Proprietes optiques des nanoparticules

Masure Pierre - Brix Nicolas

PROJET BAC2

PROMOTEUR: Prof. Wautelet M.

7 Mai 2007

En quelques mots...

Depuis peu, les nanotechnologies sont en plein essor. Dans cecontexte, il apparaıt interessant de se familiariser avec cette nou-velle branche des sciences appliquees qui a moyen terme fera par-tie integrante du paysage technologique. Dans cette optique, etdans le cadre de notre projet de seconde bachelier, nous noussommes penches dans un premier temps sur les nanotechnolo-gies en general, puis nous nous sommes concentres sur un sujetparticulier : les proprietes optiques des nanocristaux semiconduc-teurs, theme qui illustre bien la non-validite des lois du mondemacroscopique appliquees au monde nanometrique. Ce rapportpresente successivement une introduction generale sur les nano-technologies, une etude theorique des proprietes optiques des na-noparticules semiconductrices, l’application de ces proprietes al’imagerie biomedicale, et enfin une partie experimentale. Cettederniere fournit les resultats d’une analyse spectrometrique dedifferentes solutions contenant des nanocristaux de sulfure de cad-mium (CdS).

A travers ces experiences, on constate que la couleur d’une so-lution de nanoparticules semiconductrices varie avec la taille descristaux. Cette propriete decoule de l’aptitude de ces particulesa absorber la lumiere en-dessous d’une certaine longueur d’ondefixee par leur dimension, et a reemettre par fluorescence unelumiere quasi-monochromatique dont la longueur d’onde corres-pond au seuil d’absorption. Sous eclairage UV, on peut donc ob-tenir toute la palette du spectre visible en ajustant la taille descristaux.Cette propriete, associee a d’autres comportements interessants,fait de ces nanosemiconducteurs des fluorophores particulierementbien adaptes pour des applications allant de l’optoelectronique al’imagerie biomedicale. On peut notamment les utiliser commemarqueurs specifiques pour la localisation de tumeurs et ainsifaciliter le depistage de cancers. A terme, le developpement decette nouvelle technique de marquage biologique permettra d’enapprendre davantage sur l’organisme humain, rendant possible lesuivi en temps reel de processus physiologiques in vivo. Sans nuldoute, ces fluorophores d’un nouveau type rendront de nombreuxservices a la biomedecine de demain.

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Table des matieres

1 Introduction 31.1 Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Bref historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Aspect economique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Top-down versus bottom-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5 Il y a nano et nano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6 Applications a venir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Etude theorique des proprietes optiques 6

3 Application des nanoparticules a la biotechnologie 113.1 Application a l’imagerie du monde vivant . . . . . . . . . . . 123.2 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 Experience : Colorimetrie 174.1 Le point de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2 Appareillage : le spectrometre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3 Resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5 Conclusion 22

Bibliographie 23

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Chapitre 1

Introduction

1.1 Avant-propos

Les nanosciences designent l’etude des phenomenes et la manipulationdes materiaux a l’echelle nanometrique. Les nanotechnologies sont les appli-cations decoulant de ces travaux. Si l’idee de manipuler la matiere a si petiteechelle n’est pas nouvelle, elle est aujourd’hui sur le devant de la scene ; une’nanotendance’ generalisee s’installe et de larges budgets sont consacres aces recherches. Bien qu’on assiste d’ores et deja a la commercialisation deproduits mettant en oeuvre les nanotechnologies, les applications majeuresrestent cependant a venir et ne sont encore pour la plupart que des vues del’esprit. Constituant donc un secteur tres prometteur, les nanotechnologiesconduiront tres certainement a de nombreuses avancees technologiques, et cedans tous les domaines. De nombreux scientifiques sont tres enthousiastes apropos des nanotechnologies et les voient comme une revolution en devenirdont l’impact sur notre quotidien sera bien visible d’ici quelques annees, sitoutefois l’on peut parler de visible a des dimensions aussi reduites.[2]

1.2 Bref historique

Des 1959, cette idee de manipuler la matiere atome par atome voit lejour. En 1981, le microscope a effet tunnel permet de visualiser ces atomes eten 1990, un chercheur d’IBM s’en sert pour ecrire les 3 initiales de la firme endisposant des atomes un par un. Entretemps, en 1985, les celebres fullerenes(C60) ont ete decouverts et en 1991, les nanotubes de carbone entrent a leurtour dans l’histoire. Depuis lors, dans le monde entier, des programmes derecherche ont ete lances et dans tous les domaines, des avancees prometteusessont annoncees.

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1.3 Aspect economique

Bien que le -pourtant recent- marche des nanotechnologies soit deja im-portant, on en attend surtout une croissance tres rapide dans les prochainesannees. Bien plus rapide, par exemple, que le marche de l’informatique.Aujourd’hui, on compte 1500 entreprises dans le monde effectuant des re-cherches sur les nanotechnologies. La Region Wallonne s’implique elle aussi,pour un effectif de 400 chercheurs et un budget de 35 millions d’euros.

1.4 Top-down versus bottom-up

Jusqu’ici, la technologie a privilegie l’approche top-down, celle de la mi-niaturisation progressive ; qui part des grandes dimensions et s’attache a lesreduire le plus possible. Cette approche n’est plus possible a l’echelle dunanometre. En effet, a ces dimensions, les lois de la physique classique nesont plus applicables, plus precisement a cause du nombre restreint de par-ticules et donc de la primaute des proprietes surfaciques sur les proprietesvolumiques. Il faut donc partir du bas, de l’atome, pour remonter a l’echelledes nanoparticules : c’est l’approche bottom-up. On fait pour cela appel ala physique quantique, qui necessite de tres longs calculs des que le nombred’atomes grandit. C’est vers ce concept qu’on tend desormais a se diriger, etc’est ce qui singularise la nanoscience sur les techniques ayant donne lieu auxavancees anterieures ; plutot que de reduire les dimensions d’un assemblagedonne, on construit atome par atome le composant souhaite.

