Um método 'Plug and Play' para criar Nanoassemblies dispersáveis ​​em água contendo um polímero anfifílicas, corantes orgânicos e Upconverting Nanopartículas

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Hoje ainda há uma necessidade urgente de desenvolver novos tipos de agentes de bio-imagem. Muitas novas sondas fluorescentes têm sido bem documentadas. ^1-6 No entanto, melhorias substanciais na resolução de imagem continua a ser um desafio. ⁷ Um método prático é para modular directamente as sondas de fluorescência entre um estado emissivo 'light' e um estado extinta 'dark'. ^12/08 Este método particular tem sido aplicado no desenvolvimento de tecnologias como o empobrecimento da emissão estimulada (STED) microscopia ¹³ e microscopia óptica reconstrução estocástico (STORM). ¹⁴

Outra abordagem para modular a fluorescência é acoplar cromóforos fotossensíveis juntamente com sondas fluorescentes. ^15,16 Alternando o cromóforo fotossensíveis entre dois isómeros em que apenas um dos isómeros pode actuar como um aceitador de transferência de energia eficiente, permite o controle sobre extinção da fluorescência do po dee sonda através de transferência Förster Ressonância Energia (FRET) e outros mecanismos. O resultado é a criação de um estado emissiva e extinguiu-se um estado que pode ser alternado por exposição do cromóforo fotossensíveis para diferentes comprimentos de onda de luz.

Cromóforos diarylethene fotossensíveis pode ser reversivelmente alternada entre um isómero de anel aberto incolor e um isómero de anel fechado de cor após irradiação com UV e luz visível ^17-19 A estabilidade térmica dos dois isómeros e os espectros de absorção sintonizável do anel fechado composição isómero. diarylethenes muito bons candidatos como FRET controlável aceitantes. nanopartículas ^20-23 Lanthanide dopado NaYF ₄ upconverting são úteis para bio-imagem. ²⁴ Estas nanopartículas absorvem a luz infravermelha próxima e emitem luz em várias regiões do espectro visível. Exemplos de modulação de fluorescência através da combinação de cromóforos diarylethene fotossensíveis e nanopartículas foram previamenteriormente relatado pelo nosso grupo. ^25-27 No entanto, os sistemas descritos em cada exemplo necessária uma modificação sintética adicional para unir as diarylethenes à superfície das nanopartículas, o que complica o desenvolvimento de sistemas mais diversos.

Aqui demonstramos um método simples "plug-and-play 'para preparar moléculas de corante orgânico dispersíveis em água e nanopartículas fotossensíveis upconverting usando uma estratégia de auto-montagem. A escolha dos polímeros; poli (anidrido maleico estireno-alt) e poliéter amina 2,070 fornecer um ambiente hidrofílico e hidrofóbico. As secções hidrófobas do polímero ajuda a manter as moléculas orgânicas insolúveis em água e normalmente nanopartículas upconverting juntos, enquanto que a região hidrófila do polímero é essencial para manter a solubilidade em água. Vamos primeiro demonstrar síntese das nanopartículas upconverting pelo método de nucleação térmica. Então, vamos provar how as moléculas orgânicas e nanopartículas upconverting são encapsulados dentro de regiões hidrofóbicas do invólucro de polímero e permanecem estáveis ​​em meio aquoso por simplesmente co-agitação de uma solução do nanopartículas upconverting, polímero e diferentes moléculas de corantes orgânicos, seguido por um procedimento de trabalho conveniente. Nós também demonstrar como para modular a emissão de fluorescência das montagens usando a irradiação de luz externa. Nós antecipamos o âmbito da utilização deste método 'plug-and-play "para fazer nanoassemblies dispersíveis em água continuará a se expandir.

