Sintesi di Cd-libera InP / ZnS Quantum Dots adatto per applicazioni biomediche
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
Punti quantici (QDs) sono semiconduttori nanocristalli che presentano proprietà fluorescenti quando irradiato con luce 1. A causa delle loro piccole dimensioni (2-5 nm), che è simile a molte biomolecole più grandi, e facilità di biofunzionalizzazione, QD sono uno strumento estremamente interessante per applicazioni biomediche. Hanno trovato l'uso in etichettatura biologica, imaging singola molecola live-cell, la somministrazione di farmaci, imaging in vivo, il rilevamento degli agenti patogeni, e il monitoraggio delle cellule, tra molti altri usi 2-8.
QD basata su CD sono stati più comunemente usato in applicazioni biomediche a causa della loro intensa fluorescenza e una ridotta larghezza picco di emissione 9. Tuttavia, le preoccupazioni sono state sollevate a causa della potenziale tossicità del Cd 2+ ioni 10 che possono essere immesse attraverso la degradazione della nanoparticella. Recentemente, QD InP basati sono stati esplorati come alternativa alla QD Cd basati perché mantengono molte caratteristiche fluorescenzadi QD Cd-based e può essere più biocompatibile 11. QD basata su CD sono stati trovati per essere significativamente più tossico QD InP a base di saggi in vitro a concentrazioni basse quanto 10:00, dopo solo 48 ore 11.
Il colore emissione di fluorescenza di QD è formato-sintonizzabile 1. Cioè, come la dimensione degli aumenti QD, l'emissione di fluorescenza è spostata verso il rosso. Le dimensioni e la dimensione dispersity dei prodotti QD può essere modificata variando la temperatura, la durata di reazione, o condizioni di concentrazione precursori durante la reazione 12. Mentre il picco di emissione di InP QD è in genere più ampio e meno intensa rispetto QD basata su CD, InP QD può essere fatta in una grande varietà di colori progettate per evitare la sovrapposizione spettrale, e sono sufficientemente intenso per la maggior parte delle applicazioni biomediche 12. La sintesi descritto in questo protocollo produce QD con un picco di emissione rosso centrato a 600 nm.
Diversi passaggi sono prese afSintesi ter delle anime QD per mantenere l'integrità ottica dei QD e la compatibilità per applicazioni biologiche. La superficie del nucleo QD deve essere protetto da difetti di ossidazione o di superficie che possono causare tempra; di conseguenza, un guscio di ZnS è rivestito sopra il nucleo di produrre InP / ZnS (core / shell) QD 13. Questo rivestimento è stato dimostrato di proteggere la fotoluminescenza del prodotto QD. La presenza di ioni zinco durante la sintesi InP QD ha dimostrato di limitare difetti superficiali, nonché distribuzione dimensionale diminuzione 12. Anche con la presenza di Zn 2+ nel mezzo di reazione, sintesi di InZnP sono altamente improbabili 12. Dopo il rivestimento, con conseguente QD InP / ZnS sono rivestiti in ligandi idrofobici come l'ossido di trioctylphosphine (TOPO) o oleilammina 12,14. Un polimero amfifilico può interagire con leganti idrofobi sulla superficie QD e molecole di acqua bulk per conferire solubilità in acqua 15. polimeri anfifilici con carbogruppi chimici xylate possono essere utilizzate come "maniglie chimici" di funzionalizzare ulteriormente i QD.
Dettagli Questo protocollo la sintesi e funzionalizzazione di idrosolubili InP / ZnS QD con molto intensa emissione di fluorescenza e dimensioni relativamente piccole-dispersity. Questi QD sono potenzialmente meno tossici comunemente usati QD CdSe / ZnS. Qui, la sintesi di InP / ZnS QD offre una pratica alternativa per QD Cd-based per applicazioni biomediche.
Protocol
Representative Results
Discussion
dettagli Questo protocollo sintesi altamente fluorescenti QD InP / ZnS che possono essere utilizzati in molti sistemi biologici. I prodotti QD sintetizzati qui esposti un singolo picco di emissione di fluorescenza centrato a 600 nm con una FWHM di 73 nm (figura 1), che è paragonabile ad altre sintesi precedentemente descritti 12. Tempo di reazione e temperatura di reazione sono passi estremamente importanti a causa del loro effetto profondo sulla qualità sintesi QD e ripetibilità. Dopo sol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano il Dipartimento di Chimica e il laureato in Missouri State University per il loro sostegno di questo progetto. Riconosciamo anche la microscopia Laboratorio Electron presso il Laboratorio Nazionale di Federico per la Ricerca sul Cancro per l'utilizzo del loro microscopio elettronico a trasmissione e griglie di carbonio rivestiti.
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 |
References
- 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).