1.5 Il y a nano et nano

Il est important cependant de souligner que toutes les applications com-merciales actuelles des nanotechnologies sont issues de l’approche top-down.De plus, la plupart des produits labellises nano ne sont en realite que desameliorations de proprietes de produits existants. On peut ainsi citer le ren-forcement de raquettes ou de cadres de velo par des nanotubes de carbone,l’apparition de tissus et de verres autonettoyants, l’intensification de l’effetd’un creme de soins, etc.

1.6 Applications a venir

Des plus imminentes aux plus futuristes, voici une presentation suc-cincte des principales applications des nanotechnologies, lesquelles viendronta moyen et long terme prendre une place importante dans notre quotidien.

Verres isolants En disposant sur une vitre une couche nanometriqued’epaisseur telle qu’elle laisse passer le spectre visible mais bloque les in-

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frarouges, on obtient un verre isolant, beaucoup plus efficace que le doublevitrage conventionnel.

Materiaux autonettoyants Si on structure la surface d’un materiau detelle sorte que celle-ci soit constituee d’un reseau de nanopiliers, le materiauresultant est autonettoyant ; c’est l’effet lotus. L’eau et les poussieres glissentsur la surface sans y adherer. Cette application est interessante pour lespare-brises de voiture, rendant inutiles les essuie-glaces.

Nano-electronique La miniaturisation constante des composants infor-matiques a permis jusqu’ici de doubler le nombre de transistors d’une puceen un an et demi a deux ans, et ce depuis 1970. Cela implique evidemmentde diminuer la taille de ces transistors, processus ayant une limite technique.La nano-electronique concoit et fabrique des molecules jouant a elles seulesle role de composants electroniques. Une autre approche considere les pro-prietes electroniques particulieres de nanoparticules. Le defi est cependantardu et la realisation technologique devra encore attendre.

L’ascenseur spatial L’ascenseur spatial, celebre fantasme de nombreuxscientifiques, devrait etre constitue d’un cable de 36000 km fait d’un materiauaussi extremement resistant qu’extremement leger. Les nanotubes de car-bone pourraient repondre a ces attentes.

Secteur biomedical Les nanoparticules magnetiques sont detectables parIRM. Si on leur adjoint certaines molecules biologiques specifiques (= cap-teurs) et qu’on les injecte dans le sang d’un patient, ces nanoparticulesvont se fixer sur les cellules desirees, en fonction du capteur choisi. On peutainsi localiser des tumeurs. Mais on peut aller plus loin : en soumettant lesnanoparticules magnetiques (fixees a des cellules cancereuses) a une ondeelectromagnetique, ces dernieres vont bouger et chauffer, et quelques degressuffisent pour tuer la cellule, qui disparaıt. Une approche differente consistea encapsuler un principe actif dans une nanoparticule creuse (par ex. du C60)et a lui adjoindre des molecules servant de capteurs. Une fois au contact dela cellule, la nanoparticule, munie d’une enveloppe similaire a une membranecellulaire, fusionne avec celle-ci et delivre le medicament.

Jouer a Dieu ? En 1986, dans son livre ’Engins de creation’, Eric Drexlerlance l’idee de nanorobots capables de reconstituer n’importe quelle struc-ture (de la molecule a la voiture) simplement en assemblant les atomesrequis. Ce concept passionne et effraie. Quoi qu’il en soit, et meme si c’estdans cette direction que l’on va actuellement, litteralement jongler avec lesatomes n’est ni pour demain ni pour apres-demain. La discussion reste doncouverte.[3]

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Chapitre 2

Etude theorique des

proprietes optiques

Les nanocristaux de semiconducteurs, aussi appeles Quantum Dots(points ou boıtes quantiques) illustrent les progres spectaculairesrealises dans la synthese des nanomateriaux. Leurs proprietes phy-siques particulieres, intermediaires entre celles des mondes ato-mique et macroscopique, sont dominees par des effets de confine-ment quantique des porteurs de charge et dependent crucialementde leur taille qui peut etre ajustee entre 2 et 10 nm. Eclaires enultraviolet, ces nanocristaux emettent de la lumiere dont la cou-leur varie en fonction de leur taille. Il devient ainsi possible defabriquer toute la palette des couleurs. Dotes de cette propriete,les nanocristaux de semiconducteurs peuvent par exemple etre uti-lises comme marqueurs luminescents de systemes biologiques poursuivre l’evolution de processus divers dans les cellules vivantes, ouencore comme marqueurs d’objets et de produits commerciaux.[1]

Les nanocristaux doivent leurs proprietes optiques particulieres ala nature semiconductrice de leurs composants associee a la taillenanometrique de leur coeur. Un semiconducteur (non dope) presenteune bande de valence, pleine, et une bande de conduction, vide, separees parune bande interdite, le gap, de largeur Eg.

