Los autores desean agradecer al Dr. Hong Yi en el Núcleo de la Universidad Emory Microscopía Integrado de imágenes de microscopía electrónica. Este trabajo ha sido patrocinado por el NIH subvenciones (PN2EY018244, R01 CA108468, U54CA119338 y 1K99CA154006-01).

Los procedimientos de síntesis siguientes implican estándar sin aire técnicas y el uso de un vacío / colector de gas inerte; metodología detallada se puede encontrar en las referencias 10 y 11. MSDS para todas las sustancias potencialmente tóxicas e inflamables deben ser consultados antes de su uso y compuestos inflamables todo y / o aire-lábil debe alícuotas en viales sellados septo en una caja de guantes o bolsa de guantes. 1. Síntesis de seleniuro de cadmio mercurio (Hg Cd x 1-x Se) Quantum Dot Cores <ol><li> Preparar una solución 0,4 M de selenio en trioctilfosfina (TOP). Añadir selenio (0,316 g, 4 mmol) a una 50 ml de 3 bocas, a continuación, evacuar y llenar con argón mediante una línea de Schlenk. Bajo condiciones libres de aire (nitrógeno seco o argón), añadir 10 ml de TOP y calor a 100 ° C mientras se agita durante 1 h para dar una solución clara, incolora. Enfriar la solución a temperatura ambiente y ajustar el matraz a un lado. </li><li> Para una 250 ml de 3 bocas, añadir óxido de cadmio (CdO 0,0770 g, 0,6 mmol), ácido tetradecylphosphonic (TDPA, 0,3674 g, 1,32 mmol), y octadeceno (ODE, 27,6 ml), y evacuar la solución utilizando una línea Schlenk mientras se agita. Aumentar la temperatura a 100 ° C y evacuar por un adicional de 15 minutos para eliminar impurezas de bajo punto de ebullición de punto. </li><li> En atmósfera de argón o nitrógeno gas, se calienta la mezcla a 300 ° C durante 1 hora para disolver completamente la CdO. La solución cambia de un color rojizo a transparente e incoloro. Enfriar la solución a temperatura ambiente. </li><li> Añadir hexadecilamina (HDA, 7,0 g) a la solución de cadmio, calentar a 70 ° C, y evacuar. Una vez que una presión constante se alcanza, aumentar la temperatura a 100-110 ° C y la de reflujo de la solución durante 30 min. Cambie la válvula de línea de Schlenk de gas inerte e insertar el termopar directamente en la solución. </li><li> Bajo condiciones libres de aire, añadir difenilfosfina (DPP, 100 l) a la solución y aumentar la temperatura a 310 ° C. Retirar 7,5 ml de 0,4 M TOP-Se solución(3 selenio mmol) en una jeringa desechable de plástico unido a una aguja de calibre 16. </li><li> Una vez que la temperatura se equilibra a 310 ° C, ajustar el controlador de temperatura a 0 ° C y rápidamente inyectar la solución de TOP-Se directamente en la solución de cadmio. La solución cambia de incoloro a amarillo-naranja y rápidamente la temperatura se reducirá y aumentará de nuevo a ~ 280 ° C. Después de 1 min de reacción, retirar el matraz de la camisa de calentamiento y enfriar rápidamente con una corriente de aire hasta que la temperatura es inferior a 200 ° C. </li><li> Cuando la temperatura alcanza 40 ° C, se diluye con 30 ml de hexano; más del precursor de cadmio restante se asentará de solución. Eliminar este precipitado por centrifugación (5.000 xg, 10 min). </li><li> En cada uno de seis tubo de polipropileno de 50 ml de centrífuga cónico, diluir 12 ml de la solución de nanocristales crudo con acetona 40 ml, de centrifugación (5.000 xg durante 10 min), y se decanta cuidadosamente y descartar el sobrenadante. </li><li> Disolver el nanocrgránulos ystal en hexano (25 ml volumen total). Extraer esta solución 3 veces con un volumen igual de metanol, manteniendo la fase superior. Para la tercera extracción, el volumen de metanol puede ajustarse a ~ 15 ml para obtener una solución de hexano concentrada de puntos cuánticos CdSe puros a aproximadamente 200 mM. El rendimiento típico de esta reacción es 3 mol de nanocristales de CdSe con un diámetro de 2,3 nm (50-60% rendimiento de la reacción). </li><li> Determine el diámetro de nanocristales y concentración midiendo el espectro de absorción UV-Vis y la consulta de la tabla de tallas de ajuste de Mulvaney y compañeros de trabajo 12 y las correlaciones de extinción de Bawendi y compañeros de trabajo 13. Consulte el Apéndice para obtener más información. </li><li> Intercambio de cationes mercurio: los nanocristales pueden ser parcialmente intercambiado con mercurio para desplazamiento al rojo de la absorción y emisión de fluorescencia. Mezclar la siguiente juntos en el orden en un vial de vidrio de 20 ml con barra de agitación (esta reacción puede ser escalado según se desee): 3 ml de hexano, 2 ml de cloroformo, 1 ml de 200 mM CdSe QD solución (200 nmol), 15 oleilamina l (OLA), y 500 l de una solución 0,1 M de Hg (OT) 2 en cloroformo. Mercury octanethioate (HgOT 2) se pueden preparar haciendo reaccionar acetato de mercurio y octanotiol en metanol (véase el apéndice). Medida que la reacción de intercambio de cationes, en la medida de desplazamiento al rojo puede ser vigilado con espectrofotometría de absorción UV-Vis. Después de que la banda de absorción deseada ha sido alcanzada, medir la absorción de la solución de nanocristales en 350 nm y determinar el coeficiente de extinción nuevo, suponiendo que la concentración de nanocristales no ha cambiado (30,7 mu M en este ejemplo). Se detiene la reacción mediante la eliminación del mercurio sin reaccionar: añadir 5 ml de decano, 10 ml de hexano, y 7 ml de metanol y se extrae la solución, manteniendo la fase superior que contiene los nanocristales. Se extrae dos veces más con hexano y metanol, y ajustar el volumen de metanol de modo que la fase superior es de ~ 7 ml. Si las fases son lentos para separar, la solución se puede centrifugar (5000 xg,10 min). Añadir 100 TOP l, 100 l OLA, y 100 l de ácido oleico a los nanocristales seguidas por 40 ml de acetona para inducir la precipitación. Recoge los nanocristales mediante centrifugación y se dispersan en 3 ml de hexano. Se centrifuga de nuevo para eliminar los componentes insolubles y determinar la concentración de nanocristales de nuevo, usando el coeficiente de extinción nuevo a 350 nm. Dejar que la solución de nanocristales de edad durante al menos 24 horas a temperatura ambiente antes de proceder a la siguiente etapa. </li></ol> 2. El crecimiento de sulfuro de cadmio Zinc (Zn Cd y 1-y S) Shell <ol><li> Preparar 0,1 M soluciones precursoras shell en 50 ml de 3 bocas matraces. Cadmio precursor: hidrato de acetato de cadmio (230,5 mg, 1 mmol) y 10 ml oleilamina (OLA). Precursor de zinc: acetato de zinc (183,5 mg, 1 mmol) y 10 ml OLA. Precursor de azufre: azufre (32,1 mg, 1 mmol) y 10 ml ODE. Bajo vacío, calentar cada solución a reflujo durante 1 h para dar soluciones claras, y luego cargar con argón. La solución de azufre puedese enfrió a temperatura ambiente, pero los precursores de cadmio y de zinc se mantiene a aproximadamente 50 ° C. Los cálculos de las cantidades de precursores de concha se puede encontrar en la referencia 14. </li><li> Añadir a un matraz de 3 bocas: Hg x Cd 1-X SE puntos cuánticos (120 nmol, 2,3 nm de diámetro), ODE (2 ml), y óxido de trioctilfosfina (TOPO, 250 mg). Evacuar fuera del hexano a temperatura ambiente usando la línea de Schlenk. Aumentar la temperatura a 100 ° C y reflujo durante 15 min. Cambie la válvula de la línea