Die Autoren bedanken sich bei Dr. Hong Yi an der Emory University Integrierte Microscopy Core-danke für die Elektronenmikroskopie Bildgebung. Diese Arbeit wurde vom NIH Zuschüsse finanziert (PN2EY018244, R01 CA108468, U54CA119338 und 1K99CA154006-01).

Die folgenden Synthese-Verfahren beinhalten Standard luftfreien Techniken und die Verwendung einer Vakuum / Inertgas Verteiler; detaillierte Methode können in Referenzen 10 und 11 gefunden werden. MSDS für alle potenziell toxischen und brennbaren Stoffen sollten vor Gebrauch konsultiert werden und alle brennbaren und / oder Luft-labile Verbindungen sollten in Septum verschlossenen Fläschchen in einem Handschuhfach oder Handschuhsacks aliquotiert werden. Ein. Synthese von Mercury Cadmium Selenide (Hg x Cd 1-x Se) Quantum Dot Cores <ol><li> Bereiten Sie eine 0,4 M Lösung von Selen in Trioctylphosphin (TOP). Fügen Selen (0,316 g, 4 mmol) in einem 50 ml-3-Halskolben, dann evakuieren und füllen mit Argon mit einem Schlenk Linie. Unter Luft-freien Bedingungen (trockener Stickstoff oder Argon), 10 ml TOP und Hitze bis 100 ° C unter Rühren für 1 Stunde, um eine klare, farblose Lösung ergeben. Kühlen Sie die Lösung auf Raumtemperatur und stellen Sie die Flasche beiseite. </li><li> In einem 250-ml-3-Halskolben, fügen Cadmiumoxid (CdO 0,0770 g, 0,6 mmol), Tetradecylphosphonsäure (TDPA, 0,3674 g, 1,32 mmol) und Octadecen (DGL, 27,6 ml) und evakuieren die Lösung mit dem Schlenk Linie unter Rühren. Erhöhen der Temperatur auf 100 ° C und Evakuieren für weitere 15 min auf niedrig siedende Verunreinigungen zu entfernen. </li><li> Unter Argon oder Stickstoff, erwärmt das Gemisch auf 300 ° C für 1 Stunde vollständig auflösen CdO. Die Lösung wird von einer rötlichen Farbe klar und farblos ändern. Die Lösung wird auf Raumtemperatur. </li><li> Hinzufügen Hexadecylamin (HDA, 7,0 g) zu der Cadmium-Lösung, erwärmt auf 70 ° C, und zu evakuieren. Sobald ein konstanter Druck erreicht ist, erhöht die Temperatur auf 100-110 ° C und Rückflußtemperatur der Lösung für 30 min. Schalten Sie das Schlenk-Ventil Inertgas und legen Sie das Thermoelement direkt in der Lösung. </li><li> Unter Luft-freien Bedingungen, fügen Diphenylphosphin (DPP, 100 ul) zu der Lösung und erhöhen die Temperatur auf 310 ° C. Entfernen Sie 7,5 ml der 0,4 M TOP-Se-Lösung(3 mmol Selen) in einem Einweg-Kunststoff-Spritze mit einer 16-Gauge-Nadel. </li><li> Sobald die Temperatur äquilibriert bei 310 ° C, stellen Sie den Temperaturregler auf 0 ° C und schnell spritzen den TOP-Se-Lösung direkt in die Cadmium-Lösung. Die Lösung wird von farblos bis gelb-orange zu ändern und die Temperatur schnell sinken und erhöhen erneut auf ~ 280 ° C. Nach 1 min Reaktionszeit, entfernen Sie den Kolben aus dem Heizmantel und rasche Abkühlung mit einem Luftstrom, bis die Temperatur weniger als 200 ° C. </li><li> Wenn die Temperatur ~ 40 ° C erreicht, mit 30 ml Hexan verdünnt, die meisten der verbleibenden Kadmium-Vorläufer wird sich aus der Lösung. Entfernen dieses Präzipitat durch Zentrifugation (5.000 × g, 10 min). </li><li> In jeder der sechs 50 ml Polypropylen konische Zentrifugenröhrchen, verdünnen 12 ml des rohen Nanokristall-Lösung mit 40 ml Aceton, Zentrifuge (5.000 xg für 10 min), und vorsichtig dekantieren und den Überstand verwerfen. </li><li> Lösen Sie die nanocrystal Pellets in Hexan (25 ml Gesamtvolumen). Extrahieren diese Lösung 3 mal mit dem gleichen Volumen Methanol, Halten der oberen Phase. Zum dritten Extraktion kann das Volumen von Methanol zu ~ 15 ml eingestellt werden, um eine konzentrierte Lösung von reinem Hexan CdSe QDs bei etwa 200 um zu erhalten. Die typische Ausbeute dieser Reaktion ist 3 pmol von CdSe-Nanokristallen mit einem Durchmesser von 2,3 nm (50-60% Reaktionsausbeute). </li><li> Bestimmen Sie die Nanokristall Durchmesser und Konzentration durch Messung der UV-Vis-Absorptionsspektrum und Anhörung der Größe sitzende Diagramm der Mulvaney und Kollegen 12 und die vom Aussterben Korrelationen Bawendi und Mitarbeiter 13. Siehe Anhang für weitere Details. </li><li> Mercury Kationenaustausch: die Nanokristalle können teilweise mit Quecksilber ausgetauscht werden, um Rot-Verschiebung der Absorption und Fluoreszenz-Emission. Mischen der folgenden zusammen, um in einem 20 ml Glasfläschchen mit einem Rührstab (diese Reaktion kann wie gewünscht skaliert): 3 ml Hexan, 2 ml Chloroform, 1 ml 200 uM CdSe QD-Lösung (200 nmol), 15 ul Oleylamin (OLA), und 500 ul einer 0,1 M Lösung von Hg (OT) 2 in Chloroform. Mercury octanethioate (HgOT 2) kann durch Umsetzung Quecksilberacetat und Octanthiol in Methanol (siehe Anhang) hergestellt werden. Da