Chapitre 3 – Matériel et méthodes
3.4. Caractérisation des nanoparticules d’or et de métaux du groupe du platine
3.4.1. Microscopie électronique à transmission (MET)
La microscopie électronique à transmission (MET) permet de visualiser les NPs métalliques pour mesurer directement leur taille et connaître leur morphologie. Les NPs doivent d'abord être diluées d'un facteur 10 (0,1 mM d'or) dans l'eau nanopure. Sans cette étape, elles sont trop concen- trées et difficiles à discerner sur les images. La solution diluée est ensuite séchée sur une mince grille de cuivre pendant 24 h, à l'abri des poussières qui pourraient s'y déposer. La grille est insérée au bas de la colonne du microscope électronique, qui consiste en une série de condensateurs, de lentilles électromagnétiques et de diaphragmes surmontés d'un filament, typiquement en hexaborure de lanthane. La colonne est mise sous vide, et un courant induit dans le filament permet de libérer des électrons qui seront accélérés verticalement et focalisés sur l'échantillon. Les électrons qui n'interagiront pas ou très peu avec l'échantillon seront détectés par un écran fluorescent ou une ca- méra CCD, et formeront l'image. Des taches sombres se formeront où les électrons sont absorbés ou diffusés par l'échantillon: c'est pour cette raison que les NPs apparaissent noires sur les images de MET. Tel qu’expliqué à la section 2.1, le haut numéro atomique de l'or cause une forte absorption des électrons par cet élément, ce qui explique qu’une NP d'or apparait beaucoup plus foncée que la couche de dextran ayant une épaisseur de même dimension. Deux microscopes ont été utilisés dans ce projet, chacun ayant un faisceau d'électrons d'énergie différente. Les NPs d'or ont été imagées par des électrons à 120 keV, et les NPs issues des solutions binaires d'or et de MGP ont été imagées à 200 keV, ce qui donnait une meilleure résolution (en-dessous du nanomètre). Finalement, les distri- butions de taille des NPs sont tracées à partir des images numériques de MET, selon la procédure décrite à l’annexe 1.
3.4.2. Analyse de taille par diffusion de la lumière en mode dynamique (DLS)
La diffusion de la lumière en mode dynamique (dynamic light scattering ou DLS en an- glais) permet de mesurer le diamètre hydrodynamique de NPs en suspension dans un liquide. Le diamètre hydrodynamique inclut la sphère d’hydratation de la NP, dont la taille dépend du stabili- sant à sa surface. Le diamètre mesuré en DLS est donc légèrement plus grand que celui mesuré en MET. Une cuvette en plastique contenant 70 µL de suspension de NPs est d’abord placée dans l’appareil. Un faisceau laser est émis vers la suspension, qui diffuse la lumière. Un détecteur placé à 173° par rapport au faisceau incident détecte une partie de cette lumière diffusée. Le mouvement brownien des NPs, qui est plus rapide pour les plus petites particules, cause des fluctuations rapides de la lumière diffusée vers le détecteur. Un algorithme permet d’évaluer la taille des NPs à partir de
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la vitesse de ces fluctuations. L’indice de réfraction de la suspension, son coefficient d’absorption, la viscosité du solvant et la température sont tous des paramètres qui affectent la mesure et qui doi- vent être connus pour que les mesures soient valides. Puisque le mouvement brownien est par défi- nition une grandeur statistique, une série de 56 mesures était effectuée pour chaque suspension ana- lysée.
L’appareil de DLS utilisé (Zetasizer Nano S) présente les résultats sous forme de trois dis- tributions de taille, pondérée selon chacune des 3 valeurs suivantes: l’intensité de la lumière diffu- sée, le volume des NPs et leur nombre. Selon le modèle de diffusion de Rayleigh, l’intensité de lumière diffusée est proportionnelle au diamètre à la puissance 6 (d6). Le volume est proportionnel
au cube du diamètre (d³). Par exemple, pour une suspension dont la moitié des NPs a un diamètre de 5 nm et l’autre moitié de 50 nm, les distributions de taille ressembleront donc à celles sur la Figure 3.9. Même en faible concentration, de grosses particules seront responsables de la quasi-totalité de la lumière diffusée sur le détecteur, limitant la détection des petites NPs.
