Nanoparticules et ‘quantum dots’

1. Nanoparticules et ‘quantum dots’

2. Développement des nanotechnologies

3. Confinement quantique Modèle du puits de potentiel infini E d2 h2 H = - Hamiltonien V = ∞ V = ∞ 2m dx2 V = 0 e- x h2k2 0 L E = Fonction d’onde 2m 1 k = 2pn/L Y = eikx Énergie √L Zones de Brillouin k = np/a

4. électron libre k = 2pn/L périodicité k = np/a a L E = 2m zone de Brillouin 2 k2 h Niveaux d’énergie d’un semi-conducteur double quantification de l’énergie bande d’énergie bande interdite L >> a

5. n = N/2 + 1 n2 DE n = N/2 p2 p2 p2 E(N/2)+1 = En = 2 2 2 2m L2 L2 L2 h h h h2 E(N/2) = (N + 1) DE = 8mL2 (N/2 + 1)2 (N/2)2 2m 2m Energie LUMO = bande de conduction HOMO = bande de valence DE augmente quand L diminue Confinement quantique

6. Longue chaîne délocalisation le long de toute la chaîne la couleur dépend de la longueur de la chaîne Analogie avec une corde vibrante corde courte = note aiguë corde longue = note grave Ondes stationnaires Une seule condition, ne pas vibrer aux 2 extrémités

7. orbitales moléculaires bande d’énergie orbitale atomique Que se passe t’il quand L devient nanométrique ? Les états continus (bande) deviennent discrets

8. orbitales moléculaires bande d’énergie orbitale atomique Le gap augmente quand la taille diminue On peut contrôler les propriétés optiques d’un semi-conducteur en contrôlant sa taille

10. l d quand le diamètre des particules augmente le gap diminue l’absorption se déplace vers le rouge

11. Si 1,12 eV CdSe 1,59 eV 2,58 eV CdS Déplacement du gap vers les hautes énergies lorsque la taille diminue décalage de l’absorption et de l’émission vers le bleu

12. CdSe 3 nm 4 nm 5 nm Eg = 1,6 eV 3 nm 4 nm Nanoparticules de 5 nm 400 600 3 nm 4 nm 5 nm 500 700

13. spectres d’absorption spectres d’émission l l Evident Technologies ‘ EviDots ’ nanoparticules en suspension aqueuse

14. 443 473 481 500 518 543 565 587 610 655 nm la lumière émise dépend de la dimension des nano-particules on peut couvrir toute la gamme optique de l’Infra-Rouge (CdTe, InAs) à l’Ultra-Violet (ZnSe)

15. fluorescence de CdSe-ZnS 470 480 520 560 594 620 nm la lumière émise dépend de la dimension des nano-particules B.O. Dabbousi et al. J. Phys.Chem. B, 101 (1997) 9463 des cristaux de tailles différentes donnent des émissions de couleurs différentes avec la même lumière excitatrice

16. Des cristaux de tailles différentes donnent des émissions de couleurs différentes avec la même lumière excitatrice d’où la possibilité d’émettre une lumière blanche Sandia 14.07.03 CdS de 3 tailles pour émettre rouge + vert + bleu dans une résine époxy excitation par LED proche UV

17. Synthèse des ‘ quantum dots ’ 1. Précipitation contrôlée de nano-cristaux CdS (UV- bleu) CdSe (visible) CdTe (rouge-infra-rouge) Confinement en milieu micellaire micelle micelle inverse Formes variées : sphères, cubes, cylindres, …..

18. transparent non émissif neutralité optique relation structurale (épitaxie) ZnS CdSe ZnS CdSe Synthèse des quantum dots protection ≠ agrégation 2. Revêtement ‘core-shell’

19. cœur : CdSe d ≈ 1-10 nm coquille : ZnS e ≈ 1-2 nm couche de ligands e ≈ 1 nm Synthèse des quantum dots chimique : solubilisation (SiO2, …) biologique : cible 3. Fonctionalisation 1,6 eV 3,8 eV

20. Nanoparticules stables en suspension aqueuse ‘ EviDots ’

21. Synthèse additive - RGB

22. Core Test Kits

24. Quantum dots Applications biologiques Bio-marqueurs

25. ZnS CdSe

26. Bio-molécules (protéine, oligonucléotide, …) greffées sur QD

27. Synthèse de nano-particules bio-compatibles dispersables dans l’eau Encapsulation des quantum dots au sein de micelles phospholipides-copolymères blocs n-poly-éthylène glycol (PEG) + phospholipide

