Name: compact quantum dots for single-molecule imaging
Uploaded: 2012-10-09T12:00:00
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Gli autori desiderano ringraziare il Dr. Hong Yi presso la Emory University di Microscopia di base integrata per l&#39;imaging microscopia elettronica. Questo lavoro è stato sponsorizzato dal NIH (PN2EY018244, R01 CA108468, U54CA119338 e 1K99CA154006-01).

Le procedure di sintesi seguenti comporta standard di aria libere tecniche e l&#39;uso di un vuoto / collettore gas inerte; metodologia dettagliata può essere trovata in riferimenti 10 e 11. Scheda di sicurezza per tutte le sostanze potenzialmente tossiche e infiammabili deve essere consultata prima dell&#39;uso e composti tutti infiammabili e / o aria-labile deve essere frazionato in setto-fiale sigillate in un vano portaoggetti o borsa guanto. 1. Sintesi di seleniuro di cadmio mercurio (Hg ...

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	<li>Toprak, E., Selvin, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+fluorescent+tools+for+watching+nanometer-scale+conformational+changes+of+single+molecules.">New fluorescent tools for watching nanometer-scale conformational changes of single molecules.</a> Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 349-369 (2007).</li><li>Joo, C., Balci, H., Ishitsuka, Y., Buranachai, C., Ha, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+single+molecule+fluorescence+methods+for+molecular+biology.">Advances in single molecule fluorescence methods for molecular biology.</a> Annu. Rev. Biochem. 77, 51-76 (2008).</li><li>Pinaud, F., Clarke, S., Sittner, A., Dahan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+cellular+events,+one+quantum+dot+at+a+time.">Probing cellular events, one quantum dot at a time.</a> Nat. Method. 7, 275-285 (2010).</li><li>Smith, A. M., Wen, M. M., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+dynamic+cellular+events+with+quantum+dots.">Imaging dynamic cellular events with quantum dots.</a> Biochemist. 32, 12-17 (2010).</li><li>Smith, A. M., Duan, H. W., Mohs, A. M., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioconjugated+quantum+dots+for+in+vivo+molecular+and+cellular+imaging.">Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging.</a> Adv. Drug Deliv. Rev. 60, 1226-1240 (2008).</li><li>Smith, A. M., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Next-generation+quantum+dots.">Next-generation quantum dots.</a> Nature Biotech. 27, 732-733 (2009).</li><li>Groc, L., Lafourcade, M., Heine, M., Renner, M., Racine, V., Sibarita, J. -. B., Lounis, B., Choquet, D., Cognet, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+trafficking+of+neurotransmitter+receptor:+comparison+between+single-molecule/quantum+dot+strategies.">Single trafficking of neurotransmitter receptor: comparison between single-molecule/quantum dot strategies.</a> J. Neurosci. 27, 12433-12437 (2007).</li><li>Smith, A. M., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minimizing+the+hydrodynamic+size+of+quantum+dots+with+multifunctional+multidentate+polymer+ligands.">Minimizing the hydrodynamic size of quantum dots with multifunctional multidentate polymer ligands.</a> J. Am. Chem. Soc. 130, 11278-11279 (2008).</li><li>Smith, A. M., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bright+and+compact+alloyed+quantum+dots+with+broadly+tunable+near-infrared+absorption+and+fluorescence+spectra+through+mercury+cation+exchange.">Bright and compact alloyed quantum dots with broadly tunable near-infrared absorption and fluorescence spectra through mercury cation exchange.</a> J. Am. Chem. Soc. 133, 24-26 (2011).</li><li>Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , (1986).</li><li>Errington, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Advanced Practical Inorganic and Metalorganic Chemistry. , (1997).</li><li>Jasieniak, J., Smith, L., van Embden, J., Mulvaney, P., Califano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Re-examination+of+the+size-dependent+absorption+properties+of+CdSe+quantum+dots.">Re-examination of the size-dependent absorption properties of CdSe quantum dots.</a> J. Phys. Chem. C. 113, 19468-19474 (2009).</li><li>Leatherdale, C. A., Woo, W. K., Mikulec, F. V., Bawendi, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+absorption+cross+section+of+CdSe+nanocrystal+quantum+dots.">On the absorption cross section of CdSe nanocrystal quantum dots.</a> J. Phys. Chem. B. 106, 7619-7622 (2002).</li><li>Smith, A. M., Mohs, A. M., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+the+optical+and+electronic+properties+of+colloidal+nanocrystals+by+lattice+strain.">Tuning the optical and electronic properties of colloidal nanocrystals by lattice strain.</a> Nature Nanotech. 4, 56-63 (2009).</li><li>Demas, J. N., Crosby, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+measurement+of+photoluminescence+quantum+yields.+A+review.">The measurement of photoluminescence quantum yields. A review.</a> J. Phys. Chem. 75, 991-1024 (1971).</li><li>Van Embden, J., Jasieniak, J., Mulvaney, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+optical+properties+of+CdSe/CdS+heterostructure+nanocrystals:+the+effects+of+core+size+and+shell+thickness.">Mapping the optical properties of CdSe/CdS heterostructure nanocrystals: the effects of core size and shell thickness.</a> J. Am. Chem. Soc. 131, 14299-14309 (2009).</li><li>Smith, A. M., Duan, H. W., Rhyner, M. N., Ruan, G., Nie, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+systematic+examination+of+surface+coatings+on+the+optical+and+chemical+properties+of+semiconductor+quantum+dots.">A systematic examination of surface coatings on the optical and chemical properties of semiconductor quantum dots.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 8, 3895-3903 (2006).</li><li>Zhang, X., Mohandessi, S., Miller, L. W., Snee, P. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+functionalization+of+aqueous+CdSe/ZnS+nanocrystals+using+small-molecule+chemical+activators.">Efficient functionalization of aqueous CdSe/ZnS nanocrystals using small-molecule chemical activators.</a> Chem. Comm. 47, 3532-3534 (2011).</li><li>Bucio, L., Souza, V., Albores, A., Sierra, A., Chavez, E., Carabez, A., Guiterrez-Ruiz, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cadmium+and+mercury+toxicity+in+a+human+fetal+hepatic+cell+line+(WRL-68+cells).">Cadmium and mercury toxicity in a human fetal hepatic cell line (WRL-68 cells).</a> Toxicol. 102, 285-299 (1995).</li><li>Han, S. G., Castranova, V., Vallyathan, V. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+cytotoxicity+of+cadmium+and+mercury+in+a+human+bronchial+epithelial+cell+line+(BEAS-2B)+and+its+role+in+oxidative+stress+and+induction+of+heat+shock+protein+70.">Comparative cytotoxicity of cadmium and mercury in a human bronchial epithelial cell line (BEAS-2B) and its role in oxidative stress and induction of heat shock protein 70.</a> J. Toxicol. Environ. Health Part A. 70, 852-860 (2007).</li><li>Strubelt, O., Kremer, J., Tilse, A., Keogh, J., Pentz, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+studies+on+the+toxicity+of+mercury,+cadmium,+and+copper+toward+the+isolated+perfused+rat+liver.">Comparative studies on the toxicity of mercury, cadmium, and copper toward the isolated perfused rat liver.</a> J. Toxicol. Environ. Health Part A. 47, 267-283 (1996).</li></ol>

