Stratégies pour étudier la stabilité des nanoparticules d’or

Comme mentionnée précédemment, la stabilité des NP d’or est fortement liée au(x)

mécanisme(s) de stabilisation mis en jeu ainsi qu’à la force de l’interaction entre l’agent stabilisant

et la surface métallique. Ainsi différentes stratégies expérimentales ont été développées pour

prévoir la stabilité des NP d’or en fonction du temps sous l’effet de divers paramètres. Ce sont : (i)

l’échange de ligands avec les ligands pré-greffés, (ii) la température, (iii) la concentration en ions de

la solution, (iv) le changement du pH.

Dans ces études, il est nécessaire d’évaluer plusieurs caractéristiques physico-chimiques

telles que la taille, le potentiel zêta,

, la concentration en NP ainsi que l’état

de la surface (présence et densité de ligands en surface). Les différentes techniques utilisées pour

déterminer ces paramètres sont résumées dans le tableau 2.

Tableau 2. Différentes techniques de caractérisation des nanoparticules d’or

Technique Propriétés caractérisées Intérêts et limites de la mesure

Diffusion dynamique de la lumière

- Rayon hydrodynamique - Distribution de la taille - Etat d’agrégation

- Mesure non destructive qui permet d’accéder à la taille de NP en suspension dans un liquide ;

- Donne des informations relatives à la stabilité des NP en fonction du temps ; NP dans différents milieux (PBS, milieu de culture,...) ;

- Fournit la taille hydrodynamique des NP (diamètre du cœur métallique + l’épaisseur de la couronne).

Microscopie électronique à transmission

- Taille géométrique

- Distribution de taille et forme - Etat d’agrégation

- Composition élémentaire de l’échantillon (TEM couplé avec spectrométrie de rayons X)

- Technique destructive qui permet la mesure directe des propriétés morphologiques et structurales des NP, y compris la composition élémentaire ;

- Impose des techniques de préparation particulières ; - Analyse réalisée sous vide.

Microscopie à force atomique

Taille et distribution de la taille - Morphologie, texture de la surface et rugosité

- Etat d’agrégation

- Visualisation en trois dimensions de la surface analysée ; - Permet d’obtenir des informations sur les propriétés physiques et les forces d’interaction des NP d’or ;

- La mesure peut se faire sans vide. Spectrophotométrie

d’absorption UV-Visible

- Taille

- Etat d’agrégation

- Le suivi dans le temps de λmax et de l’absorbance à λmax

permet de donner des informations relatives à la stabilité des NP d’or. Spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif - Composition élémentaire de l’échantillon

- Dosage de l’or et d’autres éléments contenus dans les NP d’or ;

- Mesure rapide ; - Sensibilité élevée ;

- Technique coûteuse et peu disponible dans la majorité des laboratoires.

Spectrophotocolori-métrie

- Dosage de l’or

- Dosage de l’or contenu dans les NP d’or ; - Permet de calculer le rendement de synthèse ;

- Concentration et absorbance molaires des NP d’or (en utilisant le diamètre obtenu par TEM) ;

- Sensibilité moins élevée que par ICP-MS ; - Mesure rapide.

Electrophorèse capillaire

- Taille

- Charge des particules

- Détermination de la taille ainsi que de la charge des NP (potentiel zêta) ;

- Utilisation de volumes d’échantillons réduits ; - Mesure rapide et à bas coûts.

Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X

- Etat de la surface

- Identification et quantification des éléments présents à la surface des NP d’or ;

- Informations sur l’environnement chimique de l’élément détecté tel que le type de liaisons, l’état d’oxydation, la fonction chimique, etc... ;

- Technique coûteuse et peu disponible dans la majorité des laboratoires.

Les réactions d’échanges de ligands avec les ligands pré-greffés

Afin de prévoir la stabilité de NP d’or en fonction du temps, une méthode employée par de

nombreux auteurs consiste à ajouter un ligand (citons le GSH, le DHLA, la cystéine et le

dithiothréitol (DTT)) à la solution contenant les NP stabilisées par d’autres ligands (Kim et al.,

2005, Roux et al., 2005, Chompoosor et al., 2008, Zhang et al., 2009).

Le ligand greffé est difficilement échangeable s’il se lie fortement à la surface métallique.

Comme évoqué précédemment, les ions citrate sont liés à la surface métallique par des interactions

électrostatiques. Ainsi, ces ions peuvent être facilement échangeables en solution par le DTT

(Zhang et al., 2009). Contrairement aux NP stabilisées par les ions citrate, les NP stabilisées par des

ligands de type thiol (forte interaction avec la surface métallique) conduisent à un taux d’échange

de ligand très faible voire nul (Zhang et al., 2009).

La réactivité chimique des NP d’or vis-à-vis d’autres molécules est également liée à leur

charge en solution. Des études réalisées par Chompoosor et al. (2008) ont montré que les dérivés de

monothiols chargés positivement sont plus facilement échangeables avec des molécules chargées

négativement (comme le GSH, le DHLA et la cystéine) que les monothiols chargés négativement.

En effet, ces dernières molécules présentent une forte répulsion électrostatique avec les thiols

étudiés (figure 7).

Figure 7. Effet de la charge des nanoparticules d’or sur leur réactivité vis-à-vis des molécules

chargées négativement (Chompoosor et al., 2008).

Les méthodes d’accélération pour la prédiction de la stabilité des nanoparticules d’or

La stabilité des NP d’or peut être étudiée par modification de la température, du pH ou de la

force ionique par ajout d’un sel neutre.

Parmi les méthodes d’accélération, les méthodes thermiques sont souvent employées et

consistent à augmenter la température afin d’accélérer la déstabilisation. En effet, les NP d’or

stabilisées par de faibles interactions sont fortement sensibles à la hausse de la température. Par

exemple, des NP d’or stabilisées par les ions citrate sont stables (pas de modification du rayon

hydrodynamique) pendant 21 jours à 4°C et deviennent instables (augmentation du rayon

hydrodynamique) à partir du sixième jour à 23°C (Balasubramanian et al., 2010a). En revanche, des

NP d’or stabilisées par des polymères monothiols (HS-PEG) sont stables de 4°C à 70°C (pas de

modification de λ

et de l’absorbance à λ

) (Zhang et al., 2007).

La plupart des agents stabilisants actuellement utilisés pour limiter l’agrégation des NP d’or

possèdent un groupement hydrophile en bout de chaîne (par exemple : -COOH, -OH, -NH

).

Cependant, ces ligands sont très sensibles aux variations de pH. Par exemple, les NP d’or

fonctionnalisées par le DHLA ne sont pas chargées en surface pour des valeurs de pH < pKa

(-COOH) = 4,85, et de ce fait s’agrègent (Roux et al., 2005).

La stabilité des NP d’or peut aussi être évaluée par la modification d’autres facteurs, comme

la force ionique de la solution. Comme pour la température, les NP d’or établissant de faibles

interactions avec l’agent stabilisant sont plus sensibles à la présence de sels dans la solution que les

NP d’or fortement liées à l’agent stabilisant (Zhang et al., 2007).