Метод «подключи и работай», чтобы создать воду диспергируемые Nanoassemblies Содержит амфифильным полимер, органических красителей и преобразования вверх наночастиц

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Сегодня есть все еще существует необходимость в разработке новых видов био-изображений агентов. Многие новые флуоресцентные зонды были хорошо документированы. ^1-6 Однако, существенные улучшения в разрешении изображения остается проблемой. ⁷ Одним из практических метод непосредственно модулировать флуоресценции зондов между «легкого» эмиссионного государства и «темной» закаленном состоянии. ^8-12 Данный метод был применен для разработки таких технологий, как вынужденного излучения истощения (STED) микроскопия ^{13 и} стохастический микроскопия оптическая реконструкция (ШТОРМ). ¹⁴

Другой подход к модуляции флуоресценции для соединения фоточувствительных хромофоров с флуоресцентных зондов. ^15,16 переключением фоточувствительных хромофор между двух изомеров, где только один из изомеров может выступать в качестве эффективного переноса энергии акцептора, позволяет контролировать гашение флуоресценции йе зонд через Ферстер резонанс переноса энергии (FRET) и других механизмов. Результатом является создание эмиссионного состоянии после закалки и утверждают, что можно чередовать с воздействием на фоточувствительных хромофора на различные длины волн света.

Фоточувствительных diarylethene хромофоры могут быть обратимо переключаться между бесцветного кольцевой открытый изомера и цветной кольцевой замкнутый изомера при облучении УФ и видимого света. ^17-19 термическая стабильность двух изомеров и спектров поглощения перестраиваемого кольцевого-изомера закрыт марки диарилэтенов очень хорошие кандидатов, управляемый FRET акцепторов. наночастицы ^20-23 лантанидов, легированных NaYF ₄ преобразования вверх полезны для био-изображений. ²⁴ Эти наночастицы поглощают почти инфракрасный свет и излучать свет в ряде регионов видимого спектра. Примеры флуоресценции модуляции путем объединения фоточувствительных diarylethene хромофоры и наночастиц были предварительноviously сообщалось нашей группой. ^25-27 Однако системы, описанные в каждом примере требуется дополнительный синтетический модификации приложить диарилэтенов к поверхности наночастиц, что затрудняет разработку более разнообразных системах.

В этом мы демонстрируем простой способ "подключи и работай», чтобы подготовиться молекул органических красителей вододиспергируемые и фоточувствительных наночастиц преобразования вверх, используя стратегию самосборки. Выбор полимеров; поли (стирол -maleic ангидрид альт) и полиэфир амина 2070 обеспечить как гидрофобные и гидрофильные среды. Гидрофобные участки полимерной помощью удерживать обычно нерастворимые в воде органические молекулы и наночастицы преобразования вверх вместе, в то время как гидрофильный участок полимера является критическим для поддержания растворимости в воде. Сначала мы демонстрируют синтез наночастиц преобразования вверх по методу термического нуклеации. Затем мы докажем, хоW органические молекулы и наночастицы преобразования вверх инкапсулируются в гидрофобных областей полимерной оболочки, и остаются стабильными в водной среде, просто совместно перемешивании раствор наночастиц преобразования вверх, полимера и различных молекул органических красителей, а затем удобном процедуры обработки. Мы также продемонстрируем, как модулировать излучение флуоресценции узлов с использованием внешнего излучения света. Мы ожидаем, сферу применения этого метода "подключи и работай», чтобы вододиспергируемые nanoassemblies будет продолжать расширяться.