de Schlenk de argón o nitrógeno gaseoso y introducir el termopar en la solución de nanocristales. </li><li> Aumentar la temperatura a 120 ° C, añadir 0,5 monocapas de solución de precursor de azufre (140 l), y permitir que la reacción procediera durante 15 min. Pequeñas alícuotas (&lt;50 l) se puede eliminar usando una jeringa de vidrio para controlar el progreso de la reacción usando fluorescencia y / o UV-Vis espectrofotometría de absorción. Aumentar la temperatura a 140 ° C, añadir 0,5 monocapas de solución cadmio precursor (140 l), y permitir que la reacción procediera durante 15 min. Añadir 500 anhidro mu l OLA a la solución de reacción. </li><li> A 160 ° C agregar 0,5 monocapas de solución de precursor de azufre (220 l), seguido por una cantidad igual de solución de zinc precursor a 170 ° C con 15 min entre cada adición. Luego, a 180 ° C agregar 0,25 monocapas de solución de precursor de azufre (150 l) y solución de zinc precursor en intervalos de 15 min. </li><li> Enfriar la solución a temperatura ambiente de nuevo y calcular un coeficiente de extinción nuevo para estas partículas utilizando un espectro de UV-Vis, suponiendo que el número de nanocristales no ha cambiado (120 nmol en 3,8 ml de solución de reacción). Almacenar la solución de reacción como una mezcla en bruto en un congelador; los nanocristales pueden ser descongelados y se purifica según sea necesario usando el mismo método descrito en las secciones 1.8 y 1.9. </li><li> Los nanocristales pueden ser caracterizados utilizando microscopia electrónica, UV-Vis espectroscopia de absorción, y espectroscopia de fluorescencia. Rendimiento cuántico puede sercalculado absolutamente usando una esfera de integración o relativamente en comparación con un estándar conocido utilizando los métodos de referencia 15. </li></ol> 3. Fase de transferencia <ol><li> Añadir purificó núcleo / corteza Hg x Cd 1-x Se / Cd y Zn 1-y S puntos cuánticos (5 ml, 20 mM) a una ml 50 3-bocas, y eliminar el hexano bajo un alto vacío para producir una película seca. Llenar el matraz con argón, se añade piridina anhidra (3 ml) a la película de nanopartículas y calentar la suspensión a 80 ° C. En el transcurso de 1-2 horas las nanopartículas se disolverá completamente. </li><li> Añadir 1-tioglicerol (1 ml) a la solución y se agita a 80 º C durante 2 h. Luego enfriar la solución a temperatura ambiente y se añade trietilamina (0,5 ml) para desprotonar tioglicerol. Se agita durante 30 min. La solución puede enturbiarse después de la adición de trietilamina debido a la pobre solubilidad de los nanocristales polares en esta mezcla de disolventes. </li><li> Transferir la solución a un QD cont cónico de 50 ml tubo de centrífugaaining una mezcla de 20 ml de hexano y 20 ml de acetona, y mezclar bien. Aislar los nanocristales precipitados mediante centrifugación (5.000 xg, 10 min), y se lava el precipitado con acetona. </li><li> Disolver el precipitado QD en DMSO (5 ml) con baño de ultrasonidos y, a continuación centrifugar (7.000 xg, 10 min) para eliminar los agregados posibles. Determinar la concentración de nanopartículas a partir de un espectro de absorción UV-Vis. Esta solución de puntos cuánticos puros se debe utilizar dentro de 3 horas, como los tioles de superficie puede oxidar lentamente en condiciones ambientales en el aire. </li><li> Diluir la solución de QD a 10 micras o menor, con DMSO y transferir a un matraz de 50 ml. Preparar un 5 mg / ml de solución de ácido poliacrílico tiolado (síntesis descrita en el Apéndice) en DMSO. Añadir la solución de polímero (0,15 mg de polímero por nmol QDs) gota a gota a la