Synthese van de Core-shell Lanthanide-doped Upconversion nanokristallen voor mobiele toepassingen
Summary
Een protocol wordt gepresenteerd voor de synthese van de core-shell lanthanide-doped upconversion nanokristallen (UCNs) en hun cellulaire toepassingen kanaal eiwit verordening op nabij-infrarood licht (NIR) verlichting.
Abstract
Lanthanide-doped upconversion nanokristallen (UCNs) hebben veel aandacht getrokken in de afgelopen jaren op basis van hun veelbelovende en controleerbare optische eigenschappen, die mogelijk maken voor de absorptie van nabij-infrarood (NIR) licht en kunnen vervolgens worden geconverteerd naar Multiplexed emissies die zich over een groot aantal regio’s van de UV naar zichtbaar aan de NIR uitstrekken. Dit artikel presenteert gedetailleerde experimentele procedures voor hoge-temperatuur co neerslag synthese van core-shell UCNs die verschillende lanthanide ionen in nanokristallen voor het efficiënt omzetten van diep-weefsel penetrable NIR excitatie (808 opnemen nm) in een sterke blauwe emissie bij 480 nm. Door het beheersen van de oppervlakte modificatie met biocompatibel polymeer (polyacryl zuur, PAA), de UCNs bereid verwerft grote oplosbaarheid in bufferoplossingen. De hydrofiele nanokristallen zijn verder matiemaatschappij met specifieke liganden (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) voor lokalisatie op het celmembraan. Op NIR licht (808 nm) bestraling, de upconverted blauwe emissie kan effectief activeren het licht-gated kanaal eiwit op de celmembraan en specifiek regelen de toestroom catie (b.v., Ca2 +) in het cytoplasma. Dit protocol biedt een haalbaar methodologie voor de synthese van de core-shell doped lanthanide UCNs en daaropvolgende biocompatibel oppervlakte modificatie voor verder cellulaire toepassingen.
Introduction
In de afgelopen jaren lanthanide-doped upconversion nanokristallen (UCNs) hebben op grote schaal gebruikt als alternatief voor conventionele organische kleurstoffen en quantumdots in biomedische applicaties, die voornamelijk gebaseerd zijn op hun uitstekende chemische en optische eigenschappen, inclusief grote biocompatibiliteit, hoge weerstand tegen photobleaching en smalle bandbreedte emissie1,2,3. Nog belangrijker, kunnen ze dienen als een veelbelovende nanotransducer met uitstekende weefsel penetratie diepte in vivo nabij-infrarood (NIR) excitatie in een breed scala aan emissies van het UV, zichtbare, en het NIR-regio’s door middel van een multi foton converteren upconversion proces4,5. Deze unieke eigenschappen maken lanthanide-doped UCNs dienen als een bijzonder veelbelovend vector voor biologische sensing, biomedische beeldbewerking en ziekten theranostics6,7,8.
De algemene onderdelen van de UCNs zijn voornamelijk gebaseerd op de gedoopt lanthanide-ionen in de isolerende host matrix met een sensibiliserende (b.v., Yb3 +, Nd3 +) en een activator (b.v., Tm3 +, Er3 +, Ho 3 +) binnen het kristal homogeen9. De verschillende optische uitstoot van de nanokristallen wordt toegeschreven aan de gelokaliseerde elektronische overgang binnen de 4f -orbitalen van de lanthanide dopants als gevolg van hun ladder-achtige gearrangeerde energie niveau10. Het is daarom van cruciaal belang voor het nauwkeurig bepalen van de grootte en morfologie van samengestelde UCNs met multicomponent lanthanide dopants. Van rechtswege, zijn enkele veelbelovende methoden ook vastgesteld voor de bereiding van lanthanide-doped UCNs, met inbegrip van thermische ontleding, hoge-temperatuur co neerslag, hydrothermale synthese, sol-gel verwerking, etc.11 , 12 , 13 onder deze benaderingen, de co hoge-temperatuur-neerslag-methode is een van de meest populaire en handige strategieën voor UCNs synthese, die strikt kan worden gecontroleerd om te bereiden gewenste kwalitatief hoogwaardige nanokristallen met uniforme vorm en grootteverdeling in een relatief korte reactietijd en goedkope14. Echter, de meeste nanostructuren gesynthetiseerd door deze methode zijn voornamelijk afgetopt met hydrofobe liganden zoals oliezuur en oleylamine, die over het algemeen een belemmering vormen voor hun verdere bioapplication te wijten aan de beperkte voor hydrofobe ligand oplosbaarheid in waterige oplossing 15. Daarom is het noodzakelijk om te voeren geschikt oppervlak modificatietechnieken ter voorbereiding van biocompatibel UCNs in biologische toepassingen in vitro pt in vivo.
