Síntesis de Core-shell dopados con lantánidos Upconversion nanocristales para aplicaciones celulares

En los últimos años, Nanocristales de upconversion dopados con lantánidos (UCNs) han sido ampliamente utilizados como una alternativa a los colorantes orgánicos convencionales y puntos cuánticos aplicaciones biomédicas, que se basan principalmente en su excelente química y propiedades ópticas, incluyendo gran biocompatibilidad, alta resistencia al fotoblanqueo y emisiones de banda estrecha^1,2,3. Más importante aún, puede servir como un nanotransducer prometedor con tejido excelente penetración profundidad en vivo para convertir excitación de infrarrojo cercano (NIR) en una amplia gama de emisiones de la UV, visible y las regiones NIR a través de un multi-photon proceso de conversión ascendente de^4,5. Estas características únicas hacen UCNs dopados con lantánidos servir como un vector especialmente prometedor para la detección biológica, la proyección de imagen biomédica y enfermedades teranosis^6,7,8.

Los componentes generales de UCNs se basan principalmente en los iones lantánidos dopado en la matriz de host aislante que contiene un activador (por ejemplo, Yb^{3 +}, Nd^{3 +}) y un activador (por ejemplo, Tm^{3 +}, Er^{3 +}, Ho ^{3 +}) en el cristal homogéneo⁹. La diferente óptica de emisión de los nanocristales se atribuye a la transición electrónica localizada dentro de los 4 orbitalesf de los dopantes de lantánido debido a su nivel de energía dispuesta como escala¹⁰. Por lo tanto, es fundamental para controlar con precisión el tamaño y la morfología de UCNs sintetizados con dopantes lantánido multicomponente. Por la derecha, algunos métodos prometedores han sido bien establecidas para la preparación de UCNs dopados con lantánidos, incluyendo descomposición térmica, alta temperatura Co-precipitación, síntesis hidrotermal, proceso sol-gel, etc.^{11 , 12 , 13} entre estos enfoques, el método de coprecipitación de alta temperatura es una de las estrategias más populares y convenientes para UCNs síntesis, que pueden ser controlados estrictamente para preparar deseado nanocristales de alta calidad con forma uniforme y distribución de tamaño en un relativamente corto tiempo de reacción y de bajo costo¹⁴. Sin embargo, mayoría nanoestructuras sintetizadas por este método están capped principalmente con ligandos hidrofóbicos tales como ácido oleico y oleylamine, que generalmente dificultan su bioapplication más debido a la limitada solubilidad del ligando hidrofóbico en solución acuosa ¹⁵. por lo tanto, es necesario realizar técnicas de modificación superficial adecuado para preparar UCNs biocompatibles en usos biológicos in vitro e in vivo.

Adjunto, presentamos el detallado procedimiento experimental para la síntesis de nanoestructuras de UCNs core-shell mediante el método de coprecipitación de alta temperatura y una técnica de modificación factible para funcionalizar polímero biocompatible en la superficie de UCNs para aplicaciones de celulares más. Este nanoplatform UCNs incorpora tres iones lantánidos (Yb^{3 +}y^{3 +}y Tm^{3 +}) de los nanocristales para adquirir fuerte emisión azul (~ 480 nm) sobre excitación luz NIR a 808 nm, que tiene mayor profundidad de penetración en tejido vivo. Es bien sabido que Nd^{3 +}-dopados UCNs mostrar efectos de absorción y calentamiento de agua minimizado en esta ventana espectral (808 nm) en comparación con el convencionales UCNs a 980 nm irradiación^{16,17, 18}. Además, para utilizar el UCNs en sistemas biológicos, en primer lugar se quitan los ligandos hidrofóbicos (ácido oleico) en la superficie de UCNs por sonicación en solución ácida¹⁹. El ligando libre UCNs más se modifican con un polímero biocompatible (ácido poliacrílico, PAA) para la adquisición de gran solubilidad en soluciones acuosas²⁰. Además, como una prueba de concepto en aplicaciones celulares, UCNs hidrofílicas son más funcionalizados con ligandos moleculares (cyclooctyne de dibencilo, DBCO) para una localización específica en el N₃-etiqueta de la membrana de la célula. A luz NIR (808 nm) la irradiación, la emisión azul convertida a 480 nm puede activar con eficacia una proteína canal luz-bloqueado, channelrhodopsins-2 (ChR2), en la superficie de la célula y facilitar así la afluencia de cationes(por ejemplo, el ión Ca^{2 +} ) a través de la membrana de las células vivas.

Este protocolo de video proporciona una metodología factible para la síntesis de UCNs dopados con lantánidos, modificación superficial biocompatible y bioapplication UCNs en células vivas. Las diferencias en las técnicas de síntesis y los reactivos químicos utilizados en crecimiento nanocrystal influirá el tamaño upconversion, morfología y distribución luminiscencia (UCL) espectros de nanoestructuras de UCNs final utilizado en experimentos de la célula. Este protocolo video detallado está preparado para ayudar a nuevos investigadores en este campo para mejorar la reproducibilidad de UCNs con el método de coprecipitación de alta temperatura y evitar los errores más comunes en UCNs modificación superficial biocompatible para más aplicaciones celulares.