Figure 3.9. Distributions de tailles en DLS d’une suspension fictive répartie également entre des
NPs de 5 et de 50 nm. De gauche à droite, les pondérations sont faites en nombre, en volume et en intensité.
3.4.3. Spectroscopie ultraviolet-visible (UV-vis)
Les principes théoriques de la spectroscopie UV-visible ont été présentés en détail à la sec- tion 2.6. Après le traitement plasma, 1 mL de solution de NPs était transféré dans une cellule de quartz et introduit dans le spectromètre. Pour mesurer le pic d'absorbance des NPs d'or, aucune dilu- tion n'était nécessaire. Pour mesurer le pic d'absorbance des ions dans l'UV, il fallait diluer la solu- tion dans l'eau nanopure d'un facteur 10 pour éviter la saturation du signal, vu la très forte absor- bance (> 2) à ces longueurs d'onde. Le spectromètre était d'abord balancé avec de l'eau nanopure. Les mesures produites après cette étape de balance étaient donc des mesures de l'absorbance relative
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des suspensions de NPs par rapport à l'eau. Une mesure d'absorbance était faite entre 200 et 800 nm avec une résolution de 0,2 nm.
3.4.4. Analyse dispersive en énergie des rayons-X (EDX)
L’analyse dispersive en énergie des rayons-X (energy-dispersive X-ray spectroscopy, ou EDX en anglais) consiste à focaliser un faisceau de rayons-X sur le matériau à analyser. Les rayons- X éjectent d’abord des électrons des couches électroniques internes. Le trou créé est rapidement comblé par un électron des orbitales externes, ce qui émet un rayon-X d’énergie correspondant à la différence entre les deux niveaux. Puisque l’énergie de ces rayons-X est caractéristique de l’élément analysé, le spectre d’émission permet l’analyse élémentaire du matériau. L’appareil EDX utilisé dans ce projet était installé sur un microscope électronique à transmission à haute résolution et a permis de vérifier la composition chimique des NPs produites à partir d’une solution de deux mé- taux (section 6.2). Un collimateur permettait de détecter exclusivement les rayons-X provenant de la zone visualisée. En comparant les spectres EDX au centre et sur la périphérie d’une NP de 50 nm, il est donc possible de vérifier si la structure est de type cœur-coquille (cœur métallique recouvert d’une couche d’un métal différent) ou composée d’un seul élément.
3.4.5. Analyse élémentaire par spectroscopie d’émission atomique (AES)
Pour faire une analyse élémentaire des NPs produites par plasma, celles-ci étaient d’abord séparées des ions non réduits par centrifugation. La loi de Stokes présentée à l’annexe 2 explique en détails l’effet de la centrifugation sur la purification et la séparation des NPs en suspension. Les détails expérimentaux (force et durée de centrifugation, filtres utilisés, etc.) sont présentés aux sec- tions 5.6 et 6.1 du mémoire, respectivement pour les NPs d’or et pour les NPs de métaux du groupe du platine.
L’objectif de l’analyse élémentaire est de mesurer la concentration en métal de la solution n’ayant pas sédimenté pendant la centrifugation. En connaissant la concentration initiale des précur- seurs (1 mM), on peut déduire la fraction du métal dans les NPs sédimentées. Pour être détectés en spectroscopie par émission atomique (AES), les métaux doivent être sous leur forme ionique. Or, les résultats du chapitre 5 montrent que les ions libres peuvent être réduits par effet de mûrissement, même après avoir été séparés des NPs. Pour éviter ce phénomène, les ions résiduels étaient digérés dans l’eau régale (3 HCl + HNO3). Le protocole de digestion est présenté à l’annexe 3.
L’appareil d’AES utilisé (Agilent 4100) génère une flamme de plasma d’azote excitée ma- gnétiquement par micro-ondes. La solution d’ions métalliques digérée est vaporisée dans la flamme,
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dont la température d’environ 5000 K permet de briser les liaisons chimiques pour transformer les composés ioniques en atomes. Ces atomes sont excités vers des états électroniques plus énergé- tiques, et leur retour à l’état fondamental s’accompagne d’une émission de lumière caractéristique de l’élément. Un spectromètre détecte cette lumière, et l’intensité du pic d’émission peut être asso- ciée à une concentration élémentaire à partir de courbes de calibration. L’ICP-MS (inductively
coupled plasma – mass spectrometry) est une technique alternative donnant la même information.
