Синтез Cd-фри InP / ZnS квантовых точек Подходит для биомедицинских применений
Summary
In this protocol, the synthesis of Cd-free InP/ZnS quantum dots (QDs) is detailed. InP-based QDs are gaining popularity due to the toxicity of Cd2+ ions that may be released through nanoparticle degradation. After synthesis, QDs are solubilized in water using an amphiphilic polymer for use in biomedical applications.
Abstract
Fluorescent nanocrystals, specifically quantum dots, have been a useful tool for many biomedical applications. For successful use in biological systems, quantum dots should be highly fluorescent and small/monodisperse in size. While commonly used cadmium-based quantum dots possess these qualities, they are potentially toxic due to the possible release of Cd2+ ions through nanoparticle degradation. Indium-based quantum dots, specifically InP/ZnS, have recently been explored as a viable alternative to cadmium-based quantum dots due to their relatively similar fluorescence characteristics and size. The synthesis presented here uses standard hot-injection techniques for effective nanoparticle growth; however, nanoparticle properties such as size, emission wavelength, and emission intensity can drastically change due to small changes in the reaction conditions. Therefore, reaction conditions such temperature, reaction duration, and precursor concentration should be maintained precisely to yield reproducible products. Because quantum dots are not inherently soluble in aqueous solutions, they must also undergo surface modification to impart solubility in water. In this protocol, an amphiphilic polymer is used to interact with both hydrophobic ligands on the quantum dot surface and bulk solvent water molecules. Here, a detailed protocol is provided for the synthesis of highly fluorescent InP/ZnS quantum dots that are suitable for use in biomedical applications.
Introduction
Квантовые точки (КТ) полупроводниковые нанокристаллы, которые проявляют флуоресцентные свойства при облучении светом 1. Из-за их небольшого размера (2-5 нм), который похож на многих крупных биомолекул и простоты biofunctionalization, КТ являются чрезвычайно привлекательным инструментом для биомедицинских применений. Они нашли применение в биологической классификации, одной молекулы живых клеток изображений, доставки лекарств, изображений в естественных условиях, обнаружение патогена, и отслеживание сотового, среди многих других целей 2-8.
Cd основе КТ были наиболее часто используется в биомедицинских применений из-за их интенсивной флуоресценции и узкий пик эмиссии шириной 9. Тем не менее, проблемы были подняты в связи с потенциальной токсичности Cd 2+ 10, которые могут просочиться через деградации наночастицы. Недавно InP на основе КТ были исследованы в качестве альтернативы КТ с компакт-диска, потому что они поддерживают многие характеристики флуоресценциикомпакт-основе КТ и могут быть более биологически совместимым 11. Cd основе КТ были обнаружены значительно более токсичны, чем КТ InP основе в анализах в пробирке при таких низких концентрациях, как 10 часов вечера, после всего лишь 48 часов 11.
Цвет флуоресценции квантовых точек является размер перестраиваемого 1. То есть, как от размера КТ возрастает, флуоресцентное излучение является красное смещение. Размер и размер дисперсность КТ продуктов могут быть изменены путем изменения температуры, продолжительности реакции или ее предшественника условия концентрации в ходе реакции 12. В то время как пик излучения ИЯФ КТ обычно шире и менее интенсивны, чем КТ с компакт-диска, InP КТ могут быть сделаны в большом разнообразии цветов, призванных предотвращать спектральную перекрытие, и достаточно интенсивным для большинства биомедицинских применений 12. Синтез подробно в данном протоколе дает КТ с красной пика излучения с центром при 600 нм.
Несколько шаги AFтер синтез ядер КТ поддерживать оптическую целостность КТ и сделать их совместимыми для биологических применений. Поверхность ядра QD должен быть защищен от окисления или поверхностных дефектов, которые могут привести закалки; Поэтому, оболочка ZnS покрыта вокруг сердечника для получения InP / ZnS (ядро / оболочка) КТ 13. Это покрытие было показано, чтобы защитить фотолюминесценции продукта QD. Присутствие ионов цинка, в процессе синтеза InP КТ было показано, чтобы ограничить поверхностные дефекты, а также распределение уменьшить размер 12. Даже при наличии Zn 2+ в реакционной среде, синтез InZnP являются весьма маловероятно 12. После нанесения покрытия, полученные КТ InP / ZnS покрыты гидрофобным лигандов, таких как оксид триоктилфосфина (ТОРО) или олеиламином 12,14. Амфифильный полимер может взаимодействовать с гидрофобными лигандами на поверхности КТ, а также объемных молекул воды для придания растворимости 15 воды. Амфифильных полимеров с карбоxylate химические группы могут быть использованы в качестве "химических ручками» дополнительно функциональных групп в КТ.