die Kationenaustauschreaktion fortschreitet, kann der Umfang der Rotverschiebung mit UV-Vis-Absorptionsspektrophotometrie überwacht werden. Nachdem die gewünschte Absorptionsbande erreicht ist, Messen der Absorption des Nanokristalls Lösung bei 350 nm und bestimmen den neuen Extinktionskoeffizient der Annahme, dass der Nanokristall Konzentration nicht verändert hat (30,7 uM in diesem Beispiel). Die Reaktion wird durch Entfernen des nicht umgesetzten Quecksilber: 5 ml Decan, 10 ml Hexan und 7 ml Methanol und extrahieren Sie die Lösung, indem die obere Phase, die die Nanokristalle. Auszug zweimal mit Hexan und Methanol, und die Lautstärke von Methanol, so dass die obere Phase ist ~ 7 ml. Wenn die Phasen langsam zu trennen sind, kann die Lösung zentrifugiert (5000 xg werden,10 min). Fügen Sie 100 ul TOP 100 ul OLA und 100 ul Ölsäure zu den Nanokristallen mit 40 ml Aceton, um die Ausfällung zu induzieren. Sammeln Sie die Nanokristalle durch Zentrifugation und verteilen in 3 ml Hexan. Zentrifugieren, um unlösliche Bestandteile zu entfernen und bestimmen den Nanokristall Konzentration wieder unter Verwendung des neuen Extinktionskoeffizienten bei 350 nm auf. Lassen Sie die Nanokristall-Lösung auf das Alter von mindestens 24 Stunden bei Raumtemperatur, bevor Sie den nächsten Schritt. </li></ol> 2. Wachstum von Cadmium Zinksulfid (Cd y Zn 1-y S) Shell <ol><li> Bereiten 0,1 M-Schale Precursorlösungen in 50 ml 3-Hals-Kolben. Cadmium Vorläufer: Cadmiumacetat Hydrat (230,5 mg, 1 mmol) und 10 ml Oleylamin (OLA). Zinkvorläufer: Zinkacetat (183,5 mg, 1 mmol) und 10 ml OLA. Sulfur Vorstufe: Schwefel (32,1 mg, 1 mmol) und 10 ml ODE. Unter Vakuum erwärmt jede Lösung bis zum Rückfluss für 1 Stunde, um klare Lösungen ergeben, und dann kostenlos mit Argon. Die Lösung kann Schwefelauf Raumtemperatur abgekühlt werden, wobei die Cadmium-und Zink-Vorläufer werden bei ca. 50 ° C gehalten Berechnungen von Shell Vorstufe Mengen können in Bezug 14 gefunden werden. </li><li> Zu einer 3-Halskolben: Hg x Cd 1-x Se QD (120 nmol, 2,3 nm Durchmesser), DGL (2 ml) und Trioctylphosphinoxid (TOPO, 250 mg). Evakuierung aus dem Hexan bei Raumtemperatur mit der Schlenk Linie. Erhöhen der Temperatur auf 100 ° C und Rückfluß für 15 min. Ändern Sie den Schlenk-Ventil Argon oder Stickstoff und legen Sie die Thermoelement in der Nanokristall-Lösung. </li><li> Erhöhen Sie die Temperatur auf 120 ° C, mit 0,5 Monolagen von Schwefel Precursorlösung (140 ul), und lassen Sie die Reaktion für 15 min gehen. Kleine Aliquots (&lt;50 ul) kann unter Verwendung einer Glasspritze, um den Fortschritt der Reaktion unter Verwendung von Fluoreszenz und / oder UV-Vis-Absorptionsspektrophotometrie überwachen. Erhöhen Sie die Temperatur auf 140 ° C, mit 0,5 Monolagen von Cadmium Precursorlösung (140 ul) und um die Reaktion für 15 min gehen. Fügen Sie 500 ul wasserfreiem OLA zu der Reaktionslösung. </li><li> Bei 160 ° C mit 0,5 Monolagen von Schwefel Precursorlösung (220 ul) durch eine gleiche Menge Zink Precursorlösung bei 170 ° C mit 15 min zwischen jeder Zugabe. Dann bei 180 ° C hinzuzufügen 0,25 Monoschichten von Schwefel Vorläuferlösung (150 ul) und Zinkvorläufer Lösung in 15 min Intervallen. </li><li> Man kühlt die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt und erneut berechnet eine neue Extinktionskoeffizienten für diese Teilchen unter Verwendung eines UV-Vis-Spektrum, unter der Annahme, dass die Anzahl von Nanokristallen nicht geändert hat (120 nmol in 3,8 ml Reaktionslösung). Speichern die Reaktionslösung als Rohgemisch in einem Gefrierschrank, die Nanokristalle kann aufgetaut und gereinigt werden nach Bedarf unter Verwendung desselben Verfahrens in den Abschnitten 1.8 und 1.9 beschrieben. </li><li> Die Nanokristalle kann dadurch mittels Elektronenmikroskopie, UV-Vis-Absorption-Spektroskopie und Fluoreszenz-Spektroskopie werden. Quantenausbeute kannabsolut Verwendung eines Ulbricht-Kugel oder relativ im Vergleich zu einem bekannten Standard unter Verwendung der Verfahren von Referenz 15 berechnet. </li></ol> 3. Phase Transfer <ol><li> Zugabe von gereinigtem Core / Shell Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S QDs (5 ml, 20 uM) zu einem 50 ml 3-Halskolben und Entfernen des Hexans unter Hochvakuum, um einen trockenen Film zu ergeben. Füllen des Kolbens mit Argon, hinzuzufügen wasserfreiem Pyridin (3 ml) zu dem Nanoteilchenfilm und Wärme die Aufschlämmung auf 80 ° C. Im Laufe von 1 bis 2 h die Nanopartikel vollständig aufzulösen. </li><li> Add 1-Thioglycerin (1 ml) zu der Lösung zugegeben und bei 80 ° C für 2 Stunden. Dann kühlen die Lösung auf Raumtemperatur und