протокол

1. Синтез NaYF _{4 /} Yb ³⁺ / Э ³⁺ преобразования вверх наночастиц (UCNP)

1. Настройте аппарат, как следует:
   1. Поместите 250 мл колбонагревателя на регулярной перемешивания пластины и подключите мантию на термопары.
   2. Поместите 250 мл круглодонную колбу, снабженную магнитной мешалкой на нагревательной рубашкой с надлежащей зажима.
   3. Приложить адаптер воздуха в левую горловину круглодонную колбу и соединить этот воздушный адаптер к линии Шленка с пластиковой трубки.
   4. Приложить стекло адаптер к правой шейки круглодонную колбу и закрепить переходник термометр на стеклянную адаптера. Вставьте датчик температуры в колбу через адаптер термометром и подключить это в термопары.
   5. Приложить дистилляционной насадкой к среднему шейки круглодонную колбу. Поместите пробку в верхней части дистилляционной насадкой. Подключите голову в конденсатор, а затем с помощью вакуумного distillatионная адаптер и 50 мл круглодонную колбу. Подключите адаптер вакуумной перегонки в барботер через пластиковую трубку.
2. Взвесьте 1,17 г (3,9 ммоль) ацетата иттрия, 0,439 г ацетата иттербия и 0.0727 г (0,1 ммоль) ацетата эрбия и поместить их в реакции с круглым дном колбу.
3. Добавить 30 мл олеиновой кислоты и 75 мл октадецена в колбу с помощью градуированный цилиндр.
4. Промыть сторону реакции круглодонную колбу с помощью 5 мл метанола, чтобы убедиться, что ни олеиновой кислоты и октадецен не прилипает к сторонам в реакционную колбу.
5. Подключите реакционную колбу с двойной линией Шленка коллектор и поверните соответствующий клапан, чтобы сохранить реакционную колбу, подключенного к линии азота.
6. Включите термопарой, установить температуру до 80 ° С, постепенно нагрева и системы до этой температуры. При 80 ° С и после все исходные материалы растворяются, удалить колбонагревателя и оставляют реакционнуюостыть до 30 ° С.
7. Когда температура достигает 30 ° C, снять дистилляции голову, включите адаптер воздуха с левой шеи до средней шею и закрыть левую шею с пробкой. Медленно ввести вакуум в реакционную колбу, повернув клапан на линии Шленка от линии азота к вакуумной линии. Все низкокипящих компонентов будут выведены из реакционной в этой точке.
8. Когда раствор останавливает барботажа, поднимите температуру до 115 ° С в со скоростью 5 ° С / мин.
9. Как только температура достигает 115 ° C, поддерживать эту температуру в течение 15 мин, затем удалить колбонагревателя и охладить реакцию на 50 ° C. После быстрого переключения настроенный обратно в первоначальном виде по реплантации перегонки голову к средней шее и адаптером воздуха в левой головки.
10. Взвесить 0,74 г (12,5 ммоль) NaOH и 0,50 г (20,0 ммоль) _NH 4 F в процессе охлаждения и растворить ихв 50 мл метанола с помощью ультразвука.
11. После обработки ультразвуком, заливают раствор в реакции круглодонную колбу и ополаскивают стенки колбы с 5 мл метанола.
12. Оставьте полученному раствору при перемешивании при 50 ° С в течение 30 мин.
13. Повышение температуры до 75 ° С, чтобы отогнать метанол.
14. В ходе перегонки опорожнить сбора колбу при необходимости. После перегонки закончена, нагревают реакционную смесь до 300 ° С под защитой азота как можно быстрее.
15. Как только температура достигает 300 ° С, поддержание этой температуры в течение 1 часа. При необходимости, покрыть установку с алюминиевой фольгой, чтобы помочь сохранить температуру. Затем снимите источник тепла и позволяют реакции остыть до комнатной температуры.
16. После того, как охлаждают до комнатной температуры, разделить раствор равномерно на три центрифужные пробирки (50 мл пробирки, примерно 35 мл раствора на каждую пробирку) и доливают трубку с 50 мл масштабе с использованием безводного этанола. Центрифуга все тон трубок в 3400 мкг в течение 15 мин. После центрифугирования UCNPs следует соблюдать на стороне трубок в виде белого осадка.
17. Удалите супернатант и редиспергируются гранул UCNPs в гексане (7,5 мл гексана в каждую пробирку), то пополнить трубку с этанолом в масштабе 50 мл. Центрифуга трубки снова 3400 мкг в течение 15 мин.
18. После центрифугирования завершена, отбросить супернатант и диспергировать твердые UCNPs в 30 мл _CHCl 3 для дальнейшего использования.

