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Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:

Hendrick, F. (1998). Propriétés de verres poreux fabriqués par le procédé sol-gel : emploi de la sonde de luminescence ruthénium (II) tris (1,10- phénanthroline) (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences, Bruxelles.

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D 027B0

Université Libre de Bruxelles Faculté des Sciences

Service de Chimie Organique Physique Directeur de thèse: Prof. E. Vander Donckt

Propriétés de verres poreux fabriqués par le procédé sol-gel Emploi de la sonde de luminescence ruthénium(II)

tris(l,10-phénanthroline)

Thèse présentée pour l’obtention du grade de

Docteur en Sciences

François Hendrick Novembre 1998

UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES

CTiir-nn-n c

FACULTE DES SCIENCES

SECRETARIAT

L'épreuve publique pour l'obtention du grade académique de Docteur en Sciences de Monsieur HENDRICK, François, Licencié en sciences, pour le groupe des sciences chimiques, aura lieu le :

VENDREDI 6 NOVEMBRE 1998 A 17.00 HEURES en la Salle UA4.222, Bâtiment U, porte A, niveau 4,

50, avenue Roosevelt à 1050 - Bruxelles

Monsieur HENDRICK, François présentera et défendra publiquement une dissertation originale intitulée :

« Propriétés de verres poreux fabriqués par le procédé sol-gel.

Emploi de la sonde de luminescence ruthénium(ll) tris(1,10-phénanthroline) ;

et une thèse annexe intitulée :

« Des simulations par une méthode de Monte Carlo de la migration des excitons dans le photosystème II montrent que l'annihilation des excitons se produit principalement dans les sous-unités CP43 et CP47 ».

DEFENSE PRIVEE : VENDREDI 30 OCTOBRE 1998 A 14.00 HEURES Local UC4.128 (Solbosch)

Directeur de thèse : M. B. VANDER DONCKT.

Û û

Titre de la thèse annexe: Des simulations par une méthode de Monte Carlo

de la migration des excitons dans le photosystème II montrent que

rannihilation des excitons se produit principalement dans les sous-unités

CP 43 et CP 47

UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES

_P_

FACULTE DES SCIENCES

SECRETARIAT

(Document destiné à la bibliothèque).

Je soussigné, NOM

Prénom :

autorise O n'autorise pas

la consultation de ma thèse de doctorat intitulée :

t.lji .1 ft .-r.. )...

Bruxelles, le

Û û

Université Libre de Bruxelles Faculté des Sciences

Service de Chimie Organique Physique Directeur de thèse; Prof. E. Vander Donckt

Propriétés de verres poreux fabriqués par le procédé sol-gel Emploi de la sonde de luminescence ruthénium(II)

tris(l,10-phénanthroline)

Thèse présentée pour l’obtention du grade de

Docteur en Sciences

François Hendrick Novembre 1998

/

Remerciements

Je tiens particulièrement à remercier Monsieur le Professeur E. Vander Donckt. Sa compétence et sa disponibilité de tous les instants m’ont permis de mener à bien ce travail.

Je voudrais adresser mes remerciements à Monsieur G. Destrée dont les qualités scientifiques et humaines m’ont été d’une grande utilité au cours de ma thèse annexe.

Je remercie également Monsieur le Professeur J. P. Ryckaert et Monsieur S. Mauro pour les discussions fructueuses que nous avons eues.

Ma reconnaissance va également à Messieurs R. Vandeloise et R. Van Nerum pour leurs nombreuses aides techniques et autres.

Durant ce travail, des mesures ont été effectuées dans d’autres Services. Je remercie les personnes qui m’ont accueillies: Messieurs les Professeurs J. C. Braekman et A. Frennet, Mesdames P.

Macours , C. Moucheron et S. Heilpom ainsi que Messieurs C. Hootelé, R. D’Haens, F. Dumont, S.

Decker et J. P. Lickes.

Je remercie tous les membres du Laboratoire de Chimie Organique Physique que j’ai cotoyés durant ma thèse: K. Plamarit, R. Herae, B. Camerman, H. Abdel Hamid, Y. Delhaye, C. Malins, S. Yunus, S. Charles et F. Dubois ainsi que Messieurs S. Boué et J. Brocas.

J’adresse mes remerciement au F.R.I.A pour son soutien financier.

Je voudrais également remercier mes parents et mon frère Laurent ainsi que F. Vandenabeele et L.

Ghys.

Enfin, je ne pourrais terminer ces remerciements sans une pensée pour W. Débauché.

Il

Résumé

L’utilisation de phases indicatrices ayant comme support ime matrice en verre poreux fabriquée par le procédé sol-gel connaît im intérêt croissant Hans le domaine des senseurs et biosenseurs optiques.

En effet, ces matériaux inorganiques présentent certains avantages par rapport aux matrices organiques classiquement employées. Citons: la fabrication à températiore ambiante, le contrôle des caractéristiques du réseau de pores ou encore des qualités optiques supérieures. Cet intérêt s’est encore renforcé depuis qu’il a été montré que des enzymes ou protéines conservent au moins partiellement leur activité et leurs propriétés spectroscopiques éventuelles lorsqu’elles sont incorporées dans de telles matrices.

Le but de notre travail est d’étudier certains phénomènes inhérents à Tutilisation des matrices sol-gel dans le domaine de la détection optique d’analytes via le développement d’une phase indicatrice pour optrode à glucose. L’objectif final n’est donc pas d’obtenir un senseur répondant à des critères strictes du point de vue notament du temps de réponse, de la sensibilité ou de la sélectivité.

Cette optrode est basée sur la mesure de la consommation en oxygène par la réaction enzymatique d’oxydation du P-D-glucose catalysée par la glucose oxydase; la détection de l’oxygène s’effectuant via un indicateur dont la luminescence est indicatrice à l’oxygène.

Un verre monolithe dopé par l’enzyme glucose oxydase et le complexe ruthénium(II) tris(l,10- phénanthroline) a été fabriqué par le procédé sol-gel. Son système poreux a été caractérisé et l’activité de l’enzyme immobilisée dans le verre a été mesurée. Ce verre a ensuite été utilisé comme phase indicatrice d’une optrode à glucose. Une concentration en P-D-glucose de 0.01 Ma pu être détectée mais les temps de réponse de l’ordre de l’heure sont trop longs pour une application sur le terrain.

Dans le but d’obtenir des phases indicatrices reproductibles et stables dans le temps, l’influence de l’environnement sur les propriétés photophysiques et photochimiques du complexe du ruthénium incorporé dans un fihn mince en verre poreux fabriqué par dip coating a été étudiée. Pour ce faire, des films ont été trempés dans l’eau et dans différents solvants organiques saturés en azote et en mélanges gazeux azote - oxygène et les intensités et durées de vie de luminescence du complexe ainsi que les rapports VI et <Xo>/<x> ont été comparés à ceux mesurés en phase gazeuse.

D a également été observé au cours de ces expériences que l’intensité de luminescence et la sensibilité à l’oxygène du film diminue lorsqu’il est soumis aux mélanges gazexix ou aux solvants non polaires. Néanmoins, un trempage du film dans l’eau déionisée pennet à celui-ci de retrouver une réponse identique à celle qu’il possédait avant ces différents traitements. Une interprétation à cette évolution de la réponse du fihn est donnée.

Dans le cadre des senseurs optiques à oxygène basés sur les techniques de fluorométrie de phase et des intensités de luminescence, on observe que les courbes I</I et <Xq>/<x> portées en fonction de la concentration en quencher peuvent avoir différentes positions relatives suivant la nature du support et du luminophore de la phase indicatrice. Des simulations numériques sur les équations des rapports I(/I et <Xq>/<x> dans un modèle à deux sites ont été effectuées afin d’expliquer ces observations.

111

Table des matières

Remerciements i

Résumé ii

Table des matières iii

Chapitre I - Introduction générale I-1

Remarques préliminaires 1-2

1.1. Les optrodes 1-2

Avantages et désavantages des optrodes 1-2

Les optrodes de deuxième génération 1-3

Choix et préparation de la phase indicatrice 1-3

Choix de l'indicateur 1-3

Choix du support 1-3

Immobilisation de l'indicateur dans le support 1-4

Quelques exemples d’optrodes à oxygène 1-4

Déviation à la relation linéaire de Stem - Volmer 1-5

Optrodes à glucose 1-5

Les matrices en verre poreux fabriquées par le procédé sol-gel;

un support prometteur dans le domaine des optrodes 1-7

1.2. Le procédé sol-gel 1-9

Introduction 1-9

Etapes du procédé sol-gel 1-9

Hydrolyse et condensation 1-9

Gélification 1-9

Maturation I-IO

Séchage I-l 1

Effet du pH et de la teneur en eau dans le procédé sol- gel 1-12

Effet du pH 1-12

Effet du rapport molaire rgau/si I" ^ 2

Le problème de la fragilité des verres monolithes 1-12

Etude de la transition sol-gel via l’encapsulation de photosondes 1-13 Application du procédé sol-gel à l’encapsulage de molécules biologiques 1-15

