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Publication
Carboxylated and Aminated Carbon dots: hydrothermal synthesis, photostability, and DNA interaction studies
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 5.06 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
Carbon dots (CDs) are a class of zero-dimensional nanomaterials that were discovered in 2004. Being composed mainly by carbon, spherical in shape, and with a size ranging between 1-10 nm, hold very interesting properties, such as excellent photostability, low cytotoxicity, surface functionalization and high quantum yields when compared to other fluorophores. Regarding applications, CDs already have a considerable array being used for solar cells, chemical sensing, drug and gene delivery. Specifically, CDs have demonstrated their ability to condense and transfect DNA, as demonstrated by previous works. PAMAM dendrimers are globular molecules that hold very interesting properties for biomedical applications, especially for gene delivery. One of their versatilities is their ability to interact electrostatically with other structures, and results have shown their ability to condense and transfect DNA efficiently. The combination between CDs and PAMAM dendrimers is not broadly considered. Therefore the preparation of a complex between CDs-PAMAM and DNA would be of great interest. The capacity of CDs to act as a fluorescent probe and to condense DNA, combined with PAMAM dendrimers to efficiently guide the complex towards the interior of the cells, could provide an interesting platform for gene delivery applications. Nonetheless, the preparation of this type of complex is highly dependent on the capacity of CDs to maintain its fluorescent properties after complexation with DNA and PAMAM, and so the impact of these interactions on the fluorescence properties should be extensively studied. Here in, we report the synthesis of carboxyl and amine terminated carbon dots, using folic, ascorbic, and oxaloacetic acid as the main starting materials, and the hydrothermal approach as the method of synthesis. Further studies comprising quenching, pH, fluorescence stability over time, and DNA condensation were also performed. The interaction between CDs-DNA and CDs-PAMAM-NH2 was also tested, aiming at studying the impact on the fluorescence properties of the dots. The results obtained, particularly TEM, confirm the success of CDs synthesis, and based on FT-IR and -potential, two different amine-type and one carboxylterminated carbon dots were prepared. The carboxyl-CDs in contrast with the other two are relatively photostable and can transfect DNA almost completely. The results from the CDs-DNA interaction based on fluorescence spectroscopy, confirm the quenching effect by DNA. Lastly, the CDs-PAMAM interaction was tested using carboxyl-terminated carbon dots, and the results obtained also confirm a quenching effect by the G5 PAMAM-NH2 on the fluorescence of CDs, and interestingly G5 PAMAM-NH2 was able to enhance the fluorescence between 400-500 nm excitation when compared to the control.
Os pontos de carbono são uma classe de nanomateriais zero-dimensionais que foram descobertos em 2004. Sendo compostos maioritariamente por carbono, de forma esférica, e com um tamanho entre 1-10 nanometros, apresentam propriedades muito interessantes. As propriedades mais relevantes dos CDs são: excelente fotoestabilidade, baixa citotoxicidade, funcionalização de superfície e rendimento quântico muito superiores a outros fluoróforos. Em termos de aplicações, os CDs já têm uma grande diversidade, sendo usados para aplicações em células solares, sensores químicos, e para entrega de genes e fármacos. Especificamente, os CDs têm a capacidade para condensar e transfetar DNA, como demonstrado por trabalhos antecedentes. Os dendrímeros PAMAM são moléculas globulares com aplicações biomédicas, nomeadamente na entrega de genes. Uma das suas características é a capacidade de interagir electrostaticamente com outras estruturas. Resultados anteriores demonstraram que também podem condensar e transfetar DNA. A combinação entre os CDs e os PAMAM não tem sido muito estudada, pelo que a preparação de um complexo entre CDs-PAMAM-DNA é de grande interesse. No entanto, a preparação deste tipo de sistemas é altamente dependente da capacidade dos CDs em manterem as suas propriedades de fluorescência, visto que vão atuar como sonda fluorescente e, também condensar o DNA. O PAMAM irá funcionar como vetor não viral para guiar o complexo até o interior das células. Sendo assim, o impacto do DNA e dos dendrímeros do tipo PAMAM nas propriedades de fluorescência dos CDs deve ser bem estudada. Neste trabalho, a síntese de CDs com periferia aminada e carboxílica foi feita utilizando materiais de partida como o acido fólico, o acido ascórbico e o ácido oxaloacetico, usando o método hidrotérmico. Para a sua caracterização, foram ainda realizados estudos de “quenching”, pH, estabilidade da fluorescência com o tempo, e condensação de DNA. A interação entre os CDs-DNA e os CDs-PAMAM foi também ensaiada, com o objetivo de estudar o impacto desta na fluorescência dos CDs. Os resultados obtidos, particularmente de TEM, confirmam o sucesso na síntese de CDs. Com base nos resultados de FT-IR e Zeta-potencial, confirmou-se a formação de três tipos de nanopartículas de carbono, nomeadamente duas com periferia aminada e outra de superfície carboxílica. Os CDs de periferia rica em grupos carboxílicos têm maior fotoestabilidade comparativamente aos restantes e, também podem condensar o DNA quase completamente. Relativamente aos resultados obtidos da interação CDs-DNA, confirmou-se um efeito de “quenching” por parte do DNA. O mesmo resultado foi observado para a interação CDs-PAMAM (CDs com superfície carboxílica). Neste caso, o dendrímero PAMAM conseguiu diminuir a fluorescência dos CDs, confirmando a sua interação com este. Finalmente é de realçar a melhoria de fluorescência entre 400-500 nm de excitação comparando com o controlo.
