توليف الكادميوم خالية من البرنامج النووي العراقي / ZnS الكم النقاط مناسبة للتطبيقات الطبية الحيوية
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
النقاط الكمومية (نقاط الكمية) وشبه الموصلة البلورات النانوية أن يحمل خصائص الفلورسنت عندما المشع مع ضوء 1. نظرا لصغر حجمها (2-5 نانومتر)، الذي يشبه إلى العديد من الجزيئات الحيوية الكبيرة، وسهولة biofunctionalization، نقاط الكمية هي أداة جذابة للغاية للتطبيقات الطبية الحيوية. لقد وجدت استخدامها في وضع العلامات البيولوجية، واحد جزيء التصوير الخلية الحية، وتسليم المخدرات، في الجسم الحي والتصوير، والكشف عن العوامل المسببة للأمراض، وتتبع الخلية، من بين العديد من الاستخدامات الأخرى 2-8.
وقد استخدمت نقاط الكمية على أساس مؤتمر نزع السلاح الأكثر شيوعا في التطبيقات الطبية الحيوية بسبب مضان على المكثف وضيقة بعرض ذروة الانبعاثات 9. ومع ذلك، فقد أثار مخاوف بسبب السمية المحتملة للالكادميوم 2+ أيونات 10 التي يمكن إصدارها من خلال تدهور جسيمات متناهية الصغر. مؤخرا، تم استكشاف نقاط الكمية على أساس البرنامج النووي العراقي كبديل للنقاط الكمية التي تستخدم الأقراص المدمجة لأنهم الحفاظ على العديد من الخصائص مضانمن نقاط الكمية الكادميوم المستندة إلى وقد تكون أكثر حيويا 11. تم العثور على نقاط الكمية على أساس أن مؤتمر نزع السلاح بشكل كبير أكثر سمية من نقاط الكمية على أساس البرنامج النووي العراقي في فحوصات في المختبر في تركيزات منخفضة تصل إلى 10:00، بعد 48 ساعة فقط 11.
لون الانبعاثات مضان من نقاط الكمية هو الحجم الانضباطي 1. وهذا هو، ويبلغ حجم الزيادات QD، انبعاث مضان أحمر المزاحة. حجم وحجم التبعثر من المنتجات QD يمكن تعديلها عن طريق تغيير درجة الحرارة ومدة رد الفعل، أو ظروف الاعتقال المخدرة أثناء التفاعل 12. في حين أن ذروة الانبعاثات من البرنامج النووي العراقي نقاط الكمية هي عادة أوسع وأقل كثافة من نقاط الكمية التي تستخدم الأقراص المدمجة، البرنامج النووي العراقي نقاط الكمية التي يمكن إدخالها في مجموعة كبيرة ومتنوعة من الألوان المصممة لتجنب التداخل الطيفي، وتكون شديدة بما فيه الكفاية بالنسبة لمعظم التطبيقات الطبية الحيوية 12. تركيب مفصل في هذا البروتوكول غلة نقاط الكمية مع ذروة الانبعاثات الحمراء تركزت في 600 نانومتر.
واتخذت عدة خطوات بالعربيةتركيب ثالثا من النوى QD للحفاظ على سلامة البصرية للنقاط الكمية ولجعلها تتلاءم مع التطبيقات البيولوجية. سطح صلب QD يجب حمايتها من التأكسد أو سطح العيوب التي قد تسبب التبريد. لذلك، وهي مغلفة قذيفة ZnS على جوهر لإنتاج البرنامج النووي العراقي / ZnS (الأساسية / شل) QDS 13. وقد تبين أن هذا الطلاء لحماية معان ضوئي المنتج QD. وقد تبين وجود أيونات الزنك خلال تركيب البرنامج النووي العراقي QD للحد من العيوب السطحية، فضلا عن انخفاض حجم التوزيع 12. حتى مع وجود الزنك 2+ في وسط التفاعل، توليف InZnP من غير المرجح للغاية (12). بعد طلاء، والمغلفة الناتجة نقاط الكمية البرنامج النووي العراقي / ZnS في بروابط مسعور مثل أكسيد trioctylphosphine (توبو) أو oleylamine 12،14. البوليمر محبة للجهتين يمكن أن تتفاعل مع بروابط مسعور على سطح QD وكذلك جزيئات الماء بكميات كبيرة لنقلها للذوبان في الماء (15). البوليمرات محبة للجهتين مع كاربومجموعات كيميائية xylate يمكن استخدام "مقابض الكيميائية" لمواصلة functionalize للنقاط الكمية.
تفاصيل هذا البروتوكول التوليف وfunctionalization من البرنامج النووي العراقي / ZnS نقاط الكمية القابلة للذوبان في الماء مع انبعاث مضان مكثف جدا وصغيرة نسبيا الحجم التبعثر. هذه نقاط الكمية يمكن أن تكون أقل سمية من يشيع استخدامها نقاط الكمية سيلينيد الكادميوم / ZnS. هنا، تركيب البرنامج النووي العراقي / ZnS نقاط الكمية يوفر بديلا عمليا للنقاط الكمية التي تستخدم الأقراص المدمجة للتطبيقات الطبية الحيوية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تفاصيل هذا البروتوكول تركيب نقاط الكمية البرنامج النووي العراقي / ZnS الفلورية للغاية والتي يمكن استخدامها في العديد من النظم البيولوجية. المنتجات QD تصنيعه هنا أظهرت ذروة الانبعاثات مضان واحدة تركزت في 600 نانومتر مع FWHM من 73 نانومتر (الشكل 1)، وهو مشابه لغيرها ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
والكتاب الامتنان قسم الكيمياء وكلية الدراسات العليا في جامعة ولاية ميسوري على دعمهم لهذا المشروع. ونحن نعترف أيضا مختبر الميكروسكوب الإلكتروني في المختبر الوطني فريدريك لأبحاث السرطان للاستخدام على انتقال المجهر الإلكتروني وشبكات الكربون المغلفة.
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 |
Riferimenti
- 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).
