A الأسلوب 'التوصيل والتشغيل' لإنشاء Nanoassemblies التشتت المياه التي تحتوي على محبة للجهتين البوليمر، الأصباغ العضوية وتحويله النانوية
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
اليوم لا يزال هناك حاجة ملحة لتطوير أنواع جديدة من وكلاء التصوير الحيوي. وقد تم توثيق العديد من تحقيقات الفلورسنت الرواية أيضا. 1-6 ومع ذلك، وإدخال تحسينات كبيرة في دقة وضوح الصورة لا تزال تشكل تحديا. 7 أسلوب واحد العملي هو أن تعدل مباشرة تحقيقات مضان بين "الخفيفة" دولة انبعاثاتها و"المظلمة" دولة مروي. وقد تم تطبيق هذه الطريقة 12/8 خاص لتطوير تكنولوجيات مثل استنزاف الانبعاث المستحث (STED) المجهري 13 ومؤشر ستوكاستيك المجهر إعادة البناء الضوئي (STORM) (14).
مقاربة أخرى لتعديل مضان هو زوجين حاملات photoresponsive جنبا إلى جنب مع تحقيقات الفلورسنت. 15،16 تبديل حامل اللون photoresponsive بين أيزومرين حيث واحد فقط من أيزومرات يمكن أن تكون بمثابة كفاءة متقبل الطاقة والنقل، ويسمح السيطرة على التبريد من مضان من عشره التحقيق من خلال نقل فورستر الرنين الطاقة (الحنق) وغيرها من الآليات. والنتيجة هي إقامة دولة انبعاثاتها ودولة مروي التي يمكن أن يكون بالتناوب عن التعرض للحامل اللون photoresponsive لأطوال موجية مختلفة من الضوء.
حاملات diarylethene Photoresponsive يمكن ان يكون مثبت عكسية بين عديم اللون أيزومر-حلقة مفتوحة وحلقة مغلقة الملونة إيزومر بعد التشعيع مع الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي. 17-19 والاستقرار الحراري للاثنين الأيسومرات والانضباطي امتصاص أطياف مغلقة حلقة جعل الايزومرات diarylethenes المرشحين جيدة جدا، ويقبلون الحنق السيطرة عليها. النانوية مخدر انثانيد-20-23 NaYF 4 تحويله مفيدة للتصوير الحيوي. 24 هذه الجسيمات النانوية تمتص الضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة وينبعث الضوء في عدة مناطق من الطيف المرئي. تم مسبقا أمثلة مضان التشكيل من خلال الجمع بين حاملات diarylethene photoresponsive والنانويةذكرت viously مجموعتنا 25-27 ومع ذلك، فإن الأنظمة الموصوفة في كل سبيل المثال تتطلب تعديلا الاصطناعية إضافي إرفاق diarylethenes إلى السطح من الجسيمات النانوية، مما يعقد تطوير نظم أكثر تنوعا.
هنا علينا أن نظهر "التوصيل والتشغيل" طريقة بسيطة لتحضير جزيئات الصبغة العضوية التشتت في الماء والجسيمات النانوية تحويله photoresponsive باستخدام استراتيجية التجميع الذاتي. اختيار البوليمرات. بولي (styrene- بديل أنهيدريد -maleic) والبولي أمين 2070 توفر كل من بيئة مسعور وماء. الأقسام مسعور من العون البوليمر لعقد عادة المياه غير قابلة للذوبان الجزيئات العضوية والنانوية تحويله معا، في حين أن المنطقة ماء من البوليمر أمر بالغ الأهمية للحفاظ على القابلية للذوبان في الماء. سوف نظهر أولا توليف النانوية تحويله من طريقة التنوي الحراري. ثم، فإننا سوف تثبت حوث يتم تغليف الجزيئات العضوية والنانوية تحويله داخل المناطق مسعور من قذيفة البوليمر وتظل مستقرة في الأوساط المائية ببساطة عن طريق المشاركة في اثارة حل النانوية تحويله البوليمر ومختلفة جزيئات الصبغة العضوية، يليها إجراء متابعة العمل مريحة. علينا أن نظهر أيضا كيفية تعدل الانبعاثات مضان من المجالس باستخدام أشعة الضوء الخارجي. نتوقع نطاق استخدام هذا الأسلوب "التوصيل والتشغيل" لجعل سيستمر nanoassemblies التشتت في الماء في التوسع.
