Tesi sul tema "Points quantiques – Synthèse (chimie)"

Depuis quelques années, les QDs ternaires ont connu un développement exponentiel grâce à leurs propriétés, notamment leur photoluminescence, qui peut non seulement être contrôlée par leur taille mais également par leur composition. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une nouvelle méthode de synthèse « verte » en milieu aqueux de QDs ternaires ZnSeS dopés et nous avons étudié l'effet de la variation du dopant (Mn2+, Cu2+ou Cu2+/Al3+) ainsi que de sa localisation (dans le cœur ou dans la coquille) sur leurs propriétés optiques et structurales. La première partie de ce travail décrit la synthèse des QDs ternaires cœur ZnSeS:Mn et cœur/coquille ZnSeS:Mn/ZnS en utilisant le 2-MPA comme ligand. Les résultats obtenus montrent que ces nanocristaux peuvent être préparés avec des rendements quantiques de 22 et 41%, respectivement. Ces QDs ont montré une excellente photostabilité sous irradiation UV et peuvent facilement être transférés en phase organique à l'aide du ligand hydrophobe octanethiol et cela sans altération de leurs propriétés optiques. Par la suite, des QDs cœur/coquille/coquille ZnSeS/ZnS:Cu/ZnS pour lesquels le dopant Cu est introduit dans la première coquille ont été préparés en utilisant le 3-MPA comme ligand. Une excellente (photo)stabilité en présence d'air et d'oxygène ont été observés. Les QDs cœur/coquille/coquille ZnSeS/ZnS:Cu/ZnS ont un rendement quantique de photoluminescence de 20% et ont été utilisés comme sondes photoluminescentes pour la détection des ions Pb2+ en milieu aqueux. Une extinction sélective de l'émission de photoluminescence en présence des ions Pb2+ a été observée. Enfin, des QDs co-dopés Cu et Al, ZnSeS/ZnS:Cu/ZnS:Al/ZnS (première coquille dopée avec Cu2+ et deuxième coquille dopée avec Al3+) ont été préparés. Le co-dopage permet l'amélioration des propriétés optiques, notamment du rendement quantique (jusqu'à 32%) ainsi que de la durée de vie de photoluminescence des QDs dopés Cu
In recent years, ternary QDs have experienced an exponential development thanks to their properties, especially their photoluminescence, which can be controlled not only by their size but also by their composition. As part of this thesis, we developed a new "green" synthesis in aqueous media of ZnSeS-doped ternary QDs and we studied the effect of the variation of the dopant (Mn2+, Cu2+, or Cu2+/Al3+) as well as its localization (in the core or in the shell) on their optical and structural properties. The first part of this work describes the synthesis of ZnSeS:Mn ternary QDs and ZnSeS:Mn/ZnS core/shell using 2-MPA as a ligand. The results obtained show that these nanocrystals can be prepared with quantum yields of 22% and 41%, respectively. These QDs have shown excellent photostability under UV irradiation and can easily be transferred to the organic phase using the hydrophobic octanethiol ligand without altering their optical properties. Subsequently, core/shell ZnSeS/ZnS:Cu/ZnS QDs for which the Cu dopant is introduced into the first shell were prepared using 3-MPA as a ligand. Excellent (photo)stability in the presence of air and oxygen was observed. ZnSeS/ZnS:Cu/ZnS core/shell QDs have a 20% photoluminescence quantum yield and have been used as photoluminescent probes for the detection of Pb2+ ions in aqueous media. A selective extinction of the photoluminescence emission in the presence of Pb2+ ions was observed. Finally, Cu and Al co-doped QDs, ZnSeS/ZnS:Cu/ZnS:Al/ZnS (first shell doped with Cu2+ and second shell doped with Al3+) were prepared. Co-doping allows the improvement of the optical properties, including quantum efficiency (up to 32%) as well as the photoluminescence lifetime of Cu-doped QDs

Les quantum dots (QDs) ont un fort potentiel pour la détection biologique, le photovoltaïque et la catalyse en raison de leurs propriétés photophysiques uniques. Les semiconducteurs les plus étudiés contiennent des métaux lourds comme le cadmium et le plomb et leurs domaines d’applications sont très limités. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé de nouveaux procédés de synthèse en milieu aqueux des QDs ternaires AgInSAgInS₂ et quaternaires AgInS₂/ZnS et avons étudié leur dopage par les cations Ni²⁺ et Co²⁺ afin de préparer des nanocristaux dotés de propriétés fluorescentes et magnétiques. Nous avons tout d’abord optimisé la synthèse des QDs AIZS en milieu aqueux en utilisant le 3-MPA comme ligand et avons produit des nanocristaux avec un rendement quantique de fluorescence de 65%. Puis, le dopage de ces nanocristaux par les cations Ni(+2) et Co(+2) a été étudié. Une chute du rendement quantique de fluorescence est observée après le dopage. Les meilleures propriétés magnétiques ont été observées à basse température (10 K) et les valeurs d'aimantation augmentent avec la concentration en dopant. Les QDs AIZS ont été associés aux nanotiges ZnO par hétérojonction pour former un bon photocatalyseur ZnO/AIZS(10%) qui dégrade 98% de l’Orange II en visible dans 90min sous intensité 40W/cm². Ce matériau est recyclable, vu que son activité photocatalytique ne baisse que légèrement après 8 cycles (91% de photodégradation)
Quantum dots (QDs) have high potential for biological detection, photovoltaics and catalysis due to their unique photophysical properties. The most studied semiconductors contain heavy metals such as cadmium and lead and their fields of application are very limited. As part of this thesis, we developed new aqueous synthesis processes for ternary QDs AgInS₂ and quaternary AgInS₂/ZnS and studied their doping by the Ni(+2) and Co(+2) cations to prepare nanocrystals with fluorescent and magnetic properties. We first optimized the synthesis of AIZS QDs in aqueous media using 3-MPA as ligand and produced nanocrystals with a fluorescence quantum yield of 65%. Then, the doping of these nanocrystals by cations Ni(2+) and Co(2+) was studied. A drop in quantum fluorescence efficiency is observed after doping. The best magnetic properties were observed at low temperature (10 K) and the magnetization values increase with the dopant concentration. The AIZS QDs have been associated with the ZnO nanorods by heterojunction to form a good photocatalyst ZnO/AIZS(10%) which degrades 98% of the Orange II in visible during 90 min under intensity 40 W/cm². This material can be reused, its photocatalytic activity only slightly decreases after 8 cycles (91% photodegradation)

Lors de cette thèse, deux axes ont été développés. La première partie du manuscrit a été consacrée au développement de nanocristaux pour des applications biologiques, Dans un premier temps, nous avons réussi la synthèse de nanoparticules de CdS_fonctionnalisées par des oligothiophènes carboxylates. Ces ligands carboxyliques forment une couche compacte autour des nanocristaux ce qui permet leur dispersion dans l'eau. Ces nano-structures fonctionnalisées ont été caractérisées par différentes techniques. La taille des particules peut être contrôlée entre 2 et 4 nm. La fonctionnalisation par la biotine a été réalisée grâce un ester activé, le N-hydroxysuccinimide. Des essais de détection de l’ayidine ont démontré la capacité de ces particules à détecter une substance biologique. La deuxième partie du manuscrit est focalisée sur le développement de nouvelles structures nanométrique core-shell. Dans cette partie nous avons mis au point une méthode de synthèse sol-gel pour l'encapsulation homogène des nanoparticules magnétiques d'une couche de silice dont l'épaisseur est contrôlable. Les nanoparticules cœur magnétique et écorce silice sont ensuite caractérisées par différentes méthodes physico-chimiques. Nous avons réussi à démontrer, clairement la possibilité d'élaborer des nanoparticules structurées présentant un cœur magnétique et une écorce de silice
Semiconductor quantum dots (QDs) are a new generation of inorganic probes with advantageous properties over traditional organic probes for biological applications. A major hurdle in the use of QDs for biology is the inability of the hydrophobically synthesized QDs to interface with aqueous environments. In the first part of this dissertation we describe the synthesis of water-soluble CdS QDs end-capped with N-hydroxysuccinimide ester groups, with narrow size distribution. These CdS QDs are synthesized in polyol medium using terthiophene dicarboxylic acid as a stabilizer. The structure of the hybrid product was investigated by TEM, XRD, optical and FTIR spectroscopy. The modifîed nanoparticles consist of a few tens of oligothiophène units attached to the CdS core. The free carboxylic end groups were transformed into 7V-hydroxysuccinimidyl ester and were further cross-linked with biotin and avidin. Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy results indicate successful modification of CdS QD surfaces. The second part, describes the synthesis and the characterization of hybrid magnetic core-shell structures. The Stöber method bas been adopted to prepare hybrid core-shell particles by coating the surfaces of monodisperse magnetic emulsion with uniform silica shells. The Stöber method has been adopted to prepare hybrid core-shell particles by coating the surfaces of monodisperse magnetic emulsion with uniform silica shells. The coated particles have been characterized by electron microscopy (TEM), XPS spectroscopy and IR and showing a core shell structure with a uniform layer of silica

Deux auto-assemblages nanostructurés, avec et sans quantum dots, ont été obtenus par la synchronisation de la croissance de filaments d'actine et de l’empilement lamellaire de membranes lipidiques. Un large panel de techniques (diffraction des rayons X, microscopie électronique en transmission et microscopie optique) et un important développement instrumental ont permis d'étudier et de comprendre la dynamique de croissance de ces matrices, pour en maitriser la nanostructuration. Un micro-spectromètre de fluorescence a été développé pour étudier la fluorescence de la matrice décorée par des quantum dots. De nouvelles propriétés photophysiques ont été caractérisées et attribuées à la nanostructuration. La nouveauté des structures obtenues et leur mécanisme biochimique d’organisation, ouvrent des perspectives dans le domaine des matériaux auto-assemblés et de la nano-photonique
Two nanostructured self-assemblies, with and without quantum dots, were obtained by the synchronization of the growth of actin filaments and the layer stacking of lipidic membranes. A broad panel of techniques (X-rays diffraction, transmission electronic microscopy and optical microscopy) and an important instrumental development allowed to study and understand the growing dynamic of these matrices, in order to control their nanostructuration. A fluorescence micro-spectrometer has been developed to study the fluorescence of the matrix decorated by quantum dots. New photophysic properties has been characterized and are due to the nanostructuration. The new feature of the structures and their biochemical mechanism of organization, open new features in the field of self-assembled materials and nano-photonic

L’imagerie par fluorescence (IF) et l’imagerie de résonance magnétique (IRM) comptent parmi les outils de diagnostic les plus efficaces. Dans ce contexte, des QDs possédant à la fois des propriétés fluorescentes et magnétiques sont d’un grand intérêt en tant que sondes bimodales. Dans ce travail, des QDs Ag-In-Zn-S (AIZS) et Ag-In-Ga-Zn-S (AIGZS) ont été préparés et dopés afin de développer de nouvelles sondes de sondes bimodales pour l’IF et l’IRM. Des QDs AIZS très fluorescents ont été préparés en milieu organique à l’aide de DDT et d’OAm comme ligands. Les QDs Mn:AIZS possèdent des propriétés paramagnétiques et superparamagnétiques. Les QDs AIZS et Mn:AIZS ont également été transférés en phase aqueuse à l’aide du polymère amphiphile PMAO. Par la suite, des QDs AIZS dopés Mn, Gd ou Fe ont été préparés en milieu. Des études toxicologiques et d’imagerie ont montré une bonne biocompatibilité avec les cellules KB ainsi que le fort potentiel de ces nanocristaux pour l’IF. Dans la dernière partie de ce travail, des QDs AIGZS and Mn:AIGZS QDs ont été préparés via un procédé de décomposition thermique n’utilisant qu’un seul précurseur. Ces QDs possèdent de très bonnes propriétés optiques et magnétiques. Les QDs dopés Mn ont été transférés en phase aqueuse et ont montré un fort potentiel comme agent de contraste pour l’imagerie T1 et T2
Since fluorescence imaging (FI) and magnetic resonance imaging (MRI) are among the most effective diagnostic tools, QDs with fluorescent and magnetic properties are of great interest as dual-modal probes. In this work, undoped and doped Ag-In-Zn-S (AIZS) and Ag-In-Ga-Zn-S (AIGZS) QDs were synthesized and investigated as bimodal probes for FI and MRI. Highly fluorescent AIZS QDs were prepared in organic media using DDT and OAm as capping ligands. Mn:AIZS QDs showed paramagnetic and superparamagnetic properties. AIZS and Mn:AIZS QDs were also transferred into aqueous phase using the amphiphilic PMAO polymer. Further, Mn, Gd or Fe-doped AIZS QDs were prepared in aqueous media, showed low cytotoxicity toward KB cells, and demonstrated potential as fluorescent probes for FI. Finally, AIGZS and Mn:AIGZS QDs, synthesized via a novel single precursor thermal decomposition method, showed high fluorescence and paramagnetic/superparamagnetic properties. Mn-doped aqueous transferred AIGZS QDs increased contrast in both T1-weighted and T2-weighted images with increasing in Mn loading

