Biyomedikal Uygulamalar için uygundur InP / ZnS Kuantum Noktaları Cd-serbest sentezi
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
Kuantum nokta (QD'lerin) ışık 1 ile ışınlanmış zaman floresan özellikleri sergileyen nanokristaller yarıiletken vardır. Nedeniyle kendi küçük birçok büyük biyomoleküllerin benzer büyüklükte (2-5 nm) ve biofunctionalization kolaylığı, QD'lerin biyomedikal uygulamaları için son derece cazip bir araçtır. Bunlar, biyolojik etiketleme kullanım bulmuşlardır, diğer kullanımlar 2-8 arasındaki tek-molekül canlı hücre görüntüleme, ilaç verme, in vivo görüntüleme, patojen tespiti ve hücre takibi.
CD tabanlı QDS en çok nedeniyle şiddetli floresan ve dar emisyon tepe genişlikleri 9 biyomedikal uygulamalarda kullanılmaktadır. Ancak, endişeler sebebiyle Cd potansiyel toksisitesi ortaya atılan 2+ Nanopartikülün bozulması yoluyla serbest bırakılabilir 10 iyonlar. Birçok flüoresan özellikleri korumak için en son, InP tabanlı QDS CD tabanlı QDS alternatif olarak araştırılmıştırve QD'lerin Cd-tabanlı ve 11 daha biyouyumlu olabilir. CD tabanlı QDS sadece 48 saat sonra 11, 10 pM kadar düşük konsantrasyonlarda, in vitro deneylerde InP tabanlı QDS önemli ölçüde daha fazla toksik olduğu tespit edilmiştir.
QDS floresans emisyon renk boyut ayarlanabilir 1'dir. Bu QD boyutu arttıkça, floresans emisyon kırmızı kaydırılır vardır. QD ürün boyutu ve boyut dispersitesi reaksiyon 12 boyunca sıcaklık, reaksiyon süresi, ve ön-madde konsantrasyonu, koşullarını değiştirerek değiştirilebilir. InP QDS emisyon tepe tipik olarak daha geniş ve CD tabanlı QDS daha az yoğun olduğu birlikte, InP QDS spektral çakışmasını önlemek için tasarlanmış bir renk büyük bir çeşitlilik içinde yapılır ve en çok biyomedikal uygulamalar 12 yeterince yoğundur edilebilir. Bu protokol, ayrıntılı bir sentez 600 nm'de odaklanmış olan kırmızı salma tepe QD'lerin verir.
Birkaç adım af alınırQD çekirdeklerinin ter sentezi QDS optik bütünlüğünü korumak ve biyolojik uygulamalar için uyumlu hale getirmek için. QD iç yüzeyi söndürülmesi neden olabilir oksitleme veya yüzey kusurları korunmalıdır; Bu nedenle, bir ZnS kabuğu InP / ZnS (çekirdek / kabuk) 13 QDS üretmek için iç kısım üzerine kaplanır. Bu kaplama, QD ürünün fotolüminesans korumak için gösterilmiştir. InP QD sentezi sırasında çinko iyonlarının bulunması, yüzey kusurları, ve düşüş büyüklüğü dağılımı 12 sınırlamak için gösterilmiştir. Hatta, reaksiyon ortamı içinde Zn2 + varlığında ile InZnP sentezi 12 yüksek olası değildir. Kaplamadan sonra, elde edilen InP / ZnS QDS örneğin trioctylphosphine oksit (TOPO) ya da oleilamin 12,14 hidrofobik ligandlar içinde kaplanır. Amfifilik polimerin suda çözünürlüğü 15 vermek için QD yüzeye hidrofobik ligandlar olarak toplu su molekülleri ile etkileşime girebilir. karbo ile amfifilik polimerlerxylate kimyasal gruplar ayrıca QD'lerin işlevselleştirilmesi "Kimyasal kulp" olarak da kullanılabilir.
Bu protokol, çok yoğun floresan emisyonu ve nispeten küçük boyutu yayılganlığı ile sentezi ve suda çözünür InP / ZnS QDS fonksiyonalizasyonu göstermektedir. Bu QDS potansiyel yaygın olarak kullanılan CdSe / ZnS QDS daha az toksiktir. Burada InP / ZnS QDS sentezi biyomedikal uygulamalar için Cd-tabanlı QDS için pratik bir alternatif sunuyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, bir çok biyolojik sistemlerde kullanılabilir yüksek floresan InP / ZnS QDS sentezini göstermektedir. Burada sentezlenen QD ürünleri için diğer daha önce tarif edilen sentezlerin 12 ile karşılaştırılabilir 73 nm (Şekil 1) 'in bir FWHM, 600 nm'de odaklanmış olan tek bir floresans emisyon tepe sergiledi. Tepki süresi ve reaksiyon sıcaklığı QD sentez kalitesi ve tekrarlanabilirlik üzerindeki derin etkisi nedeniyle son derece önemli adımlardır. Suda ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar minnetle bu projenin verdikleri destek için Missouri State Üniversitesi Kimya Bölümü ve Lisansüstü Koleji kabul. Biz de onların transmisyon elektron mikroskobu ve karbon kaplı ızgaraları kullanımı için Kanser Araştırma Frederick Ulusal Laboratuvarı'nda Elektron Mikroskopi Laboratuvarı kabul.
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), (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).