solución QD mientras se agitaba y desgasificar la solución a temperatura ambiente durante 5 min. </li><li> Se purga la solución QD / polímero con argón y se calienta a 80 ° C durante 90 min. Luego enfriar la solución a temperatura ambiente unad gota a gota añadir un volumen igual de borato de sodio 50 mM, pH 8. Se agita durante 10 min. </li><li> Purificar los puntos cuánticos a través de diálisis (20 kDa de corte) en borato de sodio 50 mM, pH 8, y luego se concentran las partículas utilizando un filtro centrífugo (10 kDa de corte). Determinar la concentración de un espectro de absorción UV-Vis. </li></ol> 4. PEG Coating <ol><li> En un vial de vidrio de 4 ml con barra de agitación, mezcla 1 nmol de puntos cuánticos en tampón de borato con un exceso molar de 40.000 x 750 Da monoamino-polietilenglicol (30 mg, 40 mmol). Si una funcionalidad química específica es que se añaden a los nanocristales (por ejemplo, hidrazida o maleimida), puede ser introducido mediante la sustitución de una fracción de la amino-PEG heterobifuncional con un amino-PEG (30% fracción molar normalmente funciona bien). Diluir la solución de nanocristales a 1 mM con tampón de borato. Esta reacción puede hacerse a escala según se desee. </li><li> Preparar una solución fresca de DMTMM (20 mg, 72 mmol) en DMSO (144 l). Esta solución puede calentarse brevemente unDer una corriente de agua de grifo caliente o sumergidos en un baño de ultrasonidos para disolver completamente el DMTMM. Añadir rápidamente un exceso de 25.000 x molar de esta solución 0,5 M DMTMM (50 l) a la solución QD y se agita a temperatura ambiente durante 30 min. </li><li> Repita el paso cuatro veces más 4,2 para saturar la superficie de nanocristales con PEG. Por último, añadir 200 l 1 M Tris buffer para inactivar la reacción y purificar los nanocristales usando la diálisis, filtros centrífugos, o ultracentrifugación. </li><li> Los nanocristales pueden ser analizados para monodispersidad, el tamaño hidrodinámico, y la carga superficial, usando la cromatografía líquida, la electroforesis en gel de agarosa, y microscopía de fluorescencia. Para determinar el tamaño hidrodinámico y la distribución de tamaño utilizando un sistema automatizado de cromatografía líquida (GE AKTAprime Plus), usar una columna de Superose 6, una velocidad de flujo de 0,5 ml / min con PBS eluyente tampón, y la detección de la absorción a 260 o 280 nm. Comparar los tiempos de elución de nanopartículas con los de patrones de peso molecular. Para gel de agarosa de electroforesisresistencia, preparar un gel de agarosa al 0,5% en 50 mM de tampón de borato de sodio (pH 8,5) o 50 mM de tampón de fosfato de sodio (pH 7,4), mezclar muestras de 1 m con 10% de glicerol y de carga a los pozos, y funcionar a 100 V durante 30 min . Imagen de los nanocristales en el gel usando una varilla de UV o transiluminador UV y para la excitación de fluorescencia. Para la imagen de los nanocristales en el nivel de una sola molécula usando microscopía de fluorescencia, diluir las partículas a 0,2 nM en tampón fosfato 10 mM, gota 2,5 ml de la solución sobre un cubreobjetos de vidrio, y se coloca cuidadosamente un cubreobjetos segundos en la parte superior del líquido talón para difundir una película entre los cubreobjetos. Imagen de la superficie con destino partículas usando un objetivo de alta apertura numérica (lo ideal es por lo menos 1,40) en cualquiera de los modos de epifluorescencia o TIRF con excitación a longitudes de onda entre 400-580 nm y una cámara CCD multiplicador de electrones. Parámetros exactos de imagen variará entre configuración microscopía. </li></ol>

