Les auteurs tiennent à remercier le Dr Hong Yi à la base Emory University microscopie intégrée pour l&#39;imagerie par microscopie électronique. Ce travail a été financé par des subventions du NIH (PN2EY018244, R01 CA108468, U54CA119338 et 1K99CA154006-01).

Les procédés de synthèse suivantes impliquent l&#39;air standard sans techniques et l&#39;utilisation d&#39;un aspirateur / collecteur de gaz inerte; méthodologie détaillée peut être trouvée dans les références 10 et 11. FDS pour toutes les substances potentiellement toxiques et inflammables doit être consulté avant toute utilisation et les composés inflammables et / ou de l&#39;air labile doit être répartie dans des flacons scellés septum dans une boîte à gants ou un sac à gants. 1. Synthèse de séléniure de cadmium mercure (Hg x Cd 1-x Se) Quantum Dot Cores <ol><li> Préparer une solution 0,4 M de sélénium dans trioctylphosphine (TOP). Ajouter le sélénium (0,316 g, 4 mmol) à un 50 ml à 3 cols, puis évacuer et remplir avec de l&#39;argon à l&#39;aide d&#39;une ligne de Schlenk. Sous air sans conditions (azote sec ou d&#39;argon), ajouter 10 ml TOP et de la chaleur à 100 ° C sous agitation pendant 1 heure pour obtenir une solution limpide et incolore. Refroidir la solution à température ambiante et mis de côté dans le ballon. </li><li> Pour un 250 ml à 3 cols, ajouter de l&#39;oxyde de cadmium (CdO 0,0770 g, 0,6 mmol), d&#39;acide tetradecylphosphonic (TDPA, 0,3674 g, 1,32 mmol), et l&#39;octadécène (ODE, 27,6 ml), et évacuer la solution en utilisant une ligne de Schlenk tout en remuant. Augmenter la température à 100 ° C et pour évacuer encore 15 min pour éliminer les impuretés à bas point d&#39;ébullition. </li><li> Sous atmosphère d&#39;argon ou d&#39;azote gazeux, on chauffe le mélange à 300 ° C pendant 1 heure pour dissoudre complètement l&#39;oxyde de cadmium. La solution passera d&#39;une couleur rougeâtre limpide et incolore. Refroidir la solution à température ambiante. </li><li> Ajouter hexadécylamine (HDA, 7,0 g) à la solution de cadmium, de la chaleur à 70 ° C, et l&#39;évacuation. Une fois qu&#39;une pression constante est atteinte, augmenter la température à 100-110 ° C et le reflux de la solution pendant 30 min. Changer la valve de ligne de Schlenk de gaz inerte et insérer le thermocouple directement dans la solution. </li><li> Sous des conditions exemptes d&#39;air, ajouter diphénylphosphine (DPP, 100 ul) à la solution et à augmenter la température à 310 ° C. Retirer 7,5 ml de 0,4 M TOP-Se solution(Mmol sélénium 3) dans une seringue jetable en plastique fixée à une aiguille de calibre 16. </li><li> Une fois que la température s&#39;équilibre à 310 ° C, régler le régulateur de température à 0 ° C et rapidement injecter la solution TOP-Se directement dans la solution de cadmium. La solution passe de l&#39;incolore au jaune-orange et la température va rapidement baisser et augmenter de nouveau à ~ 280 ° C Après 1 min de réaction, enlever le ballon de la chemise de chauffage et refroidir rapidement avec un courant d&#39;air jusqu&#39;à ce que la température est inférieure à 200 ° C. </li><li> Lorsque la température atteint 40 ° C, diluer avec 30 ml d&#39;hexane, la plupart du précurseur de cadmium restant s&#39;installer hors de la solution. Retirer ce précipité par centrifugation (5000 xg, 10 min). </li><li> Dans chacun des six tube de 50 ml en polypropylène à centrifuger conique, diluer 12 ml de la solution brute nanocristal avec 40 ml d&#39;acétone, centrifugeuse (5000 xg pendant 10 min), et soigneusement décanter et éliminer le surnageant. </li><li> Dissoudre le nanocrpellets ystal dans l&#39;hexane (25 ml volume total). Extrait cette solution 3 fois avec un volume égal de methanol, tout en conservant la phase supérieure. Pour