Nanoémetteurs de carbure de silicium et exaltation optique pour l’analyse de transport intracellulaire dans les réseaux 3D de neurones – SINAPSE
Projet ANR CE09 – Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur
Janvier 2020 – Juillet 2024
- LPEM Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux
- LAC Laboratoire Aimé Cotton
- SPEC Service de Physique de l’Etat Condensé
- LCF Laboratoire Charles Fabry
Nous proposons dans ce projet d’analyser la réponse optique de nanocristaux de SiC excités dans l’infrarouge (deuxième fenêtre de transparence des tissus biologiques). De telles nanosondes peuvent être utilisées pour analyser finement le mouvement intracellulaire de vésicules dans des réseaux 3D de neurones. Le projet prévoit le développement d’un microscope agile pour détecter ces nanosondes en profondeur, mais aussi de tirer avantage de nanoantennes métalliques pour exalter les signaux. Un enjeu important de cette étude est d’explorer des possibilités physiques pour accéder à une information optique dans des tissus biologique épais. L’objectif est de pouvoir mesurer les paramètres du transport intraneuronal dans des réseaux complexes et mature, afin de comparer différentes conditions.
Nanocristaux ferroélectriques à conversion ascendante de photon pour la détection optique de potentiel électrique dans les systèmes biologiques – UFO
Projet ANR CE09 – Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur
Décembre 2021 – Juillet 2025
L’objectif de notre projet est de développer et valider biologiquement une nouvelle sonde photoluminescente du potentiel extracellulaire s’appuyant sur un mécanisme de transduction encore jamais exploré pour cette application et qui devrait aboutir à une très grande résolution spatiotemporelle. Ces sondes sont des nanocristaux ferroélectriques (NCFE) dopés avec des ions de terres rares (RE3+) dont nous détecterons la modulation spectrale de conversion ascendante de photons (up-conversion, UC) en fonction du potentiel électrique environnant. Les variations de ce potentiel, sous l’effet de l’ouverture des canaux ioniques, modifient la densité surfacique des charges de polarisation P du NCFE, faisant alors varier P qui entraine à son tour une déformation du NCFE par effet piézoélectrique inverse, induisant enfin un changement d’intensité de certaines raies d’émission d’UC. Ce processus est conforté par notre récente observation d’une telle modulation de l’UC dans un NCFE exposé à un champ électrique.
Tout d’abord, nous synthétiserons des NCFE de BaTiO3 de taille˜200 nm dopés avec des ions d’Er3+ et Yb3+ et testerons également d’autres matrices à réponse piézoélectrique plus forte, et d’autres dopants. Des calculs ab initio nous aideront à déterminer les sites cristallographiques les plus favorables pour l’incorporation des ions. Nous caractériserons l’intensité de l’UC et sa durée de vie. Ensuite, nous imagerons les domaines ferro/piezoélectriques de NCFE individuels par microscopie à force piézoélectrique (PFM) où un potentiel oscillant est appliqué à la pointe. Nous chercherons à produire des NCFE brillants monodomaines. Nous quantifierons la variation du spectre d’UC lors des mesures PFM, ainsi que sous le flux d’ions issu d’une pointe à décharge. Enfin, nous testerons la capacité des NCFE à détecter des changements de densités de charges en solution, avant de les utiliser, après biofonctionalisation, comme capteurs optiques de changements de potentiel proche des membranes lors d’une électroporation, puis pour suivre la régénérescence nerveuse.
Ce projet fortement interdisciplinaire requiert les compétences complémentaires de cinq équipes, en synthèse et caractérisation de NCFE, spectroscopie optique et microscopie à sonde en champ proche, bio-conjugaison de nanoparticules et en bioélectrochimie. Ce projet exploitant les charges de polarisation de nanosystèmes ferroélectriques permettra d’ouvrir un nouveau champ d’applications au-delà de celui biomédical.