Il est possible de transferer un electron de la bande de valence a la bandede conduction et ainsi de creer un trou dans la bande de valence. Dans toutestructure semiconductrice (massive ou nanometrique), l’absorption d’un ouplusieurs photons est susceptible de creer des paires electrons trous, com-munement appelees excitons1. Dans le cas d’un semiconducteur massif, la

1paire electron-trou :paire de porteurs non lies a un atome et donc aptes a se deplacerdans l’ensemble du cristal ou ils sont apparus et dont l’un est negatif(electron dans la

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Fig. 2.1 – (a) Nanocristal de CdSe (Quantum Dot). (b) Gap electronique

cohesion des excitons est uniquement due a l’interaction coulombienne. L’ex-citon a donc une energie inferieure au gap du semiconducteur massif. Ceciest du au fait que l’exciton ne possede pas une energie suffisante pour pas-ser dans la bande de conduction, il se situe par consequent dans la bandeinterdite.La fluorescence correspond a la recombinaison radiative d’un exciton paremission d’un photon d’energie egale a la difference d’energie entre l’etatexcite et l’etat fondamental. L’exces d’energie hνexc − hνfluo est evacuesous forme de chaleur. La fluorescence est donc d’autant plus probable quela temperature est faible. Du fait que l’energie excitonique pour un semi-conducteur massif est inferieure a l’energie du gap, ce dernier ne peut emettrepar fluorescence.Par ailleurs, l’electron et le trou constituent un systeme hydrogenoıde dontle rayon de Bohr est donne par :

aexc = ǫme

m∗a0

ou me, ǫ, a0 sont respectivement la masse de l’electron, la permittivite du se-miconducteur massif et le rayon de Bohr de l’atome d’hydrogene.[7] La masse

reduite de l’exciton est donnee par m∗ =m∗

em∗

h

m∗

e+m∗

h

ou m∗

e et m∗

h designent

les masses reduites respectives de l’electron et du trou. Le rayon de Bohrdepend du semiconducteur considere. Pour le seleniure de cadmium CdSepar exemple, ce rayon de Bohr est egal a 5,6 nm. Le rayon du coeur de CdSedes nanocristaux est compris entre 1 et 5 nm. Il est donc plus petit que lerayon de Bohr : on parlera alors de confinement fort des porteurs de charge.Dans un semiconducteur de taille nanometrique, le confinement des paireselectron-trou est donc du aux dimensions reduites du nanocristal. Cet effetse traduit par une energie de confinement ∝ 1/a2 qui s’ajoute au potentielattractif coulombien ∝ 1/a. En fonction des dimensions, on distingue doncdeux regimes de confinement :

– Le regime de confinement faible pour a > aexc, : l’effet liant de l’in-teraction coulombienne domine l’effet du confinement quantique qui

bande de conduction) et l’autre positif(absence d’electron dans la bande de valence).

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peut etre traite comme un perturbation. Ce regime est observe dansla plupart des boıtes quantiques epitaxiees2.

– Le regime de confinement fort pour a < aexc, ou l’effet du confine-ment quantique est preponderant. L’interaction coulombienne n’estalors traitee que comme une correction. Le confinement fort se traduitpar l’apparition de niveaux d’energie excitoniques discrets situes enbas de la bande de conduction (niveaux electroniques) et au sommetde la bande de valence (niveaux de trous).

Contrairement au cas du materiau massif, l’energie d’un exciton est alorssuperieure au gap. L’energie des excitons et l’ecart entre niveaux excito-niques sont d’autant plus importants que la taille du nanocristal est faible.C’est en particulier le cas des niveaux qui determinent le gap. En premiereapproximation, le gap Eg de nanocristaux spheriques est donne par la for-mule :

Eg = Esolideg +

~2π2

2a2(

1

m∗

eme

+1

m∗

hme

) −1, 8e2

4πǫǫ0

1

a.

Dans cette equation, le premier terme Esolideg correspond au gap du cris-

tal massif. Le deuxieme terme en 1/r2 dit de confinement quantique est cal-cule dans l’hypothese d’un nanocristal spherique ou sont confines un electronet un trou de masses effectives3 respectives m∗

e et m∗

h (sans dimension).~ represente le quantum de moment cinetique. Le dernier terme de l’equationcorrespond a l’attraction coulombienne entre l’electron et le trou.ǫ est la permittivite dielectrique statique du materiau relative a celle duvide ǫ0, e correspond a la charge electrique de l’electron (-1.602·10−19C). Cephenomene est d’autant plus marque que le rayon est faible (variation en1/a2). Comme constate precedemment, l’exciton se desexcite au bout d’untemps de l’ordre de la ps, de maniere radiative entre les niveaux fondamen-taux de l’electron et du trou en emettant un photon dit de fluorescence. Cephoton possede la meme energie Er de recombinaison entre les niveaux fon-damentaux de l’electron et du trou associe, chacun etant confine dans sonpuits quantique. Une large plage d’energies de gap peut ainsi etre couverteen utilisant differents semiconducteurs. On peut donc couvrir une gammespectrale relativement large allant du proche infrarouge au proche ultravio-let. Cette desexcitation radiative ou recombinaison, est caracterisee par uneenergie de recombinaison superieure a l’energie du gap Eg du cristal macro-scopique, le photon emis a une energie egale a la difference d’energie entrel’etat excite et l’etat fondamental : E = hν = Eg + Econd

fond + Evalfond. De plus,

2L’epitaxie est une technique de croissance orientee, l’un par rapport a l’autre, de deuxcristaux possedant un certain nombre d’elements de symetrie communs dans leurs reseauxcristallins.

3La masse effective est un facteur correctif a appliquer a la masse de l’electron librepour tenir compte de la courbure des bandes de valence et de conduction au voisinage dugap d’energie.