la troisième extraction, le volume de méthanol peut être ajusté à ~ 15 ml pour obtenir une solution d&#39;hexane concentré de points quantiques de CdSe purs à environ 200 uM. Le rendement de cette réaction typique est de 3 mol nanocristaux de CdSe d&#39;un diamètre de 2,3 nm (50-60% rendement de la réaction). </li><li> Déterminer le diamètre nanocristal et de la concentration en mesurant le spectre d&#39;absorption UV-Vis et consulter le tableau des tailles d&#39;ajustement de Mulvaney et ses collègues 12 et les corrélations d&#39;extinction des Bawendi et ses collègues 13. Voir l&#39;annexe pour plus de détails. </li><li> D&#39;échange de cations mercure: les nanocristaux peuvent être partiellement échangée avec du mercure pour décalage vers le rouge l&#39;absorption et l&#39;émission de fluorescence. Mélanger les éléments suivants ensemble dans l&#39;ordre dans un flacon en verre de 20 ml avec un barreau d&#39;agitation (cette réaction peut être mise à l&#39;échelle au choix): 3 ml d&#39;hexane, 2 ml de chloroforme, 1 Cd ml uM 200Se QD solution (200 nmol), 15 ul oléylamine (LLO), et 500 ul d&#39;une solution 0,1 M de Hg (OT) 2 dans du chloroforme. Mercure octanethioate (HgOT 2) peut être préparé en faisant réagir l&#39;acétate de mercure et octanethiol dans le méthanol (voir annexe). Au fur et à la réaction d&#39;échange de cations, dans la mesure du décalage vers le rouge peut être surveillée par spectrophotométrie d&#39;absorption UV-Vis. Après la bande d&#39;absorption souhaitée est atteinte, mesurer l&#39;absorption de la solution de nanocristaux à 350 nm et de déterminer le coefficient d&#39;extinction nouveau, en supposant que la concentration n&#39;a pas changé nanocristal (30,7 uM dans cet exemple). Stopper la réaction en enlevant le mercure n&#39;a pas réagi: ajouter 5 ml décane, 10 ml d&#39;hexane, et 7 ml de méthanol et d&#39;extraire la solution, en gardant la phase supérieure contenant des nanocristaux. Extraire deux fois plus à l&#39;hexane et le méthanol, et réglez le volume de méthanol afin que la phase supérieure est d&#39;environ 7 ml. Si les phases sont lents à se séparer, la solution peut être centrifugé (5000 xg,10 min). Ajouter 100 ul TOP, 100 LLO ul et 100 ul d&#39;acide oléique aux nanocristaux suivis par 40 ml d&#39;acétone pour induire la précipitation. Recueillir les nanocristaux par centrifugation et disperser dans 3 ml d&#39;hexane. Centrifuger de nouveau pour éliminer les composants insolubles et déterminer la concentration nanocristal nouveau, en utilisant le coefficient d&#39;extinction nouveau à 350 nm. Laisser la solution nanocristal à vieillir pendant au moins 24 heures à température ambiante avant de procéder à l&#39;étape suivante. </li></ol> 2. Croissance de Sulfure de zinc cadmium (Cd y Zn 1-y S) Shell <ol><li> Préparer solutions à 0,1 M précurseurs shell dans 50 ml 3 flacons à col. Cadmium précurseur: l&#39;hydrate d&#39;acétate de cadmium (230,5 mg, 1 mmol) et 10 ml d&#39;oléylamine (LLO). Précurseur de zinc: l&#39;acétate de zinc (183,5 mg, 1 mmol) et 10 ml LLO. Précurseur de soufre: soufre (32,1 mg, 1 mmol) et 10 ml ODE. Sous vide, chauffer chaque solution au reflux pendant 1 heure pour obtenir des solutions claires, puis rechargez avec de l&#39;argon. La solution de soufre peutrefroidir à la température ambiante, mais des précurseurs de cadmium et de zinc sont maintenues à environ 50 ° C. Le calcul des quantités de précurseurs shell ne peut être trouvée dans la référence 14. </li><li> Ajouter à un ballon à 3 cols: Hg x Cd 1-x Se QDs (120 nmol, 2,3 nm de diamètre), ODE (2 ml), et l&#39;oxyde de trioctylphosphine (TOPO, 250 mg). Évacuer hors de l&#39;hexane à température ambiante en utilisant la ligne de Schlenk. Augmenter la température à 100 ° C et le reflux pendant 15 min. Changer la vanne en ligne de Schlenk de l&#39;argon ou de l&#39;azote gazeux et insérer le thermocouple dans la solution de nanocristaux. </li><li> Augmenter la température à 120 ° C, ajouter 0,5 monocouches de solution de précurseur de soufre (140 pi), et laisser la réaction se poursuivre pendant 15 min. Petites fractions (&lt;50 pi) peut être enlevé en utilisant une seringue en verre pour surveiller la progression de la réaction en utilisant la fluorescence et / ou spectrophotométrie d&#39;absorption UV-Vis. Augmenter la température à 140 ° C, ajouter 0,5 monocouches de solution de précurseur de cadmium (140 pi), et laisser la réaction se poursuivre pendant 15 min. Ajouter 500 ul de la LLO anhydre à la solution réactionnelle. </li><li> À 160 ° C ajouter 0,5 monocouches de solution de précurseur de soufre (220 pi), suivi par une quantité égale de solution de précurseur de zinc à 170 ° C et à 15 minutes entre chaque addition. Puis à 180 ° C ajouter 0,25 monocouches de solution de précurseur de soufre (150 ul) et de la solution de précurseur de zinc dans des intervalles de 15 min. </li><li> Refroidir la solution à température ambiante et à nouveau calculer un nouveau coefficient d&#39;extinction pour ces particules en utilisant un spectre UV-Vis, en supposant que le nombre de nanocristaux n&#39;a pas changé (120 nmol dans 3,8 ml solution de réaction). Stocker la solution de réaction comme un mélange brut dans un congélateur, les nanocristaux peuvent être décongelés et purifié si nécessaire en utilisant la même méthode décrite dans les sections 1.8 et 1.9. </li><li> Les nanocristaux peuvent être caractérisées par microscopie électronique, spectroscopie d&#39;absorption UV-Vis, et la spectroscopie de fluorescence. Rendement quantique peut êtrecalculée en utilisant absolument une sphère d&#39;intégration ou relativement en comparaison à une norme connue en utilisant les méthodes de référence 15. </li></ol> 3. Transfert de phase <ol><li> Ajouter purifiée noyau / enveloppe Hg x Cd 1-x Se / Zn Cd y 1-y S QD (5 ml, 20 uM) à une de 50 ml à 3 cols et enlever l&#39;hexane sous vide poussé pour obtenir un film sec. Remplir la fiole avec de l&#39;argon, ajouter de la pyridine anhydre (3 ml) pour le film de nanoparticules et de la chaleur de la suspension à 80 ° C. Au cours de 1-2 heures les nanoparticules se dissoudre complètement. </li><li> Ajouter 1-thioglycérol (1 ml) à la solution et agiter à 80 ° C pendant 2 heures. Puis refroidir la solution à température ambiante et ajouter la triéthylamine (0,5 ml) à déprotoner le thioglycérol. Agiter pendant 30 min. La solution peut devenir trouble après l&#39;addition de triéthylamine en raison de la faible solubilité des nanocristaux polaires dans ce mélange de solvants. </li><li> Transférer la solution dans un QD centrifugation de 50 ml cont tube coniqueAining un mélange de 20 ml d&#39;hexane et 20 ml d&#39;acétone, et bien mélanger. Isoler les nanocristaux précipitées par centrifugation (5000 xg, 10 min), et laver le culot avec de l&#39;acétone. </li><li> Dissoudre le culot QD dans le DMSO (5 ml) avec sonication en bain, puis centrifuger (7000 xg, 10 min) pour éliminer les agrégats possibles. Déterminer la concentration de nanoparticules à partir d&#39;un spectre d&#39;absorption UV-Vis. Cette solution de BQs purs doivent être utilisés à moins de 3 h, comme les thiols de surface peuvent s&#39;oxyder lentement dans des conditions ambiantes dans l&#39;air. </li><li> Diluer la solution QD à 10 uM ou moins avec du DMSO et transférer dans un flacon de 50 ml. Préparer un 5 mg / ml, solution d&#39;acide polyacrylique thiolé (synthèse décrite en annexe) dans le DMSO. Ajouter la solution de polymère (0,15 mg de polymère par nmol