Synthèse et spectroscopie optique de nanoparticules semiconductrices à coque épaisse. : applications à l'imagerie biologique

Les Quantum Dots colloidaux (QDs) sont des nanocristaux colloidaux de semiconducteurs aux propriétés optiques uniques : finesse spectrale d’émission, large gamme spectrale d’excitation, brillance élevée. Cependant, leurs applications sont encore limitées par le clignotement de leur émission de fluorescence à l’échelle de la particule unique.Ce travail se concentre sur l’amélioration des propriétés optiques des QDs de CdSe/CdS, ainsi que sur leurs applications biologiques. Le développement d’une synthèse de nanocristaux de CdSe/CdS à coque épaisse a permis d’obtenir facilement des QDs non-clignotants à partir de cœurs de CdSe de cristallinité différente. Cependant, c’est QDs oscillent entre un état brillant et un état gris. La synthèse de QDs de CdSe/CdS à coque épaisse avec un gradient de composition entre le cœur et la coque produit des nanocristaux dont l’émission de fluorescence est parfaitement stable au cours du temps, et donc les rendements quantiques du mono- et du biexciton sont à 100% à l’air, à température ambiante. Les recombinaisons multiexcitoniques sont également efficaces permettant à un QD unique d’émettre de la lumière blanche à forte excitation. La croissance d’une coque d’or autour d’un QD (QDs-dorés) favorise le couplage entre l’exciton du semiconducteur et les plasmons du métal. Cet effet Purcell a pour conséquence d’accélérer les phénomènes radiatifs, diminuant le temps de vie et supprimant le clignotement du QD. De plus, la couche d’or agit comme une barrière contre la photooxydation et les QDs-dorés présentent une résistance plus élevée aux fortes puissantes d’excitation. Le contrôle de la forme des nanocristaux a permis la synthèse de nanoplaquettes, structures bidimensionnelles dont l’épaisseur est contrôlée à la monocouche atomique près. Une nouvelle synthèse de nanoplaquettes cœur/coque conduit à des propriétés intéressantes tant par la pureté de l’émission des nanocristaux que par leur résistance en température. Enfin, les QDs de CdSe/CdS, de par leur brillance et faible photoblanchiment, sont d’excellentes sondes fluorescentes pour l’imagerie biologique. Leur fluorescence et leur structure inorganique ont permis de réaliser de l’imagerie bimodale optique/électronique pour déterminer le nombre et la localisation précise de récepteurs synaptiques dans C. elegans. La monofonctionnalisation des QDs, nécessaire pour sonder certaines voies d’endocytose dans les cellules, a été réalisée grâce à l’encapsulation des QDs dans une nanocage d’ADN dont la formation est parfaitement contrôlée, à la base près. Ce complexe cage d’ADN – QDs a permis de suivre la dynamique d’endocytose des toxines Shiga dans la voie d’endocytose rétrograde jusqu’à l’appareil de Golgi.Colloidal Quantum Dots (QDs) are colloidal semiconductor nanocrystals with unique optical properties: narrow emission spectrum, large spectral range of excitation, high brightness. However, their applications are still limited by the blinking of their fluorescence emission at the single particle scale. This work focuses on the improvement of optical properties of CdSe/CdS QDs, as well as on the biological applications. The development of a synthesis of thick-shell CdSe/CdS nanocristals allowed easy obtaining of non-blinking QDs from CdSe cores of different crystallinity. However, these QDs flicker between an on and a grey state. The synthesis of thick-shell CdSe/CdS QDs with a composition gradient between the core and the shell produces nanocrystals whose fluorescence emission is perfectly stable with time. The quantum yields of the mono- and biexciton are 100% in air, at room temperature. Multiexcitonic recombinations are also efficient making a single QD emit white light under strong excitation. The growth of a gold nanoshell around a QD (golden-QDs) allows the coupling of the exciton of the semiconductor and the metal plasmons. This Purcell effect speeds up all the radiative processes, decreasing the lifetime and eliminating the blinking. Besides, the gold shell acts as a barrier against photooxidation and the golden-QDs show increased resistance to high excitation powers. The control of the shape of nanocrystals allowed the synthesis of nanoplatelets, bidimensionnal structures whose thickness is controlled to the atomic monolayer. A new synthesis of core/shell nanoplatelets leads to interesting properties due to the purity of the emission of the nanocrystals and to their resistance with temperature. Finally, Cdse/CdS QDs, because of the low photobleaching and high brightness, are excellent fluorescent probes for biological imaging. Their fluorescence and their inorganic structure were taken advantage of to perform bimodal optical/electron imaging to precisely localize and count synaptic receptors in C. elegans. Monofunctionalization of QDs, required to probe some endocytosis pathways in cells, was performed thanks to encapsulation of QDs in a DNA nanocage whose formation is perfectly controlled. This DNA cage – QD complex was used to study the dynamics of endocytosis of Shiga toxin in the retrograde endocytosis pathway, up to the Golgi apparatus