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Protocolo

1. Síntese do ₄ NaYF / Yb ³⁺ / Er ³⁺ Upconverting Nanopartículas (UCNP)

1. Configure o aparelho como se segue:
   1. Coloque um manto de aquecimento 250 ml em uma placa de agitação regular e ligue o manto para o casal térmica.
   2. Coloque um bal de fundo redondo de 250 ml equipado com uma barra de agitação magnética para a manta de aquecimento com aperto apropriado.
   3. Conecte um adaptador de ar para o pescoço esquerdo do balão de fundo redondo e conectar esse adaptador de ar para a linha de Schlenk com tubos de plástico.
   4. Anexe um adaptador de vidro para o pescoço direito do balão de fundo redondo e fixar um adaptador de termômetro para o adaptador de vidro. Inserir a sonda de temperatura para o balão através do adaptador termômetro e ligue-a a par termoeléctrico.
   5. Anexar uma cabeça de destilação para o pescoço meio do frasco de fundo redondo. Coloque um bujão na parte superior da cabeça de destilação. Ligue a cabeça para um condensador, seguindo-se um vácuo distillatAdaptador de iões e um balão de fundo redondo de 50 ml. Conecte o adaptador de destilação a vácuo para um bubbler através de tubos de plástico.
2. Pesar 1,17 g (3,9 mmol) de acetato de ítrio, 0,439 g de acetato de itérbio e 0,0727 g (0,1 mmol) de acetato de érbio e colocá-los na reacção balão de fundo redondo.
3. Adicionar 30 ml de ácido oleico e 75 ml de octadeceno ao frasco utilizando uma proveta graduada.
4. Lavar o lado da reacção balão de fundo redondo utilizando 5 ml de metanol para se certificar de que não o ácido oleico e octadeceno está presa às paredes do balão de reacção.
5. Ligue o balão de reacção para uma linha de Schlenk colector duplo e transformar a válvula correspondente para manter o balão de reacção ligada à linha de azoto.
6. Ligue o termopar, ajustar a temperatura a 80 ° C, e gradualmente aquecer o sistema a esta temperatura. A 80 ° C e depois de todos os materiais de partida são dissolvidos, remover a manta de aquecimento e para permitir que a reacçãoarrefecer a 30 ° C.
7. Quando a temperatura chega a 30 ° C, tirar a cabeça de destilação, mude o adaptador de ar a partir do pescoço para a esquerda para o meio do pescoço e feche o pescoço esquerda com uma rolha. Lentamente introduzir vácuo ao balão de reacção, rodando a válvula na linha de Schlenk a partir da linha de azoto para a linha de vácuo. Todos os componentes de baixo ponto de ebulição irá ser puxado para fora a partir da reacção neste ponto.
8. Quando a solução deixar de borbulhar, elevar-se a temperatura para 115 ° C a uma velocidade de 5 ° C / min.
9. Uma vez que a temperatura atinge 115 ° C, manter esta temperatura durante 15 min, depois remover a manta de aquecimento e arrefecer a reacção a 50 ° C. Em seguida, alternar rapidamente a configuração de volta à forma original por recolocar a cabeça de destilação para o pescoço meio eo adaptador de ar para a cabeça esquerda.
10. Pesar 0,74 g (12,5 mmol) de NaOH e 0,50 g (20,0 mmol) _de NH 4 F, durante o processo de arrefecimento, e dissolvê-losem 50 ml de metanol por sonicação.
11. Após sonicação, verter a solução de reacção para o balão de fundo redondo e lavar as paredes do balão com 5 ml de MeOH.
12. Deixar a solução agitar a 50 ° C durante 30 min.
13. Aumentar a temperatura para 75 ° C para destilar o metanol.
14. Durante a destilação, esvaziar o balão de recolha quando necessário. Após a destilação é terminada, aquecer a reacção a 300 ° C sob protecção de azoto tão rápido quanto possível.
15. Uma vez que a temperatura atinge 300 ° C, manter esta temperatura durante 1 h. Se necessário, cobrir a configuração com folha de alumínio para ajudar a manter a temperatura. Em seguida, remover fonte de calor e deixar a reacção arrefecer até à temperatura ambiente.
16. Uma vez que é resfriado a temperatura ambiente, a solução uniformemente dividida em três tubos de centrifugação (50 ml tubos, cerca de 35 ml de solução por cada tubo), e encher o tubo para os 50 ml escala utilizando etanol anidro. Centrífuga tudo tele tubos a 3400 xg durante 15 min. Após centrifugação, as UCNPs deve ser observado no lado dos tubos como um precipitado branco.
17. Descartar o sobrenadante e redispersar os peletes UCNPs em hexanos (7,5 mL de hexanos por cada tubo), em seguida, encher o tubo com etanol para a escala de 50 ml. Tubos Centrifugar novamente a 3400 xg durante 15 min.
18. Uma vez que a centrifugação é completa, descartar o sobrenadante e redispersar os UCNPs sólidos em 30 ml de CHCl ₃ para utilização posterior.