QDs) goutte à goutte à la solution une fois par jour, tout en agitant et dégazer la solution à la température ambiante pendant 5 min. </li><li> Purger la solution QD / polymère avec de l&#39;argon et de la chaleur à 80 ° C pendant 90 min. Puis refroidir la solution à température ambiante uned goutte à goutte ajouter un volume égal de 50 mM borate de sodium, pH 8. Agiter pendant 10 min. </li><li> Purifier les boîtes quantiques par dialyse (20 kDa de coupure) dans 50 mM borate de sodium, pH 8, puis concentrer les particules à l&#39;aide d&#39;un filtre centrifuge (10 kDa de coupure). Déterminer la concentration d&#39;un spectre d&#39;absorption UV-Vis. </li></ol> 4. Revêtement PEG <ol><li> Dans un flacon en verre de 4 ml avec un barreau d&#39;agitation, mélanger 1 nmol QDs dans un tampon de borate avec un excès molaire de 40.000 x 750 Da monoamino-polyéthylène glycol (30 mg, 40 pmol). Si une fonctionnalité chimique spécifique doit être ajouté à des nanocristaux (par exemple hydrazide ou maléimide), il peut être introduit par substitution, une fraction de l&#39;amino-PEG avec un hétéro-amino-PEG (30% molaire fonctionne généralement bien). Diluer la solution de nanocristaux à 1 uM avec un tampon de borate. Cette réaction peut être mis à l&#39;échelle comme vous le souhaitez. </li><li> Préparer une solution fraîche de DMTMM (20 mg, 72 pmol) dans du DMSO (144 pi). Cette solution peut être chauffée brièvement uous un flux de chaleur eau du robinet ou immergé dans un bain sonique pour dissoudre complètement la DMTMM. Ajouter rapidement un excès molaire x 25.000 de cette solution 0,5 M DMTMM (50 pi) à la solution une fois par jour et agiter à température ambiante pendant 30 min. </li><li> Répétez l&#39;étape 4.2 de plus de quatre fois pour saturer la surface du nanocristal avec du PEG. Enfin, ajouter 200 ul de tampon Tris 1 M pour arrêter la réaction et de purifier les nanocristaux utilisant la dialyse, filtres centrifuges, ou ultracentrifugation. </li><li> Les nanocristaux peuvent être analysés pour monodispersité, taille hydrodynamique, et la charge de surface par chromatographie en phase liquide, électrophorèse sur gel, et la microscopie à fluorescence. Pour déterminer la taille hydrodynamique et la distribution de taille en utilisant un système de chromatographie liquide automatisé (GE AKTAprime Plus), utiliser une colonne de Superose 6, avec un débit de 0,5 ml / min avec un tampon PBS éluant, et la détection de l&#39;absorption à 260 ou 280 nm. Comparer les temps d&#39;élution des nanoparticules avec ceux des standards de poids moléculaire. Pour électrophorèse sur gel d&#39;agaroserésistance, préparer un gel d&#39;agarose à 0,5% dans 50 mM de tampon borate de sodium (pH 8,5) ou 50 mM de tampon phosphate de sodium (pH 7,4), mélanger des échantillons de 1 pM avec 10% de glycérol et de charge dans des puits, et fonctionner à 100 V pendant 30 min . L&#39;image des nanocristaux dans le gel à l&#39;aide d&#39;une baguette à la main UV ou transilluminateur UV et l&#39;excitation de fluorescence. À l&#39;image des nanocristaux à l&#39;échelle de la molécule unique par microscopie à fluorescence, diluer les particules à 0,2 nm dans un tampon phosphate 10 mM, déposez 2,5 ul de la solution sur une lamelle de verre, et très délicatement une lamelle de seconde sur le dessus de la perle liquide à s&#39;étaler un film entre les lamelles. L&#39;image de la surface assortis de particules en utilisant un objectif à grande ouverture numérique (idéalement au moins 1,40) en mode épifluorescence ou la FRBR avec une excitation à des longueurs d&#39;onde entre 400-580 nm et d&#39;une caméra CCD multiplicateur d&#39;électrons. Paramètres d&#39;imagerie exactes varieront entre l&#39;installation de microscopie. </li></ol>