1.3. Fabrication de films minces en verre poreux 1-16

Introduction 1-16

Dipcoating 1-16

Spincoating 1-17

1.4. Caractérisation du système poreux des verres 1-18

1.5. Les complexes a-diimine du ruthénium(ll) 1-20

1.6. La glucose oxydase 1-22

1.7. Technique des durées de vie de luminescence appliquée aux senseurs optiques 1-23

1.8. But de notre travail 1-25

1.9. Références bibliographiques 1-26

IV

Chapitre II- Partie expérimentale II-1

n.l.Fabrication des phases indicatrices 11-2

Remarques préliminaires II-2

Monolithes II-2

Monolithes fabriqués au cours de la phase exploratoire II-2 Monolithes utilisés pour mesurer l’activité enzymatique de la GOD immobilisée

dans un verre II-3

Monolithes utilisés comme phase indicatrice d’une optrode à glucose II-3

Films minces II-3

Traitement des lames ü-3

Films minces fabriqués par dip coating 11-3

Films minces fabriqués par spin coating II-4

n.2.Mesures d’absorption et de luminescence II-5

Instrumentation II-5

Mesure d’absorption II-5

Mesure de luminescence H-S

Spectres d’émission H-S

Flux d’émission II-6

Durée de vie de luminescence II-6

Dispositifs de mesure de l’absorption et de l’émission de films minces et de monolithes dopés

avec le complexe du ruthénium II-7

Mesure de spectres d’absorption de films minces 11-7

Mesure de spectres d ’émission de monolithes en phase gazeuse II-7

Détection du glucose H-8

Mesure de l’intensité et de la durée de vie de luminescence de films minces en phase

gazeuse II-9

Mesure de l’intensité et de la durée de vie de luminescence de films minces en phase

solvant n-9

Mesure de spectres d ’ émission de films minces en phase gazeuse H-10

Mélanges gazeux II-l 1

n.3.Mesure d’isothermes d’adsorption et de désorption d’azote 11-12

Appareillage 11-12

Principe de la mesure des isothermes 11-12

n.4.Estimation de l’épaisseur d’un film mince 11-14

n.S.Mesure de l’activité enzymatique de la glucose oxydase 11-15

Introduction 11-15

Préparation des solutions 11-15

Mesure de l’activité enzymatique en solution EI-l5

n.6.Détermination de l’intensité des sources lumineuses LED du fluorimètre à flux et

lampe à arc au xénon du spectrofluorimètre Shimadzu RF-5001PC 11-17

Principe de l’actinomètre au ferrioxalate de potassium II-l 7

Préparation d’une solution stock 0.15 M de K3pe(C204)3 II-l 7

Courbe de calibrage H-18

Détermination de l’intensité de la LED et de la lampe à arc au xénon 11-19

Lampe à arc au xénon D-19

LED n-19

n.7.Résolution du complexe RuCphenljClj 11-20

n.S.Références bibliographiques

III. Fabrication et caractérisation de verres monolithes dopés avec la glucose oxydase et le complexe ruthénium(II) tris(l,10-phénanthroline) -

Application à une optrode à glucose III-l

ni. 1.Introduction ni-2

ni.2.Phase

exploratoire

Introduction III-3

pH hydrolyse 1.5 III-3

pH hydrolyse 2.5 ni-4

ni.3.Caractérisation des monolithes présentant une activité enzymatique III-6

Caractérisation du système poreux ni-6

Mesure de l’activité enzymatique de la glucose oxydase immobilisée dans un monolithe ni-9 Mesme de l’extinction par l’oxygène de la luminescence du complexe Ru(phen)3Cl2

immobilisé dans im monolithe ni-11

ni.4.Utilisation d’un monolithe comme phase indicatrice d’une optrode à glucose ni-13

ni.5.Conclusions et perspectives III-14

ni.6.Références bibliographiques ni-15

Appendice III- Calcul de la courbe de distribution de rayon de pores

associée à un monolithe Ml III-AI

Introduction théorique IÜ-A2

Calcid de la courbe de distribution de rayon de pores associée au monolithe Ml III-A4

Chapitre IV - Etude de Vinfluence de Venvironnement sur la luminescence du complexe ruthénium(II) tris(l,IO-phénanthroline) immobilisé dans

un film mince en verre poreux fabriqué par dip coating IV-I

IV. 1.Introduction IV-2

IV.2.Comparaison des intensités I, et des durées de vie <Tg> de luminescence sous azote IV-2 rV.3.Mesure de l’extinction de la luminescence du complexe Ru(phen)

Cl

incorporé

dans un film mince en verre poreux soumis à différents solvants saturés en oxygène IV-5 IV.4.Evolution de la réponse d’un film mince en verre poreux au cours du temps IV-8

Evolution de l’intensité de luminescence Ig IV-8

Evolution du rapport VI IV-10

Effet d’ime irradiation sur l’intensité de luminescence d’un film mince FDC2 IV-12 Effet d'une irradiation intense d ’m film mince FDC2 IV-12 Les modèles de photoextinction et de photoénantiomérisation IV-14 Effet d'une irradiation intense prolongée d ’un film mince FDC2 IV-19 Effet d'une irradiation intense d ’un film mince FDC2 plongé dans l ’eau déionisée IV-20 Nature de la modification de la configuration cavité - luminophore IV-22 Effet d’une irradiation par la LED des films minces FDC2 IV-24 Effet de la circulation d’im gaz sur l’intensité de luminescence d’un film mince FDC2 IV-25

Réponse d’xm fihn mince lors d’un mouillage par l’eau IV-27

IV.S.Conclusions IV-29

VI

IV. ô.Références bibliographiques FV-31

Appendice IV- Calcul des rendements quantiques de photoextinction et de

photoénantiomérisation IV-Al

Calcul du rendement quantique de photoextinction IV-A2

Calcul du rendement quantique de photoénantiomérisation IV-A3

V. Senseurs optiques basés sur la technique des durées de vie de luminescence:

mise au point V-1

V.l.Introduction V-2

V.2.Position relative suivant la phase indicatrice des courbes VI et <x^!<X>

portées en fonction de la pression partielle en oxygène V-2

V.3. Simulations numériques V-5

V.4.Conclusions V-10

V.S.Références bibliographiques V-11

Appendice V - Code Mathematica utilisé pour le calcul des extréma de

la courbe < portée en fonction p02 dans le cas 5 V-Al

Calcul de la dérivée première par rapport à pÛ2 de l’expression de <To>/<t> dans le modèle

à deux sites V-A2

Entrée de l'expression de < ^to>/< t> V-A2

Calcul de la dérivée première V-A4

Calcul des racines de la dérivée première dans le cas 5: Tqi = 0.425 ps, Tq2 = 0.0755 ps V-A6

Entrée de l'expression de la dérivée première V-A6

Expression de la dérivée première V-A10

Simplification de l’expression de la dérivée première V-A 12

Calcul des racines de la dérivée première V-A 13

Conclusions générales

Chapitre I

Introduction générale

Chapitre 1-2

Remarques préliminaires

Cette introduction rassemble un certain nombre de prérequis à la lecture de la thèse. Après avoir situé le contexte dans lequel s’inscrit notre recherche, les notions auxquelles nous faisons appel dans le développement de notre thèse ainsi que le but de notre travail seront décrits.

Par convention, le séparateur décimal est représenté dans cette thèse par im point.

I.l.Les optrodes

Avec le développement de la technologie des fibres optiques est apparu un nouveau type de senseurs:

les senseurs optiques ou optrodes. Le terme optrode provient de la contraction des mots optical et electrode signifiant que le signal utile est optique et non électrique.

D existe plusieurs classifications des senseurs optiques'’^ Une première classification est basée sur le domaine d’application: les senseurs chimiques permettant la détermination du pH, des concentrations en ions, en gaz; les biosenseurs dont le signal est généré via l’utilisation d’une enzyme et les immunosenseurs dont le signal est le résultat de l’interaction ou non entre un anticorps et un antigène. Les senseurs optiques peuvent également être classés suivant la nature du signal optique employé, entre autre, l’absorbance, les intensités et diurées de vie de luminescence, l’indice de réfraction. Enfin, suivant que la modification du signal se déroule à l’extérieur de la fibre optique, celle-ci jouant simplement un rôle de guide Imnière, ou que cette modification est liée à im changement des propriétés optiques de la fibre elle-même, les senseurs optiques sont qualifiés respectivement d’extrinsèques et d’intrinsèques. Les senseurs optiques extrinsèques sont de première génération si l’analyte fournit directement le signal analytique par exemple via son émission ou son absorption propre. La deuxième génération comprend les senseurs basés sur la modification d’une propriété optique (émission, absorbance, durée de vie de luminescence) d’un indicateur par l’analyte.

Enfin, dans le cas d’analytes ne pouvant être associés à un indicatem, par exemple, les molécules intervenant dans des processus biologiques comme le glucose ou le lactate, la détection se fait de manière indirecte via un des autres réactifs ou im des produits formés d’une réaction biocatalytique consommant l’analyte. Ce réactif ou ce produit peut, lui, être associé à un indicateur et ainsi être détecté. Ce type de senseurs est dit de troisième génération.

Avantages et désavantages des optrodes

Les optrodes ont des avantages que ne présentent pas nécessairement les méthodes électro- chimiques^’. Le signal étant optique, les optrodes ne sont pas sujettes aux interférences électromagnétiques, permettent l’analyse de milieux vivants sans mise sous tension électrique et la contrainte intrinsèque de conductivité électrique est absente. L’utilisation de fibres optiques permet la transmission simultanée à grande distance et avec des pertes faibles d’une quantité importante de signaux optiques qui peuvent se différencier suivant par exemple, leur longueur d’onde, leur phase, leur amplitude de modulation. Des analyses simultanées en différents endroits avec centralisation des données en im seul lieu sont également facilement réalisables.

D’im autre côté, l’utilisation d’xm signal optique présente aussi quelques désavantages dont l’interférence de la lumière ambiante, la destruction photochimique de l’indicateur, la luminescence et l’absorption propre de la fibre'’'. De plus, le domaine de concentration analytique est souvent plus limité que celui des senseurs à réponse nemstierme*’’^’.

Chapitre 1-3

Les optrodes de deuxième génération

Les optrodes de deuxième génération sont également appelées optrodes à phase indicatrice. Celles-ci sont constituées d’un support, généralement un polymère organique, dans lequel est immobilisé l’indicateur sensible à l’analyte; l’ensemble étant positionné en bout de fibre. Les optrodes à oxygène basées sur l’extinction de la luminescence de l’indicateur par l’analyte constituent l’exemple type des optrodes de deuxième génération.

Ces senseurs se composent d’vme source lumineuse; la lumière produite par celle-ci est guidée par fibres optiques vers la phase indicatrice placée en bout de fibre et en contact avec le milieu contenant l’analyte. La lumière émise par l’indicateur et dont l’intensité dépend de la concentration en oxygène est collectée par un autre ensemble de fibres et est guidée vers le système de détection (figure 1.1.1 ).

source lumineuse

hv excitation phase indicatrice

\ i

\ fibre optique ▼

détection h ^V émission /

Figure I.l.l: Schéma général d’une optrode à phase indicatrice

Le choix de rinstrumentation (source lumineuse, système de détection, type de fibres optiques) ne sera pas discuté ici. Nous pouvons néanmoins citer, parmi les sources lumineuses les plus utilisées, les lampes à arc au xénon, les lampes néon et les LED (diodes émettrices de lumière) et parmi les systèmes de détection, les photomultiplicateurs et les photodiodes. En ce qui concerne les fibres optiques, celles-ci peuvent être en matière plastique, en verre ou en silice fondue.

Choix et préparation de la phase indicatrice

Le choix et la préparation de la phase indicatrice est, pour le chimiste, l’étape la plus importante dans le développement d’une optrode.

Choix de l’indicateur

Dans le cas des optrodes à oxygène basées sur l’extinction de la luminescence, l’indicateur doit posséder un rendement quantique et une durée de vie de luminescence élevés. Sa luminescence doit bien sûr être sensible à l’oxygène. La séparation des spectres d’émission et d’absorption (déplacement de Stokes) doit être suffisante afin de faciliter la séparation, par des filtres, des lumières excitatrice et émise. L’indicateur doit également être photochimiquement stable et bien dispersable dans la matrice.

Choix du support

Le choix du support a im effet important sur les performances du senseur et en particulier sur son temps de réponse: celui-ci sera régi par le coefficient de diffusion du gaz, par sa solubilité et donc par la perméabilité du support à ce gaz. La matrice polymérique peut également jouer le rôle de membrane de sélection. Par exemple, dans le cas du dosage de l’oxygène en milieu aqueux, la membrane sera choisie hydrophobe: le gaz pourra diffuser librement à travers celle-ci tandis que

Chapitre 1-4 l’eau, susceptible de solubiliser l’indicateur, n’y pénétrera pas. Le support doit aussi être transparent à la longueur d’onde d’excitation de l’indicateur. Par exemple, l’utilisation de polymères comme le polystyrène ou le polyéthylène doit se faire avec précautions car ils peuvent montrer ime fluorescence intrinsèque sous excitation dans l’UV, ce qui entraîne ime diminution du rapport signal/bruit de fond.

Immobilisation de l'indicateur dans le support

n existe trois grandes techniques d’immobilisation de l’indicateur dans le support^'’^’.

L’immobilisation mécanique consiste à inclure les molécules de luminophore dans les cavités du support qu’elles ne peuvent en principe quitter. L’immobilisation chimique se fait par formation de liens covalents entre l’indicateur et le polymère. Cette technique nécessite souvent la modification chimique du polymère ou de l’indicateur de façon à ce qu’ils aient des fonctions chimiques adéquates pour former des liens covalents. Enfin, l’immobilisation électrostatique consiste en un lien électrostatique entre des groupes fonctionnels chargés à la surface du support et un indicateur de charge opposée.

Quelques exemples d’optrodes à oxygène

Les optrodes dont les phases indicatrices sont décrites ci-dessous, sont basées sur l’extinction dynamique de la luminescence de l’indicateur par l’oxygène. La relation entre la concentration en oxygène [O2] et l’intensité de Imninescence I est donnée par l’équation de Stem-Volmer:

■^ = ^ = l + kç,x„[0,]=l + Ksv[0,] (U.1)

avec L: intensité de luminescence en l’absence de quencher, kg: constante d’extinction bimoléculaire,Tq et x: durées de vie de luminescence respectivement en absence et ai présence d’oxygène, Kgy: constante de Stem-Volmer

Les phases indicatrices les plus répandues sont celles composées d’une matrice en silicone dans laquelle est immobilisé un complexe a-diimine du ruthénium'^'^. Les avantages qu’offrent ces complexes sont présentés au sous-chapitre 1.5 p. 20.