La résistance croissante aux antibiotiques et les limitations dans le développement de nouveaux médicaments nécessitent la recherche de stratégies alternatives afin d’éradiquer les infections bactériennes. Des problèmes semblables apparaissent dans le développement de thérapeutiques antivirales, en raison de l’émergence constante de nouveaux virus et leur capacité à contourner les thérapies par des mutations génétiques. Ce travail de recherche examine la potentielle activité antibactérienne et/ou antivirale de nanostructures à base de carbone telles que les nanoparticules de diamant et les points quantiques carbonés (carbon quantum dots, CQDs), ainsi que l’oxyde de graphène réduit (reduced graphene oxide, rGO) combiné à des cryogels. Les CQDs produits par synthèse hydrothermale à partir de l’acide 4-aminophénylboronique comme précurseur carboné se sont montrés efficace en tant qu’inhibiteurs de l’attachement du coronavirus humain HCoV-229E-Luc aux cellules avec une EC50 de 5,2±0.7 µg mL-1. Les études mécanistiques suggèrent que les CQDs agissent lors des tout premiers stades de l’infection virale ainsi que lors de l’étape de réplication du virus. En parallèle, nous avons tiré parti du caractère multivalent des CQDs et des nanodiamants pour les modifier en y fixant de courts peptides synthétiques antimicrobiens (antimicrobial peptides, AMPs). Ces nanostructures ont été testées contre des bactéries pathogènes à Gram positif Staphylococcus aureus et à Gram négatif Escherichia coli et ont montré une activité antibactérienne plus élevée que celle des AMPs seuls. Dans le cas du rGO combiné à des cryogels chargés en AMPs, l’éradication des bactéries a été réalisée efficacement et à la demande en utilisant une irradiation infrarouge comme activateur externe permettant le relargage des AMPs
Increasing antibiotic resistance and limited development of new drugs necessitate the search for alternative strategies to eradicate bacterial infections. Similar problems are faced in the development of antiviral therapeutics, due to the constant emergence of new viruses and their ability to escape therapy by genetic mutations. This work investigates the potential antibacterial and/or antiviral activity of carbon-based nanostructures such as diamond nanoparticles and carbon quantum dots (CQDs) as well as reduced graphene oxide (rGO) in combination with cryogels. CQDs formed by hydrothermal synthesis from 4-aminophenylboronic acid as the carbon precursor showed to be efficient in the inhibition of the viral attachment of human coronavirus HCoV-229E-Luc to cells with an EC50 of 5.2±0.7 µg mL-1. Mechanistic studies suggest that the CQDs are acting at the early stage of virus infection as well at the viral replication step. In parallel, we took advantage of the multivalent character of CQDs as well as nanodiamonds and modified them with short synthetic antimicrobial peptides (AMPs). Tests of these nanostructures against Gram-positive Staphylococcus aureus and Gram-negative Escherichia coli pathogens showed increased antibacterial activity when compared to AMPs alone. In the case of rGO combined with cryogels loaded with AMPs, bacterial eradication was achieved efficiently and on-demand using near-infrared light as external trigger to release AMPs

Les nanocristaux de semi-conducteurs colloïdaux, également appelés quantum dots (QDs), possèdent des propriétés optiques originales, telles qu'une large section efficace d'absorption, un rendement quantique élevé, ainsi que des spectres d'émission accordables en fonction de leur taille, leur forme ou leur composition. Récemment, notre groupe a mis en évidence le couplage plasmonique d'émetteurs de QD unique intégrés dans de la silice recouverte d'une nano-coque en or avec un facteur de Purcell de 6. Les émetteurs résultants ont montré une photostabilité améliorée et des taux de clignotement réduits.Dans cette thèse, nous explorons la synthèse et les propriétés optiques d'objets similaires contenant plusieurs milliers de QDs assemblés sous forme d'agrégat dans le but d’observer un couplage entre un ensemble de nanocristaux de semi-conducteurs et une cavité plasmonique. Nous avons dans un premier temps synthétisé des QDs cœur/multicoques de CdSe/CdS/ZnS que nous avons auto-assemblé sous forme d'agrégats de tailles contrôlées par une méthode d'émulsion/évaporation. Les agrégats de QDs sont recouverts d'une coque de silice grâce à la méthode Stöber puis par une coque d’or via un processus de dépôt en solution.Nous avons étudié les propriétés optiques des agrégats de QDs avec et sans coques d'or. Ces objets hybrides présentent une efficacité quantique élevée, une émission stable et poissonienne à température ambiante. Nous avons mis en évidence un transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) entre les QDs voisins au sein d’un même agrégat. Nous avons également constaté que le polyvinylpyrrolidone (PVP) peut être utilisé pour régler le taux de réduction de l'or ainsi que la morphologie de la coque en or.Le second objectif est de transposer cette synthèse sur des des nanocristaux de semi-conducteur 2D, les nanoplaquettes (NPLs) uniques qui présentent des propriétés particulières de polarisation d’émission grâce à leur anisotropie de forme. Nous devons veiller à conserver cette anisotropie tout au long du processus de synthèse de la coque d’or et pour cela nous avons dû étendre latéralement ces NPLs
Colloidal semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots (QDs), have exceptional optical properties, such as high absorption cross section and quantum yield. Their emission spectra can be tuned by changing their size, their shape or composition. Recently, our group reported the plasmonic coupling of unique QD emitters embedded in silica coated with a gold nanoshell with a Purcell factor of 6. The resulting emitters showed enhanced photostability and reduced blinking rates.In this thesis, we explore synthesis and optical properties of similar objects containing not one but hundreds of QDs in their core (superparticles).We first synthesize CdSe/CdS/ZnS core/multishell QDs and assemble them into aggregates of controlled sizes by emulsion/evaporation. The aggregates are then coated with a silica shell (Stöber process) and with a gold nanoshell using a deposition process.The optical properties of QD aggregates with and without gold shells are addressed. These objects exhibit high quantum efficiency, as well as stable and Poissonian emission at room temperature. In addition, we demonstrate a Förster-type resonance energy transfer (FRET) between neighboring QDs inside the aggregates. We also prove that polyvinylpyrrolidone (PVP) can be used to regulate both the reduction rate of gold and the morphology of the gold nanoshell.The second objective is to transpose this synthesis onto 2D semiconductor nanocrystals called nanoplatelets (NPLs) which exhibit particular emission polarization properties thanks to their anisotropic shape. To preserve this anisotropy throughout the synthesis process of the gold nanoshells, a supplementary extension step has to be conducted on these NPLs

L’assemblage contrôlé de nanoparticules (NPs) sur des motifs micrométriques en 3D et sur une grande surface est une voie prometteuse pour la création de matériaux structurés aux propriétés nouvelles. Dans ce contexte, la combinaison de la lithographie avec le dépôt colloïdal a suscité un intérêt croissant au cours de la dernière décennie grâce aux avantages offerts par les 2 techniques. Dans cette thèse, nous avons développé une approche polyvalente permettant de contrôler l'assemblage de NPs quelles que soit leur nature, taille et forme. Cette approche est basée sur la fonctionnalisation des photopolymères afin de leur conférer des charges positives leur permettant après une étape de photopolymérisation à 2 photons (P2P) d’attirer des NPs chargées négativement grâce à des interactions électrostatiques. Les études de réactivité du photopolymère et des propriétés optiques et structurales des assemblages obtenus ont permis d’optimiser la stabilité photochimique en P2P, d’améliorer la reproductibilité du procédé, d’élargir la technique de fonctionnalisation à une série de monomères et d’amines et d’apporter une meilleure compréhension au mécanisme de fonctionnalisation. Parallèlement, nous avons proposé une nouvelle approche de fonctionnalisation qui consiste à traiter la surface polymérisée avec des amines. L’avantage de cette approche est la possibilité d’obtenir un assemblage de NPs sur des grandes surfaces polymérisées tout en s’affranchissant des contraintes liées à la fonctionnalisation préalable du monomère
The controlled assembly of nanoparticles (NPs) on 3D micropatterns and over a large surface is a promising method for the creation of structured materials with new properties. In this context, the combination of lithography with colloidal deposition has attracted much attention during the last decade due to the advantages offered by both approaches. In this thesis, we have developed a versatile method allowing the control of the assembly of NPs whatever their nature, size and shape. This approach is based on the functionalization of a photopolymer in order to give it positive charges allowing it, after two photon photopolymerization (2PP) step, to attract negatively charged NPs, due to electrostatic interactions. Studying the reactivity of the photopolymer and both optical and structural properties of the assemblies enabled us to optimize the photochemical stability in 2PP, improve the reproducibility of the process, extend the functionalization technique to a large number of amines and acrylic monomers and provide a better understanding of the functionalization mechanism. At the same time, we have proposed a new functionalization approach that consists of treating the polymerized surface with amines. The advantage of this approach is the possibility of obtaining an assembly of NPs on large surfaces produced by photopolymerization at 1 or 2 photons which overcomes the constraints associated with the prior functionalization of the monomer

Les nanomatériaux, grâce à leurs propriétés optiques et électroniques, peuvent être une opportunité pour le développement d'une nouvelle génération de cellules photovoltaïques à hauts rendements et bas coût. Les boîtes quantiques sous la forme de nanocristaux semi-conducteurs permettent de réaliser des matériaux à énergie de gap variable, propriété très recherchée pour un absorbeur solaire. Ce travail est consacré à l'élaboration et à la caractérisation de matériaux à base de nanocristaux de Ge dans différentes matrices. Une source à agrégats, procédé original de pulvérisation sous vide, a été étudiée pour synthétiser des nanoparticules de Ge. Cette technique de dépôt permet la formation de nanoparticules de Ge bien cristallisées (pour un substrat maintenu à température ambiante) et d'avoir un très bon contrôle de la taille de ces nanocristaux. Des caractérisations optiques de nanocristaux de Ge enfouis dans des matrices isolantes et semi-conductrices ont permis de démontrer la présence d'effet de confinement quantique dans ces cristaux et la possibilité de moduler leur énergie de gap sur une large gamme d'énergie entre 0,85 et 1,55 eV. Afin d'extraire et de collecter des charges photogénérées dans les nanocristaux, nous nous sommes intéressés au couple nanocristaux de Ge / matrice de ZnO:Al qui permet de séparer spatialement les photoporteurs (alignement en type II). La structure composée de nanocristaux de Ge recouverts d'une matrice de ZnO:Al sur un substrat de Si (p+), a permis de mettre en évidence un effet photovoltaïque pour lequel la génération de porteurs s'effectue uniquement dans les nanocristaux de Ge.

