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Nanoparticules et quantum dots. Développement des nanotechnologies.

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1 Nanoparticules et quantum dots

2 Développement des nanotechnologies

3 Confinement quantique Modèle 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 Énergie E = 2m 2 k 2 k = 2 n/L Zones de Brillouin k = n /a

4 double quantification de lénergie E = h 2 k2k2 2m bande dénergie électron libre k = 2 n/L périodicité k = n /a zone de Brillouin Niveaux dénergie dun semi-conducteur L >> a bande interdite L a

5 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

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 Une seule condition, ne pas vibrer aux 2 extrémités Ondes stationnaires

7 orbitale atomique orbitales moléculaires bande dénergie Que se passe til quand L devient nanométrique ? Les états continus (bande) deviennent discrets

8 Le gap augmente quand la taille diminue orbitale atomique orbitales moléculaires bande dénergie On peut contrôler les propriétés optiques dun semi-conducteur en contrôlant sa taille

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10 d quand le diamètre des particules augmente le gap diminue labsorption se déplace vers le rouge

11 Déplacement du gap vers les hautes énergies lorsque la taille diminue décalage de labsorption et de lémission vers le bleu 2,58 eV CdS 1,59 eV CdSe Si 1,12 eV

12 nm4 nm5 nm 3 nm4 nm5 nm 3 nm 5 nm 4 nm CdSe E g = 1,6 eV Nanoparticules de

13 Evident Technologies nanoparticules en suspension aqueuse EviDots spectres dabsorption spectres démission

14 nm la lumière émise dépend de la dimension des nano-particules on peut couvrir toute la gamme optique de lInfra-Rouge (CdTe, InAs) à lUltra-Violet (ZnSe)

15 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) fluorescence de CdSe-ZnS nm

16 Des cristaux de tailles différentes donnent des émissions de couleurs différentes avec la même lumière excitatrice doù la possibilité démettre une lumière blanche Sandia 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 Formes variées : sphères, cubes, cylindres, ….. micelle inverse micelle

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

19 3,8 eV 1,6 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 (SiO 2, …) biologique : cible

20 Nanoparticules stables en suspension aqueuse EviDots

21 Synthèse additive - RGB

22 Core Test Kits

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24 Quantum dots Applications biologiques Bio-marqueurs

25 CdSe ZnS

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

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

28 Marquage de molécules biologiques Greffage sur ADN en remplaçant une partie des PEG-PE par des dérivés aminés CdSe ZnS ADN ligands 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 Avantages des Quantum Dots par rapport aux fluorophores organiques (rhodamine) ou biologiques (GFP) 120 fois plus brillant fois plus stable - raies plus fines (1/30) même taille que les protéines

30 Des QD de tailles différentes donnent des couleurs différentes d

31 Palette de couleurs variée GFP + RFP Protéines fluorescentes Quantum dots

32 Greffage dun marqueur (streptavidin) et danticorps spécifiques IgG sur 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

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

38 Spectre dabsorption plus largeSpectre démission plus fin Meilleur rendement lumineux Comparaison QD-rhodamine Raies plus fines

39 Détection simultanée de cellules cancéreuses marquées avec 4 QD différents : 525, 565, 605, 655 nm avec filtrage 525 ± 10 nm 565 ± 10 nm605 ± 10 nm 655 ± 10 nm vert rouge Possibilité de marquer différents types de cellules

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

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 Bio-marqueurs dynamiques 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) 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 à croître et à se diviser

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

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 m/s)

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

47 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 ny a pas de synthèse d ARN, c.a.d. pas de transcription de linformation génétique ni de synthèse de protéines, lembryon vit avec les protéines et lARN maternels Après la 12 ème division ( cellules) lembryon commence à fabriquer son propre ARN Cest à ce moment que les QD se concentrent autour du noyau

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


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