A 'Tak ve' Yöntem, bir Amfifilik Polimer, Organik maddeler ve upconverting Nanopartiküller İçeren Su dağılabilir Nanoassemblies oluşturma
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
Bugün biyo-görüntüleme ajanları yeni türleri geliştirmek için acil ihtiyaç duyulmaktadır. Birçok roman floresan probları iyi belgelenmiştir. 1-6 Ancak, görüntü çözünürlüğü önemli gelişmeler bir sorun olmaya devam etmektedir. 7 Tek pratik yöntem, doğrudan bir 'hafif' yayan devlet ve 'karanlık' söndürüldü devlet arasındaki floresan probları modüle etmektir. 8-12 Bu özel yöntem, uyarılmış emisyon tükenmesi gibi teknolojileri geliştirmek için uygulanmıştır (STED) mikroskopi 13 ve stokastik optik rekonstrüksiyon mikroskobu (FIRTINA). 14
Floresan modüle için başka bir yaklaşım, floresan probları ile birlikte bir çift ışığa cevap kromoforlar etmektir. 15,16 izomerlerden sadece birisinin etkin bir enerji aktarma alıcısı olarak hareket edebilen iki izomer arasındaki ışığa cevap kromofor geçiş yapılması, th flüoresanının söndürülmesi üzerinde kontrole olanak sağlamaktadırFörster Rezonans Enerji Transferi (FRET) ve diğer mekanizmalar aracılığıyla e prob. Sonuç bir emisyonlu devleti oluşturma ve ışığın farklı dalga boylarında ışığa cevap kromoforun maruz kalarak dönüşümlü edilebilir söndürüldü devlettir.
Işığa diarylethene kromoforlar tersine çevrilebilir renksiz halka açık izomeri ve UV ve görünür ışık ile ışınlama üzerine renkli halka kapalı izomeri arasında geçiş yapılabilir. 17-19 halka kapalı izomer make iki izomer ve ayarlanabilir emme spektrumları termal stabilitesi diarylethenes çok iyi aday kontrol FRET alıcıları olarak. 20-23 lantanid katkılı NaYF 4 upconverting nanopartiküller biyo-görüntüleme için faydalıdır. 24 Bu nanopartiküller yakın kızılötesi ışık emer ve görünür spektrum çeşitli bölgelerinde ışık yayar. Işığa cevap diarylethene kromoforları ve nano-parçacıkları birleştirerek floresans modülasyon örnekleri önceden edilmiştirbir önce grubumuz tarafından rapor edilmiştir. 25-27 Bununla birlikte, her örnek için tarif sistemler daha çeşitli sistemlerin geliştirilmesini zorlaştırmaktadır nanopartiküllerin yüzeyine diarylethenes takmak için bir ek sentetik modifikasyon gerekli.
Bu yazıda kendi kendine montaj stratejisi kullanılarak suda dağılabilir organik boya molekülleri ve ışığa cevap upconverting nanopartiküller hazırlamak için basit bir 'tak-çalıştır' yöntemini göstermektedir. Polimerlerin seçimi; 2070 amin poli (stiren-alt -maleik anhidrid) ve polieter hidrofobik ve hidrofilik bir ortam hem de sağlar. Polimerin hidrofilik bölgesi suda çözünürlüğe muhafaza edilmesi için önemli ise, polimer yardımıyla hidrofobik bölümler, birbirine normal suda çözünür olmayan organik moleküller ve upconverting nanopartikülleri tutun. Biz ilk termal çekirdeklenme yöntemiyle upconverting nanopartiküllerin sentezi gösterecektir. Sonra, biz ho ispat edecektirOrganik moleküller ve upconverting nanopartiküller polimer kabuk hidrofobik bölgeler içinde kapsüllenmiş ve basit uygun bir çalışma prosedüreüne ardından upconverting nanopartiküller, polimer ve farklı organik boya molekülleri ihtiva eden bir çözelti, co-karıştırılarak sulu ortam içinde sabit kalması w. Biz de dış ışık ışıması kullanılarak meclislerinin floresan emisyonunu modüle nasıl gösterilmektedir. Biz suda dağılabilir nanoassemblies genişletmeye devam edeceğiz yapmak için bu 'tak-çalıştır' yöntemini kullanarak kapsamını tahmin.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokole uygun olarak sentez nanopartiküller Bir α-NaYF 4 ev sahibi kafes yapısı ile küresel parçacıklar olarak sınıflandırılabilir yaklaşık 22,5 nm. 26,27 merkezli 20 25 nm arasında bir boyut dağılımına sahiptir. Bu protokolde iki kritik adımlar vardır. UCNP sentezinde, bu parçacık boyutunun dar bir dağılımı sağlamak için mümkün olduğu kadar kesin bir ısıtma sıcaklığı ve zamanı sağlamak için çok önemlidir. Iyi dağıtılmış boyut ve iyi bir morfoloji…
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).
