Nanoparticules hybrides semi-conducteurs / lanthanides pour NIR

par Vjona Cifliku

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Niko Hildebrandt.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical, Optical, Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-03-2017 .


  • Résumé

    La photoluminescence (PL) est une technique standard en analyse biologique et chimique et ses avantages. De convivialité, de rapidité, de faible coût, une sensibilité très élevée et une polyvalence inégalée ont ouvert une large portée Des applications de détection, y compris l'utilisation de dispositifs électroniques de consommation et de diagnostics de point de service. Driven Par les exigences toujours exigeantes de la sensibilité, de la spécificité, de l'exactitude, de la reproductibilité et de la multiparamétrie Détection (multiplexage) pour la quantification de concentrations extrêmement faibles de diverses cibles biologiques (Par exemple des protéines, des peptides et des acides nucléiques) ainsi que la surveillance de leurs interactions, luminescentes Nanoparticules (NP) et FRET (transfert d'énergie de résonance de Förster) sont apparues comme très prometteuses Technologies pour accroître encore la polyvalence de la biosensibilité. La combinaison de complexes de lanthanides luminescents (Ln) et de points quantiques semi-conducteurs (QDs) en FRET Peut fournir des propriétés photophysiques et photochimiques extraordinaires avec de nombreux avantages pour les propriétés multiplexées, Sensible et polyvalent. Le principal inconvénient des sondes à base de Ln est leur faible luminosité due À des sections transversales d'absorption extrêmement faibles d'ions Ln. Cela ne peut être que partiellement surmonté par la Des complexes Ln supramoléculaires avec des ligands d'antennes ou le dopage de nombreux ions Ln dans des NP, et le PL à base de Ln Sondes avec une luminosité très élevée (> 50 000 M-1 Cm-1) N'existent pas à ce jour. Un autre inconvénient des Ln-NP est En particulier pour le procédé FRET fortement dépendant de la distance. En raison de la distance FRET limitée (jusqu'à max 20 nm), seuls les ions Ln proches de la surface NP peuvent être utilisés pour FRET, alors que les ions au centre Contribuent à PL mais pas à FRET. Une autre limitation actuelle de la biosensibilité PL est l'absence de Et des émetteurs NIR stables. La gamme NIR est très importante pour la biosensibilité car elle permet des profondeurs de pénétration dues à la faible section d'absorption des tissus et une autofluorescence significativement réduite (Par rapport à l'excitation UV / Vis et la détection Vis) à partir de composants biologiques endogènes. NIR Les colorants et les QD sont principalement limités par leurs rendements quantiques PL relativement faibles. De plus, les QD contiennent souvent du Cd,Qui est très toxique et peut donc être très problématique pour la biosensibilité, en particulier dans les cellules vivantes ou in vivo. Un aspect qui est probablement encore plus important est le manque de sondes NIR PL ratiométriques. Détection Ratiométrique,Dans laquelle le rapport PL d'une sonde spécifique à l'analyte et d'une sonde non spécifique d'analyte est mesuré, est primordiale L'importance pour la biosensibilité d'être indépendant des variations d'intensité de PL dans différents environnements (par exemple, dans Différentes cellules) ou en raison de conditions d'excitation ou de détection altérées. Le projet NEUTRINOS dépassera largement l'état de l'art en proposant deux nouveaux types de Nanomatériaux avancés de PL. Ces nouvelles nanoparticules combinent Ln et QDs pour le biosensage FRET avancé Et l'imagerie ratiométrique. L'installation d'antennes photo-sensibilisantes de surface sur les Ln NP conduira à une Excitation des seuls ions Ln proches de la surface, ce qui permettra de surmonter les sections transversales d'absorption limitée des Ln NP Et le fort fond PL des ions Ln à l'intérieur des NPs et permettent un FRET hautement efficace à partir des surfaces Des Ln NP. La fixation supplémentaire de molécules de reconnaissance biologique, telles que des anticorps, des peptides, ou ADN / ARN, et l'utilisation d'accepteurs QD conduira à un multiplexage ultrasensible hautement amélioré pour les Diagnostics. La deuxième approche matérielle consiste en des NP de noyau / coque QD / Ln, dans lesquelles le QD émettant NIR Core sera protégé de l'environnement par une coquille dopée au Ln, qui sera en contact avec l'environnement. Le NIR PL de la coque Ln peut être utilisé pour la détection spécifique de l'analyte, alors que le PL non affecté de la Cd-free Les QD peuvent être utilisés pour une détection ratiométrique hautement reproductible dans des cellules vivantes et des images in vivo.