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Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Par rapport aux points quantiques de CdSe, alliage ternaire Hg x Cd 1-x Se nanocristaux peuvent être réglés en taille et en longueur d&#39;onde de fluorescence de manière indépendante. La taille est d&#39;abord sélectionné lors de la synthèse de nanocristaux de CdSe noyaux, et la longueur d&#39;onde de fluorescence est choisi dans une étape d&#39;échange de cations mercure secondaire, qui ne modifie pas sensiblement la taille des nanocristaux 9. Il est important de laisser le m...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom du réactif </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires (optionnel) </td></tr><tr><td> Sélénium </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229865 </td><td></td></tr><tr><td> Tri-n-octylphosphine </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> Pur à 97%, instable à l&#39;air </td></tr><tr><td> L&#39;oxyde de cadmium </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 202894 </td><td> Très toxique: soyez prudent </td></tr><tr><td> Tetradecylphosphonic acide </td><td> Synthèse PCI </td><td> 4671-75-4 </td><td></td></tr><tr><td> Octadécène </td><td> Alfa Aesar </td><td> L11004 </td><td> De qualité technique </td></tr><tr><td> Hexadécylamine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> H7408 </td><td></td></tr><tr><td> Diphenylphosphine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 252964 </td&gt; <td> Pyrophorique </td></tr><tr><td> L&#39;acétate de mercure </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 456012 </td><td> Très toxique: soyez prudent </td></tr><tr><td> 1-octanethiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471836 </td><td> Forte odeur </td></tr><tr><td> L&#39;acide oléique </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> W281506 </td><td></td></tr><tr><td> L&#39;acétate de zinc </td><td> Alfa Aesar </td><td> 35792 </td><td></td></tr><tr><td> Cadmium hydrate d&#39;acétate </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 229490 </td><td> Très toxique: soyez prudent </td></tr><tr><td> Oléylamine </td><td> Fisher Scientific </td><td> AC12954 </td><td> Instable à l&#39;air </td></tr><tr><td> Soufre </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 344621 </td><td></td></tr><tr><td> Oxyde de trioctylphosphine </td><td> Strem </td><td> 15-6661 </td><td> 99% </td></tr><tr><td> Pyridine </td><td> VWR </td><td> EM-PX2012-6 </td><td> Anhydre </td></tr><tr><td> Thioglycérol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> M1753 </td><td> Forte odeur </td></tr><tr><td> Triéthylamine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 471283 </td><td> Anhydre </td></tr><tr><td> Un tube de dialyse </td><td> Spectrum Labs </td><td> 131342 </td><td> 20 kDa de coupure </td></tr><tr><td> Filtre centrifuge </td><td> Millipore </td><td> UFC801024 </td><td> 10 kDa de coupure </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-diméthoxy-1 ,3,5-triazine-2-yl)-4-méthylmorpholinium hydrate de chlorure </td><td> Alfa Aesar </td><td> H26333 </td><td></td></tr><tr><td> AKTAprime Chromatographie Plus System </td><td> GE HealthCare </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Superose 6 10/300 GL Chromatographie sur colonne </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> Appendice Synthèse de mercure octanethiolate: Ajouter lentement une solution méthanolique d&#39;acétate de mercure (1 éq.) À une solution sous agitation de 1-octane (3 éq.) Et de l&#39;hydroxyde de potassium (3 éq.) Dans le méthanol à température ambiante. Isoler le précipité de mercure octanethiolate (II) par filtration, laver deux fois avec du méthanol et une fois avec de l&#39;éther, puis séché sous vide. Synthèse de polymère multidenté: Dissoudre l&#39;acide polyacrylique (1 g, 1.773 Da) dans 25 ml de diméthylformamide (DMF) dans 150 ml d&#39;un ballon à trois cols et la bulle d&#39;argon pendant 30 min. Ajouter une solution anhydre de cystéamine (374 mg, 4,87 mmol) dans 10 ml de DMF. À température ambiante avec une agitation vigoureuse, ajouter lentement diisopropylcarbodiimide anhydre (DIC, 736 mg, 5,83 mmol) pendant 30 min, puis de la triéthylamine (170 pi, 1,22 mmol), et de laisser la réaction se poursuivre pendant 72 heures à 60 ° C. Ajouter mercaptoéthanol (501 mg, 6,41 mmol) pour arrêter la réaction, et remuer pendant 2 heures à température ambiante. Éliminer le DMF par évaporation rotative et isoler le polymère avec l&#39;addition d&#39;un mélange 2:1 d&#39;acétone glacée: chloroforme, suivie d&#39;une centrifugation. Dissoudre le polymère dans ~ 5 ml de DMF anhydre, filtre, précipité à nouveau avec du diéthyléther, et recommencez. Sécher le produit sous vide et sous atmosphère d&#39;argon magasin. Détermination du diamètre du noyau CdSe: A partir du spectre d&#39;absorption UV-Vis de déterminer la longueur d&#39;onde du premier pic excitonique (λ, en nm), qui est le pic le plus long-longueur d&#39;onde (par exemple environ 498 nm pour CdSe dans la figure 2a), et d&#39;utiliser le dimensionnement courbe de Mulvaney et ses collègues 12: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq1.jpg" alt= &quot;Équation 1&quot; /&gt; Détermination de la concentration nanocristal de CdSe: Issu d&#39;un milieu soustrait-UV-Vis spectre d&#39;une solution optiquement claire de nanocristaux de CdSe, déterminer l&#39;absorption à 350 nm de longueur d&#39;onde. Des dilutions en série peut être utilisé pour déterminer si l&#39;absorption optique est dans la plage linéaire de la loi de Beer. La concentration nanocristal (QD, en M) peut être déterminée en branchant le diamètre nanocristal (D, en nm), la valeur d&#39;absorption optique (A 3SA), et la longueur du chemin cuvette (L, en cm) dans l&#39;équation suivante à partir de la corrélation empirique de Bawendi et ses collègues 13: <img src="/files/ftp_upload/4236/4236eq2.jpg" alt="Équation 2" /></td></tr></tbody></table>