La biomédecine et la biophotonique sont des champs de recherches en plein expansion qui grandissent à vive allure, constituant un secteur entier d'activités novatrices. Ce secteur, vraiment interdisciplinaire, comprend le développement de nouveaux nanomatériaux, de sources lumineuses et l'élaboration de nouveaux concepts, de dispositifs/équipements pour quantifier la conversion de photons et leurs interactions. L'importance décisive du diagnostic précoce et du traitement individuel des patients exige des thérapies soigneusement ciblées et la capacité de provoquer sélectivement la mort cellulaire des cellules malades. Malgré les progrès spectaculaires réalisés en utilisant les points quantiques ou des molécules biologiques organiques pour l'imagerie biologique et la libération ciblée de médicaments, plusieurs problèmes restent à résoudre : obtenir une sélectivité accrue pour une accumulation spécifique dans les tumeurs et une amélioration de l'efficacité des traitements. D'autres problèmes incluent la cytotoxicité et la génotoxicité, l'élimination lente et la stabilité chimique imparfaite. Des espérances nouvelles sont portées par de nouvelles classes de matériaux inorganiques comme les nanoparticules à base de silicium ou à base de carbone, qui pourraient faire preuves de caractéristiques de stabilité plus prometteuses tant pour le diagnostic médical que pour la thérapie. Pour cette raison, la découverte de nouveaux agents de marquage et de transport de médicaments représente un champ important de la recherche avec un potentiel de croissance renforcé
Biomedicine and biophotonics related businesses are currently growing at a breathtaking pace, thereby comprising one of the fastest growing sectors of innovative economy. This sector is truly interdisciplinary, including, very prominently, the development of novel nanomaterials, light sources, or novel device/equipment concepts to carry out photon conversion or interaction. The great importance of disease diagnosis at a very early stage and of the individual treatment of patients requires a carefully targeted therapy and the ability to induce cell death selectively in diseased cells. Despite the tremendous progress achieved by using quantum dots or organic molecules for bio-imaging and drug delivery, some problems still remain to be solved: increased selectivity for tumor accumulation, and enhancement of treatment efficiency. Other potential problems include cyto- and genotoxicity, slow clearance and low chemical stability. Significant expectations are now related to novel classes of inorganic materials, such as silicon-based or carbon-based nanoparticles, which could exhibit more stable and promising characteristics for both medical diagnostics and therapy. For this reason, new labeling and drug delivery agents for medical application is an important field of research with strongly-growing potential.The 5 types of group IV nanoparticles had been synthesized by various methods. First one is the porous silicon, produced by the electrochemical etching of bulk silicon wafer. That well-known technique gives the material with remarkably bright photoluminescence and the complicated porous structure. The porous silicon particles are the agglomerates of the small silicon crystallites with 3nm size. Second type is 20 nm crystalline silicon particles, produced by the laser ablation of the bulk silicon in water. Those particles have lack of PL under UV excitation, but they can luminesce under 2photon excitation conditions. 3rd type of the particles is the 8 nm nanodiamonds

Au cours de ces dernières années, la microfluidique est devenue une technologie attrayante pour la synthèse en écoulement continu de dispersions colloïdales de nanocristaux. Ce procédé permet un contrôle optimal des paramètres de synthèse, offre une très bonne reproductibilité, et la possibilité de transposition à grande échelle. Dans une première partie, nous avons développé des synthèses microfluidiques et écologiques de cristaux ZIF 8, adaptables à une grande échelle de production, avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). La technologie microfluidique permet la synthèse rapide (10 min) de cristaux ZIF-8 avec une large variation de taille de particules (de 300 à 900 nm) simplement en faisant varier les paramètres expérimentaux (débit, température, ...). Les cristaux de ZIF-8 obtenus sont de forme géométrique dodécaèdrique rhombique, de structure cristalline sodalite et leur surface spécifique est d’environ 1700 m2/g. Puis, les propriétés catalytiques des particules ZIF-8 ont été évaluées. Des 3-cyanocoumarines et des cyanoesters α,β-insaturés ont été synthétisés avec des rendements variant de 89 à 95% via la réaction de Knoevenagel utilisant les particules ZIF-8 comme catalyseur hétérogène. Les particules de ZIF-8 peuvent être recyclées au minimum cinq fois. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous avons synthétisé des QDs CdS dopé Mn2+ et Cu+ recouverts d’une coquille ZnS en microréacteur tubulaire avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). Différents paramètres expérimentaux (temps de séjour, température, pH, rapport molaire des précurseurs, concentration et nature des précurseurs, …) ont été évalués afin d’optimiser les propriétés optiques. Les QDs CdS dopé Mn2+ présentent uniquement l’émission de fluorescence liée à la transition 4T1→6A1 et leur rendement quantique de fluorescence est voisin de 10%. L’introduction d’une coquille ZnS en écoulement monophasique permet d’améliorer les propriétés optiques et de réduire les défauts des surfaces des QDs 6%Mn:CdS/ZnS (émission à 590 nm et rendement quantique de 20 %). L’introduction d’une coquille ZnS à la périphérie des QDs Cu:CdS ne permet pas d’améliorer de manière significative le rendement quantique de fluorescence. Dans la dernière partie, la synthèse en microréacteur avec écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane) de QDs ZnS dopé Mn2+ a été développée. Les QDs obtenus possèdent un rendement quantique de 13% s’ils sont préparés en écoulement monophasique
In recent years, microfluidics has become an attractive technology for the continuous flow synthesis of colloidal nanocrystals. This technology allows a good control of the synthesis parameters, a good reproducibility and the possibility of the application on a large scale. In a first part, we have developed continuous and ecological syntheses of the ZIF-8 crystals for the large scale, either with a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). The microfluidic technology allows the fast synthesis (10 min) of ZIF-8 crystals over a wide size range (from ca. 300 to 900 nm) simply by varying the experimental parameters (flow rates, temperature,…). ZIF-8 crystals with the stable rhombic dodecahedron shape, of sodalite structure and with a high specific surface area (ca. 1700 m2.g-1) were obtained. Next, the catalytic properties of ZIF-8 crystals were evaluated. These particles were demonstrated to be an efficient heterogeneous catalyst for the Knoevenagel synthesis of α,β-unsaturated cyanoesters and of 3-cyanocoumarins using 2-hydroxy aromatic aldehydes and ethyl cyanoacetate as starting materials (yields ranging from 89 to 95%). The ZIF-8 particles can be recycled at least five times with negligible changes in catalytic performances. In the second part, we synthesized the Mn2+ or Cu+-doped CdS QDs coated with a ZnS shell in a tubular microreactor using a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). Various experimental parameters (time, temperature, pH, molar ratio, concentration and nature of the starting materials) were evaluated to optimize the optical properties of the dots. The obtained Mn2+ doped CdS QDs exhibited a photoluminescence emission related to the 4T1 → 6A1 transition with quantum yields higher than 10%. The introduction of a ZnS shell with the monophasic flow allows to improve the optical properties and to reduce the surface defects of the 6% Mn:CdS/ZnS QDs (strong emission at 590 nm and quantum yields of ca. 20%). The introduction of a ZnS shell on the surface of Cu doped CdS QDs does not significantly improve the quantum yields. Finally, the synthesis of Mn2+-doped ZnS QDs with monophasic or biphasic flow (water/alkane) was developed. The dots have a photoluminescence quantum yield of 13% if they are prepared in a monophasic water flow

