Nanoparticules et ‘quantum dots’

Développement des nanotechnologies

Confinement quantique

Modèle du puits de potentiel infini

Hamiltonien H = -2m

2

x2

h2

x0 L

V = 0V = ∞ V = ∞

E

e-

Fonction d’onde = eikx1

√L

Énergie E = 2m

h2k2k = 2n/L

Zones de Brillouin k = n/a

double quantification de l’énergie E = h 2 k2

2m

bande d’énergie

électron libre

k = 2n/L

périodicité

k = n/a

zone de Brillouin

Niveaux d’énergie d’un semi-conducteur

L >> a

bande interdite

L

a

Energie En = h2

2m

L2n2

E(N/2) = h2

2m

L2(N/2)2

E(N/2)+1 = h2

2m

L2(N/2 + 1)2

h2

8mL2(N + 1)=E E augmente quand L diminue

Confinement quantique

n = N/2 + 1

n = N/2

E

LUMO = bande de conduction

HOMO = bande de valence

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

Une seule condition, ne pas vibrer aux 2 extrémités

Ondes stationnaires

orbitaleatomique

orbitales moléculaires

banded’énergie

Que se passe t’il quand L devient nanométrique ?

Les états continus (bande) deviennent discrets

Le gap augmente quand la taille diminue

orbitaleatomique

orbitales moléculaires

banded’énergie

On peut contrôler les propriétés optiques d’un semi-conducteur en contrôlant sa taille

d

quand le diamètre des particules augmentele gap diminue

l’absorption se déplace vers le rouge

Déplacement du gap vers les hautes énergies lorsque la taille diminue

décalage de l’absorption et de l’émission vers le bleu

2,58 eV CdS

1,59 eVCdSe

Si1,12 eV

500 700

3 nm 4 nm 5 nm

3 nm 4 nm 5 nm

3 nm

5 nm

4 nm

600400

CdSe

Eg = 1,6 eV

Nanoparticules de

Evident Technologies

nanoparticules en suspension aqueuse

‘ EviDots ’

spectres d’absorption

spectres d’émission

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 optiquede l’Infra-Rouge (CdTe, InAs) à l’Ultra-Violet (ZnSe)

des cristaux de tailles différentes donnent

des émissions de couleurs différentes

avec la même lumière excitatrice

la lumière émise dépend de la dimension des nano-particules

B.O. Dabbousi et al. J. Phys.Chem. B, 101 (1997) 9463

470 480 520 560 594 620

fluorescence de CdSe-ZnS

nm

Des cristaux de tailles différentes donnent des émissionsde couleurs différentes avec la même lumière excitatrice

d’où la possibilité d’émettre une lumière blanche

Sandia

CdS de 3 tailles pour émettre rouge + vert + bleu dans une résine époxyexcitation par LED proche UV

14.07.03

Synthèse des ‘ quantum dots ’

1. Précipitation contrôlée de nano-cristaux

CdS (UV- bleu)CdSe (visible)CdTe (rouge-infra-rouge)

Confinement en milieu micellaire

Formes variées : sphères, cubes, cylindres, …..

micelle inversemicelle

Synthèse des quantum dots

2. Revêtement ‘core-shell’protection ≠ agrégation

CdSe ZnS

neutralité optique

relation structurale (épitaxie)

transparentnon émissif

ZnS

CdSe

3,8 eV1,6 eV

cœur : CdSe

coquille : ZnS

couche de ligands

e ≈ 1 nm

e ≈ 1-2 nm

d ≈ 1-10 nm

Synthèse des quantum dots

3. Fonctionalisation chimique : solubilisation (SiO2, …)

biologique : cible

Nanoparticules stables en suspension aqueuse

‘ EviDots ’

Synthèse additive - RGB

Core Test Kits

Quantum dots

Applications biologiques

Bio-marqueurs

CdSe

ZnS

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

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

Marquage de molécules biologiques

Greffage sur ADN en remplaçant une partie

des PEG-PE par des dérivés aminés

CdSe

ZnS

ADNligands

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

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)

même taille que les protéines

Des QD de tailles différentes donnent des couleurs différentes

d

Palette de couleurs variée

GFP + RFP

Protéines fluorescentes

481 508 547 575

Quantum dots

Greffage d’un marqueur (streptavidin) et d’anticorps spécifiques IgGsur les quantum dots

cible = cellules cancéreuses du poumon

Microtubules colorés en vert par QdotTM 525-stretavidin

Mitochondries colorées en rouge par QdotTM 605-treptavidin

Noyaux colorés en bleu par un luminophore organique

Marquage de cellules cancéreuses

excitation sous

lampe UV (Hg)

émission par

quantum dot

Marquage ‘ code-barre ’

chaque QD est lié à une biomolécule spécifique

grand nombre de combinaisonspossibles avec 3 marqueurs

Spectre d’absorption plus large Spectre d’émission plus fin

Meilleur rendement lumineux

Comparaison QD-rhodamine

Raies plus fines

Détection simultanée de cellules cancéreusesmarquées avec 4 QD différents : 525, 565, 605, 655

nm

avec filtrage

525 ± 10 nm 565 ± 10 nm 605 ± 10 nm 655 ± 10 nm

vertrouge

Possibilité de marquer différents types de cellules

Chromophore organiqueAlexa 546-Sav

Quantum dot608-Sav

émission lumineuse intense

Coupes de cellules rénales de souriscolorées avec

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

Colorant organique

luminescence verte

Quantum dots

luminescence rouge

photostabilité et durée de vie

après irradiation 3 mn avec une lampe Hg

Bio-marqueurs dynamiques

Les QD peuvent traverser les membranes cellulaires par endocytoseils conservent leur propriétés de luminescence dans la cellule

Suivi du déplacement des cellules cancéreuse (métastases)

2 types de QDCdSe/ZnS/SiO2 d= 2,8 nm = 554 nm (vert)

CdSe/ZnS/SiO2 d=4,1 nm = 626 nm (rouge)

W.J. Parak et al. Advanced Materials, 14 (2002) 882Berkely

les QD restent luminescent pendant plus d’une semaineles cellules continuent à croître et à se diviser

Les QD verts (8 nm)ont été ingérés par les celluleset stockés dans des vésicules

Les QD sont répartisdans l’ensemble des vésicules et pas seulement à la surface

Microscopie confocalede fluorescence

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 m/s)

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

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

In-vivo imaging of quantum dots

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

QuickTime™ et un décompresseurVideo sont requis pour visualiser

cette image.

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