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l’ecart d’energie Er entre les niveaux fondamentaux augmente lorsque lalongueur caracteristique de la ”boıte quantique” diminue. Ainsi, les photonsemis possedent une energie plus grande lorsque le rayon du cristal diminue.Comme E = hν = hc

λ, la longueur d’onde emise diminue avec le rayon.

Cette energie de recombinaison etant invariable pour les photons emis, ilest evident que le spectre d’emission de fluorescence des nanocristaux secompose d’un seul pic tres etroit et ce, independamment de l’energie Ee

d’excitation.La position du pic depend de l’energie de recombinaison. Er dependant dela taille du cristal, la position du pic varie donc aussi avec la taille de laparticule. Ainsi, plus la particule est petite, plus la longueur d’onde dimi-nue (decalage vers le bleu). L’absorption de photons est possible pour desenergies superieures a l’energie de recombinaison. En-dessous d’une longueurd’onde caracteristique, le nanocristal absorbera la lumiere. Le spectre d’ab-sorption d’une solution de nanocristaux est donc similaire a celui d’un solide.Par contre, son spectre d’emission sera proche d’une assemblee d’atomesidentiques, on parle d’ailleurs d’‘atome artificiel’. Le spectre sera centre au-tour d’une longueur d’onde proche de la plus petite longueur d’onde d’ab-sorption. Sa largeur se situe entre 20 et 30 nm. Des lors, on peut exci-ter des nanocristaux de tailles differentes avec une seule longueur d’ondeafin d’obtenir des longueurs d’onde d’emission respectivement differentes.Ce resultat reste inaccessible aux colorants usuels. Toutefois, lorsque l’onobserve l’emission collective de QDs, on constate que cette emission est dis-tribuee sur une gamme spectrale tres large, typiquement cent mille fois pluslarge que pour un atome ! D’ou cela vient-il ? On se doute que les fluctua-tions de taille de boıte a boıte sont partiellement responsables de ce resultat.Pour confirmer cette hypothese et connaıtre les proprietes intrinseques desboıtes quantiques, il faut isoler et etudier une boıte quantique unique.Partant d’un plan de boıtes quantiques, on va graver celui-ci de facon adefinir des plots, dont la taille est de l’ordre de 100 nanometres, et quine contiennent que quelques boıtes, voire une seule boıte. Lorsque l’onrealise cette experience, on peut observer un spectre d’emission constituede quelques raies spectrales tres fines, qui correspondent chacune a uneboıte quantique specifique (voir la figure 2.2). Ce comportement, observea basse temperature (T < 10K), est bien conforme a ce qu’on attend pourcet ”atome artificiel” que constitue chaque boıte quantique. On peut realiserde meme des experiences d’absorption sur des boıtes quantiques isolees. Dememe que l’etude des raies d’absorption associees au milieu interstellairerenseigne l’astronome sur la composition de celui-ci, cette experience per-met d’observer des raies d’absorption tres fines pour les boıtes quantiques,de sonder les etats excites de l’electron confine, et de mieux connaıtre laforme et les dimensions de la boıte etudiee.Une boıte quantique emet donc a basse temperature, comme un atome,un rayonnement de tres faible largeur spectrale. Malheureusement, on perd

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Fig. 2.2 – Spectre d’emission mesure a basse temperature (10 K) pour unensemble de boıtes quantiques (a gauche) et pour une boıte quantique isolee,a droite. On notera que l’echelle des energies est environ 100 fois plus petitepour le spectre de la boıte unique.

cette propriete tres seduisante des qu’on depasse une temperature superieurea une centaine de Kelvin. A temperature ambiante (300 K), la raie d’emissionobservee pour une boıte unique est voisine de 10 meV (soit environ kT/2),ce qui est comparable a la largeur de raie observee pour un puits quantique.On est donc ici tres loin de l’image de l’atome artificiel. Plus on eleve latemperature, plus les vibrations des atomes constituant le cristal semicon-ducteur sont importantes. Ces vibrations cristallines viennent perturber lesysteme electronique et de ce fait elargissent l’emission associee a une boıteunique. Ce resultat, qui n’a ete decouvert que relativement recemment, nousmontre donc que l’image de l’atome artificiel isole n’est pas du tout valide ahaute temperature. Les QDs sont par consequent fortement couples a leurenvironnement. Au-dela de son importance conceptuelle, ce resultat remet enquestion certaines applications envisagees pour les boıtes quantiques tellesque les applications dans le domaine des lasers.[5]

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Chapitre 3

Application des

nanoparticules a la

biotechnologie

La biotechnolgie, connue pour ses applications medicales et agri-coles, se concentre de plus en plus sur l’elaboration de materiauxinnovants et de machines biologiques aux fonctions, structures etdestinations d’une etonnante diversite, et l’avenement de la nano-technologie est venu accelerer cette tendance. En imitant la nature,les chercheurs concoivent des structures moleculaires radicalement nouvellesqui peuvent servir de base a la production de nouveaux materiaux et demachines moleculaires sophistiquees. Les biologistes specialistes de la nano-technologie ont commence a exploiter les possibilites d’autoassemblage desmolecules comme instrument de fabrication de nouvelles nanostructures bio-logiques telles que les nanotubes pour le coulage de metaux, les nanovesiculespour l’encapsulation de medicaments et les reseaux de nanofibres pour laregenerescence tissulaire. Ces biologistes sont en train de mettre au pointtoutes sortes de nanoparticules et de nanodispositifs d’a peine quelques mil-limicrometres de diametre, lesquels sont destines a ameliorer le depistagede cancers, a stimuler la reponse immunitaire et a bloquer l’atherosclerose.Une meilleure comprehension de ces phenomenes pourrait permettre, unjour, de reparer divers organes ou de rajeunir la peau, d’accroıtre les ca-pacites humaines, bref, de realiser divers accomplissements consideres au-jourd’hui comme impossibles. L’incorporation de materiel biologique auxnanoparticules de semiconducteur ainsi qu’aux nanoparticules metalliqueselargit de maniere considerable le domaine d’activite lie a la biophotonique,notamment dans le secteur de l’imagerie optique, des biotraceurs et de latherapeutique. Comme vous pouvez l’imaginer, certaines retombees techno-logiques sont principalement liees a l’objet de cette etude. La similitude entaille entre les nanomateriaux et les biomolecules courantes rendent ces na-

