Synthese von Kern-Schale Lanthanid-dotierte Großbildschirmen Nanokristallen für mobile Anwendungen
Summary
Ein Protokoll wird für die Synthese von Kern-Schale Lanthanid-dotierte Großbildschirmen Nanokristallen (UCNs) und deren zellulären Anwendungen für Kanal-Protein-Verordnung auf Nah-Infrarot (NIR) Beleuchtung präsentiert.
Abstract
Lanthanid-dotierte Großbildschirmen Nanokristalle (UCNs) haben viel Aufmerksamkeit in den letzten Jahren anhand ihrer vielversprechenden und kontrollierbaren optische Eigenschaften, die für die Absorption von Nah-Infrarot (NIR) Licht und können anschließend konvertieren Sie es in Multiplex-Emissionen, die über eine Vielzahl von Regionen vor der UV-Strahlung zu sichtbaren in der NIR umfassen. Dieser Artikel stellt detaillierte experimentelle Verfahren für Hochtemperatur-Co Niederschlag Synthese von Kern-Schale-UCNs, die verschiedene Lanthanoid-Ionen in Nanokristallen für die effiziente Umwandlung von tiefen Gewebe durchlässig NIR Erregung (808 integrieren nm) in eine starke blaue Emission bei 480 nm. Durch die Kontrolle der Oberflächenmodifikation mit biokompatiblen Polymer (Polyacryl Säure, PAA), die als vorbereitet UCNs erwirbt große Löslichkeit in Pufferlösungen. Die hydrophilen Nanokristalle sind weiter mit spezifischen Liganden (Dibenzyl Cyclooctyne, DBCO) für die Lokalisierung auf der Zellmembran funktionalisiert. Bei NIR Licht (808 nm) Bestrahlung, hochkonvertiert blaue Emission effektiv aktivieren die Licht-gated Kanal-Protein auf der Zellmembran und speziell die Zustrom kation (z.B. Ca2 +) im Zytoplasma zu regulieren. Dieses Protokoll bietet eine praktikable Methode zur Synthese von Kern-Schale Lanthanid-dotierten UCNs und anschließende biokompatible Oberflächenmodifizierung für weitere mobile Anwendungen.
Introduction
In den letzten Jahren haben Lanthanid-dotierte Großbildschirmen Nanokristalle (UCNs) verbreitet wurde, als Alternative zu herkömmlichen organischen Farbstoffen und Quantenpunkte in biomedizinischen Anwendungen, die vor allem auf ihre hervorragenden chemischen und optischen Eigenschaften basieren, auch gute Verträglichkeit, hohe Beständigkeit gegen Immunofluoreszenz und schmale Bandbreite Emission1,2,3. Noch wichtiger ist, können sie als eine viel versprechende Nanotransducer mit ausgezeichneten Gewebe eindringen Tiefe in Vivo zum Konvertieren von Nah-Infrarot (NIR) Erregung in eine breite Palette von Emissionen aus UV, sichtbar, und die NIR-Regionen durch ein Multi-Photon dienen. Großbildschirmen Prozess4,5. Diese einzigartigen Eigenschaften machen Lanthanid-dotierte UCNs dienen als besonders Erfolg versprechend Vektor für biologische sensing, biomedizinische Bildgebung und Krankheiten Theranostik6,7,8.
Die allgemeinen Komponenten des UCNs basieren vor allem auf die dotierten Lanthanoid-Ionen in der isolierenden Host-Matrix mit einer sensibilisierend (z.B., Yb3 +, Nd3 +) und einem Aktivator (z.B., Tm3 +, Er3 +, Ho 3 +) im Inneren des Kristalls homogen9. Verschiedene optische Emission von der Nanokristalle wird lokalisierten elektronischen Übergang innerhalb der 4f -orbitale der Lanthanid Dotierstoffe aufgrund ihrer Leiter-wie angeordneten Energieniveau10zugeschrieben. Daher ist es wichtig, die Größe und Morphologie der synthetisierten UCNs mit Mehrkomponenten Lanthanid Dotierstoffe genau zu kontrollieren. Von rechts wurden einige vielversprechende Methoden gut für die Vorbereitung der Lanthanoid-dotierten UCNs, einschließlich thermische Zersetzung, Hochtemperatur-Co Niederschlag, hydrothermale Synthese, Sol-Gel-Verarbeitung, etc.11 eingerichtet , 12 , 13 unter diesen Ansätzen, die Hochtemperatur-Co Niederschlag-Methode ist eine beliebte und praktische Strategien für UCNs-Synthese, die streng kontrolliert werden kann, gewünschte qualitativ hochwertige Nanokristalle mit einheitlicher Form vorbereiten und Größenverteilung in einer relativ kurzen Reaktionszeit und kostengünstige14. Jedoch sind die meisten Nanostrukturen synthetisiert durch diese Methode hauptsächlich begrenzt mit hydrophoben Liganden wie Ölsäure und Oleylamine, die in der Regel ihre weitere Bioapplication aufgrund der begrenzten hydrophobe Liganden Löslichkeit in wässriger Lösung behindern 15. Daher ist es notwendig, geeignete Oberflächenmodifizierung Techniken um biokompatible UCNs in biologischen Anwendungen in Vitro und in Vivovorzubereiten.
Hier präsentieren wir Ihnen das detaillierte experimentelle Verfahren für die Synthese von Kern-Schale UCNs Nanostrukturen durch die Hochtemperatur-Co Niederschlag-Methode und eine machbare Veränderung Technik zu funktionalisieren biokompatible Polymer auf UCNs Oberfläche für Weitere zelluläre Anwendungen. Dieser UCNs Nanoplatform enthält drei Lanthanoid-Ionen (Yb3 +, Nd3 +und Tm3 +) in die Nanokristalle, starke blaue Emission zu erwerben (~ 480 nm) bei NIR leichte Erregung bei 808 nm, die größere Eindringtiefe hat in lebendes Gewebe. Es ist allgemein bekannt, dass Nd3 +-dotierten UCNs minimierte Wassereffekte Absorption und Überhitzung in diesem spektralen Fenster anzeigen (808 nm) im Vergleich zu herkömmlichen UCNs auf 980 nm Bestrahlung16,17, 18. Darüber hinaus um die UCNs in biologischen Systemen zu verwenden, die hydrophoben Liganden (Ölsäure) auf der Oberfläche des UCNs werden zunächst durch Ultraschallbehandlung in saurer Lösung19entfernt. Dann sind die Liganden-freie UCNs mit einem biokompatiblen Polymer (Polyacryl Säure, PAA), gute Löslichkeit in wässrigen Lösungen20erwerben weiter modifiziert. Darüber hinaus als ein Proof of Concept in zelluläre Anwendungen, hydrophilen UCNs sind weitere funktionalisiert mit molekularen Liganden (Dibenzyl Cyclooctyne, DBCO) für die konkrete Lokalisierung auf der N-3-Zellmembran getaggt. Bei NIR Licht (808 nm) Bestrahlung, die blauen hochkonvertiert Emission bei 480 nm kann effektiv aktivieren eine Licht-gated Kanal-Protein, Kanalrhodopsine-2 (ChR2), auf Zellen die Oberfläche und erleichtern somit kation (z.B. Ca2 + -Ion) Zustrom durch die Membran lebender Zellen.
Dieses video Protokoll bietet eine praktikable Methode für Lanthanid-dotierte UCNs Synthese, biokompatible Oberflächenmodifizierung und UCNs Bioapplication in lebenden Zellen. Unterschiede in der Synthesetechniken und chemischen Reagenzien in Nanocrystal Wachstum beeinflusst die Größe Verbreitung, Morphologie und Großbildschirmen Lumineszenz (UCL) Spektren des endgültigen UCNs Nanostrukturen in Zelle Experimente verwendet. Dieses detaillierte video-Protokoll ist bereit zu helfen neue Forscher auf diesem Gebiet zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit des UCNs mit der Hochtemperatur-Co Niederschlag-Methode und vermeiden die häufigsten Fehler in UCNs biokompatible Oberflächenmodifizierung für weitere Mobile Anwendungen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Artikel hat ein Verfahren für die Synthese von Kern-Schale Lanthanid-dotierte Großbildschirmen Nanokristallen (UCNs) und ihre Oberflächenmodifikation mit funktionalen Moieties für mobile Anwendungen vorgestellt. Dieses neuartige Nanomaterialien besitzt hervorragende optische Eigenschaften, die UV- und sichtbaren Lichts bei NIR leichte Erregung durch einen Multi-Photonen Großbildschirmen Prozess abgeben können. In diesem Protokoll, die Kern-Schale-UCNs-Nanostrukturen (NaYF4: Yb/Tm/Nd (30/0.5/1%)@Na…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt von NTU-AIT-MUV NAM/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) und (RG 35/15) in Nanyang Technological University, Singapore und National Natural Science Foundation von China (NSFC) (Nr. 51628201) vergeben.
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
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