L’un des enjeux majeurs en nanomédecine est de développer des systèmes capables à la fois de permettre un diagnostic efficace et également de servir de plateforme thérapeutique pour combattre les infections et les neuro-dégénérescences. Dans cette optique, et afin d’améliorer la détection de tumeurs, des agents de contraste ont été développés dans le but d’augmenter le rapport signal sur bruit. Parmi ces agents, les nanoparticules (NPs) d’oxyde de fer superparamagnétiques (SPIOs) et les quantum dots (QDs) sont des candidats idéaux et ont reçu une grande attention depuis une vingtaine d’années. De surcroit, leurs propriétés spécifiques dues à leurs dimensions nanométriques et leurs formes permettent de moduler leur bio-distribution dans l’organisme. L’opportunité de revêtir ces NPs biocompatibles par des couches de polymères devraient permettre d’améliorer la stabilité de ces nanomatériaux dans l’organisme. Et par conséquent, favoriser leur biodistribution et également leur conférer de nouvelles applications en l’occurrence des applications biomédicales. Dans ce travail de thèse, nous avons développé de nouveaux systèmes thermo-répondant basés sur un cœur SPIOs ou QDs qui sont capables, à la fois, de transporter un principe actif anticancéreux, i.e. la doxorubicine (DOX) et de le relarguer dans le milieu physiologique à une température contrôlée. Deux familles de NPs ont été synthétisées. La première concerne des NPs de Fe3O4 SPIO qui ont été modifiées en surface par un copolymère thermorépondant biocompatible à base de 2-(2-methoxy) méthacrylate d’éthyle (MEO2MA), oligo (éthylène glycol) méthacrylate (OEGMA). La seconde famille, consiste en des NPs de ZnO recouverte du même copolymère. Pour la première fois, le copolymère de type P(MEO2MAX-OEGMA100-X) a été polymérisé par activateur-régénéré par transfert d’électron-polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ARGET-ATRP). La polymérisation et copolymérisation ont été initiées à partir de la surface. Les NPs cœur/coquilles ont été caractérisées par microscopie électronique à transmission (TEM), analyse thermogravimétrique (TGA), etc. Nous avons montré que l’efficacité du procédé ARGET-ATRP pour modifier les surfaces des NPs de SiO2, Fe3O4 et de ZnO. L’influence de la configuration de la chaîne de copolymère et des propriétés interfaciales avec le solvant ou le milieu biologique en fonction de la température a été étudiée. Nous avons montré que les propriétés magnétiques des systèmes coeur/coquilles à base de Fe3O4 ne sont influencées que par la quantité de polymère greffée contrairement au QDs qui vient leur propriété optique réduire au-delà de la température de transition. Ce procédé simple et rapide que nous avons développé est efficace pour le greffage de nombreux copolymères à partir de surfaces de chimie différentes. Les expériences de largage et relarguage d’un molécule modèle telle que la DOX ont montré que ces nanosystèmes sont capables de relarguer la DOX à une température bien contrôlée, à la fois dans l’eau que dans des milieux complexes tels que les milieux biologique. De plus, les tests de cytocompatibilité ont montré que les NPs coeur/coquilles ne sont pas cytotoxiques en fonction de leur concentration dans le milieu biologique. A partir de nos résultats, il apparaît que ces nouveaux nanomatériaux pourront être envisagés comme une plateforme prometteuse pour le traitement du cancer
One of the major challenges in nanomedicine is to develop nanoparticulate systems able to serve as efficient diagnostic and/or therapeutic tools against sever diseases, such as infectious or neurodegenerative disorders. To enhance the detection and interpretation contrast agents were developed to increase the signal/noise ratio. Among them, Superparamagnetic Iron Oxide (SPIO) and Quantum Dots (QDs) nanoparticles (NPs) have received a great attention since their development as a liver contrasting agent 20 years ago for the SPIO. Furthermore, their properties, originating from the nanosized dimension and shape, allow different bio-distribution and opportunities beyond the conventional chemical imaging agents. The opportunity to coat those biocompatible NPs by a polymer shell that can ensure a better stability of the materials in the body, enhance their bio-distribution and give them new functionalities. It has appeared then that they are very challenging for medicinal applications. In this work, we have developed new responsive SPIO and QDs based NPs that are able to carry the anticancer drug doxorubicin (DOX) and release it in physiological media and at the physiological temperature. Two families of NPs were synthesized, the first one consist in superparamagnetic Fe3O4 NPs that were functionalized by a biocompatible responsive copolymer based on 2-(2-methoxy) ethyl methacrylate (MEO2MA), oligo (ethylene glycol) methacrylate (OEGMA). The second family consists in the ZnO NPs coated by the same copolymer. For the first time, P(MEO2MAX-OEGMA100-X) was grown by activator regenerated by electron transfer–atom radical polymerization (ARGET-ATRP) from the NPs surfaces by surface-initiated polymerization. The core/shell NPs were fully characterized by the combination of transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), and by the physical properties of the nanostructures studied. We demonstrate the efficiency of the ARGET-ATRP process to graft polymers and copolymers at the surface of Fe3O4 and ZnO NPs. The influence of the polymer chain configuration (which leads to the aggregation of the NPs above the collapse temperature of the copolymer (LCST)) was studied. We have demonstrated that the magnetic properties of the core/shell Fe3O4-based nanostructures were only influenced by the amount of the grafted polymer and no influence of the aggregation was evidenced. This simple and fast developed process is efficient for the grafting of various co-polymers from any surfaces and the derived nanostructured materials display the combination of the physical properties of the core and the macromolecular behavior of the shell. The drug release experiments confirmed that DOX was largely released above the co-polymer LCST. Moreover, the cytocompatibility test showed that those developed NPs do not display any cytotoxicity depending on their concentration in physiological media. From the results obtained, it can be concluded that the new nanomaterials developed can be considered for further use as multi-modal cancer therapy tools

