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Synthèse à façon de nanoparticules d’or hybrides et leurs multiples applications

Synthèse à façon de nanoparticules d’or hybrides et leurs multiples applications

Du fait de leurs propriétés optiques dans le domaine visible, les nanoparticules d’or (Au-NPs) ont de nombreuses applications dans multiples domaines et plusieurs entreprises produisent et commercialisent aujourd'hui des Au-NPs, en particulier aux USA et en Asie.

Ce secteur d'activité en plein essor, a aussi été renforcé par la pandémie mondiale de covid-19, avec le développement à grande échelle des tests rapides POCT (Point-of-Care-Test) que nous avons tous utilisés, où le signal coloré est lié à la présence d'or colloïdal*.

Le NIMBE/LEDNA synthétise à façon des nanohybrides d’or et collabore avec de nombreuses équipes pour l’étude de leurs propriétés, notamment plasmoniques, en vue d’applications futures en lien avec l’Énergie, l’Environnement et la Santé, au sein de l'UMR NIMBE.

Du fait de leur taille, les nanoparticules métalliques isolées présentent des propriétés bien spécifiques, électromagnétique notamment. Constituées d'or, argent ou cuivre, elles peuvent être aussi fonctionnalisées au moyen d'une liaison, covalente ou non, avec un autre composant, tel qu'une molécule (H2O, un anticorps…), un semi-conducteur (TiO2, …), un émetteur quantique (CdSe…) ou encore un catalyseur (Pd, Pt…), formant ainsi une nanoparticule hybride. Quelques exemples de mécanismes complexes pouvant avoir lieu au sein de ces composés hybrides sont, par exemple, la génération localisée de lumière ou de paires électron-trou, le dégagement de chaleur, ou encore la formation d’oxygène singulet ou d’hydrogène. Bien connu de tous, un autre exemple d'application originale en biologie est celui des tests anti-COVID-19*.

Pour exploiter leurs multiples propriétés, l’ingénierie de ces nanohybrides exige de pourvoir les élaborer de façon monodisperse en forme et taille, selon des morphologies variés (rapports longueur/épaisseur), avec des bords et des pointes acérées, et des enrobages parfaitement contrôlés.

Les nanoparticules d’or sont issues de la chimie colloïdale en utilisant des méthodes d'ensemencement et de croissance dirigée. La qualité de l'interface entre la nanoparticule et son environnement proche gouverne les échanges d’énergie, de charge et de chaleur [4,5]). C'est un paramètre clé, dans l'élaboration de ces nanohybrides, dont le NIMBE/LEDNA a fait sa spécialité. Pour fabriquer des dispositifs fonctionnels à bas-coûts [1-3] le laboratoire développe de nombreux protocoles pour le dépôt et l'assemblage de ces nanoparticules sur des substrats spécifiques (conducteurs, transparents, polymères, papier, …).

À gauche : schéma d'une nanoparticule hybride optiquement active. Au centre : différentes formes de nanoparticules. À droite : auto-assemblage 2D de nanocubes d’or propices à la formation de nombreux points chauds d'émission d'électrons.

La photopolymérisation en champ proche exploite les points chauds d’une nanoparticule métallique, pour induire une polymérisation localisée (savoir-faire développé conjointement à l'IS2M de Mulhouse et au L2N à Troyes). Les travaux du consortium rassemblé autour du projet ANR Happle ont ainsi permis l’obtention de dépôt fins (~ 1 nm) et successifs de polymère aux propriétés spécifiques (polymérisation « active ») ou le piégeage d’émetteurs quantiques de lumière sur des sites bien précis avec une précision nanométrique [1-3].

La génération d'espèces réactives de l’oxygène ou la production localisée de chaleur, par irradiation laser pulsée infrarouge de nanobâtonnets d’or, ouvrent d'autres voies prometteuses en nanomédecine pour soigner les tumeurs. Dans le cadre du consortium HEPPROS (INSERM – Plan cancer), deux études des phénomènes de relaxation ultra-rapides impliqués dans la désactivation du plasmon ont permis de mettre en évidence l’importance de l’interface (surfactant, enrobage de silice…) dans la création des diverses espèces réactives [4, 5]. Des études in vivo sur des xénogreffes de souris sont en cours.

Impliquant le laboratoire NIMBE/LEDNA, les perspectives d'études en lien avec ces nano-objets d’or se poursuivent dans les domaines de la plasmonique et de la nanophotochimie, grâce à l’obtention de trois projets ANR (AAP 2020 et 2021) :

  • ULTRASINGLE, avec l'étude du transfert d’énergie ultra rapide dans des nano objets individuels ;
  • POPCORN, poursuivant l'étude de la photochimie des plasmons pour une polymérisation nanolocalisée entièrement contrôlée ;
  • CARICATURES, où le couplage fort au sein des nanohybrides d’ADN est plus particulièrement étudié.

Ces projets sont respectivement coordonnés par l’Institut lumière matière (ILM-Lyon), le CEA-SPEC et l’ESPCI (Institut Langevin).

Références :

[1] “Advanced hybrid plasmonic nanoemitters based on the use of a smart photopolymer »
Dandan Ge, Ali Issa, Safi Jradi , Christophe Couteau, Sylvie Marguet and Renaud Bachelot, Photonics Research 10(7) (2022) 1552.

[2] « One strategy for nanoparticle assembly onto 1d, 2d, and 3d polymer micro and nanostructures »
Ali Issa, Irene Izquierdo, Melissa Merheb, Dandan Ge, Aurélie Broussier, Nawres Ghabri, Sylvie Marguet, Christophe Couteau, Renaud Bachelot, and Safi Jradi, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 35, 41846–41856.

[3] « Probing plasmon-induced chemical mechanisms by free-radical nanophotopolymerization »
Farid Kameche, Wajdi Heni, Siham Telitel, Loïc Vidal, Sylvie Marguet, Ludovic Douillard, Céline Fiorini-Debuisschert, Renaud Bachelot, and Olivier Soppera, J. Phys. Chem. C 125(16) (2021) 8719–8731.

[4] « The effect of gold nanoparticle capping agents on 1O2 detection by singlet oxygen sensor green »,
SarraMitiche, Jean-Frédéric Audibert, Sylvie Marguet, Bruno Palpant, Robert Bernard Pansu, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 410(1) (2021) 113170.

[5] « Coating gold nanorods with silica prevents the generation of reactive oxygen species under laser light irradiation for safe biomedical applications »,
Sarra Mitiche, Syrine Gueffrache, Sylvie Marguet, Jean-Frédéric Audibert, Robert Bernard Pansua and Bruno Palpant, J. Mater. Chem. B 10 (2022) 589-597.

* Les virus de COVID-19 potentiellement présents se combinent avec des conjugués d'anticorps pour former des complexes chargés en nanoparticules d'or. Après migration capillaire, les complexes sont capturés au niveau d'une bandelette chargée en lignée d'anticorps COVID-19 et forment ainsi une bande colorée.

Contact CEA : Sylvie Marguet, NIMBE/LEDNA.

Financements  :

Collaborations :

Luc BARBIER