Этот протокол детали синтез и функционализация водорастворимых InP / ZnS КТ с очень интенсивным флуоресценции и относительно небольшой размер-дисперсности. Эти КТ являются потенциально менее токсичны, чем обычно используемых CdSe / ZnS КТ. В данном случае синтез InP / ZnS КТ обеспечивает практическую альтернативу с компакт-диска КТ для биомедицинских применений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол детали синтез высоко флуоресцентных квантовых точек InP / ZnS которые могут быть использованы во многих биологических системах. КТ продукты, синтезированные здесь выставлены единственный пик флуоресценции с центром при 600 нм с полушириной 73 нм (рис 1), что сопостави?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят химический факультет и выпускник колледжа в Государственном университете штата Миссури за поддержку этого проекта. Мы также признаем микроскопии Лаборатория электронов при Национальной лаборатории Фредерика по исследованию рака за использование их просвечивающего электронного микроскопа и углерода покрытием сетки.
Materials
| Oleylamine | Acros | 129540010 | |
| Zinc (II) chloride | Sigma | 030-003-00-2 | |
| Indium (III) chloride | Chem-Impex | 24560 | |
| Tris(dimethylamino)phosphine | Encompass | 50-901-10500 | |
| 1-dodecanethiol | Acros | 117625000 | |
| Hexanes | Fisher Sci | H292-4 | |
| Acetone | TransChemical | UN 1090 | |
| Zinc Stearate | Aldrich Chem | 307564-1KG | |
| Tetrahydrofuran | Acros | 34845-0010 | |
| Molecular Water | Fisher Sci | BP2470-1 | |
| Poly(maleic anhyrdride-alt-1-tetradecene), 3-(dimethylamino)-1-propylamine derivative | Sigma | 90771-1G | |
| Boric acid | Fisher Sci | BP168-500 | |
| Sodium Tetraborate Decahydrate | Fisher Sci | BP175-500 | |
| Rhodamine B | Aldrich Chem | R95-3 | |
| Nitrogen gas | Airgas | UN1066 | |
| Trypan blue | Thermo Sci | SV30084.01 | |
| 3 mL plastic Luer-lock syringe | BD | 309657 | |
| Luer-lock Needle | Air-Tite | 8300014471 | 4 inch, 22 gauge |
| 50 mL polypropyene centrifuge tube | Falcon | 352098 | |
| 250 mL centrifuge bottle | Thermo Sci | 05-562-23 | Nalgene PPCO |
| 5 mL centrifuge tubes | Argos-Tech | T2076 | |
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | Bio Plas | 4150 | |
| 0.1 μm Syringe filter | Whatman | 6786-1301 | Puradisc 13 mm nylon filter |
| Slide-A-Lyzer MINI Dialysis Unit | Thermo Sci | 69590 | 20,000 MWCO |
| Rotary Evaporator | Heidolph | ||
| Centrifuge 5072 | Eppendorf | Swinging Bucket with 50 mL tube adapters | |
| Lambda 650 UV/VIS Spectrometer | Perkin Elmer | UV-Vis Spectrophotometer | |
| LS 55 Fluorescence Spectrometer | Perkin Elmer | Fluorometer | |
| Axio Observer.A1 | Zeiss | epifluorescence microscope | |
| AxioCam MRm | Zeiss | CCD Camera | |
| Tecnai TF20 Microscope | FEI | Transmisison Electron Miscroscope | |
| TEM Eagle CCD | FEI | TEM CCD Camera | |
| NanoBrook Omni DLS | Brookhaven | Dynamic Light Scattering Instrument |
References
- Alivisatos, A. P. Semicondictor clusters, nanocrystals, and quantum dots. Science. 271 (5251), 933-937 (1996).