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No hay conflictos de interés declarado.

En comparación con los convencionales CdSe puntos cuánticos, aleación ternaria Hg Cd x 1-x nanocristales de Se puede ajustar en tamaño y longitud de onda de fluorescencia de forma independiente. El tamaño se selecciona por primera vez durante la síntesis de nanocristales de CdSe núcleos, y la longitud de onda de fluorescencia se elige en una etapa de intercambio de cationes secundaria de mercurio, que no altera sustancialmente el tamaño de nanocristales 9. Es importante permitir que el Hg p...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nombre del reactivo </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentarios (opcional) </td></tr><tr><td> Selenio </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229865 </td><td></td></tr><tr><td> Tri-n-octilfosfina </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> 97% de pureza, inestable en aire </td></tr><tr><td> Óxido de cadmio </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 202894 </td><td> Altamente tóxico: el uso precaución </td></tr><tr><td> Tetradecylphosphonic ácido </td><td> PCI Síntesis </td><td> 4671-75-4 </td><td></td></tr><tr><td> Octadeceno </td><td> Alfa Aesar </td><td> L11004 </td><td> El grado técnico </td></tr><tr><td> Hexadecilamina </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> H7408 </td><td></td></tr><tr><td> Difenilfosfina </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 252964 </td&gt; <td> Pirofórico </td></tr><tr><td> Mercury acetato </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 456012 </td><td> Altamente tóxico: el uso precaución </td></tr><tr><td> 1-octanotiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471836 </td><td> Olor fuerte </td></tr><tr><td> El ácido oleico </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> W281506 </td><td></td></tr><tr><td> Acetato de zinc </td><td> Alfa Aesar </td><td> 35792 </td><td></td></tr><tr><td> Cadmio acetato hidrato </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229490 </td><td> Altamente tóxico: el uso precaución </td></tr><tr><td> Oleilamina </td><td> Fisher Scientific </td><td> AC12954 </td><td> Inestable en el aire </td></tr><tr><td> Azufre </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 344621 </td><td></td></tr><tr><td> Óxido de trioctilfosfina </td><td> Strem </td><td> 15-6661 </td><td> 99% </td></tr><tr><td> Piridina </td><td> VWR </td><td> EM-PX2012-6 </td><td> Anhidro </td></tr><tr><td> Tioglicerol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> M1753 </td><td> Olor fuerte </td></tr><tr><td> Se añadió trietilamina </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471283 </td><td> Anhidro </td></tr><tr><td> Diálisis tubería </td><td> Spectrum Labs </td><td> 131342 </td><td> 20 kDa de corte </td></tr><tr><td> Filtro centrífugo </td><td> Millipore </td><td> UFC801024 </td><td> 10 kDa de corte </td></tr><tr><td> Monoamino-PEG </td><td> Rapp Polymere </td><td> 12 750-2 </td><td> 750 Da </td></tr><tr><td> DMTMM, 4 - (4,6-dimetoxi-1 ,3,5-triazin-2-il)-4-metilmorfolinio hidrato de cloruro </td><td> Alfa Aesar </td><td> H26333 </td><td></td></tr><tr><td> AKTAprime Plus sistema de cromatografía </td><td> GE Healthcare </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Superose 6 10/300 GL cromatografía en columna </td><td> GE Healthcare </td><td> 17-5172-01 </td><td></td></tr><tr><td> Agarosa, OmniPur </td><td> VWR </td><td> EM-2120 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Apéndice Síntesis de mercurio octanethiolate: Se añade lentamente una solución de metanol de acetato de mercurio (1 eq.) A una solución en agitación de 1-octanotiol (3 eq.) E hidróxido de potasio (3 eq.) En metanol a temperatura ambiente. Aislar el mercurio (II) octanethiolate precipitado por filtración, lavar dos veces con metanol y una vez con éter, y luego se seca a vacío. Síntesis de polímero multidentado: Disolver ácido poliacrílico (1 g, 1.773 Da) en 25 ml de dimetilformamida (DMF) en un 150 ml de tres bocas y de la burbuja con argón durante 30 min. Añadir una solución anhidra de cisteamina (374 mg, 4,87 mmol) en 10 ml de DMF. A temperatura ambiente con agitación vigorosa, se añade lentamente diisopropilcarbodiimida anhidro (DIC, 736 mg, 5,83 mmol) durante 30 min, seguido de trietilamina (170 l, 1,22 mmol), y permitir que la reacción continúe durante 72 horas a 60 ° C. Añadir mercaptoetanol (501 mg, 6,41 mmol) para inactivar la reacción, y se agita durante 2 horas a temperatura ambiente. Eliminar la DMF por evaporación rotatoria y aislar el polímero con la adición de una mezcla 2:1 de acetona enfriada con hielo: cloroformo, seguido de centrifugación. Se disuelve el polímero en ~ 5 ml de DMF anhidro, se filtro, precipitado de nuevo con éter dietílico, y repetir. Se seca el producto al vacío y en atmósfera de argón tienda. Determinación del diámetro del núcleo de CdSe: A partir del espectro de absorción UV-Vis determinar la longitud de onda de la primera pico excitón (λ, en nm), que es el pico más larga longitud de onda (por ejemplo, aproximadamente 498 nm para CdSe en la Figura 2a), y utilizar el dimensionamiento curva de Mulvaney y compañeros de trabajo 12: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq1.jpg" alt= &quot;Ecuación 1&quot; /&gt; Determinación de la concentración de nanocristales CdSe: Desde un fondo sustraído de UV-Vis espectro de una solución ópticamente transparente de nanocristales de CdSe, determinar la longitud de onda de absorción a 350 nm. Las diluciones en serie se puede utilizar para determinar si la absorción óptica está dentro del rango lineal de la ley de Beer. La concentración de nanocristales (QD, en M) puede determinarse enchufando el diámetro de nanocristales (D, en nm), el valor de absorción óptica (A 3sa), y la longitud del camino cubeta (l, en cm) en la siguiente ecuación a partir la correlación empírica de Bawendi y compañeros de trabajo 13: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq2.jpg" alt="Ecuación 2" /></td></tr></tbody></table>

