A 'Plug and Play' Methode, um Wasser dispergierbare Nanoanordnungen mit einem Gehalt eines amphiphilen Polymers, organische Farbstoffe und Hochskalierungs-Nanopartikel erstellen
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
Heute gibt es immer noch ein dringender Bedarf an neuen Arten von Bio-Imaging-Agenten zu entwickeln. Viele neue Fluoreszenzsonden sind gut dokumentiert. 1-6, wesentliche Verbesserungen in der Bildauflösung bleibt jedoch eine Herausforderung. 7 Eine praktische Methode ist es, direkt modulieren die Fluoreszenzsonden zwischen einer 'light' emittierenden Zustand und einem "dunklen" Zustand abgeschreckt. 8-12 Diese besondere Methode wurde angewandt, um Technologien wie stimulierte Emission zu entwickeln (STED) Mikroskopie 13 und stochastischen optischen Rekonstruktionsmikroskopie (STORM). 14
Ein weiterer Ansatz, um die Fluoreszenz zu modulieren zu koppeln Licht ansprechende Chromophore gemeinsam mit fluoreszierenden Sonden. 15,16 Umschalten des photo Chromophor zwischen zwei Isomeren, wo nur eines der Isomere als effizienter Energietransfer-Akzeptor dienen können, ermöglicht die Kontrolle über Quenchen der Fluoreszenz von the Sonde durch Förster Resonance Energy Transfer (FRET) und andere Mechanismen. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines emittierenden Zustand und einem abgeschreckten Zustand, der durch Belichtung der photoreaktiven Chromophor auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichtes abwechseln können.
Licht ansprechende Diarylethens Chromophore reversibel zwischen einem farblosen Ring-open-Isomer und einem farbigen Ring geschlossene Isomer bei Bestrahlung mit UV- und sichtbarem Licht umgeschaltet werden. 17-19 Die thermische Stabilität der beiden Isomere und abstimmbaren Absorptionsspektren der Ring geschlossen Isomer make Diarylethene sehr gute Kandidaten als steuerbare FRET-Akzeptoren. 20-23 Lanthaniden dotierten NaYF 4 upconverting Nanopartikel eignen sich für Bio-Imaging. 24 Diese Nanopartikel absorbieren Licht im nahen Infrarot und Licht in mehreren Regionen des sichtbaren Spektrums. Beispiele für Fluoreszenzmodulation durch die Kombination von Licht ansprechende Diarylethens Chromophore und Nanopartikel wurden vor,zuvor von unserer Arbeitsgruppe berichtet. 25-27, benötigt die in jedem Beispiel beschriebenen Systeme jedoch einen zusätzlichen Modifizierungs die Diarylethene an die Oberfläche der Nanopartikel, die die Entwicklung von verschiedenen Systemen erschwert befestigen.
Hier zeigen wir ein einfaches "Plug-and-Play" Verfahren zu wasserdispergierbaren organischen Farbstoffmolekülen und auf Licht upconverting Nanopartikel mit einem Selbstorganisationsstrategie vorzubereiten. Die Wahl der Polymere; Poly (styrol-alt-Maleinsäureanhydrid) und Polyetheramin 2070 sowohl eine hydrophobe und hydrophile Umgebung. Die hydrophoben Abschnitte des Polymers beitragen, die normalerweise in Wasser unlöslichen organischen Molekülen und upconverting Nanopartikel zusammenzuhalten, während der hydrophile Bereich des Polymers ist kritisch für die Aufrechterhaltung der Wasserlöslichkeit. Wir werden zunächst die Synthese der Nanopartikel upconverting demonstrieren durch die thermische Keimbildungsmethode. Dann werden wir beweisen, how die organischen Moleküle und upconverting Nanopartikel in hydrophobe Bereiche der Polymerhülle eingekapselt und verbleiben durch einfaches Zusammen Rühren eine Lösung des upconverting Nanopartikeln Polymer und verschiedenen organischen Farbstoffmolekülen, gefolgt von einem geeigneten Aufarbeitungsverfahren in wässrigen Medien stabil. Wir zeigen auch, wie die Fluoreszenzemission der Anordnungen unter Verwendung externer Lichtbestrahlung zu modulieren. Wir erwarten, den Umfang der Verwendung dieser "Plug-and-play" Methode, um in Wasser dispergierbare Nanoanordnungen wird weiter expandieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die nach diesem Protokoll synthetisierten Nanopartikel eine Größenverteilung von 20 bis 25 nm bei ungefähr 22,5 nm. 26,27 Sie können als kugelförmige Teilchen mit einem α-NaYF 4 Wirtsgitterstruktur klassifiziert werden zentriert. Es gibt zwei kritische Schritte in diesem Protokoll. Im UCNP Synthese ist es wichtig, die Erwärmungstemperatur und -zeit so präzise wie möglich zu halten, um eine enge Verteilung der Partikelgröße zu gewährleisten. Gleichzeitige Zugabe von NaOH und N…
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).