28. ligands ADN CdSe ZnS Marquage de molécules biologiques Greffage sur ADN en remplaçant une partie des PEG-PE par des dérivés aminés ADN marqué Les QD encapsulés peuvent traverser les membranes cellulaires par endocytose Ils conservent leur propriétés de luminescence au sein de la cellule Les cellules continuent à se développer et à se diviser

29. même taille que les protéines Avantages des Quantum Dots par rapport aux fluorophores organiques (rhodamine) ou biologiques (GFP) 120 fois plus brillant - 100 fois plus stable - raies plus fines (1/30)

30. l d Des QD de tailles différentes donnent des couleurs différentes

31. Protéines fluorescentes Quantum dots 481 508 547 575 GFP + RFP Palette de couleurs variée

32. Marquage de cellules cancéreuses Greffage d’un marqueur (streptavidin) et d’anticorps spécifiques IgG sur les quantum dots cible = cellules cancéreuses du poumon excitation sous lampe UV (Hg) émission par quantum dot Microtubules colorés en vert par QdotTM 525-stretavidin Mitochondries colorées en rouge par QdotTM 605-treptavidin Noyaux colorés en bleu par un luminophore organique

37. Marquage ‘ code-barre ’ chaque QD est lié à une biomolécule spécifique grand nombre de combinaisons possibles avec 3 marqueurs

38. Raies plus fines Spectre d’absorption plus large Spectre d’émission plus fin Comparaison QD-rhodamine Meilleur rendement lumineux

39. 525 ± 10 nm 655 ± 10 nm 565 ± 10 nm 605 ± 10 nm rouge vert Détection simultanée de cellules cancéreuses marquées avec 4 QD différents : 525, 565, 605, 655 nm Possibilité de marquer différents types de cellules avec filtrage

40. émission lumineuse intense Coupes de cellules rénales de souris colorées avec Chromophore organique Alexa 546-Sav Quantum dot 608-Sav

41. Les QD ont une durée de vie beaucoup plus longue que les fluorophores organiques La luminescence peut durer plusieurs heures au lieu de quelques minutes

42. Colorant organique luminescence verte Quantum dots luminescence rouge photostabilité et durée de vie après irradiation 3 mn avec une lampe Hg

43. CdSe/ZnS/SiO2 d= 2,8 nm l = 554 nm (vert) CdSe/ZnS/SiO2 d=4,1 nm l = 626 nm (rouge) 2 types de QD Bio-marqueurs dynamiques W.J. Parak et al. Advanced Materials, 14 (2002) 882 Berkely Les QD peuvent traverser les membranes cellulaires par endocytose ils conservent leur propriétés de luminescence dans la cellule Suivi du déplacement des cellules cancéreuse (métastases) les QD restent luminescent pendant plus d’une semaine les cellules continuent à croître et à se diviser

44. Microscopie confocale de fluorescence Les QD verts (8 nm) ont été ingérés par les cellules et stockés dans des vésicules Les QD sont répartis dans l’ensemble des vésicules et pas seulement à la surface

45. Le fluorophore organique (rouge) disparaît rapidement 5 mn Les QD (vert) demeurent fluorescents 16 mn Les QD (vésicules) se déplacent de la périphérie vers le noyau (v ≈ 0,1 mm/s)

46. In-vivo imaging of quantum dots B. Dubertret et al. Science, 298 (2002) 1759 Rockefeller University Suivi in-vivo du développement de l’embryon de grenouille (xenope) Via l’injection de QD dans l’oeuf

47. In-vivo imaging of quantum dots La fécondation entraîne une succession rapide de divisions cellulaires dans desquelles la cellule se clive pour générer un embryon constitué de milliers de petites cellules Au début , il n’y a pas de synthèse d ’ARN, c.a.d. pas de transcription de l’information génétique ni de synthèse de protéines, l’embryon vit avec les protéines et l’ARN maternels Après la 12ème division (≈ 4.000 cellules) l’embryon commence à fabriquer son propre ARN C’est à ce moment que les QD se concentrent autour du noyau

48. Les QD dispersés dans le cytoplasme de l’embryon se regroupent autour du noyau après environ 12 divisions marquant le début des processus de translocation