Name: compact quantum dots for single-molecule imaging
Uploaded: 2012-10-09T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging at JoVE.com

Авторы хотели бы поблагодарить д-ра Hong Yi в Университете Эмори Основные микроскопии для визуализации комплексной электронной микроскопии. Эта работа была организована NIH гранты (PN2EY018244, R01 CA108468, U54CA119338, и 1K99CA154006-01).

Следующие процедуры синтеза включает стандартные воздуха без техники и использования вакуума / инертной газовой трубе; подробной методологии можно найти в ссылках 10 и 11. Бюллетени для всех потенциально токсичных и легковоспламеняющихся веществ необходимо проконсультироваться с исп?...

<ol>
	<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>

По сравнению с обычными CdSe квантовых точек, тройной сплав ртути х Cd 1-X SE нанокристаллы могут быть настроены по размеру и длине волны флуоресценции самостоятельно. Размер первой выбранной в процессе синтеза нанокристаллов CdSe ядра, а длина волны флуоресценции выбран вторично...

<table border="1"><tbody><tr><td> Название реагента </td><td> Компания </td><td> Номер в каталоге </td><td> Комментарии (по желанию) </td></tr><tr><td> Селен </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229865 </td><td></td></tr><tr><td> Tri-н-octylphosphine </td><td> Стрем </td><td> 15-6655 </td><td> 97% чистого, неустойчивы в воздухе </td></tr><tr><td> Кадмий оксид </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 202894 </td><td> Очень токсично: Соблюдайте осторожность </td></tr><tr><td> Tetradecylphosphonic кислоты </td><td> PCI синтеза </td><td> 4671-75-4 </td><td></td></tr><tr><td> Октадецена </td><td> Alfa Aesar </td><td> L11004 </td><td> Технический сорт </td></tr><tr><td> Гексадециламин </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> H7408 </td><td></td></tr><tr><td> Дифенилфосфина </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 252964 </td&gt; <td> Пирофорный </td></tr><tr><td> Mercury ацетат </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 456012 </td><td> Очень токсично: Соблюдайте осторожность </td></tr><tr><td> 1-Octanethiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471836 </td><td> Сильный запах </td></tr><tr><td> Олеиновая кислота </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> W281506 </td><td></td></tr><tr><td> Цинк ацетат </td><td> Alfa Aesar </td><td> 35792 </td><td></td></tr><tr><td> Кадмий ацетат гидрат </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229490 </td><td> Очень токсично: Соблюдайте осторожность </td></tr><tr><td> Олеиламин </td><td> Fisher Scientific </td><td> AC12954 </td><td> Нестабильность в воздухе </td></tr><tr><td> Сера </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 344621 </td><td></td></tr><tr><td> Trioctylphosphine оксид </td><td> Стрем </td><td> 15-6661 </td><td> 99% </td></tr><tr><td> Пиридин </td><td> VWR </td><td> EM-PX2012-6 </td><td> Безводный </td></tr><tr><td> Тиоглицерин </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> M1753 </td><td> Сильный запах </td></tr><tr><td> Триэтиламин </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471283 </td><td> Безводный </td></tr><tr><td> Диализа </td><td> Спектр Labs </td><td> 131342 </td><td> 20 кДа отсечка </td></tr><tr><td> Центробежный фильтр </td><td> Millipore </td><td> UFC801024 </td><td> 10 кДа отсечка </td></tr><tr><td> Monoamino-PEG </td><td> Rapp полимеры </td><td> 12 750-2 </td><td> 750 Da </td></tr><tr><td> DMTMM, 4 - (4,6-диметокси-1 ,3,5-триазин-2-ил)-4-methylmorpholinium хлорид гидрат </td><td> Alfa Aesar </td><td> H26333 </td><td></td></tr><tr><td> AKTAprime Plus хроматографической системы </td><td> GE Healthcare </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Superose 6 10/300 GL колоночной хроматографии </td><td> GE Healthcare </td><td> 17-5172-01 </td><td></td></tr><tr><td> Агарозы, OmniPur </td><td> VWR </td><td> EM-2120 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Приложение Синтез ртути octanethiolate: Медленно добавить раствор метанола ртути ацетата (1 экв.) Для перемешивания раствора 1-octanethiol (3 экв.) И гидроксид калия (3 экв.) В метаноле при комнатной температуре. Изолировать ртути (II) octanethiolate осадок фильтрованием, промывают два раза с метанолом и один раз эфиром, а затем сушат под вакуумом. Синтез полидентатным полимеров: Растворите полиакриловой кислоты (1 г, 1773 Da) в 25 мл диметилформамида (DMF) в 150 мл трехгорлую колбу и пузырь с аргоном в течение 30 мин. Добавить безводного решение цистеамина (374 мг, 4,87 ммоль) в 10 мл DMF. При комнатной температуре при интенсивном перемешивании медленно добавляют безводный диизопропилкарбодиимид (DIC, 736 мг, 5,83 ммоль) в течение 30 мин, затем триэтиламин (170 мкл, 1,22 ммоль), и позволяют протекания реакции в течение 72 ч при температуре 60 ° C. Добавить меркаптоэтанол (501 мг, 6,41 ммоль) для гашения реакции, и перемешивают в течение 2 ч при комнатной температуре. Удалить DMF с помощью роторного испарителя и изолировать полимера с добавлением смеси 2:1 ледяной ацетон: хлороформ, с последующим центрифугированием. Растворите полимера в ~ 5 мл безводного DMF, фильтр, осадок снова диэтиловый эфир, и повторите. Сухой продукт под вакуумом и магазинов в атмосфере аргона. Определение диаметра основной CdSe: от UV-Vis спектр поглощения определить длину волны первого экситонного пика (λ, в нм), которая является самой длинной длины волны пика (например, примерно 498 нм для CdSe в рис. 2а), и использовать размера кривой Mulvaney и сотрудники 12: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq1.jpg" alt= &quot;Уравнение 1&quot; /&gt; Определение концентрации нанокристаллов CdSe: от фона вычитается UV-Vis спектра оптически прозрачный раствор нанокристаллов CdSe, определяют поглощение при 350 нм. Серийные разведения могут быть использованы, чтобы определить, оптическое поглощение в пределах линейного диапазона закона Бера. Концентрации нанокристаллов (квантовых точек в M) может быть определено путем включения в нанокристаллов диаметром (D, в нм), оптические значения поглощения (3SA), а длина кювет пути (л, в см) в следующее уравнение из эмпирические соотношения Bawendi и сотрудники 13: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq2.jpg" alt="Уравнение 2" /></td></tr></tbody></table>

compact quantum dots for single-molecule imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

На рисунке 2 представлена ​​представитель спектры поглощения и флуоресценции для CdSe нанокристаллов, Hg х Cd 1-X SE нанокристаллов после катионного обмена, и Hg х Cd 1-х Se / Cd у Zn 1-й нанокристаллы S после оболочку роста. Нанокристаллов CdSe есть основно?...

Watch this Scientific Journal Video about Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging at JoVE.com

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Мы описываем получения коллоидных квантовых точек с минимальным гидродинамическим размер одной молекулы флуоресцентной микроскопии. По сравнению с обычными квантовыми точками, эти наночастицы близки по размерам к глобулярных белков и оптимизированы для одной молекулы яркость, устойчивость против фотостарения, а также устойчивость к неспецифического связывания с белками и клетками.

Компактный квантовых точек для одиночных молекул изображений

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Градиент Эхо Квантовая память в теплый атомный пар

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

Нанофабрикации Gate определенные GaAs / AlGaAs квантовых точек Боковые

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Анализ контактных интерфейсов для одиноких GaN нанопроволоки устройств

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Строительство и характеристика внешнего резонатора диодных лазеров для атомной физики

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Квантовая государственный инженерно Света с непрерывной волны параметрических генераторов

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Исследуя одну молекулу адгезии методом атомно-силовой микроскопии

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

Кремний Металл-оксид-полупроводниковых квантовых точек для одного электрона Перекачивание

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Использование Multi-купе Dynamic один энзим Phantom для исследований гиперполяризованным магнитно-резонансных агентов

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...