fügen Triethylamin (0,5 ml) Thioglycerin deprotonieren. Rühre 30 Minuten. Die Lösung kann sich nach der Zugabe von Triethylamin aufgrund der schlechten Löslichkeit polarer Nanokristalle in diesem Lösungsmittelgemisch bewölkt. </li><li> Übertragen Sie die QD-Lösung in einem 50 ml konischen Zentrifugenröhrchen containing eine Mischung aus 20 ml Hexan und 20 ml Aceton und gut mischen. Isolieren Sie die gefällten Nanokristalle durch Zentrifugation (5.000 xg, 10 min), und waschen Sie das Pellet mit Aceton. </li><li> Man löst den QD Pellet in DMSO (5 ml) mit Bad Ultraschallbehandlung, und dann zentrifugiert (7000 × g, 10 min), um mögliche Aggregate zu entfernen. Ermitteln der Konzentration Nanopartikel aus einem UV-Vis-Absorptionsspektrum. Diese Lösung des reinen QDs sollte innerhalb von 3 h verwendet werden, da die Oberfläche Thiole können langsam unter Umgebungsbedingungen an der Luft oxidieren. </li><li> Verdünnen Sie die QD-Lösung bis 10 uM oder weniger mit DMSO und übertragen auf eine 50 ml Flasche. Bereiten Sie eine 5 mg / ml Lösung von thiolierten Polyacrylsäure (Synthese in Anhang beschrieben) in DMSO. Hinzufügen der Polymerlösung (0,15 mg Polymer pro nmol QDs) tropfenweise zu der Lösung unter Rühren QD und entgast die Lösung bei Raumtemperatur für 5 min. </li><li> Bereinigen des QD / Polymer-Lösung mit Argon und auf 80 ° C für 90 min. Dann kühlen die Lösung auf Raumtemperatur eind tropfenweise das gleiche Volumen von 50 mM Natriumborat, pH 8. Rühre 10 Minuten. </li><li> Reinigen die QDs mittels Dialyse (20 kDa Cutoff) in 50 mM Natriumborat, pH 8, und dann konzentrieren sich die Partikel mit einem Zentrifugen-Filtereinheiten (10 kDa Cutoff). Bestimmung der Konzentration von einem UV-Vis-Absorptionsspektrum. </li></ol> 4. PEG Coating <ol><li> In einem 4 ml Glasfläschchen mit einem Rührstab, mischen 1 nmol QDs in Boratpuffer mit einem 40.000 x molaren Überschuss von 750 Da mono-Polyethylenglykol (30 mg, 40 pmol). Wenn eine bestimmte chemische Funktionalität ist den Nanokristallen (zB Hydrazid oder Maleimid) zugesetzt werden, kann es durch Ersetzen eines Anteils der Amino-PEG mit einem heterobifunktionellen Amino-PEG (30% Stoffmengenanteil typischerweise gut funktioniert) eingeführt werden. Verdünnen Sie die Nanokristall-Lösung zu 1 uM mit Boratpuffer. Diese Reaktion kann beliebig skaliert werden. </li><li> Bereiten Sie eine frische Lösung von DMTMM (20 mg, 72 mmol) in DMSO (144 ul). Diese Lösung kann kurzzeitig erhitzt werden unter einen Strom von warmem Leitungswasser oder untergetaucht in einem Ultraschallbad vollständig auflösen DMTMM. Schnell eine 25.000 x molaren Überschuss dieser 0,5 M DMTMM Lösung (50 ul) der QD-Lösung zugegeben und bei Raumtemperatur für 30 min. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 4,2 vier weitere Male, um den Nanokristall Oberfläche mit PEG zu sättigen. Schließlich, fügen Sie 200 ul 1 M Tris-Puffer, um die Reaktion zu stoppen und Reinigung der Nanokristalle mittels Dialyse, zentrifugale Filter oder Ultrazentrifugation. </li><li> Die Nanokristalle kann Monodispersität, hydrodynamische Größe und Oberflächenladung mit Flüssigkeitschromatographie, Agarose-Gelelektrophorese, und Fluoreszenzmikroskopie analysiert. Hydrodynamische Größe und Größenverteilung mit einem automatisierten Flüssigkeits-Chromatographie-System (GE AKTAprime Plus) zu bestimmen, verwenden eine Superose 6 Säule, einer Flussrate von 0,5 ml / min mit PBS-Puffer Eluent und Absorption Detektion bei 260 oder 280 nm beträgt. Vergleichen Nanopartikel Elutionszeiten mit denen von Molekulargewichtsstandards. Für Agarosegel ElektrophoreseWider bereiten ein 0,5% iges Agarosegel in 50 mM Natrium-Borat-Puffer (pH 8,5) oder 50 mM Natriumphosphatpuffer (pH 7,4), 1 pM mischen Proben mit 10% Glycerin und Last in Bohrlöcher, und führen bei 100 V für 30 min . Bild der Nanokristalle in dem Gel mit Hilfe eines UV Hand Zauberstab oder UV-Transilluminator und Fluoreszenzanregung. Um das Bild der Nanokristalle auf der Ebene einzelner Moleküle mittels Fluoreszenzmikroskopie, verdünnen die Partikel bis 0,2 nM in 10 mM Phosphat-Puffer, fallen 2,5 ul der Lösung auf einem Deckglas, und vorsichtig ein zweites Deckglas auf der Oberseite des flüssigen Kügelchen zu verbreiten ein Film zwischen den Deckgläsern. Bild der Oberfläche gebundenen Partikel mit einer hohen numerischen Apertur Objektiv (idealerweise mindestens 1,40) oder in beiden Epifluoreszenz TIRF-Modus mit einer Anregung bei Wellenlängen zwischen 400 bis 580 nm und einer Elektronen-multiplizierenden CCD-Kamera. Exact Bildparameter werden zwischen Mikroskopie Setup variieren. </li></ol>

