Compactas pontos quânticos para uma única molécula de imagem
Summary
Descreve-se a preparação de pontos quânticos coloidais com minimizada tamanho hidrodinâmico para uma única molécula de imagens de fluorescência. Em comparação com os pontos convencionais quântica, estas nanopartículas são semelhantes em tamanho às proteínas globulares e são optimizadas para uma única molécula de brilho, estabilidade contra a fotodegradação, e resistência a ligação não específica a proteínas e células.
Abstract
Única molécula-imagem é uma ferramenta importante para a compreensão dos mecanismos da função biomolecular e para visualizar a heterogeneidade espacial e temporal de comportamentos moleculares subjacentes à biologia celular 1-4. A imagem de uma molécula individual de interesse, é tipicamente conjugado com um marcador fluorescente (corante, proteína, grânulo, ou quantum dot) e observadas com epifluorescência ou por reflexão total interna microscopia de fluorescência (TIRF). Embora os corantes fluorescentes e de proteínas têm sido o esteio de imagens de fluorescência ao longo de décadas, a fluorescência é instável sob elevados fluxos de fótons necessárias para observar as moléculas individuais, obtendo-se apenas de alguns segundos de observação antes de completa perda de sinal. Esferas de látex e os grânulos de corantes marcados proporcionar estabilidade melhorada do sinal, mas à custa de maior tamanho hidrodinâmico drasticamente, o que pode alterar prejudicialmente a difusão e o comportamento da molécula em estudo.
ntent "pontos quânticos (QDs>) oferecem um equilíbrio entre estes dois regimes problemáticos. Estas nanopartículas são compostos de materiais semicondutores e podem ser projetados com um tamanho compacto hidrodinamicamente com excepcional resistência à fotodegradação 5. Assim, nos últimos anos QDs têm sido fundamentais na viabilização observação a longo prazo do comportamento complexo macromolecular no nível única molécula. No entanto, estas partículas têm sido ainda encontrados para exibir difusão prejudicada em ambientes aglomerados moleculares, tais como o citoplasma celular e a fenda sináptica neuronal, onde os tamanhos são ainda demasiado grande de 4,6 , 7.Recentemente, temos os núcleos de engenharia e revestimentos de superfície de QDs para minimizar tamanho hidrodinâmico, enquanto equilibra as compensações para a estabilidade coloidal, fotoestabilidade, brilho e ligação inespecíficos que têm dificultado a utilidade de QDs compactos no 8,9 passado. O objetivo deste artigo é demonstrara síntese, modificação e caracterização destes nanocristais optimizado, composto por uma liga Hg x 1-x Cd núcleo Se revestidas com um isolante y Zn Cd 1-y shell S, ainda revestidos com um ligante de polímero multidentado modificada com polietilenoglicol curto ( cadeias PEG) (Figura 1). Comparado com nanocristais CdSe convencionais, Hg x CD ligas 1-X SE oferecer maiores rendimentos quânticos de fluorescência, com comprimentos de onda de vermelho e de infravermelho próximo para reforço de sinal-para-ruído de células, de excitação e de não citotóxicas comprimentos de onda visíveis. Os revestimentos de polímero multidentados se ligar à superfície de nanocristais de uma conformação fechada e plana para minimizar o tamanho hidrodinâmico, e PEG neutraliza a carga de superfície para minimizar a ligação não específica de células e biomoléculas. O resultado final é um nanocristais brilhantemente fluorescentes com emissão entre 550-800 nm e um tamanho hidrodinâmico quase total 12 nm. Isto é, no same gama de dimensões, como muitas proteínas globulares solúveis em células, e substancialmente mais pequenas do que as convencionais QDs peguilado (25-35 nm).
