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要約

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.

要約

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.

概要

今日バイオイメージング剤の新しいタイプを開発する緊急の必要性が依然として存在します。多くの新規蛍光プローブが十分に文書化されている。1-6ただし 、画像の解像度の大幅な改善が課題である。7つの実用的な方法は、直接「光」の発光状態と「暗い」急冷状態との間の蛍光プローブを変調することです。 8-12この特定の方法は、誘導放出の枯渇（STED）顕微鏡13及び確率的光学再構築顕微鏡（STORM）などの技術を開発するために適用されている。14

蛍光を調節するための別のアプローチは、蛍光プローブと一緒に夫婦光応答性発色団である。15,16は、異性体の一方のみが、効率的なエネルギー移動アクセプターとして機能することができる2つの異性体間光応答発色団の切り替え、目からの蛍光の消光の制御を可能にしますフェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）、および他の機構を介して電子プローブ。結果は、発光状態と異なる波長の光に光応答性発色団の暴露によって交互に行うことができる急冷状態の作成です。

光応答ジアリールエテン発色団は、可逆的に無色の開環異性体およびUVおよび可視光の照射により着色された閉環体との間で切り替えることができます。17〜19の熱2つの異性体の安定性と閉環体メイクの調整可能な吸収スペクトルジアリールエテン非常に良好な候補を制御FRETアクセプターとして。20-23ランタニドドープNaYF 4アップコンバージョンナノ粒子は、バイオイメージングのために有用である。24これらのナノ粒子は、近赤外光を吸収し、可視スペクトルのいくつかの領域の光を放出します。光応答ジアリールエテン発色団とナノ粒子を組み合わせることで蛍光変調の例としては、事前にされていますviously我々のグループによって報告された。25-27しかしながら 、各実施例に記載されたシステムは、より多様なシステムの開発を複雑にナノ粒子の表面にジアリールエテンを取り付けるために追加の合成修飾を必要としました。

本明細書において、我々は、自己組織化戦略を使用して水分散性有機色素分子と光応答アップコンバートナノ粒子を調製するための単純な「プラグ・アンド・プレイ」方式を示します。ポリマーの選択。 2070アミンポリ（スチレン- ALT -無水マレイン酸）とポリエーテルは、疎水性および親水性環境の両方を提供します。ポリマーの親水性領域は、水溶解性を維持するために重要であるのに対し、ポリマーヘルプの疎水性セクションでは、一緒に通常は水に不溶性の有機分子とアップコンバートナノ粒子を保持します。私たちは、第1の熱核法でアップコンバートナノ粒子の合成を実証します。そこで、ホを証明します有機分子とアップコンバートナノ粒子wのポリマーシェルの疎水性領域内にカプセル化されており、単純に便利なワークアップ手順に続いてアップコンバートナノ粒子、ポリマーと異なる有機色素分子の溶液を、共同攪拌して水性媒体中で安定したまま。また、外光照射を使用してアセンブリの蛍光発光を変調する方法を示します。私たちは、水分散性nanoassembliesが拡大していきますするには、この「プラグアンドプレイ」メソッドを使用しての範囲を期待しています。

