JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Bugün biyo-görüntüleme ajanları yeni türleri geliştirmek için acil ihtiyaç duyulmaktadır. Birçok roman floresan probları iyi belgelenmiştir. 1-6 Ancak, görüntü çözünürlüğü önemli gelişmeler bir sorun olmaya devam etmektedir. 7 Tek pratik yöntem, doğrudan bir 'hafif' yayan devlet ve 'karanlık' söndürüldü devlet arasındaki floresan probları modüle etmektir. 8-12 Bu özel yöntem, uyarılmış emisyon tükenmesi gibi teknolojileri geliştirmek için uygulanmıştır (STED) mikroskopi 13 ve stokastik optik rekonstrüksiyon mikroskobu (FIRTINA). 14

Floresan modüle için başka bir yaklaşım, floresan probları ile birlikte bir çift ışığa cevap kromoforlar etmektir. 15,16 izomerlerden sadece birisinin etkin bir enerji aktarma alıcısı olarak hareket edebilen iki izomer arasındaki ışığa cevap kromofor geçiş yapılması, th flüoresanının söndürülmesi üzerinde kontrole olanak sağlamaktadırFörster Rezonans Enerji Transferi (FRET) ve diğer mekanizmalar aracılığıyla e prob. Sonuç bir emisyonlu devleti oluşturma ve ışığın farklı dalga boylarında ışığa cevap kromoforun maruz kalarak dönüşümlü edilebilir söndürüldü devlettir.

Işığa diarylethene kromoforlar tersine çevrilebilir renksiz halka açık izomeri ve UV ve görünür ışık ile ışınlama üzerine renkli halka kapalı izomeri arasında geçiş yapılabilir. 17-19 halka kapalı izomer make iki izomer ve ayarlanabilir emme spektrumları termal stabilitesi diarylethenes çok iyi aday kontrol FRET alıcıları olarak. 20-23 lantanid katkılı NaYF 4 upconverting nanopartiküller biyo-görüntüleme için faydalıdır. 24 Bu nanopartiküller yakın kızılötesi ışık emer ve görünür spektrum çeşitli bölgelerinde ışık yayar. Işığa cevap diarylethene kromoforları ve nano-parçacıkları birleştirerek floresans modülasyon örnekleri önceden edilmiştirbir önce grubumuz tarafından rapor edilmiştir. 25-27 Bununla birlikte, her örnek için tarif sistemler daha çeşitli sistemlerin geliştirilmesini zorlaştırmaktadır nanopartiküllerin yüzeyine diarylethenes takmak için bir ek sentetik modifikasyon gerekli.

Bu yazıda kendi kendine montaj stratejisi kullanılarak suda dağılabilir organik boya molekülleri ve ışığa cevap upconverting nanopartiküller hazırlamak için basit bir 'tak-çalıştır' yöntemini göstermektedir. Polimerlerin seçimi; 2070 amin poli (stiren-alt -maleik anhidrid) ve polieter hidrofobik ve hidrofilik bir ortam hem de sağlar. Polimerin hidrofilik bölgesi suda çözünürlüğe muhafaza edilmesi için önemli ise, polimer yardımıyla hidrofobik bölümler, birbirine normal suda çözünür olmayan organik moleküller ve upconverting nanopartikülleri tutun. Biz ilk termal çekirdeklenme yöntemiyle upconverting nanopartiküllerin sentezi gösterecektir. Sonra, biz ho ispat edecektirOrganik moleküller ve upconverting nanopartiküller polimer kabuk hidrofobik bölgeler içinde kapsüllenmiş ve basit uygun bir çalışma prosedüreüne ardından upconverting nanopartiküller, polimer ve farklı organik boya molekülleri ihtiva eden bir çözelti, co-karıştırılarak sulu ortam içinde sabit kalması w. Biz de dış ışık ışıması kullanılarak meclislerinin floresan emisyonunu modüle nasıl gösterilmektedir. Biz suda dağılabilir nanoassemblies genişletmeye devam edeceğiz yapmak için bu 'tak-çalıştır' yöntemini kullanarak kapsamını tahmin.

