Summary

Syntese af Cd-fri InP / ZnS Quantum Dots Velegnet til Biomedical Applications

Published: February 06, 2016
doi:

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 prikker (QDs) er halvledende nanokrystaller, der udviser fluorescerende egenskaber, når bestråles med lys 1. På grund af deres lille størrelse (2-5 nm), som er magen til mange større biomolekyler, og let biofunctionalization, QDs er et særdeles attraktivt middel til biomedicinske anvendelser. De har fundet anvendelse i biologisk mærkning, single-molekyle live-cell imaging, drug delivery, in vivo imaging, påvisning af patogener, og celle sporing, blandt mange andre anvendelser 2-8.

Cd-baserede QDs er mest almindeligt anvendt i biomedicinske anvendelser på grund af deres intense fluorescens og smalle peak emission bredder 9. Imidlertid er der rejst spørgsmål på grund af mulige toksicitet af Cd 2+ ioner 10, som kan frigives ved nedbrydning af nanopartikel. For nylig har InP-baserede QDs blevet udforsket som et alternativ til Cd-baserede QDs fordi de opretholder mange fluorescens egenskaberaf Cd-baserede QDs og kan være mere biokompatible 11. CD-baserede QDs har vist sig at være signifikant mere toksiske end InP-baserede QDs i in vitro-assays ved koncentrationer så lave som 10 pM efter kun 48 timer 11.

Fluorescensemissionen farve QDs er størrelse-afstemmelige 1. Det er, som størrelsen af ​​QD stiger, fluorescensemissionen er rødforskudt. Størrelsen og størrelse dispersitet QD produkter kan ændres ved at ændre temperaturen, reaktionen varighed eller precursor koncentration betingelser under reaktionen 12. Mens toppen udledning af InP QDs er typisk bredere og mindre intens end Cd-baserede QDs kan InP QDs ske i en lang række farver designet til at undgå spektral overlapning, og er tilstrækkeligt intens til de fleste biomedicinske anvendelser 12. Syntesen beskrevet i denne protokol giver QDs med en rød top emission centreret ved 600 nm.

Flere trin er taget ofter syntese af QD kerner til at opretholde den optiske integritet QDs og gøre dem kompatible til biologiske anvendelser. Overfladen af ​​QD kerne skal beskyttes mod oxidation eller overfladefejl, der kan forårsage afkølende; Derfor er en ZnS shell coatet over kernen til at producere InP / ZnS (kerne / skal) QDs 13. Denne belægning har vist sig at beskytte fotoluminescens af QD produkt. Tilstedeværelsen af zinkioner under InP QD syntese er blevet vist at begrænse overflade defekter, samt nedgang størrelsesfordeling 12. Selv med tilstedeværelsen af Zn2 + i reaktionsmediet, syntese af InZnP er højst usandsynligt 12. Efter coating er resulterende InP / ZnS QDs belagt med hydrofobe ligander, såsom trioctylphosphinoxid (TOPO) eller oleylamin 12,14. En amfifil polymer kan interagere med hydrofobe ligander på QD overflade samt bulk-vandmolekyler at bibringe vandopløselighed 15. Amfifile polymerer med carboxylate kemiske grupper kan anvendes som "kemiske håndtag" for yderligere at funktionalisere de QDs.

Denne protokol beskriver syntesen og funktionalisering af vandopløselige InP / ZnS QDs med meget intens fluorescens emission og relativt lille størrelse-dispersitet. Disse QDs er potentielt mindre toksiske end almindeligt anvendte CdSe / ZnS QDs. Heri syntesen af ​​InP / ZnS QDs giver et praktisk alternativ til Cd-baserede QDs til biomedicinske anvendelser.

Protocol

1. Syntese af indiumphosphid / Zinksulfid (InP / ZnS) Quantum Dots Syntese af indiumphosphid (InP) Quantum Dot Cores Monter en 100 ml rundbundet, 3-halset kolbe med en 12-tommer kondensator. Der tilsættes 30 ml oleylamin (OLA), 0,398 g indium (III) chlorid (inkl 3), 0,245 g zink (II) chlorid (ZnCl2) og omrør mens evakuering ved stuetemperatur under anvendelse af et vakuum i 1 time. Opløsningen skal være farveløs med et hvidt bundfald. Ved hjælp a…

Representative Results

De ikke-coatede InP kerner ikke udvise betydelig synlige fluorescens ved øjet. Men InP / ZnS (kerne / skal) kvantepunkter synes at fluorescere lyst ved øjet under UV-bestråling. Fluorescensen af ​​InP / ZnS QDs blev karakteriseret under anvendelse af fluorescensspektroskopi. Fluorescensspektret for QDs i hexaner (figur 1) exciteret ved 533 nm viser en større top centreret ved 600 nm med en fuld bredde ved halvt maksimum (FWHM) af 73 nm. Mens absorbans (0,2) forsk…

Discussion

Denne protokol detaljer syntesen af ​​stærkt fluorescerende InP / ZnS QDs, der kan bruges i mange biologiske systemer. QD produkter syntetiserede her udviste en enkelt top fluorescensemission centreret ved 600 nm med en FWHM på 73 nm (figur 1), som er sammenlignelig med andre tidligere beskrevne synteser 12. Reaktionstid og reaktionstemperatur er ekstremt afgørende skridt på grund af deres dybtgående effekt på QD syntese kvalitet og gentagelsesnøjagtighed. Efter opløsning i vand, …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne takker Kemisk Institut og Graduate College på Missouri State University for deres støtte til dette projekt. Vi anerkender også Electron Microscopy Laboratory ved Frederick Nationallaboratoriet for Cancer Research for brug af deres transmissions elektron mikroskop og kulstof-coatede gitre.

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

Riferimenti

  1. Alivisatos, A.P. Semicondictor clusters, nanocrystals, and quantum dots. Science. 271 (5251), 933-937 (1996).
  2. Michalet, X., et al. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science. 307 (5709), 538-544 (2005).
  3. 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).
  4. Deerinck, T. J. The application of fluorescent quantum dots to confocal, multiphoton, and electron microscopic imaging. Toxicol. Pathol. 36 (1), 112-116 (2008).
  5. 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).
  6. Jamieson, T., et al. Biological applications of quantum dots. Biomaterials. 28 (31), 4717-4732 (2007).
  7. Lidke, D. S., & Arndt-Jovin, D. J. Imaging takes a quantum leap. Physiology. 19, 322-325 (2004).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Derfus, A. M., Chan, W. C. W., Bhatia, S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots. Nano Lett. 4 (1), 11-18 (2004).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Qi, L., Gao, X. Quantum dot-amphipol nanocomplex for intracellular delivery and realtime imaging of siRNA. ACS Nano. 2 (7), 1403-1410 (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nat. Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  19. Schnieder, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat. Methods. 9, 671-675 (2012).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
check_url/it/53684?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Ellis, M. A., Grandinetti, G., Fichter, K. M. Synthesis of Cd-free InP/ZnS Quantum Dots Suitable for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (108), e53684, doi:10.3791/53684 (2016).

View Video