Conclusion et Perspectives
La capacité de réaliser des nanostructures dont les formes sont contrôlées avec une résolution de quelques nanomètres ouvre des perspectives prometteuses pour la nanophotonique et la biophotonique. Des avancées récentes permettent de confiner et d’exalter le champ lumineux, et donnent accès à un contrôle de l’environnement électromagnétique d’une molécule individuelle. Ces nouvelles possibilités apportent des améliorations essentielles dans la détection de fluorescence, et ouvrent des perspectives d’applications innovantes en biochimie analytique à l’échelle d’une molécule individuelle.
L’emploi de nanoantennes plasmoniques optimisées ouvre la perspective de performances nettement améliorées. Des renforcement de l’ordre de la centaine et des volumes réduits de plus de trois ordres de grandeurs sous la limite de diffraction sont à portée en exploitant judicieusement les résonances plasmoniques à la surface de nanoparticules métalliques. Enfin, ces différentes structures peuvent être combinées en sortie de fibre optique pour former un dispositif portable pour l’analyse de molécules individuelles, et permettre l’endoscopie de fluorescence in situ avec une excellente sensibilité.
Les moyens technologiques actuels permettent une ingénierie de structures nanométriques interagissant fortement avec les champs optiques. Micro et nano-cavités, nano-antennes, guides et résonateurs plasmoniques ne supportant pas de coupure sont des objets capables de confiner les champs optiques sur des échelles bien inférieures à la longueur d’onde. Il est passionnant d’explorer comment ces résonances localisées peuvent être utilisées pour exalter les interactions molécule/lumière et ainsi réaliser une spectroscopie moléculaire à l’échelle de quelques molécules. Les applications concernent alors l’ultra-résolution optique mais également les bio-puces à forte intégration spatiale. Est également concerné le développement de sondes plasmoniques (nanoparticules) dont l’interaction lumière matière serait optimisée.
Le couplage entre structure plasmonique est, nous le savons, une des clefs pour optimiser les résonances électromagnétiques ; comment adresser de manière optimale de telles structures reste un champ à explorer. Il est aussi spectaculaire de constater que les multiples degrés de liberté du champ électromagnétique dans les structures plasmoniques complexes permettent un adressage spatial, contrôlable à une échelle sub-longueur d’onde, de la lumière par adaptation du profil spatio-temporel des champs incidents.
Conclusion et perspectives
Projets financés
Ces projets s’inscrivent dans la prolongation thématique de mes recherches (nanoantennes plasmoniques, fluorescence moléculaire), mais les structures sondées et les techniques de mesures seront complètement originales, et en rupture avec les études passées (nanotrous, microsphères). De plus, un élargissement vers d’autres contrastes (diffusion Raman stimulé, optique non-linéaire) est en cours.
ERC Starting Grant « ExtendFRET »
Titre long : Extended fluorescence resonance energy transfer with plasmonic nanocircuits Projet : exaltation du processus de transfert dipole-dipole dans des nanocircuits plasmoniques Durée : 5 ans du 01/01/2012 au 31/12/2016
Rôle : principal investigateur
FP7 STREP ICP « NanoVISTA »
Titre long : Advanced photonic antenna tools for biosensing and cellular nanoimaging
Projet : développement de nanoantennes photoniques pour la détection exaltée de biomolécules et l’imagerie à haute résolution de membranes cellulaires
Durée : 4 ans du 01/11/2011 au 31/10/2015
Rôle : responsable du workpackage sur l’exaltation de fluorescence par des nanoantennes
ANR Blanc « TWINS »
Titre long : ToWards hybrid architectures for BrIght and directional NanoantennaS
Projet : développement de nanosources de photons uniques avec des nanoantennes plasmoniques auto-assemblées
Durée : 3 ans du 01/10/2011 au 30/09/2014
Conclusion et perspectives
Nanoantennes plasmoniques et fluorescence moléculaire
La capacité de détecter efficacement une molécule individuelle est un enjeu majeur des nanotechnologies, avec des implications pour l’analyse chimique et biophysique. Cependant, deux défis majeurs limitent actuellement l’usage de méthodes de détection de molécules individuelles par fluorescence : (i) une limitation des concentrations utiles au domaine nanomolaire, et (ii) des niveaux de signaux par molécule généralement très faibles.
L’objectif principal de ce projet est d’étendre le domaine d’application des techniques de détection de molécules uniques par fluorescence, et de dépasser les limites imposées par le phénomène de diffraction. Les objectifs spécifiques sont (i) obtenir un volume d’analyse inférieur à 0,1 attolitre, et (ii) réaliser une exaltation du signal de fluorescence d’une molécule individuelle d’un facteur supérieur à 100.
Des nanoantennes plasmoniques (nanofils et assemblages de nanoparticules) seront utilisés pour exalter localement l’interaction lumière-émetteur moléculaire. L’utilisation de ces nanoantennes implique de repenser les méthodes d’analyse du signal de fluorescence. Ce projet met en œuvre quatre techniques innovantes : (i) une excitation délocalisée de la fluorescence, (ii) l’utilisation d’un désactivateur chimique (quencher) pour contrôler le rendement quantique de l’émetteur, (iii) une modulation de polarisation pour extraire le signal utile du bruit, et (iv) l’émission de fluorescence stimulée. L’optimisation de ces techniques et leur utilisation conjointe permettra une extension significative de l’utilisation des nanoantennes plasmoniques pour des applications biophotoniques. Ce projet aura des applications directes:
o Nanofabrication, pour la réalisation de nanoantennes par des méthodes de synthèse par chimie douce (auto-assemblage),
o Nanophotonique, pour caractiser en profondeur l’interaction lumière-nanoantenne-molécule,
o Chimie analytique, pour améliorer la détection de molécules individuelles en solution (mesures de cinétiques rapides à forte concentration et détection d’espèces de faible rendement quantique),
o Biophysique, pour étudier l’organisation fine des membranes cellulaires.
Photodynamique de saturation de fluorescence : ultramicroscopie et nanoantennes
La détection rapide et spécifique de biomolécules est un enjeu majeur, où la nanophotonique permet des gains notables. Une question essentielle est de distinguer le signal du bruit de fond. Pour
Conclusion et perspectives
dépasser les limites de l’état de l’art, le projet proposé ici combine des avancées récentes dans les domaines de l’ultramicroscopie optique et des nanoantennes plasmoniques. Une microscopie optique ultra-résolue sera développée en exploitant la saturation de fluorescence. Ce système particulièrement robuste servira à sonder des nanostructures photoniques, pour améliorer la sensibilité de détection de molécules fluorescentes dans un environnement fortement concentré. La première partie de projet vise à modifier le montage de microscopie optique existant pour ajouter une modulation d’intensité et une détection synchrone. Les gains en résolution optique sous la limite de diffraction seront caractérisés. La seconde partie du projet porte sur la réalisation de nano-antennes plasmoniques dans un film d’or pour extraire le signal exalté d’une molécule individuelle dans un environnement de forte concentration. En combinant la localisation lumineuse induite par la nanoantenne avec l’analyse dynamique par la détection synchrone, le signal a bruit est augmenté. On peut ainsi bénéficier pleinement des exaltations électromagnétiques pour détecter l’activité de molécules individuelles dans un environnement fortement concentré, et permettre de suivre des cinétiques de réactions qui ne se déclenchent qu’au delà de concentration typiquement micromolaires.
Polymères thermosensibles, et nanoantennes plasmoniques
Le développement de plate-forme structurées à l’échelle nano- ou micrométrique de type biopuce suscite un intérêt grandissant depuis quelques années pour des applications dans le domaine de la culture cellulaire, de l’ingénierie tissulaire, ou de l’étude des interactions récepteurs-ligands biologiques. Bien que des progrès considérables aient été réalisés ces dernières années, le développement de nouvelles méthodes de structuration chimiques ou physiques de surface permettant l’adhésion confinée (à l’échelle nano- ou micrométrique) et réversible de protéines ou de cellules dans des conditions expérimentales douces, demeure un défi important.
Pour répondre à la fois aux critères d’adhésion nano-confinée et d’immobilisation réversible de bio-(objets), le couplage entre polymères thermosensibles et nano-optique, ou plus précisément plasmonique, apparaît comme une stratégie originale et intéressante. En effet, les nanoparticules de métaux nobles sont capables d’offrir un contrôle précis de la lumière et de la chaleur à l’échelle nanométrique, ce qui est particulièrement avantageux pour le développement de dispositifs intégrés miniaturisés.
Nous proposons de combiner des nanoparticules d’or, utilisées comme nanosources ponctuelles de lumière et de chaleur avec des brosses de polymères thermosensibles employés comme couche primaire d’adhésion afin d’obtenir des plateformes bioactives « intelligentes » offrant des propriétés de surface réversibles et contrôlées à l’échelle nanométrique. L’idée principale repose sur le caractère thermostimulable des polymères thermosensibles qui peut favoriser/défavoriser l’adhésion d’une protéine ou d’une cellule par simple changement de température. En effet, ces polymères présentent une transition de phase thermo-induite, accompagnée de modifications importantes de leurs
Conclusion et perspectives
propriétés chimiques, correspondant à une commutation hydrophile/hydrophobe. La conversion d’énergie opto-thermique fournie par les nanoparticules supportées conduira à un confinement spatial de la transition de phase du polymère permettant ainsi un contrôle précis des propriétés de mouillabilité de la surface et d’adhésion à l’échelle nanométrique, celles-ci étant contrôlables à distance sous l’effet d’une irradiation laser.
Nous évaluerons la capacité des substrats nanoparticules d’or/polymères thermosensibles à favoriser l’adhésion de particules modèles, de protéines ou de cellules puis à les relâcher de façon réversible après avoir couper l’irradiation laser. En balayant le spot laser d’un point à l’autre de la plate-forme, on pourra envisager d’adsorber différents types de bio(objets) dans des régions distinctes. De plus, le fort confinement du champ électromagnétique au voisinage des nanostructures plasmoniques permettra d’exalter les signaux Raman et de fluorescence des biomatériaux adsorbés pour une détection ultra-sensible.
Le système hybride constitué de nanoparticules d’or fonctionnalisées par des brosses de polymères thermosensibles offrira les propriétés uniques de (i) fort confinement du champ électromagnétique et augmentation de chaleur sur des régions sub-microniques; (ii) transition de phase du polymère induite par effet opto-thermique conduisant à des surfaces hautement structurées et présentant des propriétés chimiques stimulables, et (iii) un contrôle local et réversible de l’adhésion par le biais de la transition hydrophile/hydrophobe du polymère sous irradiation laser.
Le contrôle actif de la température à l’échelle nanométrique et ses implications dans le domaine de la biophysique est un champ de recherche important qui sera exploré par le consortium à travers ce projet, dont l’objectif principal est le développement d’une nouvelle génération de plateformes bioadhésives pour l’obtention de laboratoires sur puces « intelligents ».