2. Nanoassemblies Assembleia da água dispersíveis contendo orgânicos Dye Moléculas e Upconverting Nanopartículas

1. Dissolve-se 25 mg (0,0147 mmol) de poli (anidrido maleico estireno-alt) (PSMA) em 3 ml de _CHCI3 num frasco de cintilação equipado com uma barra de agitação magnética. Esta quantidade é uma quantidade otimizada após várias tentativas.
2. Adicionar 250 ul (47 mg / ml) da solução de estoque upconverting nanopartículas clorofórmio ao scintifrasco llation.
3. Tapar o frasco e colocá-lo na placa de agitação magnética, e agitou-se a solução à temperatura ambiente durante 2 h.
4. Pesar 160 mg (0,0773 mmol) de poliéter amina 2070, e dissolvê-lo em 1 ml de _CHCl3. Em seguida, adicionar esta solução ao frasco de cintilação numa porção, utilizando uma pipeta. A solução torna-se a amarelo pálido, indicando que a reacção de poliéter amina 2070 com os grupos anidrido no PSMA.
5. Continuar a agitar a solução durante a noite à temperatura ambiente.
6. Medir a quantidade adequada de moléculas de corante orgânico, em seguida, dispensam-lo dentro do frasco de cintilação numa porção, agita-se a solução resultante durante 1 hora.
   1. Para a amostra TPP-NP (nanoassembly contendo shell de polímero, tetrafenil porfirina e nanopartículas upconverting), diretamente adicionar 1 mg de tetrafenil porfirina para o frasco de cintilação. Para a amostra DAE-UCNP (nanoassembly contendo casca de polímeros, moléculas diarylethene e upconverting nanopartículas), a quantidade de cada uma das moléculas diarylethene é 2 x 10 ^-7 mol. Adicionar as duas moléculas diarylethene dentro da solução reaccional. Os volumes para as duas moléculas são diarylethene: DAE-1o (1,8 mM), 111 ul e DAE-2o (1,6 mM), 125 ul.
7. Remover o solvente _CHCI3 sob pressão reduzida utilizando um evaporador rotativo, em seguida, adicionar 3 ml de 0,001 M de NaOH aquoso (pH ≈ 11) para o frasco de cintilação, em seguida, sonicar o frasco até uma suspensão leitosa é formado.
8. Colocar o frasco de volta no evaporador rotativo, e cuidadosamente remover o restante _CHCI3 até que a suspensão se transformou a uma solução clara.
9. Transferir a solução do frasco de cintilação para tubos de centrifugação cónicos de 1,5 ml dois, depois centrifugar a solução a 20.600 xg durante 25 min.
10. Rejeitar o sobrenadante, adicionar em seguida um total de 3 ml de _H2O desionizada para os dois tubos (1,5 ml por tubo), sonicar os tubos para redispersar os peletesno desionizada H ₂ O.
11. Centrifugar os dois tubos novamente em 20.600 xg durante 25 min.
12. Rejeitar o sobrenadante, adicionar em seguida um total de 3 ml de _H2O desionizada para os dois tubos (1,5 ml por tubo). Sonicar os tubos para redispersar os peletes no desionizada H _{2 O.}
13. Filtrar a amostra dispersão aquosa de nanopartículas através de um filtro de seringa de 0,2 | iM para se obter a amostra final para mais testes.

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Resultados

Espectros de absorção e espectros de fotoluminescência foram coletadas para amostra DAE-UCNP. Os espectros de absorção são usados ​​para comparar a sobreposição espectral entre os cromóforos diarylethene fechadas e as nanopartículas upconverting. As fotografias das amostras (tanto TPP-UCNP e DAE-UCNP) também foram incluídos para demonstrar a encapsulação bem sucedida das moléculas de corante e nanopartículas upconverting orgânicos, que estão localizados dentro das conchas polímero anfifílico na f...

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Discussão

As nanopartículas sintetizado de acordo com este protocolo tem uma distribuição de tamanho de 20 a 25 nm centrada em torno de 22,5 ^26,27 nm. Eles podem ser classificados como partículas esféricas com uma estrutura de rede ₄ de acolhimento α-NaYF. Existem dois passos críticos neste protocolo. Na síntese UCNP, é crucial para manter a temperatura de aquecimento e tempo tão preciso quanto possível para assegurar uma distribuição estreita de tamanho de partícula. A adição simultânea de ...

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Materiais

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