3.4.6. Diffraction des rayons-X (DRX)
L’analyse par DRX consiste à irradier un échantillon cristallin par un faisceau de rayons-X. Les plans cristallographiques de l’échantillon agissent comme des rangées ordonnées de diffuseurs du rayonnement incident. Puisque la longueur d’onde des rayons-X (λ) est du même ordre de gran- deur que la distance entre deux plans (d), certains angles d’incidence (θ) du faisceau causent une interférence constructive, alors que d’autres angles causent une interférence destructive. Les angles d’incidence causant un pic de diffraction (interférence constructive) peuvent être connus directe- ment par la loi de Bragg, dans laquelle n est un nombre entier:
2 sin (3.1)
Figure 3.10. Schématisation de la DRX, montrant la dépendance en d, θ et λ sur le patron de dif-
fraction mesuré. Source: [105]
La caractérisation par DRX se fait en variant l’angle θ. L’analyse des pics de diffraction ap- porte de l’information sur l’organisation cristallographique d’un échantillon. La seule analyse DRX faite dans ce projet a servi à vérifier que les NPs d’or produites par plasma ont la même structure cristalline que celles produites par réduction chimique traditionnelle. 5 gouttes de 50 µL de solution de NPs d’or étaient successivement déposées et séchées sur une plaque de verre pour former une couche dense et uniforme de NPs. L’analyse réflective de la couche séchée s’est faite avec l’appareil D5000 de Siemens, à une longueur d’onde de 1,54 Å et une résolution de 0,02°.
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3.4.7. Tomographie par émission monophotonique (TEMP)
La tomographie par émission monophotonique (TEMP, ou SPECT en anglais) est une mé- thode d'imagerie nucléaire qui permet de reconstruire un volume 3D de matériau radioactif émetteur de particules gamma, à partir d'une caméra en rotation autour du matériau. Cette caméra consiste en un plan scintillant (détecteur) couplé à une série de photomultiplicateurs. Chaque particule gamma incidente sur le détecteur est comptée et contribue à former une image 2D. L'acquisition d'une série de plans 2D autour du matériau permet de reconstruire le volume radioactif en 3D. Dans le cadre de ce projet, les suspensions de NPs d'or radioactives purifiées étaient placées sur la table de traitement du système de TEMP. Celui-ci détectait les émissions gamma sur toute la plage d'énergie émise par l'isotope 198Au (412 à 1088 keV) pendant une durée de 30 minutes. L'analyse d'intensité des images
produites a permis de comparer la concentration en 198Au des différentes solutions.
3.4.8. Sommaire des techniques de caractérisation
Le Tableau 3.2 résume l’objectif visé par chacune des sept techniques d’analyse post- synthèse. Les types de NPs visés par chaque technique sont aussi précisés. Le chapitre 5 du mé- moire présente les résultats de caractérisation des deux premiers types (NPs d’or et NPs d’or 198Au
radioactives), et le chapitre 6 se concentre sur les deux autres types (NPs de métaux du groupe du platine, et NPs préparées à partir de solutions binaires d’or et de métaux du groupe du platine).
Tableau 3.2. Sommaire des techniques de caractérisation des nanoparticules utilisées dans ce projet
de maîtrise.
Technique Abbrévi-ation Mesure obtenue
Type de nanoparticules Au 198Au MGP MGP + Au Microscopie électronique à transmission MET Distribution de tailles, morphologie X X X
Analyse de tailles par dif- fusion de la lumière en mode dynamique DLS Distribution de tailles X X X X Spectroscopie ultraviolet- visible UV-vis Approximation de la taille moyenne et de la concentration X X X Analyse dispersive en
énergie des rayons-X EDX Composition chimique X
Analyse élémentaire par spectroscopie d’émission
atomique
AES Concentration élémen-
taire X X X
Diffraction des rayons-X DRX Structure cristalline X Tomographie par émission
monophotonique TEMP
Concentration en
70