Electric Field Modulation of Semiconductor Quantum Dot Photoluminescence: Insights into the Design of Robust Voltage-Sensitive Cellular Imaging Probes

Nano Letters

Volumn 15, Issue 10, 2015, Pages 6848-6854

  Rowland, Clare E ^a   Susumu, Kimihiro ^a   Stewart, Michael H ^a   Oh, Eunkeu ^a   Mäkinen, Antti J ^a   O'Shaughnessy, Thomas J ^a   Kushto, Gary ^a   Wolak, Mason A ^a   Erickson, Jeffrey S ^a   L Efros, Alexander ^a   Huston, Alan L ^a   Delehanty, James B ^a  

^a NAVAL RESEARCH LABORATORY   (United States)

Author keywords

depolarization; electric field; fluorescence; lifetime; membrane potential; neuron; photoluminescence; quantum confined Stark effect; quantum dot; spike; voltage

Indexed keywords

DEPOLARIZATION; ELECTRIC FIELDS; ELECTRIC POTENTIAL; FLUORESCENCE; NANOCRYSTALS; NEURONS; PHOTOLUMINESCENCE; SEMICONDUCTOR QUANTUM WELLS; STARK EFFECT;

ACTION POTENTIALS; ELECTRIC FIELD MODULATION; INTRINSIC PROPERTY; LIFETIME; MEMBRANE POTENTIALS; NEURONAL MEMBRANES; QUANTUM CONFINED STARK EFFECT; SPIKE;

SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS;

MOLECULAR PROBE; QUANTUM DOT;

LUMINESCENCE; MOLECULAR PROBE; SEMICONDUCTOR;

LUMINESCENCE; MOLECULAR PROBES; QUANTUM DOTS; SEMICONDUCTORS;

EID: 84944348331     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02725     Document Type: Article

References (53)