compact quantum dots for single-molecule imaging

Una sola molécula de imágenes es una herramienta importante para la comprensión de los mecanismos de la función biomolecular y para la visualización de la heterogeneidad espacial y temporal de los comportamientos moleculares que subyacen a la biología celular 1-4. Para la imagen de una molécula individual de interés, que se conjuga típicamente a una etiqueta fluorescente (tinte, proteína, perla o punto cuántico) y se observaron con epifluorescencia o de reflexión interna total de fluorescencia (TIRF) microscopía. Aunque los tintes y las proteínas fluorescentes han sido el pilar de imágenes de fluorescencia durante décadas, su fluorescencia es inestable bajo altos flujos de fotones necesarios para observar las moléculas individuales, produciendo sólo unos pocos segundos de observación antes de la pérdida completa de la señal. Perlas de látex y perlas marcada con colorante de proporcionar una mayor estabilidad de la señal, pero a expensas de tamaño hidrodinámico drásticamente más grande, que puede alterar perjudicialmente a la difusión y el comportamiento de la molécula en estudio. ntent &quot;&gt; Los puntos cuánticos (QDs) ofrecen un equilibrio entre estos dos regímenes problemáticos. Estas nanopartículas están compuestas de materiales semiconductores y pueden ser diseñados con un tamaño compacto hidrodinámicamente con una excepcional resistencia a la fotodegradación 5. Por tanto, en años recientes los puntos cuánticos han sido instrumentales en que permite observación a largo plazo del comportamiento complejo macromolecular en el nivel de moléculas individuales. Sin embargo estas partículas han todavía ha encontrado que exhiben deterioro de la difusión en ambientes de hacinamiento molecular, tales como el citoplasma celular y la hendidura sináptica neuronal, donde sus tamaños son todavía demasiado grandes 4,6 , 7. Recientemente hemos diseñado los núcleos y revestimientos de superficies de puntos cuánticos para el tamaño minimizado hidrodinámico, mientras que equilibrar las compensaciones a la estabilidad coloidal, fotoestabilidad, el brillo, y de unión no específicos que han obstaculizado la utilidad de QDs compactos en el pasado 8,9. El objetivo de este artículo es demostrarla síntesis, la modificación, y la caracterización de estos nanocristales optimizados, compuesto de una aleación Cd Hg x 1-x núcleo Se recubierta con un aislante Zn Cd y 1-y shell S, recubierto adicionalmente con un ligando multidentado polímero modificado con polietilenglicol corto ( cadenas PEG) (Figura 1). En comparación con los nanocristales de CdSe convencionales, Hg x CD 1-x aleaciones de Se ofrecen mayores rendimientos cuánticos de fluorescencia, fluorescencia a longitudes de onda roja e infrarroja cercana para una mejor relación señal-ruido en las células, y la excitación a no citotóxicas longitudes de onda visibles. Multidentados revestimientos de polímero se unen a la superficie de nanocristales en una conformación cerrada y plana para minimizar el tamaño hidrodinámico, y PEG neutraliza la carga de la superficie para minimizar la unión no específica a las células y biomoléculas. El resultado final es un brillante fluorescente nanocristales con emisión entre 550-800 nm y un tamaño hidrodinámico total de cerca de 12 nm. Esto es en el sAME intervalo de tamaño como muchas proteínas solubles globulares en células, y sustancialmente más pequeños que los convencionales de puntos cuánticos PEGilados (25-35 nm).

