nanoparticules et quantum dots. développement des nanotechnologies

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  • Nanoparticules et quantum dots
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  • Dveloppement des nanotechnologies
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  • Confinement quantique Modle du puits de potentiel infini Hamiltonien H = - 2m 2 x 2 2 x 0L V = 0 V = E e-e- Fonction donde = e ikx 1 L nergie E = 2m 2 k 2 k = 2 n/L Zones de Brillouin k = n /a
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  • double quantification de lnergie E = h 2 k2k2 2m bande dnergie lectron libre k = 2 n/L priodicit k = n /a zone de Brillouin Niveaux dnergie dun semi-conducteur L >> a bande interdite L a
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  • Energie E n = 2 2m L2L2 n2n2 E (N/2) = 2 2m L2L2 (N/2) 2 E (N/2)+1 = 2 2m L2L2 (N/2 + 1) 2 h2h2 8mL 2 (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
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  • Longue chane dlocalisation le long de toute la chane la couleur dpend de la longueur de la chane Analogie avec une corde vibrante corde courte = note aigu corde longue = note grave Une seule condition, ne pas vibrer aux 2 extrmits Ondes stationnaires
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  • orbitale atomique orbitales molculaires bande dnergie Que se passe til quand L devient nanomtrique ? Les tats continus (bande) deviennent discrets
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  • Le gap augmente quand la taille diminue orbitale atomique orbitales molculaires bande dnergie On peut contrler les proprits optiques dun semi-conducteur en contrlant sa taille
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  • d quand le diamtre des particules augmente le gap diminue labsorption se dplace vers le rouge
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  • Dplacement du gap vers les hautes nergies lorsque la taille diminue dcalage de labsorption et de lmission vers le bleu 2,58 eV CdS 1,59 eV CdSe Si 1,12 eV
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  • 500700 3 nm4 nm5 nm 3 nm4 nm5 nm 3 nm 5 nm 4 nm 600400 CdSe E g = 1,6 eV Nanoparticules de
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  • Evident Technologies nanoparticules en suspension aqueuse EviDots spectres dabsorption spectres dmission
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  • 443 473 481 500 518 543 565 587 610 655 nm la lumire mise dpend de la dimension des nano-particules on peut couvrir toute la gamme optique de lInfra-Rouge (CdTe, InAs) lUltra-Violet (ZnSe)
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  • des cristaux de tailles diffrentes donnent des missions de couleurs diffrentes avec la mme lumire excitatrice la lumire mise dpend de la dimension des nano-particules B.O. Dabbousi et al. J. Phys.Chem. B, 101 (1997) 9463 470480520560594620 fluorescence de CdSe-ZnS nm
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  • Des cristaux de tailles diffrentes donnent des missions de couleurs diffrentes avec la mme lumire excitatrice do la possibilit dmettre une lumire blanche Sandia CdS de 3 tailles pour mettre rouge + vert + bleu dans une rsine poxy excitation par LED proche UV 14.07.03
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  • Synthse des quantum dots 1. Prcipitation contrle de nano-cristaux CdS (UV- bleu) CdSe (visible) CdTe (rouge-infra-rouge) Confinement en milieu micellaire Formes varies : sphres, cubes, cylindres, .. micelle inverse micelle
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  • Synthse des quantum dots 2. Revtement core-shell protection agrgation CdSe ZnS neutralit optique relation structurale (pitaxie) transparent non missif ZnS CdSe
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  • 3,8 eV 1,6 eV cur : CdSe coquille : ZnS couche de ligands e 1 nm e 1-2 nm d 1-10 nm Synthse des quantum dots 3. Fonctionalisation chimique : solubilisation (SiO 2, ) biologique : cible
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  • Nanoparticules stables en suspension aqueuse EviDots
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  • Synthse additive - RGB
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  • Core Test Kits
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  • Quantum dots Applications biologiques Bio-marqueurs
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  • CdSe ZnS
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  • Bio-molcules (protine, oligonuclotide, ) greffes sur QD
