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요약

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.

초록

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.

서문

현재 바이오 조영제 새로운 유형의 개발이 요구 여전히 존재한다. 많은 신규 형광 프로브는 잘 문서화되어있다. 1-6 그러나, 이미지 해상도에서 상당한 개선이 과제로 남아. 7 한 실용적인 방법은 직접 "광"방출 상태와 '어두운'켄칭 상태 사이에서 형광 프로브를 변조하는 것이다. 8-12이 특별한 방법은 유도 방출 고갈과 같은 기술을 개발하기 위해 적용되어왔다 (STED) 현미경 (13) 및 확률 광학 재구성 ​​현미경 (STORM). 14

형광을 조절하는 또 다른 방법은 형광 프로브와 함께 커플 감응성 발색단이다. 15,16 이성질체 중 하나만이 효율적인 에너지 전달 셉터로서 작용할 수 개의 이성체 간의 감응성 발색단 토글, 일부터 형광 소광에 대한 제어를 허용포스터 공명 에너지 전달 (FRET) 및 다른 메커니즘을 통해 전자 프로브. 결과는 발광 상태의 생성과 상이한 파장의 광 감응성에 발색단의 노출에 의해 번갈아 수 켄칭 상태이다.

광 감응성 디아 릴에 텐 발색단 가역적 무색 링 공개 이성질체 및 UV 및 가시광 조사에 의해 착색 폐환 체 사이에 전환 할 수있다. 17-19 폐환 체 확인의 두 이성체와 동조 흡수 스펙트럼의 열 안정성 diarylethenes 좋은 후보들을 제어 FRET 수용체로. 20-23 란탄 도핑 NaYF 4 상향 변환 된 나노 입자는 생체 이미징에 유용하다. 이러한 나노 입자 (24)는 근적 외광을 흡수하고 가시 스펙트럼의 여러 영역에서 발광한다. 디아 릴에 텐 광 감응성 발색단 및 나노 입자를 결합하여 형광 변조로서는 미리되었습니다viously 우리 그룹에 의해보고. 25-27하지만, 각 실시 예에 설명 된 시스템보다 다양한 시스템의 개발을 복잡하게하는 나노 입자의 표면에 부착하는 diarylethenes 합성 추가적인 수정이 필요했다.

여기서 우리는 자기 조립 전략을 사용하여 수분 산성 유기 색소 분자와 광 감응성 상향 변환하는 나노 입자를 제조하는 간단한 "플러그 앤 플레이"방법을 보여준다. 중합체의 선택; 2070 아민 폴리 (스티렌 - 고도 - 말레 산 무수물) 및 폴리 에테르는 소수성과 친수성 환경을 모두 제공합니다. 고분자의 친수성 ​​영역은 수용성을 유지하기위한 중요한 반면 고분자 도움의 소수성 부분은 함께 일반적으로 불용성 유기 분자 및 상향 변환 나노 입자를 개최합니다. 먼저 열 핵 방법에 의해 상향 변환 된 나노 입자의 합성을 설명한다. 그런 다음, 우리는 호를 새삼 느끼게 될 것이다유기 분자 및 상향 변환 나노 입자는 폴리머 외피의 소수성 영역 내에 캡슐화 단순히 편리한 워크 - 업 과정이어서 업 컨버팅 나노 입자, 중합체 및 다른 유기 염료 분자의 용액을 공동 교반하여 수성 매체에 안정적으로 유지된다 w. 우리는 또한 외부 광 조사를 사용하여 어셈블리의 형광 방출을 조절하는 방법을 보여줍니다. 우리는 수분 산성 nanoassemblies 확장 계속하도록이 "플러그 앤 플레이"를 사용하는 방법의 범위를 예상하고있다.