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プロトコル

NaYF 4 / Ybの3+ / ER 3+アップコンバーティングナノ粒子（UCNP）の1合成

  1. 以下のように装置を設定します。
    1. 定期的な撹拌プレート上で250ミリリットル加熱マントルを置き、熱電対の上にマントを差し込みます。
    2. 適切なクランプで加熱マントル上に磁気撹拌棒を備えた250mlの丸底フラスコを置きます。
    3. 丸底フラスコの左首に空気アダプタを取り付け、プラスチック管とのシュレンクラインにこの空気アダプタを接続してください。
    4. 丸底フラスコの右首にガラスアダプタを取り付け、ガラスアダプタ上に温度計アダプターを固定します。温度計アダプタを介してフラスコに温度プローブを挿入し、熱電対にこれを接続します。
    5. 丸底フラスコの中央の首に蒸留ヘッドを取り付けます。蒸留ヘッドの上にストッパーを配置します。真空に続いて、凝縮器に頭を接続distillatイオンアダプタと50 mlの丸底フラスコ。プラスチック管を通してバブラーに真空蒸留アダプターを接続します。
  2. エルビウムの酢酸イットリウム、酢酸1.17グラム（3.9ミリモル）、イッテルビウム、酢酸の0.439グラムおよび0.0727グラム（0.1ミリモル）を計量し、丸底フラスコ反応に置きます。
  3. メスシリンダーを使用してフラスコにオレイン酸30 ml及びオクタデセンの75ミリリットルを追加します。
  4. 何のオレイン酸およびオクタデセンを反応フラスコの側面に貼り付けられていないことを確認するために、5mlのメタノールを使用して丸底フラスコ反応の側面を洗い流します。
  5. ダブルマニホールドシュレンクラインに反応フラスコを接続し、窒素ラインに接続された反応フラスコを維持するために、対応するバルブを回します。
  6. 、熱電対の電源を入れ、80℃に温度を設定し、徐々にこの温度にシステムを加熱します。 80℃で、すべての出発物質が溶解した後、加熱マントルを除去し、反応を可能に30℃に冷却します。
  7. 温度が30℃に達したとき、蒸留ヘッドを脱いで左首の中から首に空気アダプタを切り替えるとストッパーで左首を閉鎖。ゆっくりと真空ラインに窒素ラインからシュレンクライン上でバルブを回して反応フラスコに真空をご紹介します。低沸点成分の全ては、この時点での反応から引き出されます。
  8. 溶液をバブリングを停止したときに、5℃/分の速度で115℃まで温度を上げ。
  9. 温度が115°Cに達すると、加熱マントルを除去し、50℃まで反応を冷却、その後、15分間この温度を保ちます。その後、すぐに中央の首と左ヘッドへの空気アダプタに蒸留ヘッドを再び取り付けることにより、元のフォームに設定切り替えます。
  10. 水酸化ナトリウム0.74グラム（12.5ミリモル）を秤量し、冷却プロセス中にNH 4 Fの0.50グラム（20.0ミリモル）、及びそれらを溶解します超音波処理によるメタノール50mlインチ
  11. 超音波処理の後、丸底フラスコ反応への溶液を注ぎ、メタノール5mlでフラスコの側面を洗い流します。
  12. 50℃で30分間攪拌したソリューションを残します。
  13. メタノールを蒸留するために75℃に温度を上げます。
  14. 必要なときに蒸留の間に、収集フラスコを空にします。蒸留の終了後、できるだけ早く、窒素保護下で300℃まで反応を加熱します。
  15. 温度が300°Cに達すると、1時間この温度を維持します。必要に応じて、温度を維持するためにアルミホイルでセットアップを覆います。その後、熱源を取り外し、反応物を室温まで冷却させます。
  16. それを室温に冷却した後、50 mlの3遠心分離チューブ（50 mlチューブに、各チューブあたりおよそ35 mlの溶液）、及びトップアップチューブに均等に溶液を分割し、無水エタノールを用いてスケール。遠心全てのT彼は15分間3400×gでチューブ。遠心分離した後、UCNPsは白い沈殿物として、チューブの側で観察されるはずです。
  17. 上清を捨て、ヘキサン（各チューブあたりヘキサン7.5 ml）にUCNPsペレットを再分散し、50ミリリットルの規模にエタノールでチューブをトップアップ。 15分間3400×gで再び遠心分離管。
  18. 遠心分離が完了した後、上清を廃棄し、さらに使用するための CHCl 3 30mlに再分散固体UCNPs。