Le silicone possède une perméabilité élevée à l’oxygène par rapport aux autres polymères organiques mais également une bonne stabilité mécanique et chimique'®'. Le caractère hydrophobe du silicone donne à ce type de matrice un rôle de membrane de sélection mais les complexes du ruthénium étant des sels, leur solubilisation est limitée. Des solutions à ce problème existent: remplacer les contre- anions classiques (Cf, Br, CIO4) par des contre-anions du type dodécylsulfate'®', adsorber préalablement ces complexes sur de la silice avant l’incorporation dans la matrice en silicone'^ ou encore, gonfler le silicone à l’aide d’une solution de dichlorométhane contenant l’indicateur''*'.

Peterson'®' ont développé xm autre type de phase indicatrice. L’indicateur, le pérylène dibutyrate, est adsorbé sm des billes d’im adsorbant, l’Amberlite XAD4, ces billes étant ensuite placées dans une enveloppe en polypropylène perméable à l’oxygène.

Enfin, dans notre laboratoire, nous avons mis au point plusieurs phases indicatrices pour optrodes à oxygène. La première'*' est constituée du complexe iridium(III) trisphénylpyridyne adsorbé dans les porosités de grains d’Amberlite XAD4 préalablement broyés et traités au toluène. Ces grains dopés sont ensuite dispersés sur un support (lame pour microscopie en verre) par l’intermédiaire d’un adhésif double face. Les autres phases indicatrices''”' ont toutes le complexe platme(II) cis-bis[2,2’- thiényl)pyridine] comme indicateur. Celui-ci a été incorporé dans différentes matrices: films de polydiméthylsiloxane (PDMS), films de polystyrène et enfin, grains d’Amberlite XAD4

préalablement broyés et traités au toluène, dopés avec le complexe du platine et ensuite dispersés dans un film de PDMS.

Chapitre 1-5

Déviation à la relation linéaire de Stem-Volmer

Tous les systèmes luminophore-matrice qui vieiment d’être décrits plus haut présentent une déviation par rapport à la relation linéaire de Stem-Vohner. Une courbure négative est observée et peut être rationnalisée en terme d’un modèle multi-sites*"^: en raison des microhétérogénéités présentes dans le support, celui-ci est constitué de n sites qui émettent et qui possèdent leur propre durée de vie de luminescence X; et leur propre constante de Stem-Vohner Ksvj- La relation de Stera-Volmer en intensité s’écrit alors:

io

I

1

n f

y___h______

éfi+K,v^^[oJ

(

.

.

)

avec fj: fraction de l’intensité d’émission totale due au i*”' site en l’absence de quencher; = 1

i=l

Le modèle le plus simple et le plus fréquemment utilisé est le modèle à deux sites (n = 2).

La courbime négative peut également s’expliquer en terme de déviation de la solubilité du gaz dans le polymère par rapport à la loi de Henry. Li'*^^ propose un modèle dans lequel la solubilité du gaz résulte de la dissolution normale obéissant à la loi de Henry et de l’accumulation de gaz dans des microcavités. L’équation de ce modèle est:

io _ 1 . K_ K [O 1 + , -I + K

K

[0,]+ ,,, J, <1.1 J)

avec Kgv: constante de Stera-Volmer, Kj,: constante de Henry, K,: constante de saturation des cavités et b: constante d’affinité des cavités pom l’oxygène

n est facile de montrer que les équations 1.1.2 et 1.1.3 peuvent être réduites à une forme analytique identique^‘^1

Optrodes à glucose

Voici quelques années, un petit nombre d’optrodes à glucose ont été développées et cette approche semble prometteuse. La phase indicatrice est celle d’une optrode à oxygène classique (indicateur incorporé dans une matrice polymérique) et l’enzyme glucose oxydase (CjOD) est immobilisée dans une deuxième matrice couplée à la première (figure 1.1.2).

Chapitre 1-6

hv émis

hv excitation

hv émis

matrice I /

+■ indicateur . O2

matrice II + j

A A

;lucose oxydase

fibre optique

phase indicatrice

p-D-glucose O2 H2O2 acide D-gluconique

Figure 1.1.2: Principe d’une optrode à glucose de troisième génération

La glucose oxydase catalyse la réaction d’oxydation du P-D-glucose en D-gluconolatone:

P-D-glucose + O2 —> D-gluconolatone + H2O2 La D-gluconolactone réagit rapidement avec l’eau pour former l’acide D-gluconique.

Lorsque la phase indicatrice est plongée dans un milieu contenant du glucose et de l’oxygène, ces substances diffusent à travers la matrice II et la réaction enzymatique a lieu. La décroissance de la concentration en oxygène provoque une augmentation de l’intensité de Itiminescence de rindicatem qui, lorsque l’état stationnaire est atteint, peut être le reflet de la concentration en glucose. Il faut souligner que le glucose peut également être dosé via la production de paroxyde d’hydrogène ou via l’augmentation du pH due à la production d’acide D-gluconique.

Moreno-Bondi^'"*’ a utilisé un gel de glutardialdéhyde contenant l’enzyme GOD couplé à im film de silicone dans lequel sont immobilisées des billes de silice sur lesquelles est adsorbé le complexe Ru(bpy)3^'’; l’ensemble étant disposé sur un support en polyester (figure 1.1.3). Le domaine dynamique du senseur est compris entre 0.06 mM et 1 mM en glucose dans un tampon phosphate 0.1 M pH 7.0 et les temps de réponse sont également de l’ordre de 5 minutes.

Figure LU: Schéma de la phase indicatrice de l’optrode de Moreno-Bondi^‘^’

E: gel de glutardialdéhyde + GOD, C: couche de carbone noir, R: film de silicone + indicateur et P: support en polyester

Trettnak'*^^ a immobilisé la glucose oxydase dans tme membrane de nylon 6-6. Celle-ci est en contact avec un fihn de silicone dans lequel est incorporé l’indicateur, le décacyclène, et l’ensemble est disposé sur un support en plexiglas recouvert d’un film de polyester (figure 1.1.4). Des

concentrations en glucose comprises entre 0.1 mM et 20 mM dans un tampon phosphate 0.1 M pH 7.0 ont été détectées avec im temps de réponse de l’ordre de 5 minutes.

Chapitre 1-7

Oi Glu H,0, GL

i: *-7S|un

; ; —10 i»in

, >l7S|Mn

, I 4 mm

Figure 1.1.4: Schéma de la phase indicatrice de l’optrode de Trettnak'*^^

N: membrane de nylon 6-6 + GOD, I: film de silicone + décacyclène, PF: film en polyester, PS: support en plexiglas. Glu: glucose et GL: gluconolactone

Enfin, un autre type d’optrode à glucose a été construit par Schultz''®' et rappelle les optrodes de première génération. Le principe est la compétition entre le glucose et le dextrane (analogue du glucose) marqué par la fluorescéine pour la liaison avec im récepteur: la Concanavaline (Con A).

Con A ayant une plus grand affinité pour le glucose, l’augmentation de la concentration en celui-ci entraîne le largage du dextrane marqué du site actif et son remplacement par le glucose. Le taux de glucose est déterminé par la mesure de l’augmentation de la fluorescaice de la solution. La phase indicatrice est constituée d’im tube pour dialyse sur les parois duquel est immobilisée la concanavaline A. Ce tube chargé en dextrane marqué par la fluoresceine, est ensuite scellé à une extrémité et est fixé à ime fibre optique reliée au système de détection à l’autre extrémité (figure 1.1.5).

NOIpLON

ri»c* oxursxs rxtot Xrv«BIUZCI)

COH R

Figure 1.1.5: Schéma de la phase indicatrice de l’optrode de Schuitz'**’

Les matrices en verre poreux fabriquées par le procédé sol-gel: un support prometteur dans le domaine des optrodes

L’utilisation de matrices en verre poreux fabriquées par le procédé sol-gel a connu un développement important dans le domaine des senseurs optiques depuis que Ellerby'” ’*’ a montré vers 1992 que des enzymes ou protéines telles que la glucose oxydase, la myoglobine, la cuivre-zinc

dismutase conservent leur réactivité et leurs propriétés spectroscopiques éventuelles lorsqu’elles sont encapsulées dans de telles matrices.

Quelques années auparavant, Avrûri'®' avait encapsulé par le procédé sol-gel différents colorants organiques comme les rhodamines 6G et B dans des films minces en verre poreux. Il a notamment observé une plus grande photostabilité et une durée de vie de luminescence plus longue par rapport à celles mesurées lorsque ces colorants sont immobilisés dans des matrices organiques.

MacCraith'^^ a développé la première optrode dont le support de la phase indicatrice est ime matrice sol-gel. n s’agit d’une optrode à oxygène basée sur le principe des ondes évanescentes. La phase indicatrice n’est pas placée en bout de fibre optique mais le manteau de celle-ci est ôté siu quelques centimètres et est remplacé par un nouveau manteau en verre poreux contenant le complexe Ru(bpy)3^. Les résultats obtenus s’avèrent encourageants notamment en ce qui concerne les effets d’augmentation du diamètre des pores via la variation des paramètres du procédé sol-gel et leurs répercutions sur la sensibilité à l’oxygène du senseur.

Bright'^’’ a encapsulé des anticorps antifluorescéine dans une matrice sol-gel et a observé que l’affinité des antifluorescéines pour la fluorescéine est conservée. Néanmoins, la constante d’affinité répresente la moitié de celle mesurée en solution tampormée.

Ces quelques exemples montrent l’intérêt de l’utilisation de ce type de support dans le domaine des optrodes. Cet intérêt est encore renforcé au vu des avantages potentiels qu’offient les matrices sol- gel par rapport aux matrices organiques classiquement employées'^’^l

Tout d’abord, le procédé sol-gel se déroule à température ambiante. Des molécules ayant ime faible stabilité thermique comme des protéines peuvent donc être immobilisées dans ce type de matrice.

Dans le cas de la fabrication de matrices organiques, une étape de vulcanisation à chaud est parfois nécessaire, ce qui exclu l’immobilisation de protéines'®'.

Les matrices sol-gel peuvent se présenter sous différentes formes: monolithes (dimensions supérieures à 1 mm), fihns minces (épaisseur inférieure ou égale à 1 micron), fibres, poudres.

Les caractéristiques du système poreux (surface et volmnes spécifiques et diamètre des pores) peuvent être adaptées, dans certaines limites, en fonction du domaine d’application de la matrice.

Les dopants étant immobilisés dans des microstructures ressemblant à des cages, le phénomène de largage {leaching) du dopant par la matrice est en principe réduit.

Ces verres offient également des qualités optiques supérieures (notamment la transparence), une robustesse et une meilleure résistance aux agents chimiques.

Enfin, le coût de la fabrication de phases indicatrices par le procédé sol-gel est faible.

Chapitre 1-8

Chapitre 1-9

1.2.Le procédé sol-gel

Introduction

n convient préalablement de définir les termes sol et gel^^'. Un sol est une suspension colloïdale de particules solides dans im liquide. Ces particules peuvent se lier entre elles et former des agrégats de taille plus élevée. Lorsqu’il ne subsiste qu’un agrégat de dimensions macroscopiques, le sol est devenu un gel. Un gel est une substance composée d’xm squelette solide continu enfermant ime phase liquide continue. Suivant que les particules s’agrègent par liens covalents, par interaction de type Van der Waals ou par enchevêtrement de chaînes, on parle respectivement de gel polymérique, de gel particulaire et de gel gélatine'^^.

Le procédé sol-gel comprend 4 étapes: hydrolyse du précurseur qui est un alcoxyde métallique M(OR)n où M = Al, Si, Ti, Zr suivi de la condensation, gélification, maturation et séchage. Dans le domaine des senseurs et des biosenseurs optiques, la fabrication de la phase sensible par le procédé sol-gel se fait généralement à partir de tétraalcoxyde de silicium Si(OR)4. Les deux précurseins les plus utilisés sont le tétraméthoxysilane Si(OCH3)4 ou TMOS et le tétraéthoxysilane Si(OCH2CH3)4 ou TEOS. Cependant, il existe des verres fabriqués à partir de composés mixtes du type aluminosilicate*^^ comme le (diisobutoxyalumino)triéthoxysilane (BuO)2Al—O—Si(OEt)3 mais leur utilisation est peu répandue.

Etapes du procédé sol-gel^^'

Hydrolyse et condensation

L'hydrolyse du précurseur Si(OR)4 se déroule en présence d’un acide ou d’ime base comme catalyseur. Néanmoins l’utilisation d’un acide, généralement HCl, est la plus répandue.

HCl

Si--- OR + H2O ^Si--- OH + ROH

L’eau et les alcoxysilanes étant non miscibles, vm solvant mutuel comme un alcool est utilisé comme agent homogénéisant. Pohl et Osterholz'^' proposent im mécanisme de type SN2 avec inversion passant par un intermédiaire bipyramide à base trigonale.

Après l’hydrolyse, il s'en suit deux réactions de condensation possibles faisant intervenir les groupes silanols et produisant des liens siloxanes:

= Si---OR + HO--- Si= ^ =Si--- O---Si= + ROH

= Si---OH + HO--- Si= — ^Si--- O--- Si= + H2O

Selon Swain'^', le mécanisme de la condensation est de type SN2 et passe par un intermédiaire qui est un atome de silicium pentacoordiné.

Gélification

D'après la condensation des monomères a lieu de façon à maximiser le nombre de liens siloxanes et à minimiser le nombre de groupes hydroxyles terminaux par condensation interne. Des oligomères cycliques (trimères, tétramères) sont donc rapidement formés. Des monomères viennent se condenser sur ces oligomères créant des réseaux tridimensionnels appelés noyaux. La croissance

Chapitre I- 10 de ceux-ci se déroule ensuite par un mécanisme appelé maturation d’Ostwald: les p>etits noyaux très solubles se dissolvent et se condensent sur les noyaux de taille plus élevée moins solubles.

La croissance s’arrête quand la différence de solubilité entre les petits et les gros noyaux devient de l’ordre de quelques ppm. Ensuite, ces particules se condensent et forment des chaînes puis des réseaux qui s’étendent à travers le milieu liquide qui s’épaissit en gel. Le point de gélification est atteint quand les liens entre des amas géants sont formés et donnent naissance à une molécule de dimensions macroscopiques s'étendant à travers tout le volume occupé initialement par le