Protocol
Representative Results
Discussion
النانوية توليفها وفقا لهذا البروتوكول لديها توزيع حجم 20-25 نانومتر تركزت في جميع أنحاء 22.5 نانومتر. 26،27 ويمكن أن تصنف على أنها جسيمات كروية مع α-NaYF 4 المضيف بنية شعرية. هناك نوعان من الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول. في تركيب UCNP، فمن المهم للحفاظ على درجة حر?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 | S5881 | reagent grade | |
| NH4F | 216011 | ACS reagent | |
| poly(styrene-alt-maleic anhydride) | sigma | 4422699 | Average Mn= 1700 |
| JeffAmine 2070 | Huntsman | M-2070 | |
| Varian Carry 300 | Agilent | ||
| JDSU NIR laser | JSDU | L4-9897510-100M | 980 nm diode laser |
References
- Fery-Forgues, S. Fluorescent organic nanocrystals and non-doped nanoparticles for biological applications. Nanoscale. 5 (18), 8428-8442 (2013).
- 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).
- 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).
- Luo, P. G., et al. Carbon-based quantum dots for fluorescence imaging of cells and tissues. RSC Adv. 4, 10791-10807 (2014).
- 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).
- Kairdolf, B. A., et al. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (1), 143-162 (2013).
- Huang, B., Bates, M., Zhuang, X. Super-Resolution Fluorescence Microscopy. Annu. Rev. Biochem. 78, 993-1016 (2009).
- Fölling, J., et al. Photochromic Rhodamines Provide Nanoscopy with Optical Sectioning. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (33), 6266-6270 (2007).
- 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).
- Bossi, M., et al. Multicolor Far-Field Fluorescence Nanoscopy through Isolated Detection of Distinct Molecular Species. Nano Lett. 8 (8), 2463-2468 (2008).
- Berns, M. W., Krasieva, T., Sun, C. &. #. 8. 2. 1. 1. ;. H., Dvornikov, A., Rentzepis, P. M. A polarity dependent fluorescence “switch” in live cells. Photochem. Photobiol. B: Biol. 75, 51-56 (2004).
- Zou, Y., et al. Amphiphilic Diarylethene as a Photoswitchable Probe for Imaging Living Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (47), 15750-1 (2008).
- Westphal, V., et al. Video-Rate Far-Field Optical Nanoscopy Dissects Synaptic Vesicle Movement. Science. 320, 246-249 (2008).
- Zhuang, X. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Nat Photonics. 3, 365-367 (2009).
- Cusido, J., Deniz, E., Raymo, F. M. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Eur. J. Org. Chem. 13, 2031-2045 (2009).
- Raymo, F. M., Tomasulo, M. Electron and energy transfer modulation with photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 34, 327-336 (2005).
- Feringa, B. L. . Molecular Switches. , (2010).
- Tian, H., Yang, S. Recent progresses on diarylethene based photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 33, 85-97 (2004).
- Ubaghs, L., Sud, D., Branda, N. R., Perepichka, I. D., Perepichka, D., Branda, N. R. . Handbook in Thiophene-Based Materials: Applications in Organic Electronics and Photonics. 2, (2009).
- Norsten, T. B., Branda, N. R. Photoregulation of Fluorescence in a Porphyrinic Dithienylethene Photochrome. J. Am. Chem. Soc. 123 (8), 1784-1785 (2001).
- 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).
- Fölling, J., et al. Synthesis and Characterization of Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles. Small. 4 (1), 134-142 (2008).
- Jeong, J., et al. Photoreversible cellular imaging using photochrome-conjugated fullerene silica nanoparticles. Chem. Commun. 47, 10668-10670 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Irie, M. Photochromism: Memories and Switches Introduction. Chem. Rev. 100 (5), 1683-1684 (2000).