Protocol
Representative Results
Discussion
Em relação ao convencional pontos quânticos de CdSe, ternário liga Hg x CD nanocristais 1-X SE pode ser ajustado em tamanho e comprimento de onda de fluorescência de forma independente. O tamanho é primeiro seleccionado durante a síntese de núcleos CdSe nanocristais, e o comprimento de onda de fluorescência é escolhido de um passo secundário de troca de catiões de mercúrio, o que não altera substancialmente o tamanho dos nanocristais 9. É importante para permitir que o Hg …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao Dr. Hong Yi no Núcleo de Microscopia da Universidade Emory Integrado de imagens de microscopia eletrônica. Este trabalho foi patrocinado pelo NIH (PN2EY018244, R01 CA108468, U54CA119338, e 1K99CA154006-01).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Selenium | Sigma-Aldrich | 229865 | |
| Tri-n-octylphosphine | Strem | 15-6655 | 97% pure, unstable in air |
| Cadmium oxide | Sigma-Aldrich | 202894 | Highly toxic: use caution |
| Tetradecylphosphonic acid | PCI Synthesis | 4671-75-4 | |
| Octadecene | Alfa Aesar | L11004 | Technical grade |
| Hexadecylamine | Sigma-Aldrich | H7408 | |
| Diphenylphosphine | Sigma-Aldrich | 252964 | Pyrophoric |
| Mercury acetate | Sigma-Aldrich | 456012 | Highly toxic: use caution |
| 1-Octanethiol | Sigma-Aldrich | 471836 | Strong odor |
| Oleic acid | Sigma-Aldrich | W281506 | |
| Zinc acetate | Alfa Aesar | 35792 | |
| Cadmium acetate hydrate | Sigma-Aldrich | 229490 | Highly toxic: use caution |
| Oleylamine | Fisher Scientific | AC12954 | Unstable in air |
| Sulfur | Sigma-Aldrich | 344621 | |
| Trioctylphosphine oxide | Strem | 15-6661 | 99% |
| Pyridine | VWR | EM-PX2012-6 | Anhydrous |
| Thioglycerol | Sigma-Aldrich | M1753 | Strong odor |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | 471283 | Anhydrous |
| Dialysis tubing | Spectrum Labs | 131342 | 20 kDa cutoff |
| Centrifugal filter | Millipore | UFC801024 | 10 kDa cutoff |
| Monoamino-PEG | Rapp Polymere | 12 750-2 | 750 Da |
| DMTMM, 4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride hydrate | Alfa Aesar | H26333 | |
| AKTAprime Plus Chromatography System | GE HealthCare | ||
| Superose 6 10/300 GL chromatography column | GE HealthCare | 17-5172-01 | |
| Agarose, OmniPur | VWR | EM-2120 | |
Appendix Synthesis of mercury octanethiolate: Slowly add a methanol solution of mercury acetate (1 eq.) to a stirring solution of 1-octanethiol (3 eq.) and potassium hydroxide (3 eq.) in methanol at room temperature. Isolate the mercury(II) octanethiolate precipitate via filtration, wash two times with methanol and once with ether, and then dry under vacuum. Synthesis of multidentate polymer: Dissolve polyacrylic acid (1 g, 1,773 Da) in 25 ml dimethylformamide (DMF) in a 150 ml three-necked flask and bubble with argon for 30 min. Add an anhydrous solution of cysteamine (374 mg, 4.87 mmol) in 10 ml DMF. At room temperature with vigorous stirring, slowly add anhydrous diisopropylcarbodiimide (DIC, 736 mg, 5.83 mmol) over 30 min, followed by triethylamine (170 μl, 1.22 mmol), and allow the reaction to proceed for 72 hr at 60 °C. Add mercaptoethanol (501 mg, 6.41 mmol) to quench the reaction, and stir for 2 hr at room temperature. Remove DMF via rotary evaporation and isolate the polymer with the addition of a 2:1 mixture of ice-cold acetone:chloroform, followed by centrifugation. Dissolve the polymer in ~5 ml anhydrous DMF, filter, precipitate again with diethyl ether, and repeat. Dry the product under vacuum and store under argon. Determination of CdSe core diameter: From the UV-Vis absorption spectrum determine the wavelength of the first exciton peak (λ, in nm), which is the longest-wavelength peak (e.g. roughly 498 nm for CdSe in Figure 2a), and use the sizing curve of Mulvaney and coworkers 12:
Determination of CdSe nanocrystal concentration: From a background-subtracted UV-Vis spectrum of an optically clear solution of CdSe nanocrystals, determine the absorption at 350 nm wavelength. Serial dilutions can be used to determine if the optical absorption is within the linear range of Beer’s Law. The nanocrystal concentration (QD, in M) can be determined by plugging in the nanocrystal diameter (D, in nm), the optical absorption value (A3sa), and the cuvette path length (l, in cm) into the following equation from the empirical correlation of Bawendi and coworkers 13:
|
Referências
- Toprak, E., Selvin, P. R. New fluorescent tools for watching nanometer-scale conformational changes of single molecules. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 349-369 (2007).