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Im Vergleich zu herkömmlichen CdSe Quantenpunkten, können ternäre Legierung Hg x Cd 1-x Se-Nanokristalle in der Größe und Fluoreszenzwellenlänge unabhängig eingestellt werden. Die Größe wird zuerst während der Synthese von CdSe Nanokristall Kernen ausgewählt und der Fluoreszenzwellenlänge in einem sekundären Quecksilber Kationenaustauschschritt, welche im Wesentlichen nicht verändern die Nanokristallgröße 9 übernommen. Es ist wichtig, damit das gereinigte Hg x Cd 1-x Se-Nanokristalle bei Raumtemperatur für mindestens 24 Stunden inkubiert, bevor Capping. Dies ermöglicht einige der schwach adsorbierten Quecksilber Kationen in den Nanokristall Gitter diffundieren. Ohne daß dieser Prozeß auftritt, eine zweite Fluoreszenz im nahen Infrarotbereich wird oft beobachtet, durch homogene Keimbildung von HgS Nanokristalle aus dissoziierten Quecksilberionen. In dem Beispiel in dieser Arbeit gezeigt, stellten wir CdSe Kerne mit einer Größe in der Nähe 2,3 nm, was sein kannabgestimmt in der Fluoreszenz zwischen 550 bis 800 nm nach dem Verschließen durch die Veränderung der Menge des Quecksilbers in die Core-Gitter eingebaut. Mit einem 2,5 Monoschicht Schale, war die endgültige Durchmesser dieser QDs in der Nähe 3,2 nm, die im Wesentlichen die kleinste Größe Nanopartikel, die wir vorbereiten, dh sowohl ausreichend lichtstabil und ausreichend hell für Einzel-Molekül-Imaging (Extinktionskoeffizient Nähe 350.000 M -1 cm -1 bei 400 nm und Quantenausbeute nahe 50% in Wasser). Diese Nanokristalle sind wesentlich heller und photostabil als zuvor beschrieben Nanokristalle mit vergleichbarer Größe, die über diesem Spektralbereich (zB CdTe, InAs, InP) emittieren. Wie die meisten Fluorophore, ist die Fluoreszenz von diesen Teilchen an der Ebene einzelner Moleküle intermittierende (blinkend) 5,6. Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, etwas größer Nanokristalle verwendet werden. Durch die Verwendung eines größeren CdSe Nanokristall als Kern, die Fluoreszenz bandwidth ist schmaler nach Quecksilber Kationenaustausch. Typische Fluoreszenzpeak Breiten für Hg x Cd 1-x Se-Nanokristalle mit Emission im 600-650 nm-Fenster sind 50-70 nm für 2,3 nm Kerne und 40-50 nm für 3,2 nm Kerne. Dabei ermöglichen größere Nanokristalle eine größere Kapazität zur spektralen Multiplexing. Darüber hinaus wird eine Erhöhung der Größe ebenfalls die Resorption Querschnitt der Nanokristalle. Die Erhöhung der Dicke der CdS Zwischenbericht Hüllschicht wird auch die Helligkeit zu erhöhen, und weiter zu verlängern die Fluoreszenz Stabilität während der Anregung. Die CdSe Kerngröße kann einfach durch die Verlängerung der Dauer des CdSe Kern Synthese, und Überwachen der effektiven Größe durch UV-Vis-Absorptionsspektrophotometrie erhöht werden. Wir haben gefunden, dass wässrige QDs mit Carbonsäuren beschichtet anfällig für unspezifische Adsorption an Zellen und Proteine ​​sind, und dass die Neutralisation der starken negativen Ladung in physiologischen Puffern ist critical zur Minimierung unspezifischer Wechselwirkungen 17. In den Beispielen hier verwendeten wir kurzkettigen PEG, um die Oberflächenladung zu neutralisieren und Aufrechterhaltung der Stabilität in Wasser. PEG kann in das Polymer-Rückgrat entweder vor Befestigung an den QDs oder nach der Beschichtung eingeführt werden. Beide Verfahren führen zu fast neutralen Teilchen, aber die ersten beschichteten mit der Carboxyl-Polymer wesentlich kleiner sind, vermutlich aufgrund verbesserter mehrzähnigen Wechselwirkung mit der Oberfläche. Zur vollständigen Neutralisation mit PEG Oberfläche haben wir gefunden, daß wiederholte Addition von Carbonsäure aktivierende Agenzien notwendig aufgrund der kurzen Halbwertszeit der reaktiven Spezies ist. Wir verwenden DMTMM an die Stelle häufiger Carbodiimidreagenzien (zB EDC) aufgrund der verbesserten Stabilität bei der Lagerung und DMTMM aufgrund verbesserter Reaktionseffizienz in Wasser 18. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass Quantenpunkte und viele andere Arten von Nanokristallen enthaltenzytotoxische Elemente 5. Cadmium und Quecksilber-Ionen können auf die normalen Prozesse der lebenden Zellen und Organismen und können krebserregend 19-21 sein. Doch die Zytotoxizität von herkömmlichen CdSe / ZnS Nanokristalle wurde weitgehend untersucht, und es wurde berichtet, dass robust beschichteten Nanokristallen mit stabilen organischen Liganden nicht hervorrufen offen zytotoxische Reaktionen im Vergleich zu ihren konstituierenden Elemente einfach, weil ihre toxische Elemente effizient entfernt von Oxidationsmitteln sequestriert 5. Außerdem für Einzel-Molekül bildgebende Anwendungen sind kaum toxische Wirkungen aufgrund der extrem geringen Konzentrationen zum Abbilden (typischerweise 1 nM oder weniger), die um Größenordnungen kleiner ist als der Beginn der nachweisbaren toxischen Wirkungen (50-100 nm) eingesetzt. Die meisten der Einzel-Molekül-Experimenten Umsetzung QDs haben bisher handelsüblichen CdSe / ZnS Nanokristalle, die wesentlich größer als diejenigen, die hierin beschrieben sind verwendet werden. Durch die Minimierung der nanocrystal Größe werden die Gesamtzahl der Oberflächenatome pro Partikel und der Gesamtzahl der toxischen Atomen pro Partikel wesentlich reduziert, wodurch die Gesamt-Potential für toxikologische Auswirkungen. Der Einbau von Quecksilber in die Nanokristall soll weiter reduzieren Toxizitätspotenzial als zweiwertigem Quecksilber bekanntermaßen weniger toxisch als zweiwertige Cadmium in vielen Zelltypen 19-21.

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> Selen </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229865 </td><td></td></tr><tr><td> Tri-n-octylphosphin </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> 97% rein, Luft instabil </td></tr><tr><td> Cadmiumoxid </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 202894 </td><td> Sehr giftig: Vorsicht </td></tr><tr><td> Tetradecylphosphonsäure </td><td> PCI Synthese </td><td> 4671-75-4 </td><td></td></tr><tr><td> Octadecene </td><td> Alfa Aesar </td><td> L11004 </td><td> Technische Qualität </td></tr><tr><td> Hexadecylamin </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> H7408 </td><td></td></tr><tr><td> Diphenylphosphine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 252964 </td&gt; <td> Pyrophore </td></tr><tr><td> Quecksilberacetat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 456012 </td><td> Sehr giftig: Vorsicht </td></tr><tr><td> 1-Octanthiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471836 </td><td> Starker Geruch </td></tr><tr><td> Ölsäure </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> W281506 </td><td></td></tr><tr><td> Zinkacetat </td><td> Alfa Aesar </td><td> 35792 </td><td></td></tr><tr><td> Cadmium acetathydrat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229490 </td><td> Sehr giftig: Vorsicht </td></tr><tr><td> Oleylamin </td><td> Fisher Scientific </td><td> AC12954 </td><td> Luft instabil </td></tr><tr><td> Schwefel </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 344621 </td><td></td></tr><tr><td> Trioctylphosphinoxid </td><td> Strem </td><td> 15-6661 </td><td> 99% </td></tr><tr><td> Pyridin </td><td> VWR </td><td> EM-PX2012-6 </td><td> Wasserfrei </td></tr><tr><td> Thioglycerol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> M1753 </td><td> Starker Geruch </td></tr><tr><td> Triethylamin </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471283 </td><td> Wasserfrei </td></tr><tr><td> Dialyseschlauch </td><td> Spectrum Labs </td><td> 131342 </td><td> Cutoff 20 kDa </td></tr><tr><td> Zentrifugalfilter </td><td> Millipore </td><td> UFC801024 </td><td> Cutoff 10 kDa </td></tr><tr><td> Mono-PEG </td><td> Rapp Polymere </td><td> 12 750-2 </td><td> 750 Da </td></tr><tr><td> DMTMM, 4 - (4,6-Dimethoxy-1 ,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium-chlorid-Hydrat </td><td> Alfa Aesar </td><td> H26333 </td><td></td></tr><tr><td> AKTAprime Plus-Chromatographie-System </td><td> GE HealthCare </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Superose 6 10/300 GL Chromatographiesäule </td><td> GE HealthCare </td><td> 17-5172-01 </td><td></td></tr><tr><td> Agarose, Omnipur </td><td> VWR </td><td> EM-2120 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Anhang Synthese von Quecksilber octanethiolate: Langsam eine Methanollösung von Quecksilberacetat (1 eq.) Zu einer gerührten Lösung von 1-Octanthiol (3 Äq.) Und Kaliumhydroxid (3 Äq.) In Methanol bei Raumtemperatur. Isolieren Sie das Quecksilber (II) octanethiolate Niederschlag durch Filtration, waschen zweimal mit Methanol und einmal mit Ether und dann im Vakuum getrocknet. Synthese von mehrzähnigen Polymer: Lösen Polyacrylsäure (1 g, 1.773 Da) in 25 ml Dimethylformamid (DMF) in einem 150 ml-Dreihalskolben und Blase mit Argon für 30 min. Fügen Sie eine wasserfreie Lösung von Cysteamin (374 mg, 4,87 mmol) in 10 ml DMF. Bei Raumtemperatur unter kräftigem Rühren langsam wasserfreies Diisopropylcarbodiimid (DIC, 736 mg, 5,83 mmol) über 30 min, gefolgt von Triethylamin (170 ul, 1,22 mmol) gefolgt, und um die Reaktion für 72 Stunden bei 60 ° C. Hinzufügen Mercaptoethanol (501 mg, 6,41 mmol), um die Reaktion zu quenchen, und rühre für 2 Stunden bei Raumtemperatur. Entfernen DMF durch Rotationsverdampfung und Isolierung des Polymers mit dem Zusatz von einem 2:1-Gemisch von eiskaltem Aceton: Chloroform, gefolgt von Zentrifugation. Lösen des Polymers in ~ 5 ml wasserfreiem DMF, Filter, Niederschlag nochmals mit Diethylether, und wiederholen. Trocknen Sie das Produkt unter Vakuum und speichern unter Argon. Bestimmung von CdSe Kerndurchmesser: Von der UV-Vis-Absorptionsspektrum bestimmt die Wellenlänge des ersten Exciton-Peak (λ in nm), die am längsten Wellenlängenspitze (z. B. etwa 498 nm für CdSe in Abbildung 2a), und verwenden Sie die Dimensionierung Kurve Mulvaney und Mitarbeiter 12: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq1.jpg" alt= &quot;Gleichung 1&quot; /&gt; Bestimmung von CdSe Nanokristall Konzentration: Aus einem Hintergrund-subtrahierten UV-Vis-Spektrum einer optisch klaren Lösung von CdSe-Nanokristallen, bestimmen die Absorption bei 350 nm Wellenlänge. Reihenverdünnungen kann ermittelt werden, wenn die optische Absorption innerhalb des linearen Bereichs des Beerschen Gesetz ist. Der Nanokristall Konzentration (QD, in M) durch Einstecken des Nanokristalls Durchmesser (D, in nm), der optischen Absorption Wert (A 3sa) und der Küvette Weglänge (l, in cm) in die folgende Gleichung bestimmt werden aus die empirische Korrelation von Bawendi und Mitarbeiter 13: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq2.jpg" alt="Gleichung 2" /></td></tr></tbody></table>

compact quantum dots for single-molecule imaging

Single-Molecule Imaging ist ein wichtiges Instrument für das Verständnis der Mechanismen der biomolekularen Funktion und zur Visualisierung der räumlichen und zeitlichen Heterogenität der molekularen Verhaltensweisen, die Zellbiologie 1-4 zugrunde liegen. Zum Abbilden eines einzelnen Moleküls von Interesse, ist es typischerweise konjugiert an einen fluoreszierenden Marker (Farbstoff, Protein, Kügelchen oder Quantenpunkt) und beobachtet mit Epifluoreszenz oder Totalreflexion Fluoreszenz (TIRF)-Mikroskopie. Während Farbstoffe und fluoreszierende Proteine ​​gewesen die Hauptstütze der Fluoreszenz-Bildgebung Jahrzehnten ist ihre Fluoreszenz unter hohem Photonenflüsse notwendig, einzelne Moleküle zu beobachten instabil, was nur wenige Sekunden der Beobachtung vor dem vollständigen Verlust des Signals. Latexkügelchen und Farbstoff-markierten Kügelchen eine verbesserte Signalstabilität aber auf Kosten drastisch größere hydrodynamische Größe, die nachteilig zu verändern, kann die Diffusion und das Verhalten des untersuchten Moleküls. ntent &quot;&gt; Quantum Dots (QDs) bieten eine Balance zwischen diesen beiden problematischen Regime. Diese Nanopartikel aus Halbleitermaterialien bestehen und kann mit einem hydrodynamisch kompakte Größe mit außergewöhnlicher Beständigkeit gegen Photodegradation 5 konstruiert werden. So ist in den letzten Jahren QDs wurden in ermöglicht instrumental Langzeitbeobachtung von komplexen makromolekularen Verhalten auf der Ebene einzelner Moleküle. Allerdings sind diese Teilchen noch gefunden zu einer Beeinträchtigung der Diffusion in überfüllten molekularen Umgebungen wie dem Zytoplasma und der neuronalen synaptischen Spalt, wo ihre Größen sind immer noch zu groß 4,6 aufweisen , 7. Vor kurzem haben wir die Kerne und Oberflächenbeschichtungen von QDs für minimierte hydrodynamischen Größe ausgelegt, während Balancing Offsets kolloidalen Stabilität, Photostabilität, Helligkeit und unspezifische Bindung, die den Nutzen der kompakten QDs behindert haben in der Vergangenheit 8,9. Das Ziel dieses Artikels ist es zu zeigendie Synthese, Modifizierung und Charakterisierung dieser optimierten Nanokristalle aus einem legierten Hg x Cd 1-x Se-Kern mit einer isolierenden Cd y Zn 1-y S Schale, weiter mit einem mehrzähnigen Liganden mit kurzer Polymer Polyethylenglykol modifiziert beschichtet ist ( PEG)-Ketten (Abbildung 1). Verglichen mit herkömmlichen CdSe-Nanokristalle, bieten Hg x Cd 1-x Se-Legierungen größer Quantenausbeuten der Fluoreszenz Fluoreszenz bei rotem und nahes Infrarot-Wellenlängen für verbessertes Signal-zu-Rauschen in Zellen, und Anregung bei nicht zytotoxische sichtbaren Wellenlängen. Mehrzähnigen Polymerbeschichtungen binden an den Nanokristalloberfläche in einem geschlossenen und flache Konformation hydrodynamischen Größe zu minimieren, und PEG neutralisiert die Oberflächenladung auf unspezifische Bindung an Zellen und Biomolekülen zu minimieren. Das Ergebnis ist ein hell fluoreszierende Nanokristall mit Emission zwischen 550-800 nm und insgesamt hydrodynamische Größe der Nähe von 12 nm. Dies ist in der same Größenbereich so viele lösliche globuläre Proteine ​​in Zellen, und wesentlich kleiner als bei konventionellen PEGylierte QDs (25-35 nm).

