Protocoles d’échange de ligand pour rendre les QD’s hydrosolubles

Remplacer les ligands à chaîne alkyle hydrophobe par des ligands à caractère hydrophile permet de disperser les QD’s en solvant aqueux. L’échange de ligands est possible si les nouveaux ligands ajoutés possèdent une affinité plus forte que les ligands initiaux (donc une constante de complexation plus grande) pour la surface des QD’s. Plusieurs articles de revues décrivent les différents protocoles d’échanges de ligands existant :

• orientée vers la synthèse de nanoparticules (94),

• pour des applications en biologie ou en médecine (95-98)

• pour une fonctionnalisation avec des fragments d’ADN (99,100)

• ou encore pour des applications en photochimie ou en photovoltaïque (101).

Nous utiliserons dans cette partie le terme « fonction d’accroche » pour définir la fonction chimique complexante nécessaire au ligand pour se fixer à la surface des QD’s. Nous présenterons donc les différentes catégories chimiques de ligands fréquemment utilisés dans la littérature pour rendre hydrosolubles les QD’s.

7.2.1. La fonction soufrée

Le soufre est connu pour posséder une très bonne affinité envers les cations métalliques pour former des complexes. Les protocoles d’échange de ligands de QD’s avec des composés soufrés ont été largement étudiés dans la littérature.

Les ligands soufrés monodentates

En 1998, Chan et Nie (102) ont développé un des premiers protocoles pour générer des QD’s hydrosolubles stabilisés avec l’acide mercaptoacetique. Depuis cette publication, de nombreux ligands thiolés ont été utilisés pour stabiliser les nanoparticules en solvant aqueux. L’inconvénient des thiols est leur instabilité chimique (103). A partir d’une certaine gamme de pH acide, le soufre de la fonction thiol est protoné et se dissocie de la surface des QD’s (104). La fonction thiolate R-S- _{se lie en effet plus fortement à la surface des QD’s que la fonction thiol R-} S-H (105). Plusieurs stratégies permettent de lutter contre cette dégradation chimique. Breus et al. (106) ont montré que remplacer les 1H en α de la fonction thiol par des groupements méthyl permet d’augmenter la gêne stérique au niveau du soufre. Le ligand thiol utilisé, la D- penicyllamine (une cystéïne modifiée), est alors stable sur une gamme de pH plus grande. Les QD’s hydrosolubles restent stables jusqu’à 3 semaines avec la D-penicyllamine alors qu’ils ne sont stables que 24h avec la cystéïne.

De plus, les thiols sont dégradés durant l’irradiation des QD’s(107). Les QD’s sont capables, par l’action combinée de l’oxygène et de rayonnements UV, de photooxyder les ions thiolates R-S- en radical thiyle RS●_{. Les radicaux créés dimérisent et forment des ponts disulfures RS-SR}4_{. Une} désorption des ligands de la surface des QD’S est donc produite. Les QD’s ne sont alors plus stabilisés et précipitent en présence de lumière. Pour lutter contre cette dimérisation, l’utilisation d’agent réducteur (le Dithiothreitol (DTT), ou NaBH4) a permis de prolonger la stabilité des QD’s à une semaine (108).

4 _{Cette propriété oxydante des QD’s sur les composés thiols a d’ailleurs été utilisée en photocatalyse par Li}

58 Ligands soufrés bidentates

En admettant la faible stabilité chimique des ligands monothiolés, Mattoussi et al. (109) ont testé l’acide dihydrolipoique (DHLA) comme ligand dithiolé pour réaliser l’échange de ligands. Par la suite, ce ligand a été utilisé sous la forme de dithiolane (110) (voir le Schéma I-22). Les ligands dithiolés augmentent largement (de l’ordre de l’année) la stabilité chimique des QD’s. Le DHLA n’est par contre que stable en milieu basique ce qui peut limiter son utilisation. D’autres types de composés bidentates, différents dithiols (111), le dithiothréitol (112), et les carbodithioates (113), ont été utilisés comme ligand pour stabiliser les QD’s (voir le Schéma I-22).

Enfin, un dernier type de ligands soufrés bidentates, les dithiocarbamates (voir le Schéma I-23), ont été étudiés pour solubiliser les QD’s. Les molécules de dithiocarbamates sont faciles à synthétiser et sont produites par réaction directe d’une molécule possédant une fonction amine secondaire et le disulfure de carbone CS2 pour former le dithiocarbamate associé (114) (voir le Schéma I-21).

Schéma I-24 : Réaction d'addition de la fonction dithiocarbamate sur une amine.

Certains protocoles s’effectuent en solvant organique avec des ligands apolaires avec différentes chaînes alkyles greffées sur la fonction dithiocarbamate (115). En solvant aqueux, les échanges de ligands ont été réalisés avec différents dithiocarbamates d’acides aminés (glycine, sérine, acide aspartique, cystéïne, histidine, et lysine) (116-118). Les ligands dithiocarbamates offrent une bonne stabilité chimique des QD’s, et leur protocole de synthèse est assez facile. Ils offrent ainsi la possibilité de fixer simplement à la surface des QD’s des acides aminés ou des peptides.

Schéma I-25 : Différentes molécules soufrées bidentates utilisées comme ligands dans les protocoles d’échanges de ligands avec des nanoparticules (QD’s).

59 7.2.2. La fonction amine

Les fonctions amines possèdent une bonne affinité envers les QD’s. Néanmoins les liaisons entre fonctions amines et la surface des QD’s sont moins fortes que les ligands anioniques comme les carboxylates (119). Par contre, ces ligands rendent les QD’s stables sur une plus large gamme de pH (105). Ce type de ligand est très utilisé pour rendre les QD’s solubles en solvant organique (120-122). Peu de protocoles d’échange à base de ligands amines hydrophiles sont trouvés dans la littérature pour rendre les QD’s CdSe hydrosolubles. La molécule 3-amino-1-propanol a par exemple été testée comme ligand (123). La fonction amine est par contre utilisée comme fonction d’accroche au sein de ligands acides aminés et ligands polydentates.

7.2.3. Les ligands acides aminés

Les différents ligands acides aminés mentionnés dans ce paragraphe sont présentés dans le Schéma I-23. Un des premiers acides aminés à avoir été testé est la cystéïne (108) qui possède une forte affinité grâce à sa fonction thiol avec les ions Cd2+ et Zn2+. Le deuxième acide aminé soufré, la méthionine, ne possède apparemment pas une aussi bonne affinité que la cystéïne envers CdSe. Le soufre dans une fonction thio-éther semble être peu disponible pour se fixer à la surface des QD’s. Néanmoins, quelques publications décrivent la fixation de la methionine sur des QD’s de type CdTe (124) et CdS (125).

D’autres acides aminés sont utilisés dans la littérature pour réaliser des échanges de ligands avec les QD’s. Ceux-ci se fixent à leur surface par une fonction amine ou carboxylate. Une publication du groupe de Chan et al. (126) décrit la solubilisation de QD’s cœur-coquille CdSe/ZnS par la lysine en appliquant un protocole d’échange de ligands en deux étapes. L’acide mercaptoacétique est tout d’abord utilisé pour transférer les QD’s de la phase organique en phase aqueuse. Les ligands thiols sont ensuite déplacés de la surface des QD’s par l’ajout de lysine en solution.

Des ligands acides aminés peuvent aussi être fixés à la surface des QD’s par une fonctionnalisation de leur fonction amine par des dithiocarbamates (voir la partie I-7.2.1). La fonction dithiocarbamate est alors la fonction d’accroche des ligands acides aminés modifiés. Plusieurs groupes ont ensuite eu l’idée d’utiliser les propriétés remarquables de complexation du zinc par l’histidine (127,128). L’échange de ligands a donc été réalisé sur des nanoparticules cœur-coquille CdSe/ZnS. Le protocole d’échange est facile à réaliser et la purification s’avère simple. La stabilité des quantum dots est conservée pendant environ une année. En seconde étape, la sphère de ligands peut être modifiée. Des ligands thiolés (128), peptides (127) ou oligonucléotides (129) peuvent se fixer en déplaçant les ligands histidines initiaux.

Schéma I-26 : Différents acides aminés utilisés comme ligands dans les protocoles d’échanges de ligands avec des nanoparticules (QD’s).

60 7.2.4. Fonctions d’accroche mixtes et ligands polydentates

Les ligands polydentates permettent de stabiliser complètement les QD’s, du fait d’un nombre de fonctions d’accroche important. La solubilité en phase aqueuse des QD’s en est améliorée. Différentes types de ligands ont ainsi été développés : les ligands peptides (95-98), les ligands oligonucléotides (100) et les ligands polymères (130). Ils réutilisent les propriétés des ligands simples (thiols, amines, acides aminés) pour se fixer à la surface des QD’s. Comme la synthèse de ces ligands polydentates est connue et maîtrisée, elle est mise à profit pour obtenir une série de molécules permettant de modifier judicieusement l’environnement chimique de surface des nanoparticules. Ces ligands sont ainsi des molécules de choix pour incorporer des fragments redox-actifs et réaliser des transferts de charge photoinduits par relai redox (voir la partie I-5.5). Par contre, ces ligands possèdent le désavantage d’avoir une structure chimique volumineuse et donc un fort poids moléculaire. La surface des QD’s stabilisés par des ligands polydentates, peut être peu accessible aux substrats pour réaliser de la photocatalyse, ce qui peut empêcher les substrats d’accéder à la surface des QD’s pour réaliser un transfert de charge photoinduit. Les différents protocoles d’échanges de ligands sont détaillés par classe de molécules (peptides, oligonucléotides et polymères) dans les paragraphes suivants.

Les ligands peptides

Le greffage de peptides a été développé par différents groupes motivé par une utilisation dite « biocompatible » des QD’s en biologie ou en médecine (95-98). L’accroche des peptides peut s’effectuer de deux façons (voir le Schéma I-27) :

• un groupement de la chaîne peptidique est modifié par une molécule chimique possédant une forte affinité pour les QD’s. L’échange de ligand a ainsi été réalisé par Matoussi et al. (109) grâce à l’utilisation de ligands dithiolanes sur lesquels un peptide a été greffé.

• Les ligands peptides possèdent dans leur chaîne peptidique des acides aminés ayant une bonne affinité (131) envers les QD’s (comme la cystéïne, ou l’histidine). L’utilisation de chaînes polyhistidine (132-135) ou polycystéïne (136) ont aussi été réalisées pour accrocher des peptides ou protéïnes à la surface des QD’s. Enfin plusieurs groupes dont le groupe de Weiss ont principalement utilisé comme ligands le glutathion (137) (un tripeptide composé d'acide glutamique, de cystéine et de glycine), ou les phytochélatines (138-140) (un polymère de glutathion qui sert aux plantes à éliminer les métaux (141)), pour stabiliser les QD’s.

Schéma I-28 : Différents peptides utilisés comme ligands dans les protocoles d’échanges de ligands avec des nanoparticules (QD’s).

61 Les ligands oligonucléotides et dérivés de l’ADN.

Deux stratégies ont été adoptées (voir le Schéma I-25) pour accrocher des oligonucléotides à la surface des QD’s (100) :

• L’utilisation de bases de l’ADN modifiées avec une fonction thiol ou amine en 5’ ou 3’. Cette stratégie a ainsi été appliquée dès 1999 par Mitchell et al. (142). Les QD’s stabilisés par les ligands TOPO sont tout d’abord rendus hydrosolubles par l’acide mercaptopropionique. L’ajout de la base de l’ADN modifiée avec un propylthiol en 3’ ou un hexylthiol en 5’ à la solution de QD’s est dans un second temps effectué.

Des ligands modifiés par une fonction d’accroche équivalente de type amine (hexylamine) ont aussi été utilisés (143). Une autre fonction d’accroche a été testée par le groupe de Mattoussi et al. (144), les polyhistidines ou chaîne his-tag qui possèdent une forte affinité pour la coquille ZnS de QD’s cœur-coquille CdSe/ZnS.

• La deuxième stratégie consiste à créer des liaisons covalentes avec des ligands déjà existant possédant une fonction carboxylique par l’utilisation d’EDC (1-ethyl-3-(3- dimethylamino propyl)carbodiimide)(145) ou de sulfonate (le sulfo-SMCC)(146).

Schéma I-29 : Deux stratégies pour fixer un oligonucléotides à la surface des QD’s : 1) Utilisation de ligands oligonucléotides modifiés, 2) Utilisation de la réaction de couplage entre un acide carboxylique et une amine par l’utilisation d’EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylamino propyl)carbodiimide) ou de sulfo-SMCC.

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