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nostructures particulierement interessantes pour le tracage intracellulaire etideales pour la combinaison biologique. La suite de cette partie presenteraquelques exemples de nanostructures ayant ete integres avec succes dansdes problemes lies a la biotechnologie. Nous focaliserons ce travail sur lesnanoparticules de semiconducteur, mais des informations concernant les ap-plications biomedicales de nanoparticules metalliques et magnetiques pour-ront etre trouvees ailleurs[8]. Nous decrirons l’usage des QDs en tant quemarqueurs fluorescents dans l’imagerie biomedicale. Un exemple de nano-particules metalliques sera aussi presente afin de pouvoir le comparer auxnanoparticules de semiconducteurs dans les applications biologiques.

3.1 Application a l’imagerie du monde vivant

Comme on l’a decrit precedemment, la taille nanometrique desquantum dots implique le confinement quantique des porteurs decharge. Pour rappel, les particules se presentent des lors commedes sources de lumiere de longueur d’onde accordable, tres brillantes,photostables. Elles presentent de plus un spectre d’emission tresetroit(25-35 nm). Ces particules depassent donc de loin les pos-sibilites des fluorophores organiques actuels. Ce spectre tres etroitpermet la detection simultanee de plusieurs fluorophores par excitation lu-mineuse avec une source de lumiere unique. La duree de vie de la photolumi-

Fig. 3.1 – Marquage de fibroblastes

nescence est par ailleurs relativement longue (20-50 ns), ce qui nous permetl’imagerie de cellules vivantes sans interferer avec l’autofluorescence de fond.La stabilite face au photoblanchiment1 et le large rapport surface sur vo-lume rendent les QDs superieurs aux fluorophores actuels, ceci aussi biensur le plan de la sensibilite de la detection que sur l’analyse a long terme desprocessus biologiques. Nous presentons dans ce qui suit quelques exemplesd’applications de ces fluorophores en tant que marqueurs biologiques.

1Perte de fluorescence d’une molecule. La molecule a l’etat excite peut soit emettre unphoton, soit etre engagee dans une reaction photochimique qui va empecher son retour aun etat excitable.[7]

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La premiere application des QDs en tant que marqueurs dans l’imageriebiologique fut realisee par le groupe Alivistos qui a reussi l’authentificationmulticouleur de fibroblastes 3T3 sur des souris(3.1). Du fait que les particulesde CdSe/ZnS sont insolubles dans les solvants polaires et toxiques, une co-quille de silicium a ete intentionnellement fixee sur les nanocristaux. Puisqueles processus biologiques se deroulent dans un environnement aqueux, il estnecessaire de rendre hydrophile la surface des QDs. Cette coquille est parailleurs recouverte de ligands : Ces molecules, souvent de nature organique,servent a faire le pont entre l’environnement aqueux et les nanoparticulestout en maintenant leurs proprietes de fluorescence et en contenant desgroupes reactifs pour leur fonctionnalisation ulterieure.Une autre methode est celle utilisee par le groupe Alivistos, methode four-nissant les meilleurs resultats. Dans cette approche de solubilisation, realiseeavec des polymeres (Qdots Corp., Etats-Unis), on conserve les ligands hy-drophobes de surface et on rajoute des molecules amphiphiles. La partiehydrophobe de ces molecules vient se lier aux ligands tandis que la partiehydrophile est exposee au solvant.Le couplage ulterieur des nanocristaux solubilises a des molecules biolo-giques fait intervenir l’arsenal (3.2) des techniques de bioconjugaison2. Lapremiere methode de biofonctionnalisation concerne l’echange du ligand3

d’origine par des tensio-actifs bifonctionnels comportant une extremite hy-drophile et une extremite capable de se lier a une coquille ZnS. Les thiols(-SH) sont les groupements les plus utilises et les groupes carboxyliques (-COOH) sont a la fois hydrophiles et aptes a assurer une liaison amide avecles goupes −NH2 des proteines. La deuxieme voie, la silanisation, permetl’enrobage des QDs par une couche de silane qui les stabilise grandement. Latroisieme voie concerne la biotinylation des QDs. C’est une biofonctionna-lisation tres versatile qui permet de lier la nanoparticule conjuguee biotinea toute biomolecule conjuguee biotine ou avidine par le biais du couplagebiotine/avidine.

Des QDs biotinyles, de photoluminescence rouge, se sont selectivementattaches aux filaments du cytosquelette modifie par de la streptavidine. DesQDs emettant dans le vert couples a de l’uree et a des elements du groupe desacetates ont montre une affinite particuliere pour la membrane nucleique.L’excitation constante de QDs bioactifs pendant plus de 4 heures avec un la-ser Ar+ a permis une emission constante, ceci avec peu de deperissement. LesQDs auxquels on a fixe des immuno-molecules ont pu detecter des anticorpset antigenes specifiques. Les annees suivantes, l’imagerie de cellules vivantes,ayant ete un succes, a accru de maniere importante la popularite de l’usage

2De maniere generale, celles-ci consistent a coupler le groupe reactif en surface desnanoparticules a des groupes amine - NH2, carboxyle - COOH ou mercapto - SH presentssur la molecule biologique (par exemple un anticorps) que l’on souhaite attacher.

