Compact Puntos Cuánticos for Imaging sola molécula

Summary

Se describe la preparación de puntos cuánticos coloidales con un tamaño minimizado hidrodinámico para imágenes de fluorescencia de una sola molécula. En comparación con los puntos cuánticos, estas nanopartículas son similares en tamaño a las proteínas globulares y están optimizados para el brillo de una sola molécula, la estabilidad contra la fotodegradación, y la resistencia a la unión no específica a proteínas y células.

Abstract

Una sola molécula de imágenes es una herramienta importante para la comprensión de los mecanismos de la función biomolecular y para la visualización de la heterogeneidad espacial y temporal de los comportamientos moleculares que subyacen a la biología celular ^1-4. Para la imagen de una molécula individual de interés, que se conjuga típicamente a una etiqueta fluorescente (tinte, proteína, perla o punto cuántico) y se observaron con epifluorescencia o de reflexión interna total de fluorescencia (TIRF) microscopía. Aunque los tintes y las proteínas fluorescentes han sido el pilar de imágenes de fluorescencia durante décadas, su fluorescencia es inestable bajo altos flujos de fotones necesarios para observar las moléculas individuales, produciendo sólo unos pocos segundos de observación antes de la pérdida completa de la señal. Perlas de látex y perlas marcada con colorante de proporcionar una mayor estabilidad de la señal, pero a expensas de tamaño hidrodinámico drásticamente más grande, que puede alterar perjudicialmente a la difusión y el comportamiento de la molécula en estudio.

ntent "> Los puntos cuánticos (QDs) ofrecen un equilibrio entre estos dos regímenes problemáticos. Estas nanopartículas están compuestas de materiales semiconductores y pueden ser diseñados con un tamaño compacto hidrodinámicamente con una excepcional resistencia a la fotodegradación ^5. Por tanto, en años recientes los puntos cuánticos han sido instrumentales en que permite observación a largo plazo del comportamiento complejo macromolecular en el nivel de moléculas individuales. Sin embargo estas partículas han todavía ha encontrado que exhiben deterioro de la difusión en ambientes de hacinamiento molecular, tales como el citoplasma celular y la hendidura sináptica neuronal, donde sus tamaños son todavía demasiado grandes ^{4,6 , 7.}

Recientemente hemos diseñado los núcleos y revestimientos de superficies de puntos cuánticos para el tamaño minimizado hidrodinámico, mientras que equilibrar las compensaciones a la estabilidad coloidal, fotoestabilidad, el brillo, y de unión no específicos que han obstaculizado la utilidad de QDs compactos en el pasado ^8,9. El objetivo de este artículo es demostrarla síntesis, la modificación, y la caracterización de estos nanocristales optimizados, compuesto de una aleación Cd Hg _{x 1-x} núcleo Se recubierta con un aislante Zn Cd _{y 1-y} shell S, recubierto adicionalmente con un ligando multidentado polímero modificado con polietilenglicol corto ( cadenas PEG) (Figura 1). En comparación con los nanocristales de CdSe convencionales, Hg _{x CD 1-x} aleaciones de Se ofrecen mayores rendimientos cuánticos de fluorescencia, fluorescencia a longitudes de onda roja e infrarroja cercana para una mejor relación señal-ruido en las células, y la excitación a no citotóxicas longitudes de onda visibles. Multidentados revestimientos de polímero se unen a la superficie de nanocristales en una conformación cerrada y plana para minimizar el tamaño hidrodinámico, y PEG neutraliza la carga de la superficie para minimizar la unión no específica a las células y biomoléculas. El resultado final es un brillante fluorescente nanocristales con emisión entre 550-800 nm y un tamaño hidrodinámico total de cerca de 12 nm. Esto es en el sAME intervalo de tamaño como muchas proteínas solubles globulares en células, y sustancialmente más pequeños que los convencionales de puntos cuánticos PEGilados (25-35 nm).

Protocol

Los procedimientos de síntesis siguientes implican estándar sin aire técnicas y el uso de un vacío / colector de gas inerte; metodología detallada se puede encontrar en las referencias 10 y 11. MSDS para todas las sustancias potencialmente tóxicas e inflamables deben ser consultados antes de su uso y compuestos inflamables todo y / o aire-lábil debe alícuotas en viales sellados septo en una caja de guantes o bolsa de guantes. 1. Síntesis de seleniuro de cadmio mercurio (Hg Cd x 1…

Representative Results

La figura 2 muestra la absorción y fluorescencia representante de nanocristales CdSe Hg, Cd x 1-x nanocristales SE después de intercambio catiónico, y Hg Cd x 1-x Se / Cd y Zn 1-y S después de nanocristales crecimiento de la concha. Los nanocristales de CdSe núcleo tienen un rendimiento cuántico de fluorescencia cerca de 15% (incluida la longitud de onda larga profundo-trampa de emisión), pero esta eficiencia cae a menos del 1% después de mercurio de c…

Discussion

En comparación con los convencionales CdSe puntos cuánticos, aleación ternaria Hg Cd _{x 1-x} nanocristales de Se puede ajustar en tamaño y longitud de onda de fluorescencia de forma independiente. El tamaño se selecciona por primera vez durante la síntesis de nanocristales de CdSe núcleos, y la longitud de onda de fluorescencia se elige en una etapa de intercambio de cationes secundaria de mercurio, que no altera sustancialmente el tamaño de nanocristales ^9. Es importante permitir que el Hg p…

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: