Semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots (QDs), are evoking remarkable technological and scientific interest due to their fascinating size-dependent electronic and optical properties. Many biophysical studies to date have used effectively as brighter and more photostable replacement of organic dyes. In this thesis we focus on the most prominent feature of their photophysical properties, a random switching between emitting and non-emitting states, also known as fluorescence intermittency, or "blinking," in order to better understand the mechanism of quantum dot emission and how it reflects interaction with their immediate environment. We first designed and built a total internal reflection florescent microscope (TIRFM) with single molecule detection capabilities and determined optimal conditions for single QD studies. We then used image correlation techniques to show that the change in blinking dynamics could be detected and that it could complicate interpretation of the commonly used analytical techniques that rely on intensity fluctuations as reporters of particle mobility. In particular, we demonstrated that the transport coefficients recovered from fluorescence fluctuation analysis of diffusional mobility using temporal image correlation spectroscopy (TICS) had significant systematic errors due to blinking of the nanoparticles. We then performed a thorough, systematic study of the effects of protons on QDs' photochemical stability by varying the pH of their aqueous environment and related the single particle properties to properties of an ensemble of QDs. As pH was lowered, shorter "on" times and longer "off" times were observed, brightness of single QDs decreased and the number of permanently non-emitting QDs (dark fraction) increased. Based on these results, we proposed a coupled role for H+ ions by which they first reduced the intensity of the emitting state as well as affected probabilities of the QD to switch between the "on" and "off" state / Les nanoparticules semi-conductrices, aussi connues sous le nom de particules quantiques (PQ), suscitent un grand intérêt dans les domaines technologiques et scientifiques en raison de leurs propriétés spectroscopiques uniques et avantageuses. À ce jour, plusieurs études de biophysique ont remplacé succès les sondes fluorescentes organiques traditionnelles par des PQ. / Cette thèse porte principalement sur l'étude de la propriété la plus photophysique des PQ, soit leur capacité à activer ou à inactiver de manière aléatoire l'émission fluorescente (plus connue sous le nom de l'intermittence de l'émission fluorescente, ou « clignotement »), dans le but de mieux comprendre le mécanisme entourant l'émission des particules quantiques et son interaction avec son environnement immédiat. / Nous avons tout d'abord conçu et construit un microscope de fluorescence par réflexion totale interne (TIRFM) qui a la capacité de détecter une seule molécule et de déterminer les conditions idéales afin d'étudier une PQ unique. Nous avons ensuite utilisé des techniques de spectroscopie de corrélation temporelle dans les images afin de montrer que l'intermittence de l'émission fluorescente pouvait être détectée et qu'elle pourrait rendre possible l'interprétation d'analyses plus complexes que les techniques d'analyse traditionnelles qui se fondent sur les clignotements fluorescents comme preuve du mouvement des particules. / De façon plus précise, nous avons démontré que les coefficients de transport obtenus d'analyses utilisant la technique de spectroscopie de corrélation temporelle dans les images (TICS) présentaient une marge d'erreur significative due au « clignotement » des nanoparticules. Ensuite, nous avons procédé à une étude systématique plus approfondie des effets des protons sur la stabilité photochimique des PQ, en modifiant le pH de leur environnement aqueux et en faisant des liens avec les propriétés d'une seule particule dans un ensemble de PQ. Au fur et à mesure que le pH diminuait, nous avons observé une diminution du temps d'émission fluorescente, « ouvert », et une augmentation du temps d'absence d'émission, « éteint ». Nous avons également noté une diminution dans la clarté d'une seule PQ et une augmentation dans le nombre de PQ n'émettant aucune clarté (fraction sombre). / À la lumière de ces résultats, nous avons avancé l'idée d'un rôle double des ions H+, qui réduiraient d'abord l'intensité de l'état d'émission et affecteraient ensuite la probabilité d'une PQ d'alterner entre les états d'émission et d'absence d'émission, pour éventuellement emprisonner la PQ dans un état de fraction sombre permanent. Nous avons analysé et élargi les modèles théoriques concernant le « clignotement » afin de tenir compte des effets des ions H+ et de mieux démontrer que le « clignotement » et la formation de fraction sombre se fondent sur un seul et même mécanisme. / Les résultats présentés dans cette thèse sont particulièrement importants pour l'élaboration d'un modèle théorique complet du « clignotement » d'une PQ, mais peuvent également être importants pour les différents usages des PQ, en particulier dans les applications d'imagerie dans le domaine de la biologie quantique, où on retrouve des variations de pH entre les espaces cytoplasmiques et extracellulaires et dans les différents organes cellulaires.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.86675 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Durisic, Nela |
| Contributors | Paul Wiseman (Internal/Cosupervisor2), Peter H Grutter (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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