Nanoparticules et ‘quantum dots’

Développement des nanotechnologies

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

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

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

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

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

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

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

Si 1,12 eV 1,59 eV CdSe 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

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

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

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

la lumière émise dépend de la dimension des nano-particules 470 480 520 560 594 620 fluorescence de CdSe-ZnS nm 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

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

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, …..

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

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

Nanoparticules stables en suspension aqueuse ‘ EviDots ’

Synthèse additive - RGB

Core Test Kits

Applications biologiques Quantum dots Applications biologiques Bio-marqueurs

ZnS CdSe

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

en remplaçant une partie des PEG-PE par des dérivés aminés Marquage de molécules biologiques CdSe ZnS ADN ligands 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

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

Des QD de tailles différentes donnent des couleurs différentes

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

Greffage d’un marqueur (streptavidin) et d’anticorps spécifiques IgG 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

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

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

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

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

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

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

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) 2 types de QD CdSe/ZnS/SiO2 d= 2,8 nm l = 554 nm (vert) CdSe/ZnS/SiO2 d=4,1 nm l = 626 nm (rouge) les QD restent luminescent pendant plus d’une semaine les cellules continuent à croître et à se diviser

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

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)

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

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

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