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프로토콜

NaYF 4 / YB 3+ / 어 3+ 업 컨버팅 나노 입자 (UCNP) 1. 합성

  1. 다음으로 장치를 설정합니다 :
    1. 일반 교반 접시에 250 ml의 가열 맨틀을 놓고 열 커플에 맨틀을 연결합니다.
    2. 적당한 클램프를 갖춘 가열 맨틀 상 자기 교반 바가 장착 된 250 mL의 둥근 바닥 플라스크를 배치했다.
    3. 환저 플라스크의 목의 왼쪽에 공기 어댑터를 연결하고 플라스틱 배관과 쉬 렌크 라인이 공기 어댑터를 연결한다.
    4. 환저 플라스크의 오른쪽 목 유리 어댑터를 장착하고, 유리 어댑터에 온도계 어댑터를 고정한다. 온도계 어댑터를 통해 플라스크에 온도 프로브를 삽입하고 열전대에이 연결합니다.
    5. 환저 플라스크의 목 중간 증류 헤드를 부착. 증류 머리 꼭대기에 마개를 놓습니다. 진공 distillat이어서 응축기 헤드를 연결이온 어댑터 및 50 ㎖ 둥근 바닥 플라스크. 플라스틱 튜브를 통해 버블로 진공 증류 어댑터를 연결합니다.
  2. 이트륨 아세테이트 1.17 g (3.9 mmol)을, 이테르븀 아세테이트 0.439 g 및 에르븀 아세테이트 0.0727 g (0.1 밀리몰)을 달아 라운드 반응 바닥 플라스크에 배치합니다.
  3. 올레산 30 mL 및 눈금 실린더를 사용하여 플라스크에 옥타의 75 ML을 추가합니다.
  4. 메탄올 5 mL를 더 올레산과 옥타는 반응 플라스크의 측면에 붙어 있지 않은지 확인하기 위해 사용하는 둥근 바닥 플라스크에 반응의 측면을 씻어.
  5. 이중 매니 폴드 쉬 렌크 라인에 반응 플라스크를 연결하고, 질소 라인에 연결된 반응 플라스크를 유지 해당 밸브를 반전.
  6. 열전대를 켜고 80 ° C의 온도로 설정하고,이 온도로 서서히 가열 시스템. 모든 출발 물질이 용해 된 후 80 ℃로하고, 가열 맨틀을 제거하고, 반응을 허용30 ℃로 냉각.
  7. 온도가 30 ℃에 도달하면, 증류 머리를 벗어 중간 목에 왼쪽 목에서 공기 어댑터를 전환하고 마개를 왼쪽 목을 닫습니다. 천천히 진공 라인에 질소 라인에서 쉬 렌크 라인에 밸브를 돌려서 반응 플라스크에 진공을 소개한다. 저비점 성분은 모두이 지점에서 반응으로부터 인출한다.
  8. 이 솔루션은 버블 링을 중지하면, 5 ℃ / min의 속도로 115 ℃까지 온도를 올립니다.
  9. 온도가 115 ° C에 도달하면, 15 분 동안이 온도를 유지 한 다음, 가열 맨틀을 제거하고 50 ℃까지 반응물을 냉각. 그 후, 신속하게 중간 목과 왼쪽 머리에 공기 어댑터에 증류 머리를 다시 연결하여 원래 형태로 설정 전환합니다.
  10. 냉각 과정 중에 NaOH를 0.74 g (12.5 mmol) 및 NH 4 F의 0.50 g (20.0 밀리몰)의 무게, 그 용해초음파 처리하여 50 ml의 메탄올에.
  11. 초음파 처리 후, 둥근 바닥 플라스크에, 반응 용액을 부어 메탄올 5ml를 플라스크의 측면을 헹군다.
  12. 30 분 동안 50 ℃에서 교반 솔루션을 남겨주세요.
  13. 메탄올을 증류 75 ° C까지 온도를 높입니다.
  14. 필요하다면 증류 동안 수집 플라스크를 비우고. 증류가 완료되면, 가능한 한 빨리 질소 보호 하에서 300 ℃로 반응을 가열.
  15. 온도가 300 ° C에 도달하면, 1 시간 동안이 온도를 유지한다. 필요한 경우, 온도를 유지하기 위해 알루미늄 호일로 설정 커버. 이어서, 열원을 제거하고, 반응물을 실온으로 냉각되도록.
  16. 실온까지 냉각되면, 세 원심 분리 튜브 (50 ㎖ 튜브, 각각의 튜브 당 약 35 ml의 용액)으로 균일 용액을 분리하고, 50ml로 가기까지 튜브를 무수 에탄올을 사용하여 스케일. 원심 분리기 모든 T그는 15 분 동안 3,400 XG에 튜브. 원심 분리 후, UCNPs는 백색 침전물로서 튜브 측에서 관찰한다.
  17. 뜨는을 취소하고 헥산 (각 관마다 헥산 7.5 ml)에 UCNPs 펠릿을 재 분산 한 후 50 ml의 규모에 에탄올로 튜브를 맨. 원심 분리기 튜브 다시 15 분 동안 3,400 XG에.
  18. 원심 분리가 완료된 후, 상층 액을 제거하고 추가로 사용하기에 클로로포름 30 ㎖에 재 분산을 고체 UCNPs.