2. Ассамблея вододиспергируемых Nanoassemblies содержащие органические молекулы красителей и преобразования вверх наночастиц

1. Растворите 25 мг (0,0147 ммоль) поли (стирол--maleic ангидрида ALT) (PSMA) в 3 мл _CHCl 3 в сцинтилляционный флакон, снабженный магнитной мешалкой. Эта величина представляет собой оптимизированный количество после нескольких испытаний.
2. Добавить 250 мкл (47 мг / мл) в хлороформе преобразования вверх наночастиц исходного раствора в scintillation флакон.
3. Крышка флакона и поместить его на магнитной перемешивающей пластине, и размешайте раствор при комнатной температуре в течение 2 ч.
4. Взвешивают 160 мг (0,0773 ммоль) амина полиэфира 2070, и растворить его в 1 мл _CHCl 3. Затем добавить этот раствор в сцинтилляционный флакон в виде одной порции с помощью пипетки. Решение превратится в бледно-желтый с указанием реакцию полиэфира амина 2070 с ангидридных групп на СМГП.
5. Продолжать перемешивать раствор в течение ночи при комнатной температуре.
6. Мера соответствующее количество молекул органических красителей, то обойтись его в сцинтилляционный флакон в виде одной порции, перемешивают полученный раствор в течение 1 часа.
   1. Для образца ТЭЦ-НП (наносборки содержащий полимерную оболочку, тетрафенилбората порфирина и наночастиц преобразования вверх), непосредственно добавить 1 мг тетрафенилбората порфирина в сцинтилляционный флакон. Для образца DAE-UCNP (наносборки содержащий полимерную оболочку, молекулы diarylethene и преобразования вверх наночастицы), количество каждого diarylethene молекул 2 × 10 ^-7 моль. Добавить два diarylethene молекул в реакционном растворе. Объемы для двух diarylethene молекул: DAE-1O (1,8 мм), 111 мкл и DAE-2O (1,6 мм), 125 мкл.
7. Извлеките _CHCl 3 растворителя при пониженном давлении с использованием роторного испарителя, а затем добавить 3 мл 0,001 М водного NaOH (рН ≈ 11) в сцинтилляционный флакон, а затем разрушать ультразвуком флакон до молочно суспензии не образуется.
8. Поместите флакон обратно на роторном испарителе, и осторожно удалите оставшиеся CHCl ₃ до суспензия не превратился в прозрачный раствор.
9. Передача раствора из флакона сцинтилляционного два 1,5 мл конических центрифужных пробирках, а затем центрифугируют при 20600 решение мкг в течение 25 мин.
10. Жидкость над осадком сливают, а затем добавить в общей сложности 3 мл деионизированной H _{2 O} в две пробирки (1,5 мл на пробирку), разрушать ультразвуком трубы, чтобы диспергировать гранулыв деионизированной _H 2 O.
11. Центрифуга две трубы снова в 20,600 мкг в течение 25 мин.
12. Жидкость над осадком сливают, а затем добавить в общей сложности 3 мл деионизированной _H 2 O в две пробирки (1,5 мл на пробирку). Разрушать ультразвуком трубы, чтобы диспергировать гранулы в деионизированной _H 2 O.
13. Фильтр водной дисперсии наночастиц образец через шприцевой фильтр 0,2 мкм для получения конечного образца для дальнейшего тестирования.

Результаты

Спектры поглощения и фотолюминесценции были собраны пробы DAE-UCNP. Спектры поглощения используются для сравнения спектральной перекрытие между закрытыми diarylethene хромофоров и наночастиц преобразования вверх. Фотографии образцов (как ТЭС-UCNP и DAE-UCNP) были также включены, чтобы продемонстри...

Обсуждение

Наночастицы, синтезированные в соответствии с этим протоколом, имеют распределение размера от 20 до 25 нм с центром в нм. Вокруг 22.5 ^26,27 Они могут быть классифицированы как сферических частиц с α-NaYF структуры решетки ₄ узла. Есть два важных шагов в этом протоколе. При синтезе UCNP, ?...

Материалы

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