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  • Synthse de nano-particules bio-compatibles dispersables dans leau Encapsulation des quantum dots au sein de micelles phospholipides-copolymres blocs n-poly-thylne glycol (PEG) + phospholipide
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  • Marquage de molcules biologiques Greffage sur ADN en remplaant une partie des PEG-PE par des drivs amins CdSe ZnS ADN ligands ADN marqu Les QD encapsuls peuvent traverser les membranes cellulaires par endocytose Ils conservent leur proprits de luminescence au sein de la cellule Les cellules continuent se dvelopper et se diviser
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  • 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) mme taille que les protines
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  • Des QD de tailles diffrentes donnent des couleurs diffrentes d
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  • Palette de couleurs varie GFP + RFP Protines fluorescentes 481508547575 Quantum dots
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  • Greffage dun marqueur (streptavidin) et danticorps spcifiques IgG sur les quantum dots cible = cellules cancreuses du poumon Microtubules colors en vert par QdotTM 525-stretavidin Mitochondries colores en rouge par QdotTM 605-treptavidin Noyaux colors en bleu par un luminophore organique Marquage de cellules cancreuses excitation sous lampe UV (Hg) mission par quantum dot
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  • Marquage code-barre chaque QD est li une biomolcule spcifique grand nombre de combinaisons possibles avec 3 marqueurs
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  • Spectre dabsorption plus largeSpectre dmission plus fin Meilleur rendement lumineux Comparaison QD-rhodamine Raies plus fines
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  • Dtection simultane de cellules cancreuses marques avec 4 QD diffrents : 525, 565, 605, 655 nm avec filtrage 525 10 nm 565 10 nm605 10 nm 655 10 nm vert rouge Possibilit de marquer diffrents types de cellules
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  • Chromophore organique Alexa 546-Sav Quantum dot 608-Sav mission lumineuse intense Coupes de cellules rnales de souris colores avec
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  • Les QD ont une dure de vie beaucoup plus longue que les fluorophores organiques La luminescence peut durer plusieurs heures au lieu de quelques minutes
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  • Colorant organique luminescence verte Quantum dots luminescence rouge photostabilit et dure de vie aprs irradiation 3 mn avec une lampe Hg
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  • Bio-marqueurs dynamiques Les QD peuvent traverser les membranes cellulaires par endocytose ils conservent leur proprits de luminescence dans la cellule Suivi du dplacement des cellules cancreuse (mtastases) 2 types de QD CdSe/ZnS/SiO 2 d= 2,8 nm = 554 nm (vert) CdSe/ZnS/SiO 2 d=4,1 nm = 626 nm (rouge) W.J. Parak et al. Advanced Materials, 14 (2002) 882 Berkely les QD restent luminescent pendant plus dune semaine les cellules continuent crotre et se diviser
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  • Les QD verts (8 nm) ont t ingrs par les cellules et stocks dans des vsicules Les QD sont rpartis dans lensemble des vsicules et pas seulement la surface Microscopie confocale de fluorescence
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  • Le fluorophore organique (rouge) disparat rapidement 5 mn Les QD (vert) demeurent fluorescents 16 mn Les QD (vsicules) se dplacent de la priphrie vers le noyau (v 0,1 m/s)
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  • In-vivo imaging of quantum dots B. Dubertret et al. Science, 298 (2002) 1759 Rockefeller University Suivi in-vivo du dveloppement de lembryon de grenouille (xenope) Via linjection de QD dans loeuf
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  • La fcondation entrane une succession rapide de divisions cellulaires dans desquelles la cellule se clive pour gnrer un embryon constitu de milliers de petites cellules In-vivo imaging of quantum dots Au dbut, il ny a pas de synthse d ARN, c.a.d. pas de transcription de linformation gntique ni de synthse de protines, lembryon vit avec les protines et lARN maternels Aprs la 12 me division ( 4.000 cellules) lembryon commence fabriquer son propre ARN Cest ce moment que les QD se concentrent autour du noyau
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  • Les QD disperss dans le cytoplasme de lembryon se regroupent autour du noyau aprs environ 12 divisions marquant le dbut des processus de translocation