La section précédente revisitait les étapes de synthèse afin de montrer le processus ité- ratif ayant mené à l’obtention des nanoparticules finales. Cette section présentera les caractéristiques physiques des particules assemblées, ainsi que des propriétés de fluo- rescence des particules sans l’influence de la coquille d’or, afin de présenter le système ayant servi à l’étude des échanges énergétique entre la coquille d’or et les fluorophores présentée dans le chapitre final.
Notation d’échantillons
De par le grand nombre de structures, une notation uniformisée a été employée tout au long des chapitres comme présenté à la figure 3.1. La convention veut que ces nanocoquilles d’or se nomment par les différentes couches en partant de l’intérieur : Cœur@coquille@coquille. Dans le texte, les différentes couches seront nommées selon leur constitution :
— "S" pour la silice non dopée — "F" pour la silice dopée de FITC — "R" pour la silice dopée de RBITC
— "Au" pour la coquille d’or
Par exemple, la structure "F@Au@R" est composée d’un cœur de silice dopé de FITC avec une coquille d’or et une coquille extérieure de silice dopée de RBITC. De plus, dans les histogrammes, le symbole "@" et le "u" de "Au" seront enlevés pour faciliter la lecture des axes (FAR vs F@Au@R).
Particules non agglomérées
Les dimensions typiques des nanoparticules finales utilisées dans le cadre des analyses de fluorescence sont présentées dans le tableau 4.1. Pour les particules uniques, les cœurs ont un diamètre de 102 ± 12 nm, une coquille d’or de 13 ± 2 nm et une couche de silice externe de 16 ± 2 nm. Comme il a été discuté à la section 4.3.3, le plasmon de ces nanocoquilles est assez large et possède un mode centré vers 620 nm et un autre vers 800 nm. Selon le spectre théorique calculé à partir de la théorie de Mie†, ces particules
devraient avoir une structure plus fine centrée davantage vers 600 nm et 740 nm (voir fig : 4.13). La forme évasée du plasmon est principalement causée par la distribution polydisperse des composantes (cœur et coquille d’or), de l’aspect rugueux de la coquille métallique et de la présence des dimères. Par exemple, la figure 4.13 montre comment un changement du diamètre des cœurs (102 à 107 nm) déplace le maximum du plasmon de 740 vers 760 nm. En additionnant chacun de ces effets, le plasmon des particules en solution s’élargit rapidement. Étant donné que les spectres pris en spectroscopie d’absorption UV-Vis sont faits en solution, cette polydispersité dans la population des particules cause la perte de structures fines comme le pic du mode quadripolaire situé à 620 nm.
Type de structure Diamètre total (nm) Épaisseur (nm) n*
SiO2 102 ± 12 - 2121
SiO2@Au 129 ± 8 13 ± 2 40
SiO2@Au@SiO2 160 ± 9 16 ± 2 40
Table 4.1 – Résumé des dimensions typiques des structures étu- diées (∗n : Taille d’échantillonage)
Dans ce projet, des structures SiO2@Au@SiO2 ont été synthétisées en plusieurs va-
riantes selon le type de fluorophore et selon que ce dernier se retrouve dans le cœur ou dans la coquille externe. L’objectif principal de ce projet est d’étudier le transfert et †. Spectres calculés avec l’application en ligne de NanoComposix(16) : Cœur de 102 nm en silice, coquille d’or de 13 nm et indice de réfraction de 1,36 pour le solvant (EtOH)
Figure 4.13 – Spectres d’extinction expérimental et théorique de nanocoquilles d’or sans la couche extérieure de silice
la dissipation de l’énergie dans le plasmon d’une nanocoquille à l’aide de sondes fluo- rescentes disposées en différentes configurations. Pour ce faire, tous les échantillons de nanocoquilles doivent montrer des propriétés d’extinctions équivalentes afin de pouvoir comparer les effets du plasmon sur les propriétés des fluorophores. La figure4.14montre la superposition des spectres d’extinction de tous les échantillons de nanocoquilles d’or. Comme les propriétés plasmoniques des nanocoquilles sont fortement dépendantes des facteurs de forme, le bon recouvrement des courbes démontre que les caractéristiques physiques des particules sont équivalentes. L’ajout de la coquille de silice externe ne change pratiquement pas les propriétés plasmoniques telles que présentées à la figure
Figure 4.14 – Spectres d’extinction des nanocoquilles d’or finales synthétisées avec les différents cœurs dopés de fluorophores.
Afin de mieux comprendre les modes de plasmon visibles sur les spectres d’extinction des particules à la figure4.13, le champ électrique de la particule a été simulé par FDTD. À l’aide du logiciel de Lumérical FDTD Solutions(22), une nanostructure composée d’un
cœur de silice de 100 nm de diamètre avec une coquille d’or de 13 nm et une couche de silice externe de 15 nm a été simulée. La figure 4.15 montre les cartes du champ électrique (|E|2) autour de la particule pour des longueurs d’onde d’excitation à 620
nm et 805 nm et un faisceau gaussien. Dans le cas du mode principal vers 800 nm, un plus fort champ électrique est perçu autour de la particule. À l’intérieur, il y a un champ électrique très uniforme, mais assez faible. Le mode quadripôle présent à 620 nm montre un champ électrique confiné en quatre lobes autour de la surface externe. De plus, ce mode semble s’étendre à l’intérieur du cœur ce qui est favorable pour les interactions avec les molécules fluorescentes placées à l’intérieur de la structure. Ce mode est particulièrement d’intérêt, car les fluorophores choisis pour cette étude ont des spectres d’excitation-émission plus proches en énergie de ce mode que de celui situé à 805 nm. Cet aspect du recouvrement spectral sera plus amplement discuté dans la section 5.1.
(a) Champ électrique |E|2 (log10) d’une nanocoquille d’or sous l’influence d’une source polarisée à 620 nm.
(b) Champ électrique |E|2 (log10) d’une nanocoquille d’or sous l’influence d’une source polarisée à 805 nm.
Figure 4.15 – Champs électrique calculés par FDTD pour des nanocoquilles d’or de 100@13@15 nm selon la longueur d’onde des modes quadrupolaire a) et dipolaire b)
Dimères de particules
Au cours du projet, nous avons remarqué l’apparition de dimère de particules dans les synthèses. Or, les particules en solution déposées sur les grilles MET ont tendance à s’agglomérer en séchant, ce qui a pour effet de former des assemblages de nanoparticules post-synthèse. Par exemple, à la figure4.18aen page132, les particules pourraient s’être assemblées de la sorte lors de l’évaporation du solvant. De ce fait, l’observation directe des dimères par MET à l’étape de la croissance de la couche de silice externe n’est pas évidente.
La forte présence de dimères en solution a été confirmée par les analyses de distri- bution de taille de l’appareil NS300 de Malvern Panalytical. En voulant quantifier la concentration de nanoparticules en solution afin de normaliser celle-ci en fonction des résultats de fluorescence, nous nous sommes aperçus que les données de distribution de taille entre chacune des étapes de synthèse ne concordaient pas avec les tailles relevées au MET pour des structures simples. Par exemple, à la figure 4.16, l’échantillon de cœurs (S) avant la fonctionnalisation de la surface par l’APTS présente un pic fin dont le maximum se situe à 104 nm et concorde avec le diamètre moyen observé au MET. Cependant, lorsque la couche d’APTS est déposée (S-APTS), la distribution devient large et le diamètre maximal augmente à 130 nm. Cette augmentation ne correspond pas à celle (+3 nm) observée au MET. La même tendance est observée lors du dépôt
de la coquille d’or et de la couche de silice externe (voir fig : 4.16).
En observant de plus près les cœurs avant et après la déposition de l’APTS (voir fig : 4.17a et 4.17b), il est possible de voir que les particules se sont jointes lors de la formation de la couche d’APTS. Les dimères sont encore plus visibles après la déposition des germes d’or (voir fig : 4.17c). Le contraste des germes d’or au MET permet de voir que, dans le cas des dimères, il n’y a pas de germes entre les cœurs de silice. De plus, il est probable qu’une trop forte concentration d’APTS ait été utilisée lors de la synthèse. Les solutions de cœurs sont très concentrées lors de cette étape, ce qui a pour effet d’augmenter le risque de créer des particules jointes.
Figure 4.16 – Distribution de taille des nanocoquilles après chacune des étapes de synthèse par analyses de suivi de nanoparticules (NTA) en solution.