有機色素分子とアップコンバーティングナノ粒子を含む水分散性Nanoassemblies 2.組立

  1. 磁気撹拌棒を備えたシンチレーションバイアルにの CHCl 3 3ml中のポリ（スチレン- ALT -無水マレイン酸）を25mg（0.0147ミリモル）（PSMA）を溶解します。この量は、複数の試験の後に最適化された量です。
  2. アップコンバート250μlの（47 mg / mlの）を追加するシンチにクロロホルムストック溶液をナノ粒子llationバイアル。
  3. バイアルに蓋をし、磁気撹拌プレート上に置き、そして2時間室温で溶液を攪拌。
  4. ポリエーテルアミン2070 160mgの（0.0773ミリモル）を計量し、し、CHCl 3 1ml中にそれを溶解させます。次に、ピペットを用いて、一度にシンチレーションバイアルにこの溶液を加えます。解決策は、PSMA上の無水物基と2070アミンポリエーテルの反応を示す淡黄色に変わります。
  5. 室温で溶液を一晩攪拌し続けます。
  6. 1時間、得られた溶液を攪拌し、その後、有機色素分子の適切な量を測定一度にシンチレーションバイアル内に分注します。
    1. サンプルTPP-NP（nanoassemblyポリマーシェル、テトラフェニルポルフィリンとアップコンバートナノ粒子を含む）については、直接シンチレーションバイアルにテトラフェニルポルフィリン1mgを追加します。 nanoassemblyポリマーシェル、ジアリールエテン分子とアップコンバートのナノ粒子を含む試料DAE-UCNP（についてs）は、それぞれジアリールエテン分子の量は、2×10 -7モルです。反応溶液中に2ジアリールエテン分子を追加します。 2ジアリ​​ールエテン分子のためのボリュームがある：DAE-1O（1.8ミリモル）、111μLおよびDAE-2O（1.6ミリモル）、125μlの。
  7. 乳白色の懸濁液が形成されるまで、バイアルを超音波処理後、シンチレーションバイアルに、0.001M NaOH水溶液（11≈のpH）の3ミリリットルを追加し、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下での CHCl 3溶媒を除去します。
  8. ロータリーエバポレーターでバックバイアルを置き、懸濁液は透明な溶液になったまで慎重に残りの CHCl 3 を削除します。
  9. その後、25分間20,600×gで解決策を遠心、2 1.5ミリリットルの円錐遠心チューブにシンチレーションバイアルからの溶液を移します。
  10. 上清を捨て、その後、2つのチューブ（チューブあたり1.5ミリリットル）に、脱イオンH 2 Oの3ミリリットルの合計を追加し、ペレットを再分散するためにチューブを超音波処理脱イオンH 2 O中
  11. 25分間20,600×gで再び2つのチューブを遠心。
  12. 上清を捨て、その後、2つのチューブ（チューブあたり1.5ミリリットル）に、脱イオンH 2 Oの3ミリリットルの合計を追加します。脱イオンH 2 O中にペレットを再分散するためにチューブを超音波処理
  13. 更なる試験のための最終的なサンプルを得るために、0.2μmのシリンジフィルターを通して水のナノ粒子分散サンプルをフィルタリングします。

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結果

吸収スペクトルおよび発光スペクトルは、サンプルDAE-UCNPのために収集しました。吸収スペクトルは、閉じたジアリールエテン発色団とアップコンバートナノ粒子間のスペクトルの重複を比較するために使用されています。サンプル（TPP-UCNP両方DAE-UCNP）の写真は、水性相中の両親媒性ポリマーシェル内に配置された有機色素分子およびアップコンバートナノ粒子の成功したカプセル化を実証?...

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ディスカッション

このプロトコルに従って合成されたナノ粒子は、約22.5 nmの中心20から25ナノメートルのサイズ分布を有する。26,27それらはα-NaYF 4ホスト格子構造を有する球状粒子として分類することができます。このプロトコルで2つの重要なステップがあります。 UCNP合成では、粒子サイズの狭い分布を確実にするために、可能な限り正確な加熱温度および時間を維持することが重要です。?...

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開示事項

The authors have nothing to disclose.

謝辞

This research was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada, the Canada Research Chairs Program, and Simon Fraser University. This work made use of 4D LABS shared facilities supported by the Canada Foundation for Innovation (CFI), British Columbia Knowledge Development Fund (BCKDF) and Simon Fraser University.

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資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Yttrium acetateSigma326046Yttrium(III) acetate hydrate
Ytterbium acetateSigma544973Ytterbium(III) acetate hydrate
Erbium acetateSigma325570Erbium(III) acetate hydrate
Oleic acidSigma75096analytical standard
OctadeceneSigmaO806Technical grade
NaOHSigmaS5881reagent grade
NH4FSigma216011ACS reagent
Poly(styrene-co-maleic anhydride)Sigma442399Average Mn = 1700
JeffAmine 2070HuntsmanM-2070
Varian Carry 300Agilent
JDSU NIR laserJSDUL4-9897510-100M980 nm diode laser