- Joo, C., Balci, H., Ishitsuka, Y., Buranachai, C., Ha, T. J. Advances in single molecule fluorescence methods for molecular biology. Annu. Rev. Biochem. 77, 51-76 (2008).
- Pinaud, F., Clarke, S., Sittner, A., Dahan, M. Probing cellular events, one quantum dot at a time. Nat. Method. 7, 275-285 (2010).
- Smith, A. M., Wen, M. M., Nie, S. M. Imaging dynamic cellular events with quantum dots. Biochemist. 32, 12-17 (2010).
- Smith, A. M., Duan, H. W., Mohs, A. M., Nie, S. M. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging. Adv. Drug Deliv. Rev. 60, 1226-1240 (2008).
- Smith, A. M., Nie, S. M. Next-generation quantum dots. Nature Biotech. 27, 732-733 (2009).
- Groc, L., Lafourcade, M., Heine, M., Renner, M., Racine, V., Sibarita, J. -. B., Lounis, B., Choquet, D., Cognet, L. Single trafficking of neurotransmitter receptor: comparison between single-molecule/quantum dot strategies. J. Neurosci. 27, 12433-12437 (2007).
- Smith, A. M., Nie, S. M. Minimizing the hydrodynamic size of quantum dots with multifunctional multidentate polymer ligands. J. Am. Chem. Soc. 130, 11278-11279 (2008).
- Smith, A. M., Nie, S. M. Bright and compact alloyed quantum dots with broadly tunable near-infrared absorption and fluorescence spectra through mercury cation exchange. J. Am. Chem. Soc. 133, 24-26 (2011).
- Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. . The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , (1986).
- Errington, R. J. . Advanced Practical Inorganic and Metalorganic Chemistry. , (1997).
- Jasieniak, J., Smith, L., van Embden, J., Mulvaney, P., Califano, M. Re-examination of the size-dependent absorption properties of CdSe quantum dots. J. Phys. Chem. C. 113, 19468-19474 (2009).
- Leatherdale, C. A., Woo, W. K., Mikulec, F. V., Bawendi, M. G. On the absorption cross section of CdSe nanocrystal quantum dots. J. Phys. Chem. B. 106, 7619-7622 (2002).
- Smith, A. M., Mohs, A. M., Nie, S. M. Tuning the optical and electronic properties of colloidal nanocrystals by lattice strain. Nature Nanotech. 4, 56-63 (2009).
- Demas, J. N., Crosby, G. A. The measurement of photoluminescence quantum yields. A review. J. Phys. Chem. 75, 991-1024 (1971).
- Van Embden, J., Jasieniak, J., Mulvaney, P. Mapping the optical properties of CdSe/CdS heterostructure nanocrystals: the effects of core size and shell thickness. J. Am. Chem. Soc. 131, 14299-14309 (2009).
- Smith, A. M., Duan, H. W., Rhyner, M. N., Ruan, G., Nie, S. M. A systematic examination of surface coatings on the optical and chemical properties of semiconductor quantum dots. Phys. Chem. Chem. Phys. 8, 3895-3903 (2006).
- Zhang, X., Mohandessi, S., Miller, L. W., Snee, P. T. Efficient functionalization of aqueous CdSe/ZnS nanocrystals using small-molecule chemical activators. Chem. Comm. 47, 3532-3534 (2011).
- Bucio, L., Souza, V., Albores, A., Sierra, A., Chavez, E., Carabez, A., Guiterrez-Ruiz, M. C. Cadmium and mercury toxicity in a human fetal hepatic cell line (WRL-68 cells). Toxicol. 102, 285-299 (1995).
- Han, S. G., Castranova, V., Vallyathan, V. J. Comparative cytotoxicity of cadmium and mercury in a human bronchial epithelial cell line (BEAS-2B) and its role in oxidative stress and induction of heat shock protein 70. J. Toxicol. Environ. Health Part A. 70, 852-860 (2007).
- Strubelt, O., Kremer, J., Tilse, A., Keogh, J., Pentz, R. J. Comparative studies on the toxicity of mercury, cadmium, and copper toward the isolated perfused rat liver. J. Toxicol. Environ. Health Part A. 47, 267-283 (1996).
