Een 'Plug and Play' methode om water verspreidende Nanoassemblies bevattende een Amfifiele Polymer, organische kleurstoffen en Upconverting Nanodeeltjes maken
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
Vandaag is er nog steeds een dringende behoefte aan nieuwe vormen van bio-imaging agenten te ontwikkelen. Veel nieuwe fluorescerende probes zijn goed gedocumenteerd. 06/01 echter aanzienlijke verbeteringen in de beeldresolutie blijft een uitdaging. 7 Een praktische methode is om direct te moduleren de fluorescentie probes tussen een 'light' emitterende staat en een 'donkere' uitgeblust staat. 12/08 Deze specifieke methode is toegepast op technologieën zoals gestimuleerde emissie uitputting ontwikkelen (STED) microscopie 13 en stochastische optische reconstructie microscopie (STORM). 14
Een andere benadering voor fluorescentie moduleren koppelen licht aansprekend chromoforen met fluorescerende probes. 15,16 omschakelen het licht aansprekend chromofoor tussen twee isomeren waarin slechts één van de isomeren kan fungeren als een efficiënte energieoverdracht acceptor, maakt controle uitdoving van de fluorescentie van the sonde door middel van Förster Resonance Energy Transfer (FRET) en andere mechanismen. Het resultaat is de creatie van een emitterende staat en een uitgeblust staat die kan worden afgewisseld door blootstelling van de fotoresponsieve chromofoor op verschillende golflengten van het licht.
Fotoresponsieve diarylethene chromoforen kunnen reversibel worden omgeschakeld tussen een kleurloze ring-open isomeer en een gekleurde ring-gesloten isomeer na bestraling met UV en zichtbaar licht. 17-19 De thermische stabiliteit van de twee isomeren en afstembare absorptiespectra van de ringgesloten isomeer make diarylethenen zeer goede kandidaten als controleerbaar FRET acceptoren. 20-23 Lanthanide-gedoteerde NaYF 4 upconverting nanodeeltjes zijn nuttig voor bio-imaging. 24 Deze nanodeeltjes absorberen nabij-infrarood licht en licht uitzenden in verschillende regio's van het zichtbare spectrum. Voorbeelden van fluorescentie modulatie combineert licht aansprekend diarylethene chromoforen en nanodeeltjes zijn previously gerapporteerd door de groep. 25-27 De in elk voorbeeld beschreven systemen vereist een extra synthetische wijziging van de diarylethenen hechten aan het oppervlak van de nanodeeltjes, die de ontwikkeling van diverse systemen bemoeilijkt.
Hierin tonen we een eenvoudige 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbare organische kleurstofmoleculen en fotoresponsieve upconverting nanodeeltjes door middel van een zelf-assemblage strategie voor te bereiden. De keuze van polymeren; poly (styreen-alt-maleïnezuuranhydride) en polyetheramine 2070 bieden zowel een hydrofobe als hydrofiele omgeving. De hydrofobe gedeelten van het polymeer helpen om de normaal water oplosbare organische moleculen en omhoog converteren van nanodeeltjes samenhouden, terwijl de hydrofiele regio van het polymeer is essentieel voor het handhaven van de oplosbaarheid in water. We zullen eerst demonstreren de synthese van de up-converting nanodeeltjes door de thermische kiemvorming methode. Dan zullen we bewijzen how de organische moleculen en omhoog converteren van nanodeeltjes zijn ingekapseld in hydrofobe gebieden van de polymeermantel en stabiel in waterige media blijven door eenvoudigweg samen roeren van een oplossing van de upconverting nanodeeltjes, polymeren en andere organische kleurstofmoleculen, gevolgd door een geschikte opwerkprocedure. We tonen ook aan hoe fluorescentie-emissie van de samenstellen met behulp van externe bestraling met licht te moduleren. We anticiperen op de omvang van het gebruik van deze 'plug-and-play' methode om waterdispergeerbaar nanoassemblies zal blijven uitbreiden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De nanodeeltjes gesynthetiseerd volgens dit protocol een grootteverdeling vanaf 20 tot 25 nm gecentreerd bij ongeveer 22,5 nm. 26,27 Deze kunnen worden geclassificeerd als bolvormige deeltjes met een α-NaYF 4 gastheer roosterstructuur. Er zijn twee belangrijke stappen in dit protocol. In de UCNP synthese, is het cruciaal om de verwarmingstemperatuur en de tijd zo nauwkeurig mogelijk te handhaven om een nauwe verdeling van de deeltjesgrootte te verzekeren. Gelijktijdige toevoeging van NaOH en…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
