Un metodo 'Plug and Play' per creare Nanoassemblies acqua dispersibile contenenti un polimero Amphiphilic, coloranti organici e Upconverting nanoparticelle
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
Oggi c'è ancora un urgente bisogno di sviluppare nuovi tipi di agenti bio-imaging. Molti sonde fluorescenti nuovi sono stati ben documentati. 1-6 Tuttavia, i miglioramenti sostanziali nella risoluzione dell'immagine rimane una sfida. 7 Un metodo pratico è di modulare direttamente le sonde a fluorescenza tra una 'luce' stato emissivi ed uno stato bonificato 'dark'. 8-12 Questo particolare metodo è stato applicato a sviluppare tecnologie quali l'esaurimento emissione stimolata (STED) microscopia a 13 e stocastico microscopia ottica ricostruzione (STORM). 14
Un altro approccio per modulare fluorescenza è accoppiare cromofori fotorisposta insieme con sonde fluorescenti. 15,16 Toggling cromoforo fotosensibile tra due isomeri in cui solo uno degli isomeri può agire come un efficiente trasferimento di energia-accettore, permette il controllo sulla quenching della fluorescenza da the sonda attraverso trasferimento Förster Resonance Energy (FRET) e altri meccanismi. Il risultato è la creazione di uno stato emissiva ed uno stato temprato che può essere alternato da esposizione del cromoforo fotosensibile a diverse lunghezze d'onda della luce.
Cromofori diarylethene fotoresponsivi possono essere commutati tra reversibilmente un isomero anello aperto incolore e un anello chiuso isomero colorato su irradiazione con UV e luce visibile. 17-19 La stabilità termica dei due isomeri e gli spettri di assorbimento sintonizzabile dell'anello chiuso isomero make diarileteni molto buoni candidati come FRET controllabile accettori. nanoparticelle 20-23 Lanthanide drogato NaYF 4 Upconverting sono utili per bio-immagini. 24 Queste nanoparticelle assorbono la luce nel vicino infrarosso ed emettono luce in diverse regioni dello spettro visibile. Esempi di modulazione fluorescenza unendo cromofori diarylethene fotorisposta e nanoparticelle sono state preprecedentemente riportato dal nostro gruppo. 25-27 Tuttavia, i sistemi descritti in ciascun esempio necessaria una modifica sintetico aggiuntivo per collegare i diarileteni alla superficie delle nanoparticelle, che complica lo sviluppo di sistemi più diversi.
Qui si dimostra un semplice 'plug-and-play' il metodo per preparare molecole di colorante organico idrodisperdibili e nanoparticelle Upconverting fotorisposta utilizzando una strategia di self-assembly. La scelta dei polimeri; poli (stirene-alt anidride -maleic) e polietere ammina 2070 forniscono sia un ambiente idrofobico e idrofilo. Le sezioni idrofoba del polimero aiuto tenere i normalmente insolubili in acqua molecole organiche e nanoparticelle Upconverting insieme, considerando che la regione idrofila del polimero è fondamentale per mantenere la solubilità in acqua. Per prima dimostrare sintesi delle nanoparticelle Upconverting dal metodo nucleazione termico. Poi, proveremo how le molecole organiche e nanoparticelle Upconverting sono incapsulati all'interno delle regioni idrofobiche del guscio polimero e rimangono stabili in ambiente acquoso semplicemente co-agitazione una soluzione di nanoparticelle Upconverting, polimero e molecole diverse colorante organico, seguita da una comoda procedura di work-up. Dimostriamo anche come modulare emissione di fluorescenza delle assemblee con irradiazione di luce esterna. Anticipiamo il campo di applicazione di questo metodo 'plug-and-play' per rendere nanoassemblies idrodisperdibili continuerà ad espandersi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le nanoparticelle sintetizzate secondo questo protocollo hanno una distribuzione dimensionale da 20 a 25 nm centrata a circa il 22,5 nm. 26,27 Possono essere classificati come particelle sferiche con una struttura reticolare 4 ospitante α-NaYF. Ci sono due passaggi critici di questo protocollo. Nella sintesi UCNP, è essenziale per mantenere la temperatura di riscaldamento ed il tempo il più preciso possibile per assicurare una stretta distribuzione della dimensione delle particelle. Simultanea a…
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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