compact quantum dots for single-molecule imaging

Une seule molécule d&#39;imagerie est un outil important pour la compréhension des mécanismes de la fonction biomoléculaire et pour visualiser l&#39;hétérogénéité spatiale et temporelle des comportements moléculaires qui sous-tendent la biologie cellulaire 1-4. À l&#39;image d&#39;une molécule individuelle d&#39;intérêt, il est généralement conjugué à un marqueur fluorescent (colorant, de protéines, de perles, ou points quantiques) et observé avec épifluorescence ou fluorescence à réflexion interne totale (TIRF) microscopie. Alors que les colorants et les protéines fluorescentes ont été le pilier de l&#39;imagerie de fluorescence pendant des décennies, leur fluorescence est instable sous haute flux de photons nécessaires pour observer les molécules individuelles, ce qui donne seulement quelques secondes d&#39;observation avant la perte totale du signal. Des billes de latex et de perles colorant étiquetés assurer la stabilité du signal amélioré, mais au détriment de la taille hydrodynamique considérablement plus grande, ce qui peut altérer la diffusion délétère et le comportement de la molécule étudiée. ntent &quot;&gt; Les quantum dots (QDs) offrent un équilibre entre ces deux régimes problématiques. Ces nanoparticules sont constituées de matériaux semi-conducteurs et peut être conçu avec une taille hydrodynamique compact avec une résistance exceptionnelle à la photodégradation 5. Ainsi, ces dernières années QDs ont joué un rôle en permettant aux observation à long terme du comportement complexe macromoléculaire sur le niveau de la molécule unique. Cependant, ces particules ont encore été trouvé exposer diffusion avec facultés affaiblies en environnements encombrés moléculaires tels que le cytoplasme cellulaire et synaptique neuronale de la fente, où leurs tailles sont encore trop grandes 4,6 , 7. Récemment, nous avons conçu les cœurs et les revêtements de boîtes quantiques de taille hydrodynamique réduite au minimum, tout en tenant compte des décalages à la stabilité colloïdale, photostabilité, la luminosité et la liaison non spécifiques qui ont entravé l&#39;utilité des boîtes quantiques compacts dans le passé 8,9. Le but de cet article est de démontrerla synthèse, la modification et la caractérisation de ces nanocristaux optimisées, composée d&#39;un alliage Cd Hg 1-x Se x noyau revêtu d&#39;un isolant Zn Cd Y 1-Y S coquille, en outre revêtu avec un ligand polydenté polymère modifié par du polyéthylèneglycol court ( PEG) (figure 1). Par rapport aux nanocristaux de CdSe conventionnels, Hg x Cd 1-x Se alliages offrent de meilleures rendements quantiques de fluorescence, fluorescence à des longueurs d&#39;onde rouge et proche infrarouge pour améliorer signal-sur-bruit dans les cellules, et d&#39;excitation à la non-cytotoxiques longueurs d&#39;onde visibles. Multidentés revêtements polymères se lier à la surface du nanocristal dans une conformation fermée et plane pour réduire au minimum la taille hydrodynamique, et PEG neutralise la charge de surface pour minimiser liaison non spécifique aux cellules et de biomolécules. Le résultat final est un nanocristal fluorescent vives avec des émissions entre 550-800 nm et une taille hydrodynamique totale près de 12 nm. C&#39;est dans le sgamme de taille ame autant de protéines globulaires solubles dans les cellules, et sensiblement plus petits que les points quantiques conventionnels PEGylées (25-35 nm).

La figure 2 illustre l&#39;absorption et des spectres de fluorescence représentant des nanocristaux de CdSe, Hg x Cd 1-x Se nanocristaux après échange cationique, Hg et Cd x 1-x Se / Zn Cd y 1-y nanocristaux S après croissance de la coquille. Les nanocristaux de CdSe de base ont un rendement quantique de fluorescence près de 15% (y compris les grandes longueurs d&#39;onde profonde piège d&#39;émission) mais cette efficacité tombe à moins de 1% après ...

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Nous décrivons la préparation de points quantiques colloïdaux dont la taille hydrodynamique réduit au minimum pour l&#39;imagerie de fluorescence de molécules uniques. Par rapport aux points quantiques, ces nanoparticules ont une taille similaire à des protéines globulaires et sont optimisés pour une seule molécule de la luminosité, de la stabilité contre la photodégradation et la résistance à la liaison non spécifique des protéines et des cellules.

Compact points quantiques pour une seule molécule d&#39;imagerie

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

compact-quantum-dots-for-single-molecule-imaging

Research

JoVE Journal

Engineering

18.0K vues.  Emory University. Nous décrivons la préparation de points quantiques colloïdaux dont la taille hydrodynamique réduit au minimum pour l'imagerie de fluorescence de molécules uniques. Par rapport aux points quantiques, ces nanoparticules ont une taille similaire à des protéines globulaires et sont optimisés pour une seule molécule de la luminosité, de la stabilité contre la photodégradation et la résistance à la liaison non spécifique des protéines et des cellules.

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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 Quantum Mémoire chaud atomique de vapeur

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

Recherche

Ingénierie

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 la porte définis-GaAs / AlGaAs latéraux 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.

Analyse des Interfaces de contact pour GaN appareils nanofils

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.

Construction et caractérisation des lasers externes cavité Diode de physique atomique

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.

Quantum État génie de la lumière avec continu-ondes optiques paramétriques oscillateurs

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.

Enquête molécule unique adhérence par force atomique Spectroscopie

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.

Selective Area Modification de la Silicon mouillabilité de surface par irradiation laser pulsé UV en milieu liquide

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 métal-oxyde-semiconducteur Quantum Dots pour le pompage mono-électronique

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.

Utilisation d&#39;un multi-compartiment dynamique unique Enzyme Phantom pour les études de hyperpolarisé Agents de résonance magnétique

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 numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins

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