3Toute molecule pouvant se lier a une autre, en particulier molecule capable de se liera un recepteur biologique

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Fig. 3.2 – Principales voies de biofonctionnalisation des nanoparticules semi-conductrices de type CdSe/ZnS

de QDs dans les systemes biologiques. Par ailleurs, un progres impressio-nant en imagerie du cancer a pu etre accompli par l’usage des nanocristauxde semiconducteurs. En 2003, Wu et coll. ont conjugue l’immunoglobine G(IgG) et la streptavidine sur le CdSe avec des spectres d’emission differentsafin de pouvoir identifier le marqueur du cancer du poumon Her2 presenta la surface de cellules cancerigenes vivantes. Ils ont aussi pu utiliser cesnanoparticules conjuguees afin de marquer l’actine et les fibres microtubu-laires dans le cytoplasme ainsi que la detection d’antigenes nucleaires dansle noyau. Le travail de Wu a pour but d’identifier les tumeurs susceptiblesde reponse a la medication contre le cancer. La recente poussee en matiered’etudes in vivo a pu demontrer que les QDs sont aussi efficaces dans l’en-vironnement physiologique que dans les tubes a essais. Des sondes de QDsencapsulees dans un copolymere4 ont pu etre delivrees sur des tumeurs parun mecanisme de tracage passif et par un mecanisme actif.Dans le mode passif, les macromolecules entourant les nanocristaux se sontaccumulees preferentiellement sur le site de la tumeur grace a une permeabiliteaugmentee et un effet de retention. Dans le depistage actif de tumeurs, desQDs conjugues a des anticorps ont pu cibler de maniere specifique des an-tigenes particuliers sur la membrane de la tumeur. Des signaux intenses ontpu etre obtenus par injection intraveineuse de ces sondes anticorps a unesouris porteuse de tumeurs (3.3). L’avantage de ce procede reside dans lefait que le polymere hydrophile possede un nombre important de groupesfonctionnels autorisant l’attachement simultane d’agents therapeutiques etde diagnostic. Ces points multifonctionnels pourraient donc depister les tu-meurs et des lors, une excitation par lumiere laser pourrait liberer les agentstherapeutiques de telle sorte que seules les tumeurs recevraient la toxine,minimisant ainsi les effets secondaires. On a aussi pu demontrer que les

4Copolymere : macromolecule mettant en jeu au moins deux monomeres, lies par desliaisons covalentes

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Fig. 3.3 – Depistage de tumeurs

cellules cancereuses sont invasives et fortement mobiles, ce resultat etantbase sur le fait que les cellules cancereuses englobant les nanoparticules lesrendent inactives. Ces travaux n’ouvrent pas seulement la voie a l’etude desmecanismes invasifs des cellules cancereuses en temps reel mais permettentaussi l’etude d’une multitude d’autres interactions multicellulaires qui ontlieu dans les processus de croissance et de developpement chez les animaux.Ceci permet le suivi d’experiences de longues duree en embryogenese. Lademande etant forte pour l’imagerie de structures profondes du corps, lesQDs emettant dans le proche infrarouge (650-1000 nm) ont le plus d’interet ;c’est en effet la region du spectre ou la transmission de la lumiere a traversles tissus et le sang est maximale. Recemment, une avancee majeure en ima-gerie du cancer a ete realisee en utilisant une structure coeur/coquille deCdTe/CdSe. Ces nanoparticules de CdTe/CdSe emettent dans le proche in-frarouge. Il est toutefois interessant de mentionner que l’imagerie de hautcontraste ou de haute resolution peut aussi etre obtenue par usage de na-noparticules metalliques. Celles-ci ameliorent la sensibilite de l’analyse partomographie opto-acoustique. Cette nouvelle methode d’imagerie medicaleutilise l’illumination optique et la detection ultrasonique afin de produiredes images profondes des tissus, ces images etant acquises par l’absorptionlumineuse. Les experiences avec ces particules metalliques ont permis dedemontrer qu’avec une concentration tres basse de 109 particules/ml, onrend possible la detection a une profondeur de plus de 60 mm dans les tis-sus. Cette detection est impossible en imagerie optique pure.[8]

3.2 Bilan

Ces experiences ont montre que les nanocristaux semiconducteurs sontun outil de choix pour l’imagerie biologique en permettant l’observationdirecte du mouvement d’acteurs moleculaires impliques. En attachant des

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sondes de differentes couleurs a differentes proteines, il est desormais dejapossible d’etudier le mouvement des differents acteurs, d’etudier leurs inter-actions in vivo et ainsi de mieux traduire la complexite des processus bio-logiques. Ce n’est sans doute qu’un aspect partiel de l’apport de ces sondesinorganiques a l’imagerie biologique. Composes de materiaux emettant dansl’infrarouge, des nanocristaux permettront sans doute l’imagerie ultrasen-sible dans des milieux epais tels que des tissus ou des petits animaux. Lesnanoparticules fluorescentes seront a l’avenir non seulement des indicateursde la position mais aussi des sondes de l’environnement chimique local (cfrdetection d’agents biologiques de guerre,...). A plus long terme, ils trouve-ront, peut-etre, un role comme guide fluorescent pour les outils des chirur-giens.

