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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.
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.
量子ドット(QD)は、光1を照射すると蛍光特性を示すナノ結晶を半導体されています。それらの小さな多くのより大きな生体分子に類似しているサイズ(2-5 nm)で、および生体機能化の容易さに、QDは、生物医学的応用のための非常に魅力的なツールです。それらは、生物学的標識での使用、単一分子の生細胞イメージング、薬物送達、 生体内イメージング、病原体の検出、および細胞追跡に 、多くの他の用途の中で2-8を発見しました 。
CDベースのQDは、最も一般的には、それらの強い蛍光と狭い発光ピーク幅9の生物医学的用途に使用されてきました。しかし、懸念が原因で、ナノ粒子の分解によって放出されてもよいのCd 2+イオン 10の潜在的な毒性のために提起されています。彼らは多くの蛍光特性を維持するため、近年、InP系量子ドットは、CDベースのQDの代替として検討されていますCD-ROMベースのQDの、より生体適合性の11とすることができます。 CDベースの量子ドットのみが48時間11の後に、10ピコモルという低い濃度で、in vitroアッセイにおけるInP系量子ドットよりも有意に毒性であることが見出されています。
量子ドットの蛍光発光色は、サイズ調整可能な1です。すなわち、QDのサイズが大きくなるように、蛍光発光は、赤方偏移です。 QD製品のサイズおよびサイズ分散度は、反応12中の温度、反応時間、又は前駆体濃度の条件を変えることによって変更することができます。 InP量子ドットの発光ピークは、典型的には、より広いとCDベースのQD未満激しいが、InPの量子ドットは、スペクトルの重複を避けるために設計された色の多種多様てなされたものであり、ほとんどの生物医学的ア プリケーション12のために十分に強いであることができます。このプロトコルで詳述合成を600nmを中心とする赤色発光ピークを有する量子ドットを生成します。
いくつかのステップは、AF取られますQDコアのター合成は、量子ドットの光学的整合性を維持し、生物学的用途に適合させるために。 QDコアの表面が急冷引き起こす可能性があり、酸化や表面欠陥から保護されなければなりません。従って、ZnSシェルは、のInP / ZnS(コア/シェル)13を量子ドットを製造するためにコアの上にコーティングされています。このコーティングは、QD物のフォトルミネッセンスを保護することが示されています。 InPのQD合成中の亜鉛イオンの存在は、表面欠陥、ならびに減少サイズ分布12を制限することが示されています。でも反応媒体中のZn 2+の存在と、InZnPの合成は、12非常に低いです。コーティングした後、得られたInP / ZnSの量子ドットは、トリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)またはオレイルアミン12,14のような疎水性リガンドでコーティングされています。両親媒性ポリマーは、水溶性15を付与するためにQD表面上の疎水性リガンドと同様にバルク水分子と相互作用することができます。炭と両親媒性ポリマーキシレート化学基は、さらに量子ドットを官能化するために「化学ハンドル」として使用することができます。
このプロトコルは、非常に強い蛍光発光と比較的小さなサイズ-分散と水溶性のInP / ZnSの量子ドットの合成と機能化を詳しく説明します。これらのQDは、潜在的に一般的に使用されたCdSe / ZnSの量子ドットよりも毒性が低いです。ここで、InPの/ ZnSの量子ドットの合成は、生物医学的応用のためのCD-ROMベースのQDへの実用的な代替手段を提供します。
インジウムリン/硫化亜鉛(のInP / ZnSの)量子ドットの1の合成
2.水両親媒性ポリマーを使用したInP / ZnSの量子ドットの可溶化
コーティングされていないのInPコアは目でかなりの可視蛍光を示すものではありません。しかしのInP / ZnS(コア/シェル)量子ドットは、UV照射下で目で明るく蛍光を発するように見えます。 InP / ZnSの量子ドットの蛍光は、蛍光分光法を用いて特徴付けました。ヘキサン中の量子ドットの蛍光スペクトル73ナノメートルの半値全幅(FWHM)を用いて600nmで中心一つの主要ピークを示しているnmの533で励起された (図1)。吸光度(0.2) 図1のオフセットは、光を散乱量子ドットを意味するもので、これにより集約QDの存在、分析( 下記参照)を点滅することもできますが、ほとんどの量子ドットは、量子ドットの単一の、または非常に小さい基であることを示しています。両親媒性ポリマーPMAL-dでコーティングした後、のInP / ZnSの量子ドットの量子収率は、標準的な17としてローダミンBとQDの統合された蛍光強度を比較することにより調べました。ヘキサン中の量子ドットの量子収率がdでした平均(2測定、5.98パーセントと6.08パーセント)の平均値(2測定、7.69パーセントと8.22パーセント)に7.96パーセントと水に6.03パーセントであることをetermined。