Les processus physico-chimiques se produisant au sein des nanoparticules que sont les boîtes quantiques semiconductrices (QDs) sont à l'origine d'une nouvelle classe de sondes fluorescentes trouvant des applications en catalyse, en reconnaissance moléculaire et en imagerie. Le confinement quantique des électrons aux sein de ces objets luminescents, qui donne lieu à leur structure excitonique si particulière, permet de tirer simultanément profit de leurs propriétés optiques d'absorption et d'émission dans la gamme spectrale visible, et ce, dans le but de faciliter la détection et l’identification des espèces chimiques situées dans leur environnement proche. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à des QDs de 3 à 4 nm de diamètre, composées d’un alliage ternaire de cadmium, de tellure et de soufre, et fonctionnalisées par des ligands mercaptocarboxyliques. De manière à déterminer l’ensemble de leurs propriétés structurales, chimiques et optoélectroniques, nous les avons tout d’abord caractérisées à l’état de solutions colloïdales par diverses techniques expérimentales : microscopie électronique, zêta-métrie, analyse par diffusion dynamique de la lumière, spectroscopies de rayons X, d’absorption UV-visible et d’émission de fluorescence. Ceci nous a permis de déduire la composition chimique des nanocristaux, leur structure cristalline, leur taille, leur dispersion en taille, la composition chimique de leurs ligands, les énergies propres de leurs états électroniques, leur moments dipolaires de transition et leur section efficace d’absorption. Fort de ces connaissances, nous avons pu développer un modèle analytique pour calculer la susceptibilité diélectrique des QDs et extraire de cette manière leur fonction de réponse linéaire, véritable carte d’identité optoélectronique. Nous avons ensuite optimisé la conception par voie chimique d’interfaces composées de QDs et de différentes espèces moléculaires organiques, dépôts réalisés sous forme de monocouches ou de films épais sur des substrats solides plans de silicium, de verre et de fluorure de calcium fonctionnalisés par des organosilanes. Ces interfaces substrat/QDs/molécules ont alors été étudiées par spectroscopie linéaire d’absorption UV-visible et par spectroscopie optique non-linéaire de génération de fréquence-somme (SFG). La première nous a permis de déterminer la densité superficielle des QDs déposés et d’en caractériser la stabilité temporelle, et la seconde, qui combine deux lasers visible et infrarouge, d’identifier la signature vibrationnelle des ligands recouvrant les QDs. Grâce à ces échantillons, nous avons alors montré par spectroscopie SFG deux couleurs l’existence d’un couplage vibroélectronique entre les QDs et leur environnement moléculaire. En particulier, nous avons démontré que l’amplitude de vibration des modes moléculaires associés aux ligands des QDs et aux organosilanes greffés sur les substrats est maximale lorsque les QDs sont eux-mêmes stimulés par la lumière visible dans leur premier état excitonique. Cette démonstration expérimentale s’accompagne par ailleurs d’une démonstration théorique : en utilisant les diagrammes de Feynman dans l’espace des fréquences imaginaires de Matsubara, nous avons déterminé l’expression analytique de la susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 du complexe QD/molécule. Nous avons alors vérifié que l’hypothèse d’un couplage dipolaire entre QDs et molécules menait à une modélisation de la réponse vibrationnelle SFG compatible avec les mesures expérimentales. De cette manière, l’existence d’un couplage vibroélectronique de nature dipolaire entre boîtes quantiques et molécules est attesté
The different physico-chemical processes occurring within semiconductor quantum dots (QDs) give rise to a new class of fluorescent probes and a wide range of applications in catalysis, molecular recognition and imaging. Within these luminescent nanoparticles, the quantum confinement of electrons, which leads to their very special excitonic structure, allows us to benefit from both their absorption and emission optical properties, with the specific aim of fostering the detection and the identification of the chemical species located in their direct environment. Within this framework, we were interested in 3 to 4-nm-sized QDs composed of ternary alloys of cadmium, telluride and sulfur, and functionalized by mercaptocarboxylic ligands. In order to determine their structural, chemical and optoelectronic properties, we first characterized them thanks to several experimental techniques: electron microscopy, zeta potentiel measurements, dynamic light scattering analysis, X-ray, UV-visible and fluorescence spectroscopies. This enabled us to deduce the chemical composition of the nanocrystals, their crystal structure, size, size-dispersion, the chemical composition of their ligands, the eigenenergies of their electronic states, their transition dipole moments and absorption cross-sections. Given all those results, we succeeded in deriving an analytical model of the QD dielectric susceptibility and extracting in this way their linear response function. Then, we optimized the chemical synthesis of nanostructured interfaces made of QDs and various molecular species through the use of flat solid substrates of silicon, glass and calcium fluoride functionalized with organosilanes. These substrate/QDs/molecules interfaces were studied by linear UV-visible absorption spectroscopy and by sum-frequency generation non-linear optical spectroscopy (SFG). The former allowed us to determine the surface density of the deposited QDs and to characterize their stability over time, while the later, which combines two visible and infrared lasers, enabled us to identify the vibrational signature of the QD ligands. Thanks to those samples probed by two-colour SFG spectroscopy, we therefore shew the existence of a vibroelectronic coupling between QDs and their molecular surroundings. Especially, we demonstrated that the vibration amplitudes associated to the molecular modes of the QD ligands and the organosilanes grafted on the substrates are maximum when the QDs are excited by visible light into their first excitonic state. This experimental demonstration is further supported by theoretical considerations: Feynman diagrams in Matsubara imaginary-time representation were used to determine the analytical expression of the second-order nonlinear susceptibility of the QD/molecule bipartite system. We thus verified that the hypothesis of a dipolar coupling between QDs and molecules resulted in a modeling of the vibrational SFG response which proved to be in complete agreement with the experimental measurements. Thus, we evidenced the existence of a dipolar vibroelectronic coupling between quantum dots and molecules

Parce qu'ils présentent des propriétés remarquables par rapport à leurs équivalents massifs, les nanomatériaux occupent une place de plus en plus importante dans l'industrie et en médecine. Leur essor rapide a généré de nombreuses craintes dans l'opinion publique notamment au regard de certaines méconnaissances liées à leur toxicité. Notre projet vise l'utilisation du séléniure de cadmium (CdSe) comme matériau modèle afin d'établir une corrélation entre la structure chimique des nanoparticules, leur réactivité de surface, leur (photo)stabilité et leur toxicité. Des quantum dots (QDs) CdSe et alliages CdSe(S) ont été préparés en milieu aqueux à 100°C ou par voie hydrothermale de manière à ne différer que par leur structure chimique de coeur (alliage ternaire vs semi-conducteur binaire) alors que d'autres paramètres comme la taille, la charge ou la nature du ligand de surface, ont été maintenus constants. Des études de cytotoxicité menées sur Escherichia coli ont montré que la libération de Cd2+ jouait un rôle important dans la toxicité pour les deux QDs. Nos résultats ont également mis en évidence que les QDs CdSe(S) alliés étaient plus stables et moins toxiques que les QDs CdSe. Sans négliger l'importance de la libération d'ion Cd2+ par les nanoparticules, une corrélation entre la stabilité et la production d'espèces réactives de l?oxygène (EROs) a montré que la toxicité était en partie dépendante de la photostabilité des QDs. Notre étude met en perspective une relation entre la réactivité, la stabilité du coeur des nanoparticules, et la toxicité photo-induite
Due to their unique properties compared to their bulk counterparts, nanomaterials have gained considerable attention, especially in industry and medicine. Their fast development has generated many public concerns, especially because of a lack of knowledge regarding their toxicity. Our project aims to use cadmium selenide (CdSe) as a model material in order to initiate a research aiming at establishing a correlation between the nanoparticles chemical structure, their surface reactivity, their stability and their toxicity. CdSe and alloyed CdSe(S) quantum dots (QDs) were prepared in aqueous phase either at 100°C or under hydrothermal conditions in order to differ solely by their core chemical structure (ternary alloy vs binary semiconductor), while other parameters such as the size, the surface charge or the surface ligand, have been kept constant. Cytotoxicity studies carried out on Escherichia coli have shown that release of Cd2+ played a key role in the toxicity for both QDs. However, alloyed CdSe(S) QDs were also found more stable and less toxic than CdSe nanocrystals. Without disregarding the importance of Cd2+ ions release by the nanoparticles, a correlation between the stability and the production of reactive oxygen species (ROS) showed that toxicity was dependent on QDs photostability. Our study highlights a relationship between the core reactivity, stability and the photo-induced toxicity QD nanoparticles

Les points quantiques de carbone (CQD) sont des nanomatériaux fascinants et un catalyseur potentiel pour la réaction de réduction de l’oxygène afin de remplacer les catalyseurs à base de Pt dans de nombreuses applications énergétiques comme les batteries zinc-air et les piles à combustible. Des études détaillées ont été menées avec des CQD contenant différents dopants (B, Si, N, S), explorant plusieurs méthodes de synthèse et des essais électrochimiques. Les CQDs ont été synthétisés à partir de précurseurs non toxiques principalement par voie hydrothermale. Les CQDs dopés B et N ont la meilleure activité électrocatalytique. De plus, des études ont été menées sur des électrodes composites avec des polymères conducteurs d’anions de différentes structures et longueurs de chaîne latérale ; les électrodes avec des ionomères contenant le groupe ionique fonctionnel sur une longue chaîne latérale fournissent des performances proches de la toile Pt/C de référence commerciale
Carbon quantum dots (CQD) are a fascinating nanomaterial and a potential metal-free catalyst for the oxygen reduction reaction to replace the precious Pt-based catalysts in numerous energy applications, such as zinc-air batteries and fuel cells. Detailed performance investigations were conducted with CQD containing different dopants (B, Si, N, S), exploring different synthesis methods and electrochemical tests. The CQD were synthesized from non-toxic precursors mainly through the hydrothermal method. Among the dopants, the B-N co-doped CQD showed the best electrocatalytic activity. Studies were also conducted on composite electrodes with a combination of B-N CQDs and five anion conducting polymers (“ionomers”) with different backbone structures and side chain lengths. The best electrocatalytic activity was observed with ionomers containing the functional ionic group on a long side chain, which provided performances close to commercial benchmark Pt/C cloth

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.
Medical imaging based on fluorescence has suffered from the poor photostability and mediocre performance of organic fluorophores. The discovery and subsequent improvements in nanocrystal synthesis and functionalization has greatly benefited the applications in medical imaging and the development of nanocrystal-based sensors for diagnostics. QDs are semi-conductor nanocrystals which have similar sizes as proteins (2-10 nm). They are highly luminescent, and can be made to emit at any desired wavelength by varying their size and composition. The surface of QDs can be easily functionalized with biomolecules. Hence, it is interesting to study how QDs interact in the biological world. Highly luminescent core-shell QDs emitting at different wavelengths were prepared according to our needs. In a first study, the surface of the QDs was modified with various small bi-functional thiolated ligands (carboxylated, aminated and zwitterionic). The modified-QDs of nearly identical sizes were administered in vitro to study the impact of surface charge and cell type on the mode and extent of cell uptake and elimination. Using specific inhibitors of cell uptake we determined which modes contributed to the internalization of the QDs. Endocytosis mediated by lipid rafts represented the predominant pathway for the internalization of QDs. However, other modes contributed to a lesser degree, depending on the surface ligand. We then analyzed the effect of QD agglomeration in cell culture media on its cellular uptake by microglia. Thorough characterization of QD agglomerate size distribution was conducted by asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4) with a dynamic light scattering detector. Depending on the type of surface ligand and if serum proteins were present, the agglomeration pattern of the QDs was significantly different. With inhibitors of specific modes of cell uptake, we showed that the size distribution data, obtained by AF4, correlated with the modes of cell uptake. Microglia cells are immune cells of the central nervous system (CNS). They respond to injury or the presence of inflammagens by producing pro-inflammatory cytokine. Inflammation in the CNS may lead to loss of neurons, and can found in many chronic diseases. We were interested in building nanosensors to measure the onset of inflammation. Current methods to study inflammation consist in measuring levels of certain proteins or chemicals released by stressed cell (e.g. Western blot or ELISA assay for IL-1β). Although precise, these methods measure indirectly the activity of the enzyme responsible for releasing IL-1β, i.e. caspase-1. Moreover, these methods cannot be applied to live cells. We designed a sensor based on FRET between a QD and a dye linked by a peptide specifically cleaved by the caspase-1. To induce inflammation, we applied lipopolysaccharides (LPS), which are endotoxins present in Gram negative bacteria responsible for sceptic shock. The LPS form nanoparticles due to their amphiphilicity. The interior hydrophobic regions were used to load hydrophobic QDs, making the LPS luminescent. The microglia internalized LPS-QD predominantly through TLR-4 membrane receptors. We describe how the LPS induce inflammation and demonstrated the functionality of the QD-based sensor. Eventually, the sensor could be used to monitor in real time the action of therapeutics against inflammation.