- Michalet, X., et al. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science. 307 (5709), 538-544 (2005).
- Jaiswal, J. K., Mattoussi, H., Mauro, J. M., Simon, S. M. Long-term multiple color imaging of live cells using quantum dot bioconjugates. Nat. Biotechnol. 21 (1), 47-51 (2009).
- Deerinck, T. J. The application of fluorescent quantum dots to confocal, multiphoton, and electron microscopic imaging. Toxicol. Pathol. 36 (1), 112-116 (2008).
- Smith, A. M., Duan, H., Mohs, A. M., Nie, S. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging. Adv. Drug Deliv. Rev. 60 (11), 1226-1240 (2008).
- Jamieson, T., et al. Biological applications of quantum dots. Biomaterials. 28 (31), 4717-4732 (2007).
- Lidke, D. S., Arndt-Jovin, D. J. Imaging takes a quantum leap. Physiology. 19, 322-325 (2004).
- Fichter, K. M., Flajolet, M., Greengard, P., Vu, T. Q. Kinetics of G-protein-couple receptor endosomal trafficking pathways revealed by single quantum dots. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 (43), 18658-18663 (2010).
- Smith, A. M., Ruan, G., Rhyner, M. N., Nie, S. Engineering luminescent quantum dots for in vitro molecular and cellular imaging. Ann. Biomed. Eng. 34 (1), 3-14 (2006).
- Derfus, A. M., Chan, W. C. W., Bhatia, S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots. Nano Lett. 4 (1), 11-18 (2004).
- Brunetti, V., et al. InP/ZnS as a safer alternative to CdSe/ZnS core/shell quantum dots: in vitro and in vivo toxicity assessment. Nanoscale. 5 (1), 307-317 (2013).
- Song, W., et al. Amine-derived synthetic approach to color-tunable InP/ZnS quantum dots with high fluorescent qualities. J. Nanopart. Res. 15 (1750), (1750).
- Dabbousi, B. O., et al. (CdSe)ZnS core-shell quantum dots: Synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites. J. Phys. Chem. B. 101 (46), 9463-9475 (1997).
- Micic, O. I., Curtis, C. J., Jones, K. M., Sprague, J. R., Nozik, A. J. Synthesis and characterization of InP quantum dots. J. Phys. Chem. 98 (19), 4966-4969 (1994).
- Qi, L., Gao, X. Quantum dot-amphipol nanocomplex for intracellular delivery and realtime imaging of siRNA. ACS Nano. 2 (7), 1403-1410 (2008).
- Xie, R., Zheng, L., Peng, X. Nucleation kinetics vs chemical kinetics in the initial formation of semiconductor nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. 131 (42), 15457-15466 (2009).
- Williams, A. T. R., Winfield, S. A., Miller, J. N. Relative fluorescence quantum yields using a computer-controlled luminescence spectrometer. Analyst. 108, 1067-1071 (1983).
- Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nat. Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Schnieder, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat. Methods. 9, 671-675 (2012).
- Jin, Y., Kannan, S., Wu, M., Zhao, J. X. Toxicity of luminescent silica nanoparticles to living cells. Chem. Res. Toxicol. 20 (8), 1126-1133 (2007).
- Corazzari, I., Gilardino, A., Dalmazzo, S., Fubini, B., Lovisolo, D. Localization of CdSe/ZnS quantum dots in the lysosomal acidic compartment of cultured neurons and its impact on viability: potential role of ion release. Toxicol. In Vitro. 27 (2), 752-759 (2013).
- Pons, T., Uyeda, H. T., Medintz, I., Mattoussi, H. Hydrodynamic dimensions, electrophoretic mobility, and stability of hydrophilic quantum dots. J. Phys. Chem. B. 110 (41), 20308-20316 (2006).
- Durisic, N., Wiseman, P., Grutter, P., Heyes, C. D. A common mechanism underlies the dark fraction formation and fluorescence blinking of quantum dots. ACS Nano. 3 (5), 1167-1175 (2009).
- Vermehren-Schmaedick, A., et al. Heterogeneous intracellular trafficking dynamics of brain-derived neurotropic factor complexes in the neuronal soma revealed by single quantum dot tracking. PLoS ONE. 9 (4), e95113 (2014).