  • Titre traduit

    Hybrid semiconductor/lanthanide nanoparticles for NIR


  • Résumé

    Photoluminescence (PL) sensing is a standard technique in biological and chemical analysis, and its advantages of user friendliness, speed, low cost, very high sensitivity, and unrivalled versatility have opened a broad scope of sensing applications, including the use of consumer electronic devices and point-of-care diagnostics. Driven by the ever demanding requirements of sensitivity, specificity, accuracy, reproducibility, and multiparametric detection (multiplexing) for the quantification of extremely low concentrations of various biological targets (e.g., proteins, peptides, and nucleic acids) as well as the monitoring of their interactions, luminescent nanoparticles (NPs) and FRET (Förster resonance energy transfer) have appeared as very promising technologies to further increase the versatility of biosensing. The combination of luminescent lanthanide (Ln) complexes and semiconductor quantum dots (QDs) in FRET can provide extraordinary photophysical and photochemical properties with many advantages for multiplexed, sensitive, and versatile biosensing. The main drawback of the Ln-based probes is their limited brightness due to extremely low absorption cross sections of Ln ions. This can only partly be overcome by the design of supramolecular Ln-complexes with antenna ligands or the doping of many Ln ions into NPs, and Ln-based PL probes with very high brightness (>50,000 M-1cm-1) do not exist to date. Another disadvantage of Ln-NPs is particular for the strongly distance-dependent FRET process. Due to the limited FRET distance (up to max 20 nm), only the Ln-ions close to the NP surface can be used for FRET, whereas the ions in the center contribute to PL but not to FRET. Another current limitation of PL biosensing is the unavailability of bright and stable NIR emitters. The NIR range is highly important for biosensing because it allows for higher penetration depths due to the low absorption cross section of tissues and significantly reduced autofluorescence background (compared to UV/Vis excitation and Vis detection) from endogenous biological components. NIR dyes and QDs are mainly limited by their relatively low PL quantum yields. Moreover, QDs often contain Cd, which is highly toxic and can therefore be very problematic for biosensing, in particular in live cells or in-vivo. An aspect that is probably even more important is the lack of ratiometric NIR PL probes. Ratiometric detection, in which the PL ratio of an analyte-specific and an analyte-unspecific probe is measured, is of paramount importance for biosensing to be independent of PL intensity variations within different environments (e.g., in different cells) or due to altered excitation or detection conditions. The NEUTRINOS project will go significantly beyond the state-of-the art by proposing two novel types of advanced PL nanomaterials. These new nanoparticles combine Ln and QDs for advanced FRET biosensing and ratiometric imaging. Attachment of surface photo-sensitizing antennas on Ln NPs will lead to efficient excitation of only surface-near Ln ions, which will overcome the limited absorption cross sections of Ln NPs and the strong PL background of Ln ions inside the NPs and allow for highly efficient FRET from the surfaces of the Ln NPs. The additional attachment of biological recognition molecules, such as antibodies, peptides, or DNA/RNA, and the use of QD acceptors will lead to highly improved ultrasensitive multiplexing for clinical diagnostics. The second material approach consists of QD/Ln core/shell NPs, in which the NIR-emitting QD core will be protected from the environment by an Ln-doped shell, which will be in contact to the environment. The NIR PL of the Ln-shell can be used for analyte-specific sensing, whereas the unaffected PL of Cd-free QDs can be used for highly reproducible ratiometric detection in live cell and in-vivo imaging.