Hierin presenteren wij de gedetailleerde experimentele procedure voor de synthese van de core-shell UCNs nanostructuren via de co hoge-temperatuur-neerslag-methode en de techniek van een haalbaar wijziging aan biocompatibel polymeer op UCNs oppervlak voor functionalize verder cellulaire toepassingen. Deze UCNs nanoplatform integreert drie lanthanide ionen (Yb3 +Nd3 +en Tm3 +) in de nanokristallen te verwerven sterke blauwe emissie (~ 480 nm) op de lichte excitatie NIR op 808 nm, die meer indringingsdiepte heeft in levend weefsel. Het is bekend dat Nd3 +-gedoopt UCNs geminimaliseerde water absorptie en oververhitting effecten weer te geven op deze spectrale venster (808 nm) in vergelijking met conventionele UCNs op 980 nm bestraling16,17, 18. Bovendien, als u wilt gebruik maken van de UCNs in biologische systemen, zijn de hydrofobe liganden (oliezuur) op het oppervlak van UCNs ten eerste verwijderd met het ultrasoonapparaat in zure oplossing19. Vervolgens zijn de ligand-vrije UCNs verder bewerkt met een biocompatibele polymeer (polyacryl zuur, PAA) te verwerven van grote oplosbaarheid in waterige oplossingen20. Bovendien, als een bewijs-van-concept in cellulaire toepassingen, de hydrofiele UCNs zijn verder matiemaatschappij met moleculaire liganden (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) voor specifieke lokalisatie op de N-3-gelabeld celmembraan. Op NIR licht (808 nm) bestraling, de upconverted blauwe emissie bij 480 nm kan effectief het activeren van een licht-gated kanaal eiwit, channelrhodopsins-2 (ChR2), cel op het oppervlak en dus catie (b.v., Ca2 + ion) toestroom te vergemakkelijken over het membraan van levende cellen.
Deze video protocol voorziet een haalbaar methodologie lanthanide-doped UCNs synthese, biocompatibel oppervlakte modificatie en UCNs bioapplication in levende cellen. Eventuele verschillen in de technieken van de synthese en de chemische reagentia gebruikt in nanocrystal groei beïnvloedt de grootte distributie, morfologie en upconversion luminescentie (UCL) spectra van definitieve UCNs nanostructuren gebruikt in cel experimenten. Dit gedetailleerde video protocol bereid is te helpen nieuwe onderzoekers op dit gebied te verbeteren van de reproduceerbaarheid van UCNs met de mede hoge-temperatuur-neerslag-methode en vermijden de gemeenschappelijkste fouten in UCNs biocompatibel oppervlakte modificatie voor verdere cellulaire toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel heeft een methode voor de synthese van de core-shell lanthanide-doped upconversion nanokristallen (UCNs) en hun oppervlakte modificatie met functionele wordt voor mobiele toepassingen. Deze roman nanomateriaal bezit uitstekende optische eigenschappen, die UV en zichtbaar licht op NIR lichte excitatie door middel van een multi foton upconversion proces uitstoten kunnen. In dit protocol, de kern-shell UCNs nanostructuren (NaYF4: Yb/Tm/Nd (30/0.5/1%)@NaYF4: Nd (20 %)) worden voorbereid door…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd slechts gedeeltelijk ondersteund door de NTU-AIT-MUV NAM/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) en (RG 35/15) uitgereikt in Nanyang Technological University, Singapore en nationale Natural Science Foundation van China (NSFC) (nr. 51628201).
