Synthèse de particules fluorescentes 1. Etat de l’art

Ces dernières années, de nombreuses stratégies ont été développées pour incorporer des molécules fluorescentes à l’intérieur des particules de silice, tels que les ions Gadolinium(III),²³ la fluorescéine,^24,25 ou encore des complexes de Ruthénium (II).^26,27,28Pour synthétiser les particules fluorescentes que nous avons utilisées au chapitre V, nous nous sommes orientés vers l’utilisation du procédé Stöber pour préparer des nanoparticules de silice dans lesquels des complexes de ruthénium ont été physiquement encapsulés. En effet

71 ces méthodes de synthèse nous semblaient plus simple à mettre en œuvre que d’autres synthèses où il aurait fallu, soit modifier le fluorophore organique pour pouvoir l’attacher de façon covalente aux particules,^25,29 soit l’encapsuler par des techniques de microémulsions et l’utilisation de surfactants.29,30,31,32

En 2005, Rosenzweig et al. a réussi à incorporer un colorant chargé positivement, le complexe ruthénium Ru(II), à l’intérieur de la silice par interactions électrostatiques.²⁶ Les forces d’attractions électrostatiques entre la silice chargée négativement et le complexe Ru(II) expliquent la stabilité de ces particules fluorescentes et l’absence de relargage de la molécule fluorescente. Néanmoins, pour préparer ces particules fluorescentes, le complexe fluorescent est généralement ajouté au début de la réaction.^,28 Les complexes fluorescents chargés positivement interagissent alors avec les groupes SiO^- du TEOS hydrolysé par interactions électrostatiques. Ainsi, lors de la formation des oligomères de silice (association de deux ou trois molécules de TEOS), si les molécules fluorescentes sont ajoutées en tout début de synthèse, elles ont tendance à s’agréger spontanément entre elles tout en s’incorporant à l’intérieur des particules de silice27

comme indiqué en Figure II. 8.a. Il est alors difficile de contrôler l’état de dispersion des composés fluorescents.33,34

L’un des moyens d’éviter cette agrégation est d’introduire le complexe fluorescent une fois que les oligomères et les particules primaires ont réagi entre eux.²⁷ Yang et al. ont étudié l’influence du temps d’ajout du complexe Ru(II) et ils ont constaté que pour un temps d’ajout de 3h, l’intensité de fluorescence était la plus élevée. Si le complexe Ru(II) est introduit avant 3h, les complexes fluorescents s’agrègent entre eux en même temps qu’ils interagissent avec le TEOS hydrolysés ou les oligomères (Figure II. 8.a.b). Si l’ajout du complexe Ru(II) se fait à 3h, les oligomères et les particules primaires ont été consommés et les particules secondaires deviennent dominantes dans le milieu réactionnel. Les complexes fluorescents s’adsorbent alors à la surface des particules de silice secondaires et la couche protectrice croît sur la surface de la particule, encapsulant ainsi le complexe fluorescent à l’intérieur (Figure II. 8.c). Par contre, si l’ajout du complexe fluorescent s’effectue trop tard à 6h ou à 8h, la couche protectrice de silice ne sera pas suffisante pour protéger le complexe fluorescent et des phénomènes de relargage seront observés (Figure II. 8.d).²⁷ En effet, les propriétés d’émission de particules fluorescentes sont affectées par l’environnement extérieur, principalement par l’oxygène de l’air et les solvants si la couche protectrice de silice est trop faible.

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Figure II. 8. Schéma illustrant la formation et la croissance de nanoparticules de silice fluorescentes. La

localisation des complexes fluorescents à l’intérieur des particules de silice dépend du temps d’ajout du complexe fluorescent.²⁷

II.1.3.2. Synthèse des particules fluorescentes

Le protocole opératoire de synthèse de Yang et al. a été modifié afin d’obtenir des particules fluorescentes de diamètre 300 nm. Nous avons utilisé un autre complexe de Ru(II), le complexe de Ru(II) tris(bipyridine) [Ru(bpy)3]²⁺ au lieu du complexe de Ru(II) tris(phenanthroline) [Ru(phen)3]²⁺ et nous avons ajouté ce complexe dans l’éthanol 1 h après le début de la synthèse au lieu de 3h. Ce temps d’ajout a été déterminé par un suivi de la taille des particules au cours de la synthèse par des mesures de dynamique de la lumière (DLS). Le Tableau II. 11 résume les conditions opératoires similaires à celles décrites dans la partie II.1.2.

EtOH (mL) 800

NH4OH (28% wt) (mL) 72

TEOS (mL) 24

[Ru(bpy)3]²⁺(15 mg/mL) 20

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II.1.4. Mode de traitement des suspensions colloïdales II.1.4.1. Centrifugation : obtention d’une poudre

Pour obtenir une poudre, le milieu réactionnel est centrifugé puis lavé trois fois par centrifugation dans l’éthanol (8500 rpm, 30 min). Avant chaque lavage, les nanoparticules sont redispersées dans de l’éthanol dans un bain ultrason. Les nanoparticules sont ensuite laissées à l’étuve à 100 °C pendant 3h afin d’évaporer le solvant et récupérer une poudre sèche. Nous obtenons 6 g de poudre pour les particules de diamètre 100 et 300 nm et 3g de poudre pour les particules de 40 nm de diamètre. Les particules de 40 nm étant beaucoup plus petites, une grande partie demeure dans le surnageant après centrifugation du milieu réactionnel, ce qui explique que la masse obtenue est beaucoup plus faible. Les hypothèses avancées sont soit que la vitesse de centrifugation n’est pas assez élevée ou que le temps de centrifugation est trop court. Une autre possibilité est une polydispersité du milieu réactionnel, ce qui explique que les particules les plus petites restent dans le surnageant et ne sédimentent pas.

II.1.4.2. Dialyse : obtention d’une dispersion colloïdale stable

Pour obtenir des suspensions colloïdales aqueuses stables sans passer par l’état sec, le milieu réactionnel est partiellement évaporé à l’évaporateur rotatif afin de concentrer la suspension colloïdale. Le milieu réactionnel ainsi concentré est ensuite transféré dans un sac de dialyse (membrane de dialyse ZelluTrans/Roth®, indication de la taille des pores : MWCO (Molecular Weight Cut-Off’s) : 12000-14000) puis immergé dans un bécher contenant 1L d’eau distillée sous agitation magnétique (200 rpm). L’eau distillée est renouvelée toutes les 2h, 5 à 6 fois.

Lors de la dialyse, de manière à atteindre l’équilibre osmotique, les espèces présentes dans le milieu réactionnel telles que les ions NH4⁺ et OH^- et les molécules d’éthanol sortent du tube de dialyse par ses pores alors que les molécules d’eau font le trajet inverse. Après plusieurs renouvellements successifs de l’eau à l’extérieur du tube de dialyse, la solution à l’intérieur du tube est donc devenue une suspension colloïdale de nanoparticules dans de l’eau distillée.

Des suspensions colloïdales de différentes concentrations massique cm (% wt) ont été obtenues à l’issue de ce procédé. Par mesure de l’extrait sec à 100°C, nous avons mesuré les

74 concentrations massiques de ces solutions. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous :

Particules d40 d100 d300

concentration massique (wt%) 8.5 12 9

Tableau II. 12. Concentrations massiques des solutions de nanoparticules dialysées II.2. Caractérisation des particules de silice

Après chaque nouvelle synthèse, il faut mesurer l’état de dispersion de la suspension colloïdale et déterminer le rayon des particules. Pour ce faire, les solutions de particules ont été étudiées par diffusion de la lumière et observées au microscope électronique à transmission et éventuellement au microscope optique.

II.2.1. Détermination du rayon des particules et de l’état de la solution