La figura 2 muestra la absorción y fluorescencia representante de nanocristales CdSe Hg, Cd x 1-x nanocristales SE después de intercambio catiónico, y Hg Cd x 1-x Se / Cd y Zn 1-y S después de nanocristales crecimiento de la concha. Los nanocristales de CdSe núcleo tienen un rendimiento cuántico de fluorescencia cerca de 15% (incluida la longitud de onda larga profundo-trampa de emisión), pero esta eficiencia cae a menos del 1% después de mercurio de c...

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Se describe la preparación de puntos cuánticos coloidales con un tamaño minimizado hidrodinámico para imágenes de fluorescencia de una sola molécula. En comparación con los puntos cuánticos, estas nanopartículas son similares en tamaño a las proteínas globulares y están optimizados para el brillo de una sola molécula, la estabilidad contra la fotodegradación, y la resistencia a la unión no específica a proteínas y células.

Compact Puntos Cuánticos for Imaging sola molécula

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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Research

JoVE Journal

Engineering

18.0K vistas.  Emory University. Se describe la preparación de puntos cuánticos coloidales con un tamaño minimizado hidrodinámico para imágenes de fluorescencia de una sola molécula. En comparación con los puntos cuánticos, estas nanopartículas son similares en tamaño a las proteínas globulares y están optimizados para el brillo de una sola molécula, la estabilidad contra la fotodegradación, y la resistencia a la unión no específica a proteínas y células.

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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 Memoria Quantum en Warm Atómica 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 ...

Investigación

Ingeniería

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 de Puerta definidos GaAs / AlGaAs laterales puntos cuánticos

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.

Análisis de Contacto Interfaces para individuales GaN nanocables Dispositivos

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.

Construcción y caracterización de Exteriores Cavidad diodo láser de Física Atómica

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.

Ingeniería de la Luz con la onda continua Optical Parametric Oscillators Estado Quantum

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.

Investigando individual molécula de adhesión por espectroscopia de fuerza atómica

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.

Área selectivo Modificación de humectabilidad de la superficie del silicio por pulsos láser UV irradiación en Ambiente Líquido

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.

De silicio metal-óxido-semiconductor Quantum Dots para Bombeo solo electrón

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.

El uso de un de varios compartimentos dinámico sola enzima fantasma de Estudios de hiperpolarizados Agentes de Resonancia Magnética

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.

Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización

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