זה התפלגות גודל 20-25 ננומטר מרוכז בסביבות 22.5 ננומטר. ^26,27 הם יכולים להיות מסווגים כחלקיקים כדוריים עם מבנה סריג ₄ מארח α-NaYF. ישנם שני שלבים קריטיים בפרוטוקול זה. בסינתזת UCNP, זה חיוני כדי לשמור על טמפרטורת החימום והזמן מדוי...

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

Materials

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