Метод «подключи и работай», чтобы создать воду диспергируемые Nanoassemblies Содержит амфифильным полимер, органических красителей и преобразования вверх наночастиц
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
Сегодня есть все еще существует необходимость в разработке новых видов био-изображений агентов. Многие новые флуоресцентные зонды были хорошо документированы. 1-6 Однако, существенные улучшения в разрешении изображения остается проблемой. 7 Одним из практических метод непосредственно модулировать флуоресценции зондов между «легкого» эмиссионного государства и «темной» закаленном состоянии. 8-12 Данный метод был применен для разработки таких технологий, как вынужденного излучения истощения (STED) микроскопия 13 и стохастический микроскопия оптическая реконструкция (ШТОРМ). 14
Другой подход к модуляции флуоресценции для соединения фоточувствительных хромофоров с флуоресцентных зондов. 15,16 переключением фоточувствительных хромофор между двух изомеров, где только один из изомеров может выступать в качестве эффективного переноса энергии акцептора, позволяет контролировать гашение флуоресценции йе зонд через Ферстер резонанс переноса энергии (FRET) и других механизмов. Результатом является создание эмиссионного состоянии после закалки и утверждают, что можно чередовать с воздействием на фоточувствительных хромофора на различные длины волн света.
Фоточувствительных diarylethene хромофоры могут быть обратимо переключаться между бесцветного кольцевой открытый изомера и цветной кольцевой замкнутый изомера при облучении УФ и видимого света. 17-19 термическая стабильность двух изомеров и спектров поглощения перестраиваемого кольцевого-изомера закрыт марки диарилэтенов очень хорошие кандидатов, управляемый FRET акцепторов. наночастицы 20-23 лантанидов, легированных NaYF 4 преобразования вверх полезны для био-изображений. 24 Эти наночастицы поглощают почти инфракрасный свет и излучать свет в ряде регионов видимого спектра. Примеры флуоресценции модуляции путем объединения фоточувствительных diarylethene хромофоры и наночастиц были предварительноviously сообщалось нашей группой. 25-27 Однако системы, описанные в каждом примере требуется дополнительный синтетический модификации приложить диарилэтенов к поверхности наночастиц, что затрудняет разработку более разнообразных системах.
В этом мы демонстрируем простой способ "подключи и работай», чтобы подготовиться молекул органических красителей вододиспергируемые и фоточувствительных наночастиц преобразования вверх, используя стратегию самосборки. Выбор полимеров; поли (стирол -maleic ангидрид альт) и полиэфир амина 2070 обеспечить как гидрофобные и гидрофильные среды. Гидрофобные участки полимерной помощью удерживать обычно нерастворимые в воде органические молекулы и наночастицы преобразования вверх вместе, в то время как гидрофильный участок полимера является критическим для поддержания растворимости в воде. Сначала мы демонстрируют синтез наночастиц преобразования вверх по методу термического нуклеации. Затем мы докажем, хоW органические молекулы и наночастицы преобразования вверх инкапсулируются в гидрофобных областей полимерной оболочки, и остаются стабильными в водной среде, просто совместно перемешивании раствор наночастиц преобразования вверх, полимера и различных молекул органических красителей, а затем удобном процедуры обработки. Мы также продемонстрируем, как модулировать излучение флуоресценции узлов с использованием внешнего излучения света. Мы ожидаем, сферу применения этого метода "подключи и работай», чтобы вододиспергируемые nanoassemblies будет продолжать расширяться.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наночастицы, синтезированные в соответствии с этим протоколом, имеют распределение размера от 20 до 25 нм с центром в нм. Вокруг 22.5 26,27 Они могут быть классифицированы как сферических частиц с α-NaYF структуры решетки 4 узла. Есть два важных шагов в этом протоколе. При синтезе UCNP, ?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