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Chapitre 4

Experience : Colorimetrie

Dans cette partie sont exposes nos propres resultats, precedes d’une brevepresentation des notions et outils dont nous avons eu besoin pour notreanalyse.

La caracterisation optique des nanophores se realise en 3 etapes :

– Obtention d’un graphique de la transmission en fonction de la longueurd’onde pour une solution d’une nanoparticule de taille determinee.

– Conversion des donnees afin d’obtenir les trois coordonnees trichroma-tiques du point de couleur.

– Obtention de la couleur pour la nanoparticule grace au triangle descouleurs et verification theorique qualitative.

4.1 Le point de couleur

Le point de couleur permet de decrire la couleur de l’echantillon de faconunivoque dans un espace a trois dimensions, generalement ramene a deuxdimensions comme dans la representation de la figure (4.1). Pour cela, lespectre d’emission est successivement multiplie par trois courbes de sensibi-lite spectrale (X(λ),Y(λ),Z(λ)), avant d’operer une integration sur la totalitedu spectre pour obtenir les grandeurs X, Y et Z. Les fonctions X(λ), Y(λ),Z(λ) sont definies dans une norme creee par la Commission Internationalede l’Eclairage. Pour se ramener a un espace a deux dimensions, ces resultatssont normes :

x =X

X + Y + Z

y =Y

X + Y + Z

z =Z

X + Y + Z= 1 − (x + y)

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Le couple (x,y) ainsi calcule est caracteristique de la couleur de l’echantillon.On peut alors positionner ce point dans le classique triangle des couleurs oule blanc parfait a pour coordonnees (0.33 , 0.33).[6]

Fig. 4.1 – Diagramme de chromaticite

4.2 Appareillage : le spectrometre

Un spectrometre analyse longueur d’onde par longueur d’onde (soit avecun intervalle de longueurs d’ondes de quelques nanometres) l’energie lu-mineuse en reflexion ou en transmission d’un objet. Nous obtenons, apresmesure, une courbe spectrale de l’echantillon sur un intervalle de longueursd’onde correspondant au spectre visible (en general entre 380-780 nm).[9]

Le spectrometre comprend :– une source de lumiere : lumiere blanche (lumiere polychromatique) ou

lumiere UV.– un monochromateur forme d’un reseau diffractant la lumiere de la

source. Il permet de selectionner la longueur d’onde de la lumiere quitraversera la solution a doser.

– une cuve transparente dans laquelle on place la solution a etudier. Lesolvant utilise n’etant pas toujours transparent, il est obligatoire derealiser un ’blanc’, c’est-a-dire une mise a zero du dispositif, en neplacant que le solvant utilise dans la cuve avant la premiere mesure,et ce pour chaque longueur d’onde etudiee.

– une cellule photoelectrique, restituant un courant proportionnel aunombre de photons recus.

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– un detecteur electronique dont la reponse est proportionnelle a ce cou-rant electrique et permet une mesure relative de l’intensite lumineuse.

Fig. 4.2 – Principe du spectrometre.

4.3 Resultats

Fig. 4.3 – Spectre de transmission des differentes nanoparticules

Les resultats sont exposes et interpretes de maniere physique en laissantde cote l’aspect rugueux des equations. On a analyse des echantillons de na-noparticules de CdS, avec comme seule variable caracterisant les echantillons,la taille des nanocristaux presents. Apres analyse dans un spectrometre,on obtient le spectre de transmission des nanoparticules. La transmissionest l’inverse de l’absorption/absorbance. C’est un principe elementaire dela conservation de l’energie. Comme indique dans l’etude theorique, le gapaugmente a mesure que la taille du cristal decroıt. On constate que l’absorp-tion est maximale pour un faisceau de lumiere dont la longueur d’onde estfaible. A partir d’un certain seuil, a longueur d’onde croissante, l’intensiteabsorbee diminue rapidement jusqu’a tendre vers 0, zone ou la transmis-sion est maximale. La solution de particules est transparente aux longueurs

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d’onde plus elevees. Pour une nanoparticule de 5,7 nm l’absorption se faita λ = 483 nm, pour 4,9 nm l’absorption se fait a λ = 463 nm, pour 3,4 nml’absorption se fait a λ = 422 nm, pour 2,8 nm a λ = 402 nm et finalementpour 2,1 nm a λ = 392 nm. On constate que le seuil d’absorption est doncfonction de la taille de la particule : plus la particule devient petite, plus sonseuil d’absorption, caracterise par sa longueur d’onde, diminue. Ceci semblelogique : si on considere que l’energie est inversement proportionnelle a lalongueur d’onde, plus la longueur d’onde est petite, plus l’energie associeeest importante. Or, on sait a travers l’analyse theorique que plus une par-ticule est petite, plus son gap est grand et plus importante sera l’energienecessaire afin de le franchir. Considerons les deux cas extremes. Soit uneparticule grande (4,9 nm) : son gap (energie du gap) est fort etroit. L’energiepour le franchir est donc faible. Une lumiere peut donc le franchir a longueurd’onde plus elevee (463 nm). A partir d’un seuil correspondant a l’energiedu gap, le nanocristal absorbe la lumiere. A contrario, si la particule estpetite, son gap sera fort large. Ceci necessite une energie plus grande. Ontrouve cette energie pour une longueur d’onde plus faible.En-dessous de cette longueur d’onde, l’energie sera suffisante pour franchir

Fig. 4.4 – Seuil d’absorption en fonction de la taille du nanocristal.

