Une méthode 'Plug and Play' pour créer Nanoassemblies dispersibles dans l'eau contenant un polymère amphiphile, colorants organiques et Upconverting nanoparticules
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
Aujourd'hui, il ya toujours un besoin urgent de développer de nouveaux types d'agents de bio-imagerie. Beaucoup de nouvelles sondes fluorescentes ont été bien documentés. 1-6 Cependant, des améliorations substantielles dans la résolution de l'image reste un défi. 7 Une méthode pratique consiste à moduler directement les sondes de fluorescence entre un état «lumière» émissive et un état trempé «sombre». 8-12 Cette méthode particulière a été utilisée pour développer des technologies telles que l'appauvrissement de l'émission stimulée (STED) microscopie 13 et la microscopie optique de reconstruction stochastique (STORM). 14
Une autre approche pour moduler la fluorescence est de coupler des chromophores photosensibles avec des sondes fluorescentes. 15,16 Basculer le chromophore photosensible entre deux isomères où un seul des isomères peut agir comme un accepteur de transfert d'énergie efficace, permet de contrôler extinction de la fluorescence de esonde e par le transfert d'énergie par résonance Förster (FRET) et d'autres mécanismes. Le résultat est la création d'un Etat émissive et un état trempé qui peut être alterné par l'exposition du chromophore photosensible à différentes longueurs d'onde de la lumière.
Chromophores diaryléthène photosensibles peuvent être réversible basculé entre un isomère de cycle ouvert incolore et un isomère à cycle fermé de couleur lors de l'irradiation avec les UV et la lumière visible. 17-19 La stabilité thermique des deux isomères et les spectres d'absorption accordable de la marque isomère à cycle fermé diaryléthènes très bons candidats comme FRET contrôlable accepteurs. nanoparticules 20-23 lanthanides dopé NaYF 4 upconverting sont utiles pour la bio-imagerie. 24 Ces nanoparticules absorbent la lumière dans le proche infrarouge et émettent de la lumière dans plusieurs régions du spectre visible. Des exemples de fluorescence modulation en combinant chromophores et nanoparticules photosensibles diaryléthène ont été préont rapporté précédemment par notre groupe. 25 à 27 Toutefois, les systèmes décrits dans chaque exemple nécessaire une modification synthétique supplémentaire pour fixer les diaryléthènes à la surface des nanoparticules, ce qui complique l'élaboration de systèmes plus diverses.
Ici, nous démontrons une méthode simple «plug-and-play 'pour préparer des molécules de colorant organique dispersibles dans l'eau et les nanoparticules upconverting photosensibles en utilisant une stratégie d'auto-assemblage. Le choix des polymères; poly (anhydride alt -maleic styrène) et de polyéther amine 2070 fournissent à la fois un environnement hydrophobe et hydrophile. Les sections hydrophobes du polymère à l'aide d'maintiennent les normalement insolubles dans l'eau des molécules organiques et des nanoparticules de conversion ascendante en même temps, alors que la région hydrophile du polymère est critique pour maintenir la solubilité dans l'eau. Nous allons d'abord démontrer la synthèse des nanoparticules upconverting par la méthode de nucléation thermique. Ensuite, nous allons prouver how molécules organiques et des nanoparticules de conversion ascendante sont encapsulés au sein des régions hydrophobes de la coque de polymère et restent stables dans des milieux aqueux par simple co-agitation d'une solution de nanoparticules à conversion ascendante, un polymère et différentes molécules de colorant organique, suivie d'une procédure de traitement final convenable. Nous démontrons également comment moduler l'émission de fluorescence des assemblées à l'aide de l'irradiation de la lumière extérieure. Nous prévoyons que le champ d'application de cette méthode «plug-and-play 'pour faire nanoassemblies dispersibles dans l'eau vont continuer à se développer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les nanoparticules synthétisées selon ce protocole ont une distribution de taille de 20 à 25 nm centrée autour de 22,5 nm. 26,27 Ils peuvent être classés comme des particules sphériques avec une structure en treillis 4 hôte α-NaYF. Il ya deux étapes critiques dans ce protocole. Dans la synthèse de UCNP, il est essentiel de maintenir la température et le temps de chauffage le plus précis possible afin d'assurer une distribution étroite de taille de particules. Addition simultanée …
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 |
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