2 zeigt repräsentative Absorptions und Fluoreszenzspektren für CdSe-Nanokristalle, Hg x Cd 1-x Se-Nanokristallen nach Kationenaustausch und Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S-Nanokristallen auf Granate Wachstum. Die Kern CdSe-Nanokristalle eine Quantenausbeute der Fluoreszenz der Nähe von 15% (einschließlich langwelligen tief-Trap-Emission), aber dieser Wirkungsgrad sinkt auf weniger als 1% nach Quecksilber Austausch, wahrscheinlich aufgrund Träger Traps durch eine Oberflächen-Atom Unterbrechungen 9 eingeführt aufzuladen. Jedoch das Wachstum einer dünnen Hülle aus Cd y Zn 1-y S steigert diese Effizienz um mehr als 70%, die weitgehend nach der Übertragung in Wasser (50% ist typisch) aufrechterhalten wird. Im Gegensatz dazu verlieren CdSe / Cd y Zn 1-y S-Nanokristalle ohne Quecksilber Einarbeitung einen wesentlichen Bruchteil ihrer Quantenausbeute in Wasser nur eine dicke Schale gezüchtet wird. Somit durch Einbringen von Quecksilber in den Kern nanocrystal, die geringe Größe der Nanokristalle können beibehalten (siehe TEM in Abbildung 3), ohne dabei die Helligkeit erfolgen. Es ist wichtig anzumerken, dass Verkappen mit Cd y Zn 1-y S verschiebt die Spektren an die rote durch Leckage der elektronischen Ladungsträger in die Hüllenmaterial; diese Verschiebung etwa 20 bis 30 nm für CdSe Kerne 16 und nimmt mit Erhöhung Quecksilbergehalt in dem Kern (bis 100 nm). Die Verwendung eines 2-Phasen-Transfer-Schritt zu Wasser ist entscheidend, um eine homogene Population von Nanokristallen, die keine weiteren Größenverteilung auf Cluster und Aggregate zu entfernen. Im ersten Schritt werden die Nanokristalle übertragen DMSO unter Verwendung von 1-Thioglycerin, die Oleylamin verdrängt an der Oberfläche des Nanokristalls. Thioglycerin wird dann mit einem linearen mehrzähnigen Polymer ersetzt, was zu einer äußerst stabilen Teilchen mit einem minimalen Anstieg der hydrodynamischen Größe, die aus der organischen Beschichtung (&lt;4 nm contributiauf dem hydrodynamischen Durchmesser). Das Größenausschluß-Chromatogramm in 4a dargestellt wird bestätigt, dass die Größe ähnlich der von Conalbumin (75 kDa) ist, und nach der Änderung mit 750 Da Amino-PEG, die Größe wird auf 12 nm erhöht, ähnlich derjenigen eines IgG-Antikörpers . PEG-Modifizierung neutralisiert die Oberflächenladung, wie in der Agarosegelelektrophorese Experiment in 4b dargestellt bestätigt. Wir verwenden routinemäßig Größenausschlusschromatographie und Gelelektrophorese für die schnelle Charakterisierung von Größe, Größenverteilung und Oberflächenladung. Dynamische Lichtstreuung und Zeta Potentiometrie können ebenfalls verwendet werden, aber der Streuquerschnitt dieser ultrakleine Teilchen ist sehr klein, und wir haben festgestellt, dass die Ergebnisse von kommerziellen Instrumenten nicht reproduzierbar sind. 5a zeigt eine Mikroaufnahme Epifluoreszenz dieser Nanokristalle abgeschieden auf einem Deckglas und begeistert mit 545 nm sichtbares Licht. Diese Nanokristalle werden leicht o. bserved an der Einzel-Molekül-Ebene bei 30 Bildern pro Sekunde mit einer Elektronen-vermehrenden CCD-Kamera 5b zeigt, dass die Zahl der fluoreszierenden Partikel in jedem Frame beobachtet im Laufe der Zeit mit einer kontinuierlichen Anregung schwankt, dies ist durch eine Kombination von blinkenden und Photodegradation . Blinking dominiert zum ersten ~ 7 min vor der oxidativen photochemischen langsam deutlich. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/4236/4236fig1.jpg" /> Abbildung 1. Schematische Darstellung der Synthese von Nanopartikeln Verfahren. (A) Kadmium und Selen Vorstufen reagieren, um CdSe-Nanokristalle, die mit Quecksilber octanethiolate behandelt werden, Induzieren partieller Cd → Hg Kationenaustausch zu Hg x Cd 1-x Se ternäre Legierung Nanokristalle Ausbeute erzeugen. Eine Hülle aus Cd y Zn 1-y S wird dann auf dem Kern mit Cadmium, Zinkacetat und Schwefel gewachsen. (B) Als synthesized werden diese Nanokristalle mit unpolaren organischen Liganden (Oleylamin) beschichtet. Um diese Partikel in wässrigen Puffern löslich zu machen, werden die Liganden mit einem mehrzähnigen Liganden Polymer, das kovalent an Amino-PEG gekoppelt wird ersetzt. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/4236/4236fig2.jpg" /> Abbildung 2. Optische Eigenschaften von Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S-Nanokristalle. (A) Absorption (schwarz) und Fluoreszenzspektren (rot) von CdSe Nanokristall Kerne, Hg x Cd 1-x Se Kerne nach Kationenaustausch und Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S-Nanokristalle nach Shell Wachstum . Spektren wurden der Übersichtlichkeit halber (b) Fluoreszenz-Spektren von Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S mit unterschiedlichen relativen Mengen an Quecksilber Einarbeitung versetzt. Das blaue Spektrum zeigt Kerne mit Null Quecksilbergehalt (x = 0, CdSe).<img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4236/4236fig3.jpg" /> Abbildung 3. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (a) und Teilchengrößenverteilung (b) Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S-Nanokristalle, die einen durchschnittlichen Durchmesser ± Standardabweichung von 3,2 ± 0,6 nm auf. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/4236/4236fig4.jpg" /> Abbildung 4. Hydrodynamische Charakterisierung Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S QDs in wässriger Lösung. (A) Größe Chromatogramm von Nanokristallen in einem mehrzähnigen Liganden Polymer vor (rot) und nach (blau) Konjugation an Amino-PEG beschichtet. Molekulargewicht Protein-Standards sind über den Plots angegeben. (B) Agarosegelelektrophorese Experiment der QDs in Natriumboratpuffer (pH ~ 8,5) vor (links) Und nach (rechts) Konjugation an Amino-PEG. Die Vertiefung wird mit einem Pfeil und Elektrodenpolaritäten sind rechts angegeben markiert, die zeigen, dass vor der Konjugation die Nanokristalle als anionische Teilchen und die Nanokristalle PEGylierte elektrostatisch neutral sind migrieren. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/4236/4236fig5.jpg" /> Abbildung 5. Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S QD auf einem Deckglas in Phosphatpuffer mit Epifluoreszenzmikroskopie abgebildet adsorbiert. (A) QD Bild bei 33 Frames pro Sekunde erhalten. Das Bild ist 15 um x 15 um. (B) Anzahl der fluoreszierenden QDs je Sichtfeld bei kontinuierlicher Beleuchtung für 20 min mit Quecksilber-Bogenlampe mit 545 nm (30 nm Bandpass) Anregungsfilter und ein 625 nm (20 nm Bandpass) Emissionsfilter und 100x 1,4 NA Ziel. Messungen von 3 Sichtfelder wurden über 20 min bei 12,5 Frames pro Sekunde gemittelt.