(a)Cœurs de silice (S) (b) Cœurs de silice avec APTS (S-APTS)
(c)Cœurs de silice avec germes (S-germes)
Figure 4.17 – Images MET des cœurs de silice après les trois premières étapes de synthèse
Selon les images MET (fig 4.18c), une nanoparticule simple a en moyenne 160 nm de diamètre après toutes les étapes de synthèses, alors que le diamètre d’un dimère dans l’axe long peut atteindre près de 250 nm. À l’aide de la microscopie METB, il a été possible de voir que les dimères se retrouvent sous deux formes (fig 4.18b). Dans un premier cas, deux cœurs de silice peuvent avoir partiellement fusionné. De ce fait, il n’y aura pas de coquille d’or entre les deux entités. Dans l’autre cas, les particules ont fusionné lors de l’étape de la synthèse de la coquille d’or. Dans tous les cas, la coquille de silice supérieure ne se retrouve jamais entre deux entités dans un dimère.
(a) MET (b) METB
(c) MET
Figure 4.18 – Images des nanocoquilles d’or avant la déposition de la dernière coquille de silice en MET (a) et en METB (b) et des nanocoquilles d’or complètes avec coquille de silice en MET (c)
Les différentes synthèses de nanoparticules réalisées dans ce projet n’avaient jamais donné de dimères comme composante majoritaire dans les échantillons. Dans les faits, lorsque la partie du projet portant sur la synthèse était rendue à maturité, des pro- blèmes de synthèse ont été rencontrés en lien avec la dispersion en taille des cœurs. Sommairement, les synthèses comportaient toujours deux populations de tailles. En se procurant des réactifs frais, des cœurs de silice avec une distribution de taille rai- sonnable ont été obtenus, mais elles avaient un diamètre un peu plus faible que ceux obtenus auparavant. Étant donné les difficultés rencontrées précédemment en lien avec la synthèse, le diamètre de ces échantillons a été rectifié grâce à la recroissance des cœurs de silice, comme décrit à la section synthèse 3.5.2. La concentration des cœurs a été ajustée afin de pouvoir utiliser les paramètres optimaux déduits des optimisations du système faites antérieurement. Par la suite, ces cœurs ont tous été fonctionnalisés avec l’APTS. Les autres étapes de synthèse ont été enchaînées en caractérisant la taille au MET après chacune d’elles. Lors qu’est venu le temps de déposer la couche de silice
extérieure, nous avons observé que la silice entourait les dimères. À partir de ce point, plusieurs tentatives ont été faites afin de séparer les dimères, croyant qu’ils se formaient à l’étape de la croissance de la coquille d’or. En raison de l’avancement du projet, nous avons choisi de ne pas reprendre la synthèse totale des nanocoquilles.
Afin de voir si les dimères ont des caractéristiques spectrales différentes des particules uniques, les spectres d’extinction de deux types de dimères ont été simulés en FDTD. Il est à noter que les spectres présentés à la figure 4.19 sont des simulations et non des calculs de la solution de Mie. Les images METB, comme celle présentée à la figure
4.18b, ont révélé ces deux types de dimères. Certains se sont formés à l’étape de fonc- tionnalisation du cœur avec l’APTS et sont soudés par les cœurs de silice. Dans l’autre cas, les particules sont soudées par la coquille d’or et se sont formées à la croissance de celle-ci. Ce sont ces deux cas ainsi que la nanocoquille unique qui sont présentés à la figure 4.19. La formation de dimères, dans les deux cas, va entraîner l’apparition d’un mode plasmonique supplémentaire se déplaçant vers les hautes longueurs d’onde. Le mode supplémentaire est visible presque exclusivement dans les courbes associées à la diffusion de la particule. Ainsi, grâce à ces données de simulation, il est plus facile de voir l’influence qu’aura une population de dimères au sein des échantillons par rapport à l’élargissement des spectres d’extinction. Dans le cadre de cette thèse, l’étude des pro- priétés spectroscopiques des dimères n’était pas une priorité. D’après les simulations FDTD, les dimères ont des propriétés spectroscopiques similaires aux nanoparticules uniques dans la plage de longueurs d’onde de 450 à 600 nm, où se situe la plage spec- trale des fluorophores étudiés. De par ces observations, les analyses de la fluorescence sont présentées en relation avec des sphères uniques, mais les tendances tirées peuvent aussi bien s’appliquer aux dimères.
(a) Nanocoquille unique (b) Dimère séparé par la coquille d’or
(c) Dimère soudé par les cœurs de silice
Figure 4.19 – Spectres d’extinction, de diffusion et d’absorption théorique de différents types de nanocoquilles retrouvées dans la synthèse