Le contrôle de la lumière à l'échelle nanométrique est une question fondamentale pour les nanosciences appliquées aux enjeux relatifs à la santé et à la conversion d’énergie.
L’échelle nanométrique des nano-clusters aux nano-cristaux (métalliques ou même semi-conducteurs) confère des propriétés optiques, chimiques et électroniques uniques aux nanoparticules individuelles (Figure 1). De plus, la possibilité d’incorporer des fonctions biologiques sur ces nanoparticules ouvre de nombreuses perspectives d’applications dans les domaines de la bio-imagerie et les biocapteurs.
Figure 1 : L’or à l’échelle nano, une réponse optique dépendant de la taille des nanocristaux : Solution rouge colloïdale de Faraday contenant des nanoparticules d’or « Extrait L’actualité chimique » nov 2009 n° 335. Solution de nanoclusters d’or luminescents (sous irradiation vers 400 nm, fluorescence orange) et image correspondante de microscopie électronique (extrait du laboratoire ISCR).
Figure 2 : Nano-cristaux semi-conducteurs (‘Quantum dots’) pour :
a) le bio-marquage rouge et vert de deux récepteurs cellulaires (extrait de Roullier V. et al, NanoLetters 2009),
b) Schéma d’un nanocristal CdSe/ZnS, fluorescence de QD de 1 à 6 nm de diamètre, et image correspondante de microscopie électronique (extrait du labo).
Les propriétés optiques individuelles des nanoparticules les rendent très attractives pour le bio-marquage(Figure 2) le suivi des médicaments in vivo, le diagnostic et le théranostic (‘monitoring’). Les propriétés optiques; des nanoparticules d’or des nano-clusters AuNCs de très petite taille (<2 nm) et leur très faible toxicité offrent une solution élégante au besoin de diagnostics simples et sensibles pour la détection précoce de pathologies grâce à la forte densité électronique de l’or et leurs propriétés électroniques exceptionnelles analogues à celles d’une molécule. Nous travaillons à l’identification et la quantification de nouveaux marqueurs permettant la détection précoce de maladies (cancer, infection virales) dans les fluides biologiques. Enfin les propriétés photochimiques des nanostructures luminescentes permettent de les utiliser comme agent thérapeutique en photo-dynamique. Les propriétés optiques et l'activité catalytique des nano-clusters d’or par exemple permet de développer une plate-forme de nano-drogues multifonctionnelles polyvalentes et modulaires.
Lorsque ces nanoparticules forment un ensemble d’architecture stable et bien définie spatialement, le couplage optique entre elles génère une réponse optique nouvelle modulable suivant leur organisation. Les nanoparticules cristallines, briques élémentaires, que l’on peut combiner entre elles grâce à leur interface fonctionnelle très riche. La fonctionnalisation de leur interface permet de diriger leur assemblage en contrôlant les forces entre particules pour obtenir des superstructures assemblées. L'interdistance et l’organisation spatiale des nanoparticules au sein ces assemblages sont cruciales pour contrôler leur couplage optique et faire émerger de nouvelles propriétés collectives à l’échelle mésoscopique. La distance et l’organisation 3D des nanoparticules agit directement sur le couplage optique au sein de cristaux 3D de ‘quantum dots’ ou ‘rods’ (Bizien T. et al Small 2014 ; Henry E., Dif A. et al, Figure 3).
Figure 3 : a) Auto-assemblages cristallisés de nanobâtonnets semi-conducteurs (extrait de Bizien T. et al Small 2014) b) Assemblages de nanoparticules dirigés par une paire de protéines artificielles complémentaires (Coll E. Dujardin, CEMES, P. Minard, Université de Paris Orsay) de type hybride métallique (or)/semi-conducteur Au NP/QD (extrait de Fernandez M. et al Nanoscale 2020).
Les biomolécules telles que l’ADN, les peptides ou les protéines sont d’excellents connecteurs moléculaires pour construire des superstructures variées à l’échelle mésoscopique. Les nanoparticules sont fonctionalisées en surface par les biomolécules capables de s’associer fortement entre elles et de façon très spécifique par formation de complexes biomoléculaires (protéines ou double brins d’ADN) de taille très bien définie. Nous avons démontré le couplage optique (exciton/plasmon) entre quantum dots et/ou nanoparticules d’or dirigé par la reconnaissance spécifique entre protéines (Figure 3 et Gurunatha K.L. et al ACS Nano 2016).
Contacts : Valérie Marchi et Pascale Even-Hernandez
