Synthese van Cd-vrije InP / ZnS Quantum Dots Geschikt voor biomedische toepassingen
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
Quantum dots (QD's) worden halfgeleidende nanokristallen die fluorescerende eigenschappen vertonen wanneer bestraald met licht 1. Door hun geringe grootte (2-5 nm), hetgeen vergelijkbaar met veel grotere biomoleculen en gemakkelijke biofunctionalization, QD zijn een zeer aantrekkelijk instrument voor biomedische toepassingen. Ze hebben gebruik in de biologische etikettering gevonden, single-molecule voor live-cell imaging, afgifte van geneesmiddelen, in vivo beeldvorming, detectie van pathogenen en cell tracking, onder vele andere toepassingen 2-8.
-Cd gebaseerde QDs zijn meestal gebruikt in biomedische toepassingen vanwege hun intense fluorescentie en smalle breedtes emissiepiek 9. Echter, zijn bezorgdheid geuit vanwege mogelijke toxiciteit van Cd 2+ ionen 10 die door middel van afbraak van de nanodeeltjes kunnen worden vrijgegeven. Recent zijn InP gebaseerde QDs onderzocht als alternatief voor Cd-gebaseerde QDs omdat ze hebben nog veel fluorescentie eigenschappenCd-gebaseerde QDs en kunnen meer biocompatibel 11 zijn. -Cd gebaseerde QDs gevonden aanzienlijk toxischer dan InP gebaseerde QDs in in vitro assays bij concentraties van slechts 10:00 zijn, na 48 uur 11.
De fluorescentie-emissie kleur van QDs is size-afstembare 1. Dat wil zeggen, de grootte van de QD toeneemt, de fluorescentie-emissie is rood verschoven. De grootte en de grootteverdeling van de dispersiteit QD te modificeren door wijzigen van de temperatuur, reactieduur, of voorloperconcentratie omstandigheden tijdens de reactie 12. Terwijl de emissiepiek van InP QDs typisch breder en minder intens dan Cd-gebaseerde QDs kan InP QDs worden gemaakt in een grote verscheidenheid aan kleuren gemaakt spectrale overlap te voorkomen en voldoende heftig voor biomedische toepassingen 12. De synthese die in dit protocol levert QDs met een rode emissie piek gecentreerd op 600 nm.
Verschillende stappen worden af genomenter synthese van de QD kernen van de optische integriteit van de QDs bijgehouden en compatibel voor biologische toepassingen te maken. Het oppervlak van de kern QD moet worden beschermd tegen oxidatie of oppervlaktefouten die kunnen leiden blussen; daarom wordt een ZnS shell bekleed over de kern te produceren InP / ZnS (kern / schil) QDS 13. Deze bekleding is aangetoond dat de fotoluminescentie van de QD product te beschermen. De aanwezigheid van zinkionen in InP QD synthese is aangetoond dat oppervlaktedefecten, evenals afname grootteverdeling 12 beperken. Zelfs de aanwezigheid van Zn2 + in het reactiemedium synthese van InZnP zeer onwaarschijnlijk 12. Na het bekleden resulteren InP / ZnS QDs bekleed hydrofobe liganden zoals trioctylfosfine oxide (TOPO) of oleylamine 12,14. Een amfifiele polymeer kan interageren met hydrofobe liganden op de QD oppervlak evenals bulk watermoleculen oplosbaarheid in water 15 geven. Amfifiele polymeren met carbocarboxylaat chemische groepen kunnen worden gebruikt als "chemical handles" naar de QDs verder te functionaliseren.
Dit protocol beschrijft de synthese en functionalisering van in water oplosbare InP / ZnS QDs met zeer intense fluorescentie-emissie en relatief kleine omvang dispergerend vermogen. Deze QDs zijn potentieel minder toxisch dan de veelgebruikte CdSe / ZnS QDs. Hierin de synthese van InP / ZnS QDs een praktische alternatief Cd-gebaseerde QDs voor biomedische toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol geeft de synthese van sterk fluorescerende InP / ZnS QDs die kunnen worden gebruikt in vele biologische systemen. QD producten hier gesynthetiseerd vertoonde een fluorescentie-emissie piek gecentreerd op 600 nm met een FWHM van 73 nm (figuur 1), die vergelijkbaar is met andere eerder beschreven synthesen 12. Reactietijd en reactietemperatuur zijn uiterst cruciale stappen vanwege hun diepgaande invloed op QD synthese kwaliteit en herhaalbaarheid. Na oplossen in water, de QDs was v…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs dankbaar erkennen het Department of Chemistry en de Graduate College in Missouri State University voor hun steun aan dit project. We hebben ook de Electron Microscopy Laboratory van de Frederick National Laboratory for Cancer Research erkennen voor het gebruik van hun transmissie-elektronenmicroscoop en koolstof beklede roosters.
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 |
Referencias
- 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) (2013).
- 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).