le gap et toute la lumiere sera absorbee.Les coordonnees trichromatiques des solutions ont ete obtenues par un petitprogramme concu sous Matlab qui, a partir des trois courbes de sensibiliteet de la courbe experimentale de transimission, calcule le couple (x,y) cor-respondant. Couleurs obtenues :

– nanoparticule de 2,1 nm (abs. indique : 360 nm ; mesure : 392 nm) :X = 0.3324 Y = 0.3332 (transparent)

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– nanoparticule de 2,8 nm (abs. indique : 380 nm ; mesure : 402 nm) :X = 0.3345 Y = 0.3356 (transparent)

– nanoparticule de 3,4 nm (abs. indique : 402 nm ; mesure : 422 nm) :X = 0.3391 Y = 0.3449 (jaune leger)

– nanoparticule de 4,9 nm (abs. indique : 440 nm ; mesure : 463 nm) :X = 0.4207 Y = 0.4698 (jaune)

– nanoparticule de 5,7 nm (abs. indique : 460 nm ; mesure : 483 nm) :X = 0.4593 Y = 0.5009 (jaune vif)

Ces couleurs, qui correspondent a l’aspect des solutions en lumiere naturelle,sont bien celles observables a l’oeil nu.Pour ce qui est de la fluorescence, il y a une correlation etroite entre leseuil d’absorption et la longueur d’onde d’emission. En effet, eclairees par unrayonnement d’energie egale ou superieure a l’energie de leur gap electronique,les nanoparticules absorbent integralement ce rayonnement et le reemettentquasi-instantanement, a la longueur d’onde du seuil d’absorption (qui cor-respond donc a l’energie du gap). Nos echantillons de CdS emettent parfluorescence aux longueurs d’onde suivantes ; respectivement 392, 402, 422,463 et 483 nm. Ces valeurs se situent dans le bleu et le violet.A titre de remarque, on peut donner les precisions suivantes quant a ces der-niers resultats. Selon ceux-ci, le spectre de fluorescence de nos nanoparticulesse limite au bleu-violet. On est donc loin des petits flacons aux colorationsarc-en-ciel que l’on peut voir sur les photos. Cela est cependant parfaitementexplicable : les colorations qui couvrent tout le spectre visible sont obtenuesavec des nanoparticules de CdSe et non de CdS. Au contraire de ce dernier,le seleniure de cadmium, pour la meme plage de tailles des cristaux, emet surune grande partie des longueurs d’onde visibles, creant l’effet spectaculairebien connu. Pour obtenir avec du CdS des longueurs d’onde plus elevees, ondevrait avoir des particules de plus grande taille. Ces resultats sont corro-bores par le site du constructeur des Quantum Dots, Aldrich, qui donne untableau detaille des proprietes fluorescentes de ses nanoparticules de CdS etde CdSe [voir annexe].

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Chapitre 5

Conclusion

S’il est essentiellement descriptif, ce travail nous a offert la possibilited’apprehender un theme a la pointe du monde de la recherche. La multidis-ciplinarite de cette nouvelle branche des sciences nous a permis d’aborderdes notions plus avancees de chimie, physique et biologie. Bien que le sujetde notre travail semble restreint, la multitude des applications envisageablessuscite l’enthousiasme. En effet, les utilisations biomedicales de cette tech-nologie nouvelle sont prometteuses et peut-etre un jour deviendront-ellesun outil incontournable pour la medecine. Guerir des tumeurs et sauverles gens du cancer semble evidemment tres seduisant, mais seul l’avenirnous dira si ces particules sont reellement efficaces et surtout, sans dangerpour l’homme. Il faut garder a l’esprit que ces nanocristaux pourraient sereveler toxiques. Des organismes de controle ont ete crees pour enqueter surles risques eventuels lies a l’utilisation de ces substances sur l’homme. Lesnanotechnologies beneficient donc de recherches poussees consacrees a unepossible non-adequation de ces applications medicales. Cela est un elementcle pour l’avenir de ce secteur.

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Bibliographie

[1] BROKMANN X.(ENS), HERMIER J.-P.(JUSSIEU), DESBIOLLESP.(ENS), DAHAN M.(ENS), Des nanosources de lumiere pour l’optiqueet la biologie in IMAGES DE LA PHYSIQUE 2005 (CNRS) ; p. 1,2,7,2005.

[2] WAUTELET M. et coll., Les Nanotechnologies ; deuxieme edition ; Col-lection DUNOD, 2006.

[3] WAUTELET M., Nanotechnologies, Mega defis : fascicule de l’exposi-tion, Avril 2007.

[4] BERCIAUD S., These presentee a l’universite Bordeaux 1, ecole docto-rale des sciences physiques et de l’ingenieur, Detection photothermiqueet spectroscopie d’absorption de nano-objets individuels : nanoparti-cules metalliques, nanocristaux semiconducteurs et nanotubes de car-bone, Decembre 2006.

[5] GERARD J.-M., Texte de la 586 eme conference de l’Universite de tousles savoirs, Juillet 2005.

[6] HOUDY P., LAMHANI M., BRECHNIGNAC C., Les nanosciences : 2.Nanomateriaux et nanochimie ; Collection ECHELLES, BELIN ; p.606-607, Juin 2006.

[7] Wikipedia, fr.wikipedia.org/wiki/Photoblanchiment, Avril 2007.

[8] WANG Y., TANG Z.,KOTOV N. A., Bioapplications of semiconductorsin NANOTODAY ; p. 1-4 ; traduction, Mai 2005.

[9] Wikipedia, fr.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometre Mai 2007.

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Annexe

Fig. 5.1 – Donnees Aldrich

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