参考文献

  1. Fery-Forgues, S. Fluorescent organic nanocrystals and non-doped nanoparticles for biological applications. Nanoscale. 5 (18), 8428-8442 (2013).
  2. Vollrath, A., Schubert, S., Schubert, U. S. Fluorescence imaging of cancer tissue based on metal-free polymeric nanoparticles. J. Mater. Chem. B. 1, 1994-2007 (2013).
  3. Cheng, X., Lowe, S. B., Reecec, P. J., Gooding, J. J. Colloidal silicon quantum dots: from preparation to the modification of self-assembled monolayers (SAMs) for bio-applications. Chem. Soc. Rev. 43, 2680-2700 (2014).
  4. Luo, P. G., et al. Carbon-based quantum dots for fluorescence imaging of cells and tissues. RSC Adv. 4, 10791-10807 (2014).
  5. Wang, Y., Hu, R., Lin, G., Roy, I., Yong, K. -T. Functionalized Quantum Dots for Biosensing and Bioimaging and Concerns on Toxicity. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5 (8), 2786-2799 (2013).
  6. Kairdolf, B. A., et al. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (1), 143-162 (2013).
  7. Huang, B., Bates, M., Zhuang, X. Super-Resolution Fluorescence Microscopy. Annu. Rev. Biochem. 78, 993-1016 (2009).
  8. Fölling, J., et al. Photochromic Rhodamines Provide Nanoscopy with Optical Sectioning. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (33), 6266-6270 (2007).
  9. Fölling, J., et al. Fluorescence Nanoscopy with Optical Sectioning by Two-Photon Induced Molecular Switching using Continuous-Wave Lasers. Chem. Phys. Chem. 9 (2), 321-326 (2008).
  10. Bossi, M., et al. Multicolor Far-Field Fluorescence Nanoscopy through Isolated Detection of Distinct Molecular Species. Nano Lett. 8 (8), 2463-2468 (2008).
  11. Berns, M. W., Krasieva, T., Sun, C. –H., Dvornikov, A., Rentzepis, P. M. A polarity dependent fluorescence "switch" in live cells. Photochem. Photobiol. B: Biol. 75, 51-56 (2004).
  12. Zou, Y., et al. Amphiphilic Diarylethene as a Photoswitchable Probe for Imaging Living Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (47), 15750-1(2008).
  13. Westphal, V., et al. Video-Rate Far-Field Optical Nanoscopy Dissects Synaptic Vesicle Movement. Science. 320, 246-249 (2008).
  14. Zhuang, X. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Nat Photonics. 3, 365-367 (2009).
  15. Cusido, J., Deniz, E., Raymo, F. M. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Eur. J. Org. Chem. 13, 2031-2045 (2009).
  16. Raymo, F. M., Tomasulo, M. Electron and energy transfer modulation with photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 34, 327-336 (2005).
  17. Feringa, B. L. Molecular Switches. , Wiley-VCH. Weinheim. (2010).
  18. Tian, H., Yang, S. Recent progresses on diarylethene based photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 33, 85-97 (2004).
  19. Ubaghs, L., Sud, D., Branda, N. R. Handbook in Thiophene-Based Materials: Applications in Organic Electronics and Photonics. Perepichka, I. D., Perepichka, D., Branda, N. R. 2, John Wiley and Sons. Chichester. (2009).
  20. Norsten, T. B., Branda, N. R. Photoregulation of Fluorescence in a Porphyrinic Dithienylethene Photochrome. J. Am. Chem. Soc. 123 (8), 1784-1785 (2001).
  21. Giordano, L., Jovin, T. M., Irie, M., Jares-Erijman, E. A. Diheteroarylethenes as Thermally Stable Photoswitchable Acceptors in Photochromic Fluorescence Resonance Energy Transfer (pcFRET). J. Am. Chem. Soc. 124 (25), 7481-7489 (2002).
  22. Fölling, J., et al. Synthesis and Characterization of Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles. Small. 4 (1), 134-142 (2008).
  23. Jeong, J., et al. Photoreversible cellular imaging using photochrome-conjugated fullerene silica nanoparticles. Chem. Commun. 47, 10668-10670 (2011).
  24. Gai, S., Li, C., Yang, P., Lin, J. Recent progress in rare earth micro/nanocrystals: soft chemical synthesis, luminescent properties, and biomedical applications. Chem. Rev. 114 (4), 2343-2389 (2014).
  25. Carling, C. -J., Boyer, J. -C., Branda, N. R. Multimodal fluorescence modulation using molecular photoswitches and upconverting nanoparticles. Org. Biomol. Chem. 10, 6159-6168 (2012).
  26. Wu, T., Boyer, J. -C., Barker, M., Wilson, D., Branda, N. R. A "Plug-and-Play" Method to Prepare Water-Soluble Photoresponsive Encapsulated Upconverting Nanoparticles Containing Hydrophobic Molecular Switches. Chem. Mater. 25 (12), (2013).
  27. Wu, T., Kaur, S., Branda, N. R. Energy transfer between amphiphilic porphyrin polymer shells and upconverting nanoparticle cores in water-dispersible nano-assemblies. Org. Biol. Chem. 13, 2317-2322 (2015).
  28. Irie, M. Photochromism: Memories and Switches Introduction. Chem. Rev. 100 (5), 1683-1684 (2000).

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