Un método 'Plug and Play' para crear nanoconjuntos dispersables en agua que contiene un polímero anfífilo, colorantes orgánicos y conversión ascendente Nanopartículas
Summary
Organic dye molecules and oleic acid coated upconverting nanoparticles are not water-soluble. This protocol describes a ‘plug and play’ method that enables the transfer of organic dye molecules and upconverting particles from their initial hydrophobic solvent to water.
Abstract
In this protocol, we first describe a procedure to synthesize lanthanide doped upconverting nanoparticles (UCNPs). We then demonstrate how to generate amphiphilic polymers in situ, and describe a protocol to encapsulate the prepared UCNPs and different organic dye molecules (porphyrins and diarylethenes) using polymer shells to form stable water-dispersible nanoassemblies. The nanoassembly samples containing both the UCNPs and the diarylethene organic dyes have interesting photochemical and photophysical properties. Upon 365 nm UV irradiation, the diarylethene group undergoes a visual color change. When the samples are irradiated with visible light of another specific wavelength, the color fades and the samples return to the initial colorless state. The samples also emit visible light from the UCNPs upon irradiation with 980 nm near-infrared light. The emission intensity of the samples can be tuned through alternate irradiation with UV and visible light. Modulation of fluorescence can be performed for many cycles without observable degradation of the samples. This versatile encapsulation procedure allows for the transfer of hydrophobic molecules and nanoparticles from an organic solvent to an aqueous medium. The polymer helps to maintain a lipid-like microenvironment for the organic molecules to aid in preservation of their photochemical behavior in water. Thus this method is ideal to prepare water-dispersible photoresponsive systems. The use of near-infrared light to activate upconverting nanoparticles allows for lower energy light to be used to activate photoreactions instead of more harmful ultraviolet light.
Introduction
Hoy en día todavía hay una necesidad urgente de desarrollar nuevos tipos de agentes bio-imágenes. Muchas sondas fluorescentes novedosos han sido bien documentados. 6.1 Sin embargo, las mejoras sustanciales en la resolución de la imagen sigue siendo un desafío. 7 Un método práctico es modular directamente las sondas de fluorescencia entre un estado de emisión "luz" y un estado apagada 'oscura'. 8-12 Este método en particular se ha aplicado para desarrollar tecnologías, tales como el agotamiento de la emisión estimulada (STED) 13 microscopía y microscopía óptica de reconstrucción estocástico (Storm). 14
Otro enfoque para modular la fluorescencia es al par de cromóforos fotosensibles junto con sondas fluorescentes. 15,16 Alternar el cromóforo photoresponsive entre dos isómeros donde sólo uno de los isómeros puede actuar como un aceptor de transferencia de energía eficiente, permite el control sobre la extinción de la fluorescencia de The sonda a través de transferencia de energía de resonancia Förster (FRET) y otros mecanismos. El resultado es la creación de un Estado de emisión y un estado templado que puede ser alternado por la exposición del cromóforo photoresponsive a diferentes longitudes de onda de la luz.
Cromóforos diarileteno fotosensibles se pueden activar de forma reversible entre un isómero de anillo abierto incolora y un isómero de anillo cerrado de color tras la irradiación con rayos UV y la luz visible. 17-19 La estabilidad térmica de los dos isómeros y espectros de absorción sintonizable del anillo cerrado maquillaje isómero diariletenos muy buenos candidatos como FRET controlable aceptantes. nanopartículas dopado con lantánidos 20-23 Nayf 4 conversión ascendente son útiles para la bio-imágenes. 24 Estas nanopartículas absorben la luz del infrarrojo cercano y emiten luz en varias regiones del espectro visible. Los ejemplos de modulación de la fluorescencia mediante la combinación de cromóforos diarileteno fotosensibles y nanopartículas han sido previamente reportados por nuestro grupo. 25-27 Sin embargo, los sistemas descritos en cada ejemplo requiere una modificación sintética adicional para fijar los diariletenos a la superficie de las nanopartículas, lo que complica el desarrollo de sistemas más diversos.
