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