Materials
| 1-Octadecene | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade |
| oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 | Technical grade |
| Methanol | Fisher Scientific | A412 | Technical grade |
| Ethanol | Fisher Scientific | A405 | Technical grade |
| Acetone | Fisher Scientific | A18 | Technical grade |
| Hexane | Sigma Aldrich | H292 | Technical grade |
| Thulium (III) acetate hydrate (Tm(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 367702 | 99.9% trace metals basis |
| Neodymium (III) acetate hydrate (Nd(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 325805 | 99.9% trace metals basis |
| Ytterbium (III) acetate hydrate (Yb(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 326011 | 99.9% trace metals basis |
| Yttrium(III) acetate hydrate (Y(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 326046 | 99.9% trace metals basis |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | S5881 | reagent grade |
| Ammonium fluoride (NH4F) | Sigma Aldrich | 338869 | ACS reagent |
| Hydrogen chloride (HCl) | Fisher Scientific | A144 | reagent grade |
| polyacrylic acid (PAA) | Sigma Aldrich | 323667 | average Mw 1800 |
| 1-Hydroxybenzotriazole hydrate (HOBT) | Sigma Aldrich | 54802 | ACS reagent |
| 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma Aldrich | E7750 | commercial grade |
| Dibenzocyclooctyne-amine (DBCO-NH2) | Sigma Aldrich | 761540 | ACS reagent |
| N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) | Sigma Aldrich | D125806 | ACS reagent |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | BP231 | Technical grade |
| HEK293 cell line | ATCC | CRL-1573 | human embryonic kidney |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma Aldrich | F1051 | ACS reagent |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15140122 | 10,000 U/mL |
| plasmid (pCAGGS-ChR2-Venus) | Addgene | 15753 | Plasmid sent as bacteria in agar stab |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher | 11965092 | High glucose |
| opti-Modified Eagle Medium (MEM) | Thermo Fisher | 51985034 | Reduced Serum Media |
| Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | Thermo Fisher | L3000015 | Lipid-Based Transfection |
| N-Azidoacetylmannosamine, Acetylated (Ac4ManNAz) | Sigma Aldrich | A7605 | ACS reagent |
| Trypsin-EDTA (0.25%) | Thermo Fisher | 25200056 | Phenol red |
| Rhod-3 AM Calcium Imaging Kit | Thermo Fisher | R10145 | Fluorescence dye |
| 5-carboxytetramethylrhodamine-azide (Rhod-N3) | Sigma Aldrich | 760757 | Azide-fluor 545 |
| Confical dish | ibidi GmbH | 81158 | Glass Bottom, 35 mm |
| 50 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 227261 | Polypropylene |
| 15 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 188271 | Polypropylene |
| 1.5 ml conical microcentrifuge tubes | Greiner Bio-One | 616201 | Polypropylene |
| Phenylmethyl silicone oil | Clearco Products | 63148-52-7 | Less than 320 degrees Celsius |
| Glass thermometer | GH Zeal | L0111/10 | From -10 to 360 degrees Celsius |
| 12-well plate | Sigma Aldrich | Z707775 | Polystyrene |
Referências
- Wang, F., et al. Tuning upconversion through energy migration in core-shell nanoparticles. Nat Mater. 10 (12), 968-973 (2011).
- Liu, Y., et al. Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy. Nature. 543 (7644), 229-233 (2017).
- Fan, W., Bu, W., Shi, J. On The Latest Three-Stage Development of Nanomedicines based on Upconversion Nanoparticles. Adv Mater. 28 (24), 3987-4011 (2016).
- Zhu, X., et al. Temperature-feedback upconversion nanocomposite for accurate photothermal therapy at facile temperature. Nat Commun. 7, 10437-10446 (2016).
- Li, W., Wang, J., Ren, J., Qu, X. Near-infrared upconversion controls photocaged cell adhesion. J Am Chem Soc. 136 (6), 2248-2251 (2014).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Yeow, E. K., Xing, B. Near-infrared light-mediated photoactivation of a platinum antitumor prodrug and simultaneous cellular apoptosis imaging by upconversion-luminescent nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 53 (4), 1012-1016 (2014).
- Yang, D., Ma, P., Hou, Z., Cheng, Z., Li, C., Lin, J. Current advances in lanthanide ion (Ln(3+))-based upconversion nanomaterials for drug delivery. Chem Soc Rev. 44 (6), 1416-1448 (2015).
- Wang, C., Cheng, L., Liu, Z. Upconversion nanoparticles for photodynamic therapy and other cancer therapeutics. Theranostics. 3 (5), 317-330 (2013).
- Li, L. L., et al. Biomimetic surface engineering of lanthanide-doped upconversion nanoparticles as versatile bioprobes. Angew Chem Int Ed. 51 (25), 6121-6125 (2012).
- Wang, J., Ming, T., Jin, Z., Wang, J., Sun, L. D., Yan, C. H. Photon energy upconversion through thermal radiation with the power efficiency reaching 16%. Nat Commun. 5, 5669-5678 (2014).
- Zou, W., Visser, C., Maduro, J. A., Pshenichnikov, M. S., Hummelen, J. C. Broadband dye-sensitized upconversion of near-infrared light. Nat Photonics. 6 (8), 560-564 (2012).
- Liu, Y., Tu, D., Zhu, H., Li, R., Luo, W., Chen, X. A strategy to achieve efficient dual-mode luminescence of Eu(3+) in lanthanides doped multifunctional NaGdF(4) nanocrystals. Adv Mater. 22 (30), 3266-3271 (2010).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Padmanabhan, P., Yeow, E. K., Xing, B. Recent Advance of Biological Molecular Imaging Based on Lanthanide-Doped Upconversion-Luminescent Nanomaterials. Nanomaterials. 4 (1), 129-154 (2014).
- Li, X., Zhang, F., Zhao, D. Lab on upconversion nanoparticles: optical properties and applications engineering via designed nanostructure. Chem Soc Rev. 44 (6), 1346-1378 (2015).
- Gu, Z., Yan, L., Tian, G., Li, S., Chai, Z., Zhao, Y. Recent advances in design and fabrication of upconversion nanoparticles and their safe theranostic applications. Adv Mater. 25 (28), 3758-3779 (2013).
- Dong, H., Sun, L. D., Yan, C. H. Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1608-1634 (2015).
- Ai, X., et al. In vivo covalent cross-linking of photon-converted rare-earth nanostructures for tumour localization and theranostics. Nat Commun. 7, 10432-10440 (2016).
- Lu, S., et al. Multifunctional Nano-Bioprobes Based on Rattle-Structured Upconverting Luminescent Nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 54 (27), 7915-7919 (2015).
- Bogdan, N., Vetrone, F., Ozin, G. A., Capobianco, J. A. Synthesis of ligand-free colloidally stable water dispersible brightly luminescent lanthanide-doped upconverting nanoparticles. Nano Lett. 11 (2), 835-840 (2011).
- Zheng, W., Huang, P., Tu, D., Ma, E., Zhu, H., Chen, X. Lanthanide-doped upconversion nano-bioprobes: electronic structures, optical properties, and biodetection. Chem Soc Rev. 44 (6), 1379-1415 (2015).
- Chen, X., Peng, D., Ju, Q., Wang, F. Photon upconversion in core-shell nanoparticles. Chem Soc Rev. 44 (6), 1318-1330 (2015).
- Wang, F., Deng, R., Liu, X. Preparation of core-shell NaGdF4 nanoparticles doped with luminescent lanthanide ions to be used as upconversion-based probes. Nat Protoc. 9 (7), 1634-1644 (2014).
- Chen, G., Agren, H., Ohulchanskyy, T. Y., Prasad, P. N. Light upconverting core-shell nanostructures: nanophotonic control for emerging applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1680-1713 (2015).
- Yang, Y., et al. In vitro and in vivo uncaging and bioluminescence imaging by using photocaged upconversion nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 51 (13), 3125-3129 (2012).
- Sedlmeier, A., Gorris, H. H. Surface modification and characterization of photon-upconverting nanoparticles for bioanalytical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1526-1560 (2015).
- Hu, M., et al. Near infrared light-mediated photoactivation of cytotoxic Re(I) complexes by using lanthanide-doped upconversion nanoparticles. Dalton Trans. 45 (36), 14101-14108 (2016).
- Nagel, G., et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA. 100 (24), 13940-13945 (2003).
- Ai, X., et al. Remote Regulation of Membrane Channel Activity by Site-Specific Localization of Lanthanide-Doped Upconversion Nanocrystals. Angew Chem Int Ed. 56 (11), 3031-3035 (2017).
- Xie, R., et al. In vivo metabolic labeling of sialoglycans in the mouse brain by using a liposome-assisted bioorthogonal reporter strategy. Proc Natl Acad Sci USA. 113 (19), 5173-5178 (2016).
- Bansal, A., Zhang, Y. Photocontrolled nanoparticle delivery systems for biomedical applications. Acc Chem Res. 47 (10), 3052-3060 (2014).
- Yang, Y., Aw, J., Xing, B. Nanostructures for NIR light-controlled therapies. Nanoscale. 9 (11), 3698-3718 (2017).
- Ai, X., Mu, J., Xing, B. Recent Advances of Light-Mediated Theranostics. Theranostics. 6 (13), 2439-2457 (2016).