Aquí se demuestra un método sencillo "plug-and-play 'para preparar moléculas de colorante orgánico dispersables en agua y nanopartículas conversión ascendente fotosensibles utilizando una estrategia de auto-ensamblaje. La elección de los polímeros; poli (anhídrido maleico estireno-alt) y poliéter amina 2070 proporcionan tanto un entorno hidrófobo e hidrófilo. Las secciones hidrófobas del polímero ayuda para sostener las moléculas orgánicas normalmente insolubles en agua y nanopartículas conversión ascendente juntos, mientras que la región hidrófila del polímero es crítico para mantener la solubilidad en agua. Primero vamos a demostrar la síntesis de las nanopartículas de conversión ascendente por el método de la nucleación térmica. Entonces, vamos a probar how las moléculas orgánicas y nanopartículas conversión ascendente se encapsulan dentro de las regiones hidrófobas de la cubierta de polímero y permanecen estables en medios acuosos simplemente co-agitación una solución de la nanopartículas de conversión ascendente, polímero y diferentes moléculas de colorante orgánico, seguido por un procedimiento de tratamiento conveniente. También demostramos cómo modular la emisión de fluorescencia de los conjuntos utilizando la irradiación de luz externa. Anticipamos el alcance de la utilización de este método "plug-and-play" para hacer nanoconjuntos dispersables en agua continuarán expandiéndose.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las nanopartículas sintetizadas según este protocolo tienen una distribución de tamaño de 20 a 25 nm centrada en torno al 22,5 nm. 26,27 Se pueden clasificar como partículas esféricas con una estructura reticular 4 acogida α-Nayf. Hay dos pasos críticos en este protocolo. En la síntesis UCNP, es crucial para mantener la temperatura y el tiempo de calentamiento tan preciso como sea posible para asegurar una estrecha distribución de tamaño de partícula. La adición simultánea de NaOH y N…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada, the Canada Research Chairs Program, and Simon Fraser University. This work made use of 4D LABS shared facilities supported by the Canada Foundation for Innovation (CFI), British Columbia Knowledge Development Fund (BCKDF) and Simon Fraser University.
Materials
| yttrium acetate | sigma | 326046 | Yttrium(III) acetate hydrate |
| ytterbium acetate | sigma | 544973 | Ytterbium(III) acetate hydrate |
| erbium acetate | sigma | 325570 | Erbium(III) acetate hydrate |
| oleic acid | sigma | 75096 | analytical standard |
| octadecene | sigma | O806 | Technical grade |
| NaOH | S5881 | reagent grade | |
| NH4F | 216011 | ACS reagent | |
| poly(styrene-alt-maleic anhydride) | sigma | 4422699 | Average Mn= 1700 |
| JeffAmine 2070 | Huntsman | M-2070 | |
| Varian Carry 300 | Agilent | ||
| JDSU NIR laser | JSDU | L4-9897510-100M | 980 nm diode laser |
References
- Fery-Forgues, S. Fluorescent organic nanocrystals and non-doped nanoparticles for biological applications. Nanoscale. 5 (18), 8428-8442 (2013).
- Vollrath, A., Schubert, S., Schubert, U. S. Fluorescence imaging of cancer tissue based on metal-free polymeric nanoparticles. J. Mater. Chem. B. 1, 1994-2007 (2013).
- Cheng, X., Lowe, S. B., Reecec, P. J., Gooding, J. J. Colloidal silicon quantum dots: from preparation to the modification of self-assembled monolayers (SAMs) for bio-applications. Chem. Soc. Rev. 43, 2680-2700 (2014).
- Luo, P. G., et al. Carbon-based quantum dots for fluorescence imaging of cells and tissues. RSC Adv. 4, 10791-10807 (2014).
- Wang, Y., Hu, R., Lin, G., Roy, I., Yong, K. -. T. Functionalized Quantum Dots for Biosensing and Bioimaging and Concerns on Toxicity. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5 (8), 2786-2799 (2013).
- Kairdolf, B. A., et al. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 6 (1), 143-162 (2013).
- Huang, B., Bates, M., Zhuang, X. Super-Resolution Fluorescence Microscopy. Annu. Rev. Biochem. 78, 993-1016 (2009).
- Fölling, J., et al. Photochromic Rhodamines Provide Nanoscopy with Optical Sectioning. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (33), 6266-6270 (2007).
- Fölling, J., et al. Fluorescence Nanoscopy with Optical Sectioning by Two-Photon Induced Molecular Switching using Continuous-Wave Lasers. Chem. Phys. Chem. 9 (2), 321-326 (2008).
- Bossi, M., et al. Multicolor Far-Field Fluorescence Nanoscopy through Isolated Detection of Distinct Molecular Species. Nano Lett. 8 (8), 2463-2468 (2008).
- Berns, M. W., Krasieva, T., Sun, C. &. #. 8. 2. 1. 1. ;. H., Dvornikov, A., Rentzepis, P. M. A polarity dependent fluorescence “switch” in live cells. Photochem. Photobiol. B: Biol. 75, 51-56 (2004).
- Zou, Y., et al. Amphiphilic Diarylethene as a Photoswitchable Probe for Imaging Living Cells. J. Am. Chem. Soc. 130 (47), 15750-1 (2008).
- Westphal, V., et al. Video-Rate Far-Field Optical Nanoscopy Dissects Synaptic Vesicle Movement. Science. 320, 246-249 (2008).
- Zhuang, X. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Nat Photonics. 3, 365-367 (2009).
- Cusido, J., Deniz, E., Raymo, F. M. Fluorescent Switches Based on Photochromic Compounds. Eur. J. Org. Chem. 13, 2031-2045 (2009).
- Raymo, F. M., Tomasulo, M. Electron and energy transfer modulation with photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 34, 327-336 (2005).
- Feringa, B. L. . Molecular Switches. , (2010).
- Tian, H., Yang, S. Recent progresses on diarylethene based photochromic switches. Chem. Soc. Rev. 33, 85-97 (2004).
- Ubaghs, L., Sud, D., Branda, N. R., Perepichka, I. D., Perepichka, D., Branda, N. R. . Handbook in Thiophene-Based Materials: Applications in Organic Electronics and Photonics. 2, (2009).
- Norsten, T. B., Branda, N. R. Photoregulation of Fluorescence in a Porphyrinic Dithienylethene Photochrome. J. Am. Chem. Soc. 123 (8), 1784-1785 (2001).
- Giordano, L., Jovin, T. M., Irie, M., Jares-Erijman, E. A. Diheteroarylethenes as Thermally Stable Photoswitchable Acceptors in Photochromic Fluorescence Resonance Energy Transfer (pcFRET). J. Am. Chem. Soc. 124 (25), 7481-7489 (2002).
- Fölling, J., et al. Synthesis and Characterization of Photoswitchable Fluorescent Silica Nanoparticles. Small. 4 (1), 134-142 (2008).
- Jeong, J., et al. Photoreversible cellular imaging using photochrome-conjugated fullerene silica nanoparticles. Chem. Commun. 47, 10668-10670 (2011).
- Gai, S., Li, C., Yang, P., Lin, J. Recent progress in rare earth micro/nanocrystals: soft chemical synthesis, luminescent properties, and biomedical applications. Chem. Rev. 114 (4), 2343-2389 (2014).
- Carling, C. -. J., Boyer, J. -. C., Branda, N. R. Multimodal fluorescence modulation using molecular photoswitches and upconverting nanoparticles. Org. Biomol. Chem. 10, 6159-6168 (2012).
- Wu, T., Boyer, J. -. C., Barker, M., Wilson, D., Branda, N. R. A “Plug-and-Play” Method to Prepare Water-Soluble Photoresponsive Encapsulated Upconverting Nanoparticles Containing Hydrophobic Molecular Switches. Chem. Mater. 25 (12), (2013).
- Wu, T., Kaur, S., Branda, N. R. Energy transfer between amphiphilic porphyrin polymer shells and upconverting nanoparticle cores in water-dispersible nano-assemblies. Org. Biol. Chem. 13, 2317-2322 (2015).
- Irie, M. Photochromism: Memories and Switches Introduction. Chem. Rev. 100 (5), 1683-1684 (2000).
