Synthese von Cd-frei InP / ZnS-Quantenpunkte Geeignet für biomedizinische Anwendungen
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 Dots (QD) sind halbleitende Nanokristalle, die fluoreszierende Eigenschaften aufweisen, wenn sie mit Licht bestrahlt ein. Aufgrund ihrer geringen Größe (2-5 nm), die viele größere Biomoleküle ähnlich ist, und eine einfache Biofunktionalisierung, QD sind ein äußerst attraktives Werkzeug für biomedizinische Anwendungen. Sie haben Verwendung in der biologischen Kennzeichnung, Einzelmolekül-Lebendzell-Imaging, Arzneimittelabgabe, in-vivo-Bildgebung, Erregernachweis und Zellverfolgung, unter vielen anderen Anwendungen gefunden 08.02.
CD-basierten Quantenpunkte wurden am häufigsten in biomedizinischen Anwendungen verwendet, wegen ihrer intensiven Fluoreszenz und schmale Emissionspeakbreiten 9. Allerdings haben Bedenken wegen der möglichen Toxizität von Cadmium angehoben worden 2+ -Ionen 10, die durch den Abbau des Nanopartikel freigesetzt werden können. Vor kurzem InP-basierten Quantenpunkte wurden als Alternative zu CD-basierten Quantenpunkte untersucht, weil sie viele Fluoreszenzeigenschaften beibehaltenvon CD-basierten Quantenpunkte und kann biokompatibler 11 sein. CD-basierten Quantenpunkte wurden signifikant toxisch zu sein als InP-basierten Quantenpunkte in in vitro-Tests in Konzentrationen so niedrig wie 10 Uhr, nach nur 48 Stunden 11 gefunden.
Die Fluoreszenzemissionsfarbe von QD ist größen abstimmbaren 1. Das heißt, wenn die Größe der QD zunimmt, nimmt die Fluoreszenzemission der roten verschoben. Die Größe und Größen Dispersität der QD-Produkte können durch Ändern der Temperatur, Reaktionsdauer, oder Vorläuferkonzentrationsbedingungen während der Reaktion 12 modifiziert werden. Während die Emissionsspitze von InP QD ist typischerweise breiter und weniger intensiv als CD-basierte QD, InP Quantenpunkte können in einer Vielzahl von Farben hergestellt werden entworfen spektrale Überlappung zu vermeiden, und 12 für die meisten Anwendungen ausreichend intensiven biomedizinischen sind. Die Synthese in diesem Protokoll detailliert ergibt QD mit einer roten Emissionsspitze bei 600 nm zentriert ist.
Sind mehrere Schritte af genommenter Synthese der QD-Kerne, die optische Integrität der Quantenpunkte zu erhalten und sie für biologische Anwendungen kompatibel zu machen. Die Oberfläche des Kern QD müssen vor Oxidation oder Oberflächenfehler geschützt werden, die dazu führen können Abschrecken; Daher wird ein ZnS Schale über den Kern beschichtet InP / ZnS (core / shell) QDS 13 zu erzeugen. Diese Beschichtung wurde die Photolumineszenz des QD Produkt zu schützen gezeigt. Die Gegenwart von Zinkionen während InP QD-Synthese wurde 12 gezeigt, um Oberflächenfehler zu begrenzen, sowie Abnahme Größenverteilung. Selbst bei der Anwesenheit von Zn 2+ in dem Reaktionsmedium, Synthese von InZnP sind höchst unwahrscheinlich 12. Nach der Beschichtung, was InP / ZnS-QDs in hydrophoben Liganden, wie Trioctylphosphinoxid (TOPO) oder Oleylamin 12,14 beschichtet. Ein amphiphiles Polymer mit hydrophoben Liganden auf der Oberfläche QD sowie Schüttwassermolekülen interagieren, um Wasserlöslichkeit 15 verleihen. Amphiphile Polymere mit carboxylate chemischen Gruppen können als "chemische Griffe" verwendet werden, um die QD funktionalisieren.
Dieses Protokoll beschreibt die Synthese und Funktionalisierung von wasserlöslichen InP / ZnS QD mit sehr intensiven Fluoreszenzemission und relativ geringe Größe-Dispersität. Diese Quantenpunkte sind möglicherweise weniger toxisch als häufig verwendete CdSe / ZnS-Quantenpunkte. Hierin stellt die Synthese von InP / ZnS-QDs eine praktische Alternative zum CD-basierten Quantenpunkte für biomedizinische Anwendungen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt die Synthese hochFluoreszenz InP / ZnS QD, die in vielen biologischen Systemen verwendet werden können. Die QD-Produkte hier synthetisiert zeigte einen einzelnen Peak Fluoreszenzemission bei 600 nm mit einer FWHM von 73 nm (Abbildung 1) zentriert ist, die zu anderen zuvor beschriebenen Synthesen 12 vergleichbar ist. Die Reaktionszeit und Reaktionstemperatur sind sehr wichtige Schritte wegen ihrer tiefgreifende Wirkung auf QD Synthesequalität und Reproduzierbarkei…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken dem Institut für Chemie und das Graduiertenkolleg in Missouri State University für ihre Unterstützung dieses Projektes. Wir erkennen auch die Elektronenmikroskopie-Labor an der Friedrich National Laboratory for Cancer Research für die Nutzung ihrer Transmissionselektronenmikroskop und kohlenstoffbeschichtetes Gitter.
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 |
Referências
- 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), (1750).
- 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).