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

Protokol

NaYF 4 / Yb 3+ / Er 3+ upconverting Nanopartiküller (UCNP) 1. sentezi

  1. Olarak takip cihazı ayarlayın:
    1. Düzenli karıştırma plaka üzerinde 250 ml'lik bir ısıtma manto yerleştirin ve termal çift üzerine manto takın.
    2. Uygun olarak tespit ısıtma mantosu üzerine bir manyetik karıştırma çubuğu ile donatılmış bir 250 ml'lik yuvarlak tabanlı bir şişeye koyun.
    3. Yuvarlak dipli sol boyun hava adaptörünü ve plastik boru ile savurma hattına bu hava adaptörünü bağlayın.
    4. Yuvarlak dipli sağ boyun cam adaptörünü ve cam adaptör üzerine bir termometre adaptörünü sabitleyin. Termometre adaptörü ile balona sıcaklık probu yerleştirin ve termokupl içine bu takın.
    5. Yuvarlak tabanlı şişenin orta boynunun bir damıtma kafası takın. Damıtma kafası üzerine bir stoper yerleştirin. Bir vakum distillat ardından bir kondansatör kafa bağlayınİyon adaptörü ve 50 ml'lik yuvarlak tabanlı bir şişeye. Plastik boru aracılığıyla kabarcık Vakum damıtma adaptörünü bağlayın.
  2. Itriyum asetat 1.17 g (3.9 mmol), iterbiyum asetat 0.439 g ve erbiyum asetat 0,0727 g (0.1 mmol) tartılır ve yuvarlak dipli bir deney kabına reaksiyona koyun.
  3. Oleik asit 30 ml ve bir dereceli silindir kullanarak şişeye -oktadesene 75 ml ekleyin.
  4. 5 ml metanol herhangi bir oleik asit, ve oktadesen reaksiyon şişesine kenarlarına yapışmış olduğundan emin olmak için, kullanılarak yuvarlak tabanlı reaksiyonun yan durulayın.
  5. Çift manifoldu Schlenk hattına tepki şişeyi bağlayın ve azot hattına bağlı reaksiyon şişesi tutmak için gelen vanayı çevirin.
  6. , Termokupl açın 80 ° C sıcaklığı ayarlamak ve yavaş yavaş, bu sıcaklıkta, sistemi ısıtın. Tüm başlangıç ​​materyalleri eritilir sonra 80 ° C'de ve, ısıtma gömleğinin kaldırmak ve reaksiyona olanak vermek30 ° C'ye kadar soğutun.
  7. Sıcaklık 30 ° C'ye ulaştığında, damıtma kafasını çıkarmak orta boyun sol boyun hava adaptörünü geçiş ve bir tıpa ile sol boyun kapatmaktadır. Yavaşça vakum hattına azot hattından savurma hattında vana çevirerek reaksiyon balonuna vakum tanıtmak. Düşük kaynama noktalı bileşenlerin tümü, bu noktada reaksiyondan üzerinden çekilir.
  8. Çözelti köpüren durduğunda, 5 ° C / dk bir hızda, 115 ° C sıcaklık yükseltmek.
  9. Sıcaklık 115 ° C'ye ulaştığında, 15 dakika boyunca bu sıcaklıkta muhafaza daha sonra ısıtma mantosu çıkarın ve 50 ° C'de reaksiyonun soğuması. Daha sonra, hızlı bir şekilde orta boyun ve sol baş hava adaptörü damıtma kafa reattaching geri orijinal formuna kurmak geçin.
  10. Soğutma işlemi sırasında NaOH 0.74 g (12.5 mmol) ve NH4 F 0.50 g (20.0 mmol) tartılır ve bunları çözmeksonikasyon ile metanol içinde 50 ml.
  11. Sonikasyon sonrasında, yuvarlak tabanlı reaksiyona girerek çözelti dökün ve 5 ml MeOH ile Şişenin yanlarının yıkayın.
  12. 30 dakika boyunca 50 ° C de karıştırılarak çözelti bırakın.
  13. Metanol damıtmak için 75 ° C sıcaklık artırır.
  14. Gerektiğinde damıtma sırasında, toplama şişesi boşaltın. Damıtma işlemi bittikten sonra, mümkün olduğunca hızlı azot koruması altında 300 ° C'ye tepki ısınır.
  15. Sıcaklık 300 ° C'ye ulaştığında, 1 saat boyunca bu sıcaklıkta muhafaza. Gerekirse, sıcaklık korumaya yardımcı olmak için alüminyum folyo ile setup kapsamaktadır. Daha sonra ısı kaynağı çıkarın ve reaksiyon, oda sıcaklığına kadar soğumaya bırakın.
  16. Bu sırada oda sıcaklığına kadar soğutuldu sonra üç santrifüj tüpleri (50 mi borular, her bir tüp başına yaklaşık 35 ml solüsyon) içinde eşit bir şekilde çözelti ayrıldı ve 50 ml üst borusunu, susuz etanol kullanılarak ölçek. Santrifüj tüm tO 15 dakika 3400 xg'de borular. Santrifüj işleminden sonra, beyaz bir çökelti UCNPs tüplerin tarafında gözlenmelidir.
  17. Süpernatant atılır ve heksan (her tüp için heksan 7.5 ml) 'de UCNPs pelet yeniden disperse, daha sonra 50 ml ölçekli etanol ile tüp doldurun. Santrifüj tüpleri tekrar 15 dakika 3400 xg'de.
  18. Santrifüj işlemi tamamlandıktan sonra, süpernatan atılır ve daha sonra kullanılmak üzere CHCI3 30 ml bir katı UCNPs yeniden disperse.