水溶性のInP / ZnSの量子ドットのサイズは、透過型電子顕微鏡(TEM)及び動的光散乱(DLS)の両方を使用して特徴付けました。のみ(のInP / ZnSの)ナノ結晶コアおよびシェルを視覚化TEM像、ではなく、表面の有機配位子は、150,000Xの公称倍率で捕獲されました。画像は、フィジーImageJの18を使用して分析し、閾値が二値画像を与えるように調整しました。最小および最大フェレ径は、これらの水溶性量子ドットの直径を決定するために平均化しました。このデータは、2.74±0.72 nmの( 図2A&B)の平均直径を有する小さな、比較的単分散量子ドットを実証しました。 PMAL-D中に封入pH7の水中での量子ドットの有効流体力学的直径は、DLSを使用してから測定しました。そのはずDLSを介した効果的な流体力学的直径は、有機配位子とポリマーQDの表面上だけでなく、それらと相互作用する水の分子を含む溶媒和QDを測定することを指摘しました。したがって、DLS測定値は、一般に、TEM実験で得られた測定値よりもはるかに大きいです。この測定では、量子ドットが球状であると仮定して、30の測定値の合計は、BIC部分Solutionsソフトウェアを使用して体積有効径を計算するために捕捉しました。これらの値は、14.8±6.0 nmの( 図2C)の平均粒径を提供する、平均しました。
合成したInP / ZnSの量子ドットか否かを決定するために分析を、落射蛍光顕微鏡8を用いて実施した点滅、単一分子イメージングのために適していました。それと "オフ"蛍光発光状態がSを識別するために使用することができる「オン」の分析、光学顕微鏡を使用して、個々の量子ドットを見ることができないが蛍光画像でイングルのQD涙点。単一点滅量子ドットを表す斑点が「オフ」状態と区別される「オン」状態を示します。 (脱イオン水中で約100 PMに希釈)点滅QDの映画は63X、適切なフィルタキューブとCCDカメラと落射蛍光顕微鏡に装着1.4 NA、油浸対物レンズを用いて捕捉しました。画像は500フレームのために連続して30ミリ秒の露光で撮影しました。点滅分析はImageJの19( 図3A)を用いて、各フレーム内の単一の斑点(約4ピクセル)の平均強度を分析することによって行いました。 「オン」と私たちのQDの「オフ」状態の間で明確なギャップは、1分子イメージング( 図3B)のための彼らの可能性を示しています。
細胞とのInP / ZnSの量子ドットの相互作用はまた、毒性および細胞内在化の両方を通って調査しました。ために両方の研究は、マウス神経芽細胞腫(N2aの)細胞を使用し、全ての実験は、細胞培地中で行った(50/50 D-MEM /のOpti-MEM、10%ウシ胎児血清および抗生物質/抗真菌剤を補充しました)。トリパンブルー毒性アッセイ20は、量子ドットの濃度を変えて24および48時間N2a細胞をインキュベートすることによって行いました。結果は1-5 nMで( 図4)との間にQD濃度でN2a細胞の無視できる程度の毒性を示しています。 QDの内在化を観察するために、N2a細胞を、5及び10 nMの両方で12時間、水溶性のInP / ZnSの量子ドットとインキュベートしました。これらのQDとインキュベートした細胞の画像は、ナノ粒子21の他の内在化の結果と一致している12時間( 図5)、後QDのリソソーム局在を実証するために表示されます。
図1.吸光度との蛍光特性評価 InP / ZnSの量子ドット。吸光度と600nmにおける最大吸光度と73ナノメートルのFWHMを示す、533 nmで励起し、ヘキサン中のInP / ZnSのの蛍光発光スペクトルを修正しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
水中でのポリマー被覆のInP / ZnSの量子ドットの 図2. サイズ分析。水に溶解したInP / ZnSの量子ドットの(A)透過型電子顕微鏡写真(スケールバー= 50 nm)を。 TEMの(B)の粒子サイズ分布ヒストグラムは2.74±0.72ナノメートルの平均直径をもたらします。 (C)水の中のInP / ZnSの量子ドットの動的光散乱分析、14.8±6.0 nmの平均流体力学直径を示します。large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
そして「オン」と「オフ」の別個の存在を詳細図 のInP / ZnSの量子ドットの 3 点滅分析。単一の蛍光涙点分析は、(A)は460nm±25nmの励起フィルターを使用して、水中でのInP / ZnSの量子ドットの点滅プロファイルを介して状態、500nmのロングパス発光フィルター、および475nmのダイクロイックミラー、及び(B)1 QD点滅プロファイルからのピクセル強度の二峰性分布を示すヒストグラム。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図のInP / ZnSの量子ドットで処理したN2a細胞の4トリパンブルー毒性アッセイグラフ24のためのInP / ZnSの量子ドットを用いたインキュベーション後のN2a細胞の生存性を描いた(黒)または48時間(赤)。 。無視できる毒性を5nm未満に観察されます。エラーバーは、3つの異なる測定での生存率の標準偏差に基づいている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