1. Bhirde, A.; Xie, J.; Swierczewska, M.; Chen, X. Nanoscale 2011, 3, 142-153 10.1039/C0NR00493F
2. Howes, P. D.; Chandrawati, R.; Stevens, M. M. Science 2014, 346, 6205 10.1126/science.1247390
3. Delehanty, J. B.; Breger, J. C.; Boeneman, G. K.; Stewart, M. H.; Medintz, I. L. Ther. Delivery 2013, 4, 1411-1429 10.4155/tde.13.110
4. Sakmann, B.; Neher, E. Annu. Rev. Physiol. 1984, 46, 455-472 10.1146/annurev.ph.46.030184.002323
5. Spira, M. E.; Hai, A. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 83-94 10.1038/nnano.2012.265
6. Tsytsarev, V.; Liao, L. D.; Kong, K. V.; Liu, Y. H.; Erzurumlu, R. S.; Olivo, M.; Thakor, N. V. J. Nanosci. Nanotechnol. 2014, 14, 4733-4744 10.1166/jnn.2014.9531
7. Chen, T.-W.; Wardill, T. J.; Sun, Y.; Pulver, S. R.; Renninger, S. L.; Baohan, A.; Schreiter, E. R.; Kerr, R. A.; Orger, M. B.; Jayaraman, V. et al. Nature 2013, 499, 295-300 10.1038/nature12354
8. Alivisatos, A. P.; Andrews, A. M.; Boyden, E. S.; Chun, M.; Church, G. M.; Deisseroth, K.; Donoghue, J. P.; Fraser, S. E.; Lippincott-Schwartz, J.; Looger, L. L. et al. ACS Nano 2013, 7, 1850-1866 10.1021/nn4012847
9. Peterka, D. S.; Takahashi, H.; Yuste, R. Neuron 2011, 69, 9-21 10.1016/j.neuron.2010.12.010
10. Alivisatos, A. P.; Chun, M.; Church, G. M.; Greenspan, R. J.; Roukes, M. L.; Yuste, R. Neuron 2012, 74, 970-974 10.1016/j.neuron.2012.06.006
11. Bozyigit, D.; Yarema, O.; Wood, V. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3024-3029 10.1002/adfm.201203191
12. Park, K.; Deutsch, Z.; Li, J. J.; Oron, D.; Weiss, S. ACS Nano 2012, 6, 10013-10023 10.1021/nn303719m
13. Empedocles, S. A.; Bawendi, M. G. Science 1997, 278, 2114-2117 10.1126/science.278.5346.2114
14. Krauss, T. D.; Brus, L. E. Mater. Sci. Eng., B 2000, 69, 289-294 10.1016/S0921-5107(99)00407-9
15. Boeneman, K.; Delehanty, J. B.; Blanco-Canosa, J. B.; Susumu, K.; Stewart, M. H.; Oh, E.; Huston, A. L.; Dawson, G.; Ingale, S.; Walters, R. et al. ACS Nano 2013, 7, 3778-3796 10.1021/nn400702r
16. Gopalakrishnan, G.; Danelon, C.; Izewska, P.; Prummer, M.; Bolinger, P. Y.; Geissbuhler, I.; Demurtas, D.; Dubochet, J.; Vogel, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 5478-5483 10.1002/anie.200600545
17. Medintz, I. L.; Mattoussi, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 17-45 10.1039/B813919A
18. Clapp, A. R.; Medintz, I. L.; Mattoussi, H. ChemPhysChem 2006, 7, 47-57 10.1002/cphc.200500217
19. Walters, R.; Kraig, R. P.; Medintz, I.; Delehanty, J. B.; Stewart, M. H.; Susumu, K.; Huston, A. L.; Dawson, P. E.; Dawson, G. ASN Neuro 2012, 4, 383-392 10.1042/AN20120042
20. Agarwal, R.; Domowicz, M. S.; Schwartz, N. B.; Henry, J.; Medintz, I.; Delehanty, J. B.; Stewart, M. H.; Susumu, K.; Huston, A. L.; Deschamps, J. R. et al. ACS Chem. Neurosci. 2015, 6, 494-504 10.1021/acschemneuro.5b00022
21. Resch-Genger, U.; Grabolle, M.; Cavaliere-Jaricot, S.; Nitschke, R.; Nann, T. Nat. Methods 2008, 5, 763-775 10.1038/nmeth.1248
22. Clapp, A. R.; Pons, T.; Medintz, I. L.; Delehanty, J. B.; Melinger, J. S.; Tiefenbrunn, T.; Dawson, P. E.; Fisher, B. R.; O'Rourke, B.; Mattoussi, H. Adv. Mater. 2007, 19, 1921-1926 10.1002/adma.200602036
23. Larson, D. R.; Zipfel, W. R.; Williams, R. M.; Clark, S. W.; Bruchez, M. P.; Wise, F. W.; Webb, W. W. Science 2003, 300, 1434-1436 10.1126/science.1083780
24. Andrasfalvy, B. K.; Galinanes, G. L.; Huber, D.; Barbic, M.; Macklin, J. J.; Susumu, K.; Delehanty, J. B.; Huston, A. L.; Makara, J. K.; Medintz, I. L. Nat. Methods 2014, 11, 1237-1241 10.1038/nmeth.3146
25. Schmitt-Rink, S.; Miller, D. A. B.; Chemla, D. S. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1987, 35, 8113-8125 10.1103/PhysRevB.35.8113