Rispetto ai tradizionali CdSe punti quantici, in lega ternaria Hg Cd x 1-x nanocristalli SE può essere sintonizzato per dimensioni e lunghezza d&#39;onda di fluorescenza in modo indipendente. La dimensione viene prima selezionata durante la sintesi di nanocristalli CdSe nuclei, e la lunghezza d&#39;onda di fluorescenza viene scelto in una fase secondaria di scambio cationico mercurio, che non alteri sostanzialmente le dimensioni nanocristallo 9. È importante permettere purificato Hg Cd x 1-x...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome del reagente </td><td> Azienda </td><td> Numero di catalogo </td><td> Commenti (opzionale) </td></tr><tr><td> Selenio </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229865 </td><td></td></tr><tr><td> Tri-n-octylphosphine </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> 97% puro, instabile in aria </td></tr><tr><td> Ossido di cadmio </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 202894 </td><td> Altamente tossico: l&#39;uso cautela </td></tr><tr><td> Tetradecylphosphonic acido </td><td> PCI Sintesi </td><td> 4671-75-4 </td><td></td></tr><tr><td> Octadecene </td><td> Alfa Aesar </td><td> L11004 </td><td> Grado tecnico </td></tr><tr><td> Esadecilammina </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> H7408 </td><td></td></tr><tr><td> Diphenylphosphine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 252964 </td&gt; <td> Piroforico </td></tr><tr><td> Mercurio acetato </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 456012 </td><td> Altamente tossico: l&#39;uso cautela </td></tr><tr><td> 1-Octanethiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471836 </td><td> Forte odore </td></tr><tr><td> Acido oleico </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> W281506 </td><td></td></tr><tr><td> Zinco acetato </td><td> Alfa Aesar </td><td> 35792 </td><td></td></tr><tr><td> Cadmio acetato idrato </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229490 </td><td> Altamente tossico: l&#39;uso cautela </td></tr><tr><td> Oleilammina </td><td> Fisher Scientific </td><td> AC12954 </td><td> Instabile in aria </td></tr><tr><td> Zolfo </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 344621 </td><td></td></tr><tr><td> Trioctylphosphine ossido </td><td> Strem </td><td> 15-6661 </td><td> 99% </td></tr><tr><td> Piridina </td><td> VWR </td><td> EM-PX2012-6 </td><td> Anidro </td></tr><tr><td> Tioglicerolo </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> M1753 </td><td> Forte odore </td></tr><tr><td> Trietilammina </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471283 </td><td> Anidro </td></tr><tr><td> Dialisi tubo </td><td> Spectrum Labs </td><td> 131342 </td><td> 20 kDa cutoff </td></tr><tr><td> Filtro centrifugo </td><td> Millipore </td><td> UFC801024 </td><td> 10 kDa di taglio </td></tr><tr><td> Monoamino-PEG </td><td> Rapp Polymere </td><td> 12 750-2 </td><td> 750 Da </td></tr><tr><td> DMTMM, 4 - (4,6-dimetossi-1 ,3,5-triazin-2-il)-4-idrato methylmorpholinium cloruro </td><td> Alfa Aesar </td><td> H26333 </td><td></td></tr><tr><td> AKTAprime Più Sistema per cromatografia </td><td> GE Healthcare </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Superose 6 10/300 GL cromatografia su colonna </td><td> GE Healthcare </td><td> 17-5172-01 </td><td></td></tr><tr><td> Agarosio, OmniPur </td><td> VWR </td><td> EM-2120 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Appendice Sintesi di mercurio octanethiolate: Aggiungere lentamente una soluzione di acetato di mercurio metanolo (1 eq.) Ad una soluzione sotto agitazione di 1-octanethiol (3 eq.) E idrossido di potassio (3 eq.) In metanolo a temperatura ambiente. Isolare il (II) octanethiolate mercurio precipitato mediante filtrazione, lavaggio due volte con metanolo e una volta con etere, e quindi asciugare sotto vuoto. Sintesi di multidentati polimero: Sciogliere acido poliacrilico (1 g, 1.773 Da) in 25 ml di dimetilformammide (DMF) in 150 ml pallone a tre colli e bolle con argon per 30 minuti. Aggiungere una soluzione anidra di cisteamina (374 mg, 4,87 mmol) in 10 ml di DMF. A temperatura ambiente sotto vigorosa agitazione, aggiungere lentamente diisopropilcarbodiimmide anidro (DIC, 736 mg, 5,83 mmol) in 30 min, seguito da trietilammina (170 pl, 1,22 mmol), e consentire la reazione per 72 ore a 60 ° C. Aggiungi mercaptoetanolo (501 mg, 6,41 mmol) per spegnere la reazione, e mescolare per 2 ore a temperatura ambiente. Rimuovere DMF tramite evaporazione rotante ed isolare il polimero con l&#39;aggiunta di una miscela 2:1 di acetone ghiacciato: cloroformio, seguito da centrifugazione. Sciogliere il polimero in ~ 5 ml di DMF anidra, filtro, nuovamente precipitato con etere dietilico, e ripetere. Asciugare il prodotto sotto vuoto e conservare sotto argon. Determinazione del diametro del nucleo CdSe: Dal UV-Vis spettro di assorbimento determinare la lunghezza d&#39;onda del primo eccitone picco (λ, in nm), che è la più lunga lunghezza d&#39;onda di picco (ad esempio circa 498 nm per CdSe in figura 2a), e utilizzare il dimensionamento curva di Mulvaney e collaboratori 12: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq1.jpg" alt= &quot;Equazione 1&quot; /&gt; Determinazione della concentrazione CdSe nanocristalli: Da un background-sottratto UV-Vis spettro di una soluzione otticamente trasparente di nanocristalli CdSe, determinare l&#39;assorbimento a 350 nm. Diluizioni seriali possono essere utilizzati per determinare se l&#39;assorbimento ottico è entro l&#39;intervallo lineare di legge di Beer. La concentrazione nanocristallo (QD, in M) può essere determinata inserendo il diametro nanocristallo (D, in nm), il valore di assorbimento ottico (A 3SA), e la lunghezza del percorso cuvetta (l, in cm) nell&#39;equazione seguente la correlazione empirica di Bawendi e collaboratori 13: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq2.jpg" alt="Equazione 2" /></td></tr></tbody></table>

compact quantum dots for single-molecule imaging

Singola molecola di imaging è uno strumento importante per la comprensione dei meccanismi di funzionamento biomolecolare e per visualizzare l&#39;eterogeneità spaziale e temporale dei comportamenti molecolari che sono alla base della biologia cellulare 1-4. Esporre una singola molecola di interesse, è tipicamente coniugato ad un tag fluorescente (colorante, proteine, perlina, o quantum dot) e osservato con epifluorescenza o totale riflessione interna fluorescenza (TIRF) microscopio. Mentre coloranti e proteine ​​fluorescenti sono state il pilastro di immagini a fluorescenza per decenni, la loro fluorescenza è instabile in alto fondenti fotoni necessari per osservare singole molecole, ottenendo solo pochi secondi di osservazione prima completa perdita di segnale. Perle di lattice e perline dye-etichettati fornire stabilità del segnale migliorata, ma a scapito della dimensione idrodinamica drasticamente più grande, che può alterare deleteria la diffusione e il comportamento della molecola in esame. S copi &quot;&gt; Punti quantici (QD) offrono un equilibrio tra questi due regimi problematici. Queste nanoparticelle sono composti da materiali semiconduttori e può essere costruito con un idrodinamico compatto con eccezionale resistenza alla fotodegradazione 5. Così, nel corso degli ultimi anni QD sono state fondamentali per consentire osservazione a lungo termine del comportamento complesso macromolecolare a livello di singola molecola. Tuttavia, queste particelle sono ancora stati trovati esporre diffusione ridotta in ambienti affollati molecolari come il citoplasma cellulare e la fessura sinaptica neuronale, in cui le loro dimensioni sono ancora troppo grandi 4,6 , 7. Recentemente abbiamo progettato i nuclei e rivestimenti per superfici di QD per ridurre al minimo dimensioni idrodinamico, mentre il bilanciamento offset per la stabilità colloidale, fotostabilità, luminosità, e vincolante non specifici che hanno impedito l&#39;utilità di QD compatti in passato 8,9. L&#39;obiettivo di questo articolo è quello di dimostrarela sintesi, la modifica e la caratterizzazione di questi nanocristalli ottimizzate, composto da una lega Hg Cd x 1-x Se nucleo rivestito con un isolante Zn Cd y 1-y shell S, ulteriormente rivestito con un legante polimerico multidentati modificato con polietilenglicole corta ( PEG) catene (Figura 1). Rispetto ai nanocristalli CdSe convenzionali, Hg Cd x 1-x leghe selenio offrire maggiori rese quantiche di fluorescenza, fluorescenza a lunghezze d&#39;onda rosse e nel vicino infrarosso per una maggiore rapporto segnale-rumore nelle cellule, e di eccitazione a lunghezze d&#39;onda visibili non citotossiche. Multidentati rivestimenti polimerici legarsi alla superficie nanocristallo in una conformazione chiusa e piana di minimizzare la dimensione idrodinamica, PEG e neutralizza la carica superficiale per ridurre il legame non specifico di cellule e biomolecole. Il risultato finale è un nanocristallo brillantemente fluorescente con emissione tra 550-800 nm e una dimensione idrodinamica totale vicino a 12 nm. Questo è in same gamma di dimensioni, come molte proteine ​​globulari solubili nelle cellule, e di dimensioni notevolmente inferiori rispetto ai tradizionali QD pegilato (25-35 nm).

La figura 2 mostra l&#39;assorbimento di rappresentanza e spettri di fluorescenza per nanocristalli CdSe Hg, Cd x 1-x nanocristalli di Se dopo di scambio cationico, Hg e Cd x 1-x Se / Zn Cd y 1-y S nanocristalli dopo la crescita della conchiglia. I nanocristalli CdSe nucleo ha una resa quantica di fluorescenza vicino a 15% (compreso lunghezza d&#39;onda di emissione deep-trap) ma questa efficienza scende a meno di 1% dopo mercurio scambio, probabilmente a causa di addebi...

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Si descrive la preparazione di punti quantici colloidali con minimizzata dimensione idrodinamica per singola molecola imaging di fluorescenza. Rispetto ai tradizionali punti quantici, queste nanoparticelle sono di dimensioni simili alle proteine ​​globulari e sono ottimizzati per singola molecola luminosità, stabilità contro la fotodegradazione, e resistenza al legame non specifico a proteine ​​e cellule.

Compact Quantum Dots per singola molecola Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

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