Os pontos de carbono são uma classe de nanomateriais zero-dimensionais que foram descobertos em 2004. Sendo compostos maioritariamente por carbono, de forma esférica, e com um tamanho entre 1-10 nanometros, apresentam propriedades muito interessantes. As propriedades mais relevantes dos CDs são: excelente fotoestabilidade, baixa citotoxicidade, funcionalização de superfície e rendimento quântico muito superiores a outros fluoróforos. Em termos de aplicações, os CDs já têm uma grande diversidade, sendo usados para aplicações em células solares, sensores químicos, e para entrega de genes e fármacos. Especificamente, os CDs têm a capacidade para condensar e transfetar DNA, como demonstrado por trabalhos antecedentes. Os dendrímeros PAMAM são moléculas globulares com aplicações biomédicas, nomeadamente na entrega de genes. Uma das suas características é a capacidade de interagir electrostaticamente com outras estruturas. Resultados anteriores demonstraram que também podem condensar e transfetar DNA. A combinação entre os CDs e os PAMAM não tem sido muito estudada, pelo que a preparação de um complexo entre CDs-PAMAM-DNA é de grande interesse. No entanto, a preparação deste tipo de sistemas é altamente dependente da capacidade dos CDs em manterem as suas propriedades de fluorescência, visto que vão atuar como sonda fluorescente e, também condensar o DNA. O PAMAM irá funcionar como vetor não viral para guiar o complexo até o interior das células. Sendo assim, o impacto do DNA e dos dendrímeros do tipo PAMAM nas propriedades de fluorescência dos CDs deve ser bem estudada. Neste trabalho, a síntese de CDs com periferia aminada e carboxílica foi feita utilizando materiais de partida como o acido fólico, o acido ascórbico e o ácido oxaloacetico, usando o método hidrotérmico. Para a sua caracterização, foram ainda realizados estudos de “quenching”, pH, estabilidade da fluorescência com o tempo, e condensação de DNA. A interação entre os CDs-DNA e os CDs-PAMAM foi também ensaiada, com o objetivo de estudar o impacto desta na fluorescência dos CDs. Os resultados obtidos, particularmente de TEM, confirmam o sucesso na síntese de CDs. Com base nos resultados de FT-IR e Zeta-potencial, confirmou-se a formação de três tipos de nanopartículas de carbono, nomeadamente duas com periferia aminada e outra de superfície carboxílica. Os CDs de periferia rica em grupos carboxílicos têm maior fotoestabilidade comparativamente aos restantes e, também podem condensar o DNA quase completamente. Relativamente aos resultados obtidos da interação CDs-DNA, confirmou-se um efeito de “quenching” por parte do DNA. O mesmo resultado foi observado para a interação CDs-PAMAM (CDs com superfície carboxílica). Neste caso, o dendrímero PAMAM conseguiu diminuir a fluorescência dos CDs, confirmando a sua interação com este. Finalmente é de realçar a melhoria de fluorescência entre 400-500 nm de excitação comparando com o controlo.
Description
Keywords
Carbon dots Hydrothermal synthesis Photostability DNA interaction Pontos de carbono Síntese hidrotérmica Fotoestabilidade Interação DNA Nanochemistry and Nanomaterials . Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia