Síntesis de Cd-libre EAD / ZnS puntos cuánticos Adecuado para aplicaciones biomédicas
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
Los puntos cuánticos (QDs) son semiconductores nanocristales que exhiben propiedades fluorescentes cuando se irradian con luz 1. Debido a su pequeño tamaño (2-5 nm), que es similar a muchas biomoléculas más grandes, y la facilidad de biofuncionalización, los puntos cuánticos son una herramienta muy atractiva para aplicaciones biomédicas. Ellos han encontrado uso en el etiquetado biológica, una sola molécula de imágenes de células vivas, la administración de fármacos, de formación de imágenes in vivo, la detección de patógenos, y el seguimiento de la célula, entre muchos otros usos 2-8.
Los puntos cuánticos basados en Cd se han utilizado más comúnmente en aplicaciones biomédicas debido a su intensa fluorescencia y reducidos anchos de pico de emisión 9. Sin embargo, han surgido preocupaciones debido a la toxicidad potencial de los iones Cd2 + 10 que puede ser puesto en libertad debido a la degradación de la nanopartícula. Recientemente, puntos cuánticos basados en InP se han explorado como una alternativa a los puntos cuánticos basados en Cd porque mantienen muchas de las características de fluorescenciaCd de puntos cuánticos basados y puede ser más biocompatible 11. Puntos cuánticos basados en Cd se han encontrado para ser significativamente más tóxico que los puntos cuánticos basados en InP en ensayos in vitro en concentraciones tan bajas como 10 pM, después de sólo 48 h 11.
El color de los puntos cuánticos de emisión de fluorescencia es de tamaño ajustable-1. Es decir, como el tamaño de los aumentos de QD, la emisión de fluorescencia es desplazada al rojo. El tamaño y las dimensiones dispersidad de los productos QD puede ser modificado cambiando la temperatura, duración de la reacción, o las condiciones de concentración de precursor durante la reacción 12. Mientras que el pico de emisión de los puntos cuánticos InP es típicamente más amplio y menos intenso que los puntos cuánticos basados en Cd, InP puntos cuánticos puede hacerse en una gran variedad de colores diseñados para evitar el solapamiento espectral, y son lo suficientemente intensa para la mayoría de aplicaciones biomédicas 12. La síntesis se detalla en este protocolo da los puntos cuánticos con un pico de emisión roja centrada a 600 nm.
Varios pasos se toman after síntesis de los núcleos QD para mantener la integridad óptica de los puntos cuánticos y para hacerlos compatibles para aplicaciones biológicas. La superficie del núcleo QD debe ser protegido de defectos de la oxidación o de superficie que pueden causar enfriamiento rápido; Por lo tanto, una concha de ZnS se reviste sobre el núcleo para producir InP / ZnS (core / shell) qds 13. Este revestimiento se ha demostrado que protege la fotoluminiscencia del producto QD. La presencia de iones de zinc durante la síntesis de InP QD se ha demostrado que limitar defectos de la superficie, así como distribución de tamaño de disminución 12. Incluso con la presencia de Zn 2 + en el medio de reacción, la síntesis de InZnP son muy poco probable 12. Después del recubrimiento, los puntos cuánticos resultantes InP / ZnS se recubren en ligandos hidrófobos tales como óxido de trioctilfosfina (TOPO) o oleilamina 12,14. Un polímero anfifílico puede interactuar con ligandos hidrófobos en la superficie QD, así como las moléculas de agua a granel para impartir solubilidad en agua 15. polímeros anfifílicos con carbogrupos químicos xylate se pueden utilizar como "asas químicas" para funcionalizar adicionalmente los puntos cuánticos.
Este protocolo se detalla la síntesis y funcionalización de InP / puntos cuánticos ZnS solubles en agua con la emisión de fluorescencia muy intensa y tamaño relativamente pequeño-dispersidad. Estos puntos cuánticos son potencialmente menos tóxicos que los puntos cuánticos CdSe / ZnS de uso común. En esto, la síntesis de InP / ZnS puntos cuánticos ofrece una alternativa práctica a los puntos cuánticos basados en Cd para aplicaciones biomédicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo se detalla la síntesis de los puntos cuánticos InP / ZnS altamente fluorescentes que se pueden utilizar en muchos sistemas biológicos. Los productos sintetizados QD aquí exhiben un solo pico de emisión de fluorescencia centrada en 600 nm con una FWHM de 73 nm (Figura 1), que es comparable a otras síntesis anteriormente descritos 12. El tiempo de reacción y la temperatura de reacción son pasos muy importantes debido a su profundo efecto sobre la calidad de la síntesis d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen el Departamento de Química y la Escuela de Graduados de la Universidad Estatal de Missouri por su apoyo a este proyecto. También reconocemos el Laboratorio de Microscopía Electrónica en el Laboratorio Nacional de Investigación del Cáncer de Frederick para el uso de su microscopio electrónico de transmisión y rejillas recubiertas de carbono.
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
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