סינתזה של Cd-חינם InP / ZnS Quantum Dots מתאים עבור יישומים ביו
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
נקודות קוונטיות (QDs) מוליכות למחצה, nanocrystals כי תערוכת תכונות פלורסנט כאשר מוקרנים עם 1 אור. בשל גודלם הקטן (2-5 ננומטר), דומה ביומולקולות גדולה רבה, וקלות biofunctionalization, QDs הוא כלים מאוד אטרקטיבי עבור יישומים ביו. הם מצאו לשימוש תיוג ביולוגי, מולקולה בודדת Live- תא הדמיה, אספקת סמים, in vivo הדמיה, זיהוי פתוגן, ומעקב אחר תא, בין שימושים רבים אחרים 2-8.
QDs מבוסס Cd כבר נפוץ ביותר ביישומים ביו בגלל הקרינה האינטנסיבית שלהם ורוחב שיא פליטת צר 9. עם זאת, חששות הועלה בשל רעילות אפשרית של Cd 2 + יוני 10 שעשויים להשתחרר דרך השפלה של ננו-החלקיקים. לאחרונה, QDs המבוסס InP נחקר כחלופת QDs המבוסס Cd כי הם לשמור על מאפייני קרינה רבותשל QDs מבוסס Cd ועלול להיות יותר ביולוגי 11. QDs מבוסס Cd נמצא כרעיל יותר באופן משמעותי מאשר QDs המבוסס InP מבחנים במבחנה בריכוזים נמוכים כמו 10 בלילה, רק לאחר 48 שעות 11.
צבע פליטת הקרינה של QDs הוא בגודל מתכונן 1. כלומר, כמו הגודל של עליות QD, פליטת הקרינה הוא העביר אדומה. הגודל והגודל dispersity מהמוצרים QD ניתן לשנות על ידי שינוי הטמפרטורה, משך תגובה, או תנאי ריכוז מבשרים במהלך תגובת 12. בעוד שיא פליטת QDs InP הוא בדרך כלל רחב יותר ופחות אינטנסיבי מאשר QDs המבוסס Cd, InP QDs יכול להתבצע במגוון רחב של צבעים שנועדו למנוע חפיפה ספקטרלית, והם אינטנסיביים מספיק עבור רוב היישומים ביו 12. הסינתזה המפורטת בפרוטוקול זה מניב QDs עם שיא פליטת אדום מרוכז ב 600 ננומטר.
מספר צעדים ננקטים afסינתזת ter של ליבות QD כדי לשמור על השלמות האופטית של QDs וכדי להפוך אותם תואם עבור יישומים ביולוגיים. פני השטח של ליבת QD חייבים להיות מוגן מפני פגמי חמצון או משטח שעשויה לגרום מרווה; ולכן, פגז ZnS מצופה מעל מוקד לייצר InP / ZnS (ליבה / מעטפת) QDs 13. ציפוי זה הוכח להגן על photoluminescence של המוצר QD. הנוכחות של יוני אבץ במהלך סינתזת InP QD הוכחה להגביל ליקויים במשטח, וכן התפלגות גודל ירידה של 12. גם עם הנוכחות של Zn 2+ במדיום התגובה, סינתזה של InZnP היא מאוד לא סביר 12. לאחר ציפוי, וכתוצאה מכך QDs InP / ZnS הם מצופים ב ליגנדים הידרופובי כגון תחמוצת trioctylphosphine (TOPO) או 12,14 oleylamine. פולימר amphiphilic יכול לקיים אינטראקציה עם ליגנדים הידרופובי על פני השטח QD וכן מולקולות מים בכמות גדולה להקנות מסיסות במים 15. פולימרים amphiphilic עם קרבוקבוצות כימיות xylate יכולות לשמש "מטפל כימי" בהמשך functionalize QDs.
פרוטוקול זה מפרט את הסינתיזה functionalization של QDs המסיס במים InP / ZnS עם פליטת קרינה אינטנסיבית מאוד-dispersity גודל הקטן יחסית. QDs אלה הן בעלות פוטנציאל פחות רעיל QDs CdSe / ZnS נפוץ. בזאת, הסינתזה של InP / ZnS QDs מספקת אלטרנטיבה מעשית QDs המבוסס Cd עבור יישומים ביו.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מפרט את הסינתזה של QDs InP / ZnS פלורסנט מאוד שיכול לשמש במערכות ביולוגיות רבות. מוצרי QD מסונתזים כאן הציגו שיא פליטת קרינה יחיד מרוכז ב 600 ננומטר עם FWHM של 73 ננומטר (איור 1), אשר ניתן להשוות סינתזות אחרות שתוארו לעיל 12. זמני תגובת טמפרטורת תגובה הן צ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים בתודה להכיר מהמחלקה לכימיה במכללה בוגר באוניברסיטת מיזורי סטייט על תמיכתם בפרויקט זה. אנחנו גם הכיר המעבדה המיקרוסקופית האלקטרונים במעבדה לאומית פרדריק לחקר הסרטן לשימוש של מיקרוסקופ אלקטרוני ההילוכים שלהם ורשתות מצופות פחמן.
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
- 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).