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Wir beschreiben die Herstellung von kolloidalen Quantenpunkten mit minimierter hydrodynamische Größe für Einzel-Molekül-Fluoreszenz-Imaging. Im Vergleich zu herkömmlichen Quantenpunkte sind diese Nanopartikel in der Größe ähnlich zu globularen Proteinen und sind für Einzel-Molekül-Helligkeit, Stabilität gegen Photodegradation und Beständigkeit gegen unspezifische Bindung an Proteine ​​und Zellen optimiert.

Compact Quantum Dots für Einzelmolekül-Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

18.0K Aufrufe.  Emory University. Wir beschreiben die Herstellung von kolloidalen Quantenpunkten mit minimierter hydrodynamische Größe für Einzel-Molekül-Fluoreszenz-Imaging. Im Vergleich zu herkömmlichen Quantenpunkte sind diese Nanopartikel in der Größe ähnlich zu globularen Proteinen und sind für Einzel-Molekül-Helligkeit, Stabilität gegen Photodegradation und Beständigkeit gegen unspezifische Bindung an Proteine ​​und Zellen optimiert.

Serie: Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. The primary motivation for such a technology is that quantum key distribution (QKD), which uses Heisenberg uncertainty to guarantee security of cryptographic keys, is limited in transmission distance. The development of a quantum repeater is a possible path to extend QKD range, but a repeater will need a quantum memory. In our experiments we use a gas of rubidium 87 vapor that is contained in a warm gas cell. This makes the scheme particularly simple. It is also a highly versatile scheme that enables in-memory refinement of the stored state, such as frequency shifting and bandwidth manipulation. The basis of the GEM protocol is to absorb the light into an ensemble of atoms that has been prepared in a magnetic field gradient. The reversal of this gradient leads to rephasing of the atomic polarization and thus recall of the stored optical state. We will outline how we prepare the atoms and this gradient and also describe some of the pitfalls that need to be avoided, in particular four-wave mixing, which can give rise to optical gain.

The gradient echo memory is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. Quantum memory is a key element of a quantum repeater, which can extend the range of quantum key distribution. We outline the operation of the scheme when implemented in a 3-level atomic ensemble.

Gradient Echo Quantum Speicher in Warm Atomic Vapor

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

Forschung

Ingenieurwesen

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

Nanofabrication von Tor-definiert GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit a strong degradation after annealing due to the occurrence of void formation at the contact/SiO2 interface. This void formation can cause cracking and delamination of the metal film, which can increase the resistance or lead to a complete failure of the NW device. In order to address issues associated with void formation, a technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from the substrates to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN NW devices. This procedure determines the degree of adhesion of the contact films to the substrate and NWs and allows for the characterization of the morphology and composition of the contact interface with the substrate and nanowires. This technique is also useful for assessing the amount of residual contamination that remains from the NW suspension and from photolithographic processes on the NW-SiO2 surface prior to metal deposition. The detailed steps of this procedure are presented for the removal of annealed Ni/Au contacts to Mg-doped GaN NWs on a SiO2 substrate.

A technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from their substrate to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN nanowire devices.

Die Analyse der Kontaktschnittstellen für Einzel GaN-Nanodraht-Geräte

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and Titanium Sapphire lasers as the workhorse laser of atomic physics labs1,2. Their versatility and prolific use throughout atomic physics in applications such as absorption spectroscopy and laser cooling1,2 makes it imperative for incoming students to gain a firm practical understanding of these lasers. This publication builds upon the seminal work by Wieman3, updating components, and providing a video tutorial. The setup, frequency locking and performance characterization of an ECDL will be described. Discussion of component selection and proper mounting of both diodes and gratings, the factors affecting mode selection within the cavity, proper alignment for optimal external feedback, optics setup for coarse and fine frequency sensitive measurements, a brief overview of laser locking techniques, and laser linewidth measurements are included.

This is an instructional paper to guide the construction and diagnostics of external cavity diode lasers (ECDLs), including component selection and optical alignment, as well as the basics of frequency reference spectroscopy and laser linewidth measurements for applications in the field of atomic physics.

Konstruktion und Charakterisierung von External Cavity Diode Laser für die Atomphysik

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

Staatliche Ingenieur Quantum of Light mit Dauerwellen-Optische parametrische Oszillatoren

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Untersuchung von Einzelmolekül Haftung durch Rasterkraftspektroskopie

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

Die Verwendung eines Mehrfach Dynamische einzelner Enzym-Phantom für Studien von hyperpolarisiertem Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...