N2a細胞中でのInP / ZnSの量子ドットの図5.内在。0 nMの制御(A)DIC(B)QD、および(C)オーバーレイとのインキュベーションの12時間後のInP / ZnSの量子ドットの内在化を示す蛍光顕微鏡写真、12時間後(5 nMの量子ドット(D)DIC(E)QDとのインキュベーションの、および F)オーバーレイ、および10 nMの量子ドット(G)DIC(H)QD、および(I)のオーバーレイとのインキュベーションの12時間後。スケールバー=10μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
このプロトコルは、多くの生物学的システムで使用することができ、高度に蛍光のInP / ZnSの量子ドットの合成を詳述します。ここで合成されたQD製品は、他の前述の合成12に匹敵する73ナノメートルのFWHMで600nmで( 図1)を中心とする単一の蛍光発光ピークを示しました。反応時間および反応温度は、QD合成の品質および再現性に対するそれらの深刻な影響のために非常に重要なステップです。水に可溶化した後、量子ドットは、約6%の量子収率を有すると決定されました。反応時間、温度、又は前駆体濃度の変化は、マルチスペクトルの用途に使用することができる、QDの大きさと発光波長の調整を可能にします。
サイズと表面電荷は、生体系におけるナノ粒子を使用する際に考慮すべき非常に重要な要因です。標的生体分子の乱れを最小限に抑えるために、QDは小さな、月を維持する必要がありますodisperseサイズ。さらに、溶液中の量子ドットの表面電荷は、意図しない標的に向かって非特異的結合を減少させるために修飾することができます。ここで提示QDの合成は、TEM(のみコアとシェルが表示されている)( 図2Aおよび2B)による2.74±0.72 nmの直径を持つ量子ドットを生成しました。水溶性量子ドットは、現在、生物学的研究22に使用されるCD-ROMベースの量子ドットに匹敵する14.8±6.0 nmでの有効流体力学直径を有することが見出されました。水性量子ドットの表面電荷及び機能は、両親媒性ポリマーのカルボキシレート化学基のさらなる反応により修飾することができます。
点滅分析は、単一分子イメージング研究のためにこれらのInP / ZnSのの適合性を探るために使用されました。それは、光学顕微鏡を使用して、個々の量子ドットを視覚化することは不可能であるので、個々の量子ドットの点滅は、単一の粒子を同定するために用いることができます。この点滅現象は離散&の間で交互であります「蛍光が時間をかけて、単一の蛍光QDの涙点の平均ピクセル強度を使用して調査することができます23を 、述べたInP / ZnSのQDの涙点の蛍光トレースが特性を示しています。「オン・オフ」と「(」と「オフ」状態に;#34 図3(a))。また、「上」及び単一粒子 8 を区別するために、以前の研究で使用されている単一の斑点( 図3B)の「オフ」状態の間には重複が存在しません。
さらなる実験は、細胞の研究のためにこれらのInP / ZnSの量子ドットの適合性を探求するために使用されました。トリパンブルー毒性アッセイのInP / ZnSの量子ドットの生体適合性を評価するために行きました。 InP / ZnSの量子ドット11のための毒性試験に匹敵する1-5 nMでから、無視できる程度の毒性が観察された( 図4)を 、範囲のQD濃度で48時間までの24時間のインキュベーションの後。実質的な毒性は、ベルを観察されませんでしたOW 25 nMの。この濃度は、多くの生物医学的用途のために必要とされるよりもはるかに高いです。例えば、単一分子イメージング研究は、多くの場合、表面結合細胞受容体24の代表的な数を標識するためにQDプローブのpMの濃度を必要とします。また、携帯メディアで12時間5 nMもしくは10 nmでのQDとインキュベートN2a細胞は、エンドサイトーシスを介して量子ドットが内在化されていることを示し、 すなわち、QDは、細胞内の点状染色パターン( 図5)を示しています。これらの結果は、細胞プロセスを調査するためのこれらのInP / ZnSの量子ドットの適合性を示しています。
このプロトコルは、強い蛍光発光、比較的小さなサイズ分散、および生物学的適合性を有する水溶性のInP / ZnSの量子ドットの合成と機能化を詳しく説明します。これらのQD製品の高い品質は、それらが単一moleculに適していることを実証する蛍光顕微鏡で単一量子ドットの視覚化により示されます電子イメージング。これらのCdフリーの量子ドットが潜在的にはるかに毒性の少ない研究生物系だけでなく、それらを研究する研究者であることが予想されます。このように、生物医学的用途のためのこれらのIn系量子ドットの使用は、CDベースのQDに慎重な代替手段です。
著者らは、開示することは何もありません。
作者は感謝して、このプロジェクトの彼らのサポートのためにミズーリ州立大学化学科と大学院大学を認めます。また、それらの透過電子顕微鏡および炭素被覆グリッドの使用については、がん研究のためのフレデリック国立研究所の電子顕微鏡研究室を認めます。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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Katye M. Fichter
from:
Kathryn M. Fichter
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