26. Miller, D. A. B.; Chemla, D. S.; Schmitt-Rink, S. Appl. Phys. Lett. 1988, 52, 2154-2156 10.1063/1.99562
27. Marshall, J. D.; Schnitzer, M. J. ACS Nano 2013, 7, 4601-4609 10.1021/nn401410k
28. Park, S.-J.; Link, S.; Miller, W. L.; Gesquiere, A.; Barbara, P. F. Chem. Phys. 2007, 341, 169-174 10.1016/j.chemphys.2007.06.025
29. Huang, H.; Dorn, A.; Nair, G. P.; Bulović, V.; Bawendi, M. G. Nano Lett. 2007, 7, 3781-3786 10.1021/nl072263y
30. Ekinov, A. I.; Efros, A. L.; Shubina, T. V.; Skvortsov, A. P. J. Lumin. 1990, 46, 97-100 10.1016/0022-2313(90)90011-Y
31. Rothenberg, E.; Kazes, M.; Shaviv, E.; Banin, U. Nano Lett. 2005, 5, 1581-1586 10.1021/nl051007n
32. Korlacki, R.; Saraf, R. F.; Ducharme, S. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 153112 10.1063/1.3651322
33. Bozyigit, D.; Wood, V.; Shirasaki, Y.; Bulovic, V. J. Appl. Phys. 2012, 111, 113701 10.1063/1.4720377
34. Leatherdale, C. A.; Kagan, C. R.; Morgan, N. Y.; Empedocles, S. A.; Kastner, M. A.; Bawendi, M. G. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2000, 62, 2669-2680 10.1103/PhysRevB.62.2669
35. Loew, L. M.; Cohen, L. B.; Dix, J.; Fluhler, E. N.; Montana, V.; Salama, G.; Wu, J. Y. J. Membr. Biol. 1992, 130, 1-10 10.1007/BF00233734
36. Kim, S.; Fisher, B.; Eisler, H.-J.; Bawendi, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 11466-11467 10.1021/ja0361749
37. Ivanov, S. A.; Piryatinski, A.; Nanda, J.; Tretiak, S.; Zavadil, K. R.; Wallace, W. O.; Werder, D.; Klimov, V. I. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11708-11719 10.1021/ja068351m
38. Galland, C.; Ghosh, Y.; Steinbruck, A.; Sykora, M.; Hollingsworth, J. A.; Klimov, V. I.; Htoon, H. Nature 2011, 479, 203-207 10.1038/nature10569
39. Cohn, A. W.; Rinehart, J. D.; Schimpf, A. M.; Weaver, A. L.; Gamelin, D. R. Nano Lett. 2014, 14, 353-358 10.1021/nl4041675
40. Robel, I.; Gresback, R.; Kortshagen, U.; Schaller, R. D.; Klimov, V. I. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 177404 10.1103/PhysRevLett.102.177404
41. Nirmal, M.; Dabbousi, B. O.; Bawendi, M. G.; Macklin, J. J.; Trautman, J. K.; Harris, T. D.; Brus, L. E. Nature 1996, 383, 802-804 10.1038/383802a0
42. Frantsuzov, P.; Kuno, M.; Janko, B.; Marcus, R. A. Nat. Phys. 2008, 4, 519-522 10.1038/nphys1001
43. Efros, A. L.; Rosen, M. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1110-1113 10.1103/PhysRevLett.78.1110
44. Efros, A. L. Nat. Mater. 2008, 7, 612-613 10.1038/nmat2239
45. de Rougemont, F.; Frey, R.; Roussignol, P.; Ricard, D.; Flytzanis, C. Appl. Phys. Lett. 1987, 50, 1619-1621 10.1063/1.97746
46. Klimov, V. I.; Mikhailovsky, A. A.; McBranch, D. W.; Leatherdale, C. A.; Bawendi, M. G. Science 2000, 287, 1011-1013 10.1126/science.287.5455.1011
47. Jarosz, M. V.; Porter, V. J.; Fisher, B. R.; Kastner, M. A.; Bawendi, M. G. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2004, 70, 195327 10.1103/PhysRevB.70.195327
48. Vaxenburg, R.; Rodina, A.; Lifshitz, E.; Efros, A. L. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 221111 10.1063/1.4833915
49. Alivisatos, A. P.; Gu, W.; Larabell, C. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2005, 7, 55-76 10.1146/annurev.bioeng.7.060804.100432
50. Asami, H.; Abe, Y.; Ohtsu, T.; Kamiya, I.; Hara, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 12566-12568 10.1021/jp035484a
51. Lewis, B. A.; Engelman, D. M. J. Mol. Biol. 1983, 166, 211-217 10.1016/S0022-2836(83)80007-2
52. Wi, H. S.; Kim, S. J.; Lee, K.; Kim, S. M.; Yang, H. S.; Pak, H. K. Colloids Surf., B 2012, 97, 37-42 10.1016/j.colsurfb.2012.04.025
53. Zheng, W.; Liu, Y.; West, A.; Schuler, E. E.; Yehl, K.; Dyer, R. B.; Kindt, J. T.; Salaita, K. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1992-1999 10.1021/ja411339f