Organik boya molekülünü ve upconverting Nanopartiküller İçeren 2. Montaj suda dağılabilir Nanoassemblies

  1. Bir manyetik karıştırma çubuğu ile donatılmış bir ışıldama şişesine boşaltıldı CHCI3 3 ml poli (stiren-alt -maleik anhidrid), 25 mg (0,0147 mmol), (PSMA) içinde çözülür. Bu miktar birden denemeden sonra optimize edilmiş miktardır.
  2. Upconverting 250 ul (47 mg / ml) ilave edilir taraması yapmak üzere kloroform stok solüsyonu nanopartiküllerillation şişe.
  3. Kapatılır ve manyetik bir karıştırma levhasının üzerine yerleştirin ve 2 saat boyunca oda sıcaklığında çözelti karıştırılır.
  4. 2070 amin polieter 160 mg (0,0773 mmol) tartılır ve CHCI3 1 ml içinde çözülür. Daha sonra, bir pipet kullanılarak, bir kısım halinde sintilasyon şişesine, bu çözüm ekleyin. Çözelti PSMA üzerinde anhidrit grupları ile 2070 amin polieter tepkisini gösteren sarı soluk dönecek.
  5. Gece boyunca oda sıcaklığında çözelti karıştırılmaya devam edin.
  6. 1 saat süre ile karıştırıldı, elde edilen çözeltinin, daha sonra organik boya moleküllerinin uygun miktarda ölçün bir kısım halinde sintilasyon şişesine içine dağıtın.
    1. Örnek TPP-NP (nanoassembly polimer kabuk, tetrafenil porfirin ve upconverting nanopartikülleri içeren) için, doğrudan olarak ışıldama şişesine tetrafenil porfirinin 1 mg ekleyin. Örnek DAE-UCNP (nanoassembly için polimer kabuk, diarylethene molekülleri ve upconverting nanoparçacık içerens), her bir diarylethene moleküllerinin miktarı 2 x 10 -7 mol. Reaksiyon çözeltisi içine, iki diarylethene molekülleri ekleyin. İki diarylethene moleküller için hacimleri: DAE-1o (1.8 mM), 111 ul ve DAE-2O (1.6 mM), 125 ul.
  7. Bir döner buharlaştırıcı kullanılarak indirgenmiş basınç altında çözücüyü çıkarın CHCI3, sonra sütümsü süspansiyon meydana getirilinceye kadar, sonra flakon sonikasyon, sintilasyon şişesine 3 mL (11 pH ≈) M sulu NaOH 0,001 ekleyin.
  8. Geri dönüşlü buharlaştırıcı ile şişe yerleştirin ve süspansiyon daha berrak bir solüsyona dönüştü kadar dikkatlice geri kalan CHCl3 çıkarın.
  9. Daha sonra 25 dakika boyunca 20.600 xg'de çözüm santrifüj, iki adet 1,5 ml'lik konik santrifüj tüplerine sintilasyon şişeden çözüm aktarın.
  10. Süpernatant atılır, daha sonra, iki tüp (tüp başına 1,5 mi) içine deiyonize H2O 3 ml toplam eklemek peletler yeniden dağıtmak için tüpler sonikasyondeiyonize H 2 O.
  11. 25 dakika boyunca 20.600 x g hızında tekrar santrifüj iki boruyu.
  12. Süpernatant atılır, daha sonra iki tüp (tüp başına 1.5 mi) içinde deiyonize H2O 3 ml toplam ekleyin. Deiyonize H2O pelet yeniden dağıtmak için tüpler sonikasyon
  13. Ileri testler için son örneği elde etmek için bir 0.2 mikron bir şırınga filtreden geçirilmiştir sulu bir dispersiyon örneği nanopartiküller filtre.

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

Sonuçlar

Absorpsiyon spektrumları ve fotoluminesans spektrumları numune DAE-UCNP için toplanmıştır. Emme spektrumları kapalı diarylethene kromoforlar ve upconverting nano-tanecikleri arasındaki spektral örtüşme karşılaştırılması için kullanılır. Örneklerde (TPP-UCNP hem de DAE-UCNP) fotoğrafları, sulu faz içinde amfifilik polimer kabukları içinde bulunan organik boya molekülleri ile upconverting nanopartiküller, başarılı bir şekilde kapsülleme göstermek için dahil edilmiştir. Fotokimyada ve f...

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

Tartışmalar

Bu protokole uygun olarak sentez nanopartiküller Bir α-NaYF 4 ev sahibi kafes yapısı ile küresel parçacıklar olarak sınıflandırılabilir yaklaşık 22,5 nm. 26,27 merkezli 20 25 nm arasında bir boyut dağılımına sahiptir. Bu protokolde iki kritik adımlar vardır. UCNP sentezinde, bu parçacık boyutunun dar bir dağılımı sağlamak için mümkün olduğu kadar kesin bir ısıtma sıcaklığı ve zamanı sağlamak için çok önemlidir. Iyi dağıtılmış boyut ve iyi bir morfoloji...

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

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Teşekkürler

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.

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

Malzemeler

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

Referanslar

  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).

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

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

KimyaSay 105suda da l rtak ve al t rupconverting nanopar ac kdiaryletheneporfirin

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır