Dépôt des GNPs sous sonication

Le greffage des GNPs à la surface doit être robuste pour éviter leur désorption pendant les étapes successives d’élaboration et de régénération du biocapteur. Le dépôt sous sonication permettrait de casser les agrégats formés et améliorerait par conséquent la dispersion des GNPs en surface. De plus, il permettrait d’enlever les particules faiblement liées à la surface. Ainsi nous avons déposé les GNPs issues de la synthèse citrate/acide tannique sous ultra-sons ³.

3.3.1. Caractérisation par MEB

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Figure 53 : Clichés de MEB obtenus après greffage des GNPs sur les surfaces de silicium (a,b,c) et d’or (d, e, f) fonctionnalisées NH2 (a, d), NH2/SH (b et e) et PEG (c, f) sous sonication.

Cette partie du travail a démarrée lors de mon stage de M2 et a donné lieu à une publication au Gold bulletin. 36(b) Ben Haddada, M.; Blanchard, J.; Casale, S.; Krafft, J.-M.; Vallée, A.; Méthivier, C.; Boujday, S., Optimizing the immobilization of gold nanoparticles on functionalized silicon surfaces: amine- vs thiol-terminated silane. Gold bulletin 2013, 46 (4), 335-341.

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3.3.2. Dénombrement des particules et état d’agrégation

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Figure 54 : Histogrammes représentant les densités de GNPs sur les différentes surfaces d’or et de silicium fonctionnalisées.

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Tableau 6: Densité et dispersion des GNPs calculées à partir des images de MEB.

Surfaces GNPs

isolées (%)

Densité des GNPs (particules / µm2) Taux de recouvrement (%)

Si-NH2 77 510 ± 20 8

Si-NH2/SH 62 1324 ± 40 20

Si-PEG 78 1186 ± 40 18

Au-PEG 78 905 ± 30 14

Le recouvrement des GNPs dépend fortement de la nature du film d’adhésion. Sur les surfaces Au-NH2 (Figure 10-d), l’absence des GNPs est due à l’application des ultrasons durant le dépôt puisque sous agitation on obtient des particules en surface (29 particules/µm²) selon la Figure 52-b. Ceci peut être expliqué par la faible interaction entre les GNPs et les surfaces Au-NH2. A l’opposé, une densité relativement importante (510±20 particules/µm2) est atteinte pour les surfaces Si-NH2 (Figure 53-a). Cette différence observée entre le silicium et l’or peut être interprétée en considérant la différence de recouvrement en fonctions amine sur les deux surfaces : la CEA forme une monocouche de thiols plus ou moins ordonnée sur l’or 72, tandis que la condensation de l’APTES sur les surfaces de silicium donne un faible taux de recouvrement en amine ^{23, 50b}. En outre, sur les substrats Au-NH2, seuls les groupements amine sont présents en surface alors que pour Si-NH2, les silanols (Si-OH) et les amines coexistent. De plus, au pH acide de la solution de GNPs (pH=5,4), les groupements amine sur Au-NH2 sont chargés positivement, (pKa (CEA) = 8,3 ⁷³), donc, leur interaction avec les GNPs est principalement électrostatique avec les citrates chargés négativement. Pour les surfaces de silicium modifiées avec l’APTES, pKa (APTES) = 7,6 ⁷⁴, les groupements ammonium dominent, avec la présence de silanols qui sont chargés négativement à ce pH (PZC (silice) =2 ⁷⁵). Les silanolates peuvent être donc impliqués dans l’interaction des GNPs avec la surface puisqu’ils sont aptes à remplacer les ligands citrate et interagir directement avec les GNPs. Ainsi, ces interactions coopératives sur les surfaces Si-NH2 peuvent justifier cette large différence observée par rapport aux surfaces Au-NH2. Malgré ces interactions, la densité observée sur Si-NH2 est la plus faible de toutes les surfaces de silicium étudiées (Figure 53 et Tableau 6). Après greffage du MUA sur les surfaces amine, les surfaces Si-NH2/SH présentent un recouvement plus important en GNPs (Figure 53-b). Pour Au-NH2/SH, la densité est clairement augmentée comparé à Au-NH2. Cette amélioration peut être observée à la Figure 52, quand le dépôt est effectué sous agitation. Ce résultat corrobore encore l’efficacité d’interactions coopératives, ici par les interactions soufre–or et ammonium-citrate pour immobiliser les GNPs. Pour Si-NH2/SH, le taux de recouvrement en GNPs atteint 20% (voir Tableau 6). Cependant,

cette augmentation de la densité se fait au détriment de leur dispersion, le pourcentage des particules isolées passe de 77 à 62% avec l’apparition de quelques agrégats (Figure 54 et Tableau 6).

Le meilleur recouvrement en termes de densité et dispersion des GNPs est atteint pour les surfaces fonctionnalisées PEG (Figure 53-c et f). Ces deux surfaces montrent 78% de particules isolées avec un taux de recouvrement de 14 et 18% respectivement (Tableau 6). Cette différence par rapport aux autres surfaces peut provenir des propriétés des couches PEG qui ont tendance à gonfler en présence d’eau ce qui les rend aptes à capturer les GNPs stabilisées par des citrates

37 et les piéger par déplacement des citrates faiblement liés et création d’interactions multidentées entre les chaines PEG et les atomes d’or des GNPs ^35c. L’étude des paramètres influençant ce phénomène a montré que cette infiltration des GNPs dans les chaines de PEG dépendait de leur taille ⁷⁶ et que les particules inférieures à 5 nm sont capables de pénétrer dans les ‘brosses’ de PEG par simple immersion, alors que les particules plus larges ([13nm) ont plutôt tendance à rester en surface ^35d. Cet effet s’associe avec la fonction amine terminale des chaines PEG qui se lient aux GNPs par interaction électrostatique avec les ligands citrate qui stabilisent les GNPs. Malgré la couche épaisse de PEG (1,7 nm avant gonflement par l’eau ^36b), la nature du substrat et/ ou la SAM sous-jacente (GOPTS ou MUA) influence étonnement le recouvrement des GNPs. En effet, cette valeur est diminiuée de 24% pour Au-PEG par rapport à Si-PEG.

Il faut noter enfin, que, même si les valeurs regroupées dans le Tableau 6 semblent faibles, elles sont très proches de celles reportées dans la littérature (15 -25 %) où les conditions de dépôt sont moins drastiques et le temps de dépôt souvent plus long ^{34, 77}. Cette limite est fixée par les ligands citrate stabilisant les GNPs qui maintiennent une répulsion électrostatique entre les GNPs et empêchent la formation d’une monocouche de GNPs plus dense 34, 78.