유기 염료 분자와 업 컨버팅 나노 입자를 포함하는 2의 조립 물 산성 Nanoassemblies

  1. 자기 교반 바가 장착 된 섬광 바이알에 클로로포름 (3)의 3 mL의 폴리 (스티렌 - 말레 산 무수물 ALT), 25 mg의 (0.0147 밀리몰) (PSMA)을 녹인다. 이 수량은 여러 실험 후 최적의 양이다.
  2. 상향 변환의 250 μL (47 ㎎ / ㎖)를 추가하면 scinti에 클로로포름 원액을 나노 입자llation 유리 병.
  3. 바이알을 캡핑하고 자기 교반 플레이트에 배치하고, 2 시간 동안 실온에서 용액을 교반 하였다.
  4. 2,070의 폴리 에테르 아민 160 mg의 (0.0773 밀리몰)을 달아 클로로포름 1 ㎖에 용해. 그런 다음 피펫을 사용하여 한 부분에 섬광 유리 병에이 솔루션을 추가 할 수 있습니다. 이 솔루션은 PSMA에 무수 그룹과 2070 아민 폴리 에테르의 반응을 나타내는 엷은 황색에 켜집니다.
  5. 실온에서 하룻밤 솔루션을 저어 계속합니다.
  6. 1 시간 동안 생성 된 용액을 교반하고 유기 색소 분자의 적절한 양을 한번에 측정하는 섬광 바이알로 분배.
    1. 샘플 TPP-NP (nanoassembly 폴리머 쉘, 테트라 페닐 포르피린 및 상향 변환 나노 입자를 포함)의 경우, 직접 섬광 유리 병에 테트라 페닐 포르피린의 1 mg을 추가합니다. 샘플 DAE-UCNP (들어 nanoassembly 폴리머 쉘, 디아 릴에 텐 분자 및 상향 변환 나노 입자를 포함하는S), 각각의 디아 릴에 텐 분자의 양이 2 × 10-7 몰이다. 반응 용액에 두 디아 릴에 텐 분자를 추가합니다. 두 디아 릴에 텐 분자의 볼륨은 다음과 같습니다 DAE-1O (1.8 mM)을 111 μL 및 DAE-2O (1.6 mM)을 125 μl를.
  7. 회전 증발기를 사용하여 감압 하에서 클로로포름 용매를 제거 후, 유백색 현탁액이 형성 될 때까지 초음파 처리 바이알, 섬광 바이알에 3 ㎖ (11 산도 ≈) M 수성 NaOH 0.001 추가.
  8. 다시 회전 증발기에 병을 놓고 현탁액 맑은 용액로 전환 될 때까지주의 깊게 남아있는 클로로포름을 제거합니다.
  9. 다음 25 분 동안 20,600 XG에서 솔루션을 원심 분리, 두 개의 1.5 ML 원뿔 원심 분리 튜브에 섬광 유리 병에서 솔루션을 전송합니다.
  10. 상층 액을 제거하고, 두 개의 튜브 (튜브 당 1.5 mL)에 탈 H 2 O 3 ㎖의 총을 추가 펠릿을 재 분산하기 위해 튜브를 초음파 처리탈 H 2 O에
  11. 25 분 동안 20,600 XG에서 다시 두 개의 튜브를 원심 분리기.
  12. 상층 액을 버리고, 그 다음 두 개의 튜브 (튜브 당 1.5 mL)에 탈 H 2 O 3 ㎖의 총을 추가합니다. 탈 H 2 O에 펠렛을 재 분산하는 튜브를 초음파 처리
  13. 상기 테스트에 대한 최종 샘플을 얻기 위해 0.2 ㎛의 주사기 필터로 나노 입자의 수​​성 분산액 샘플을 필터링.

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결과

흡수 스펙트럼 및 광 발광 스펙트럼을 샘플 DAE-UCNP 수집 하였다. 흡수 스펙트럼은 폐쇄 디아 릴에 텐 발색단 및 상향 변환 된 나노 입자 사이의 스펙트럼 중첩을 비교하는 데 사용된다. 샘플 (TPP-UCNP 모두와 UCNP-DAE)의 사진은 또한 수성 상에 양친 매성 고분자 쉘 내에 위치되는 유기 염료 분자와 나노 입자를 상향 변환, 성공적으로 캡슐화를 보여주기 위해 포함되었다. 광화학 및 형광의 변조는 다른 ...

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토론

이 프로토콜에 따라 합성 된 나노 입자는 그들이 α-4 NaYF 호스트 격자 구조를 갖는 구형 입자로 분류 될 수 약 22.5 내지. (26, 27)를 중심으로 20 ~ 25 nm 내지 크기 분포를 갖는다. 이 프로토콜에서 두 가지 중요한 단계가 있습니다. UCNP 합성에서, 입자 크기의 분포가 좁은 보장하기 위해 가능한 한 정확한 가열 온도 및 시간을 유지하는 것이 중요하다. 잘 분산 된 크기와 양호한 형태의 ?...

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공개

The authors have nothing to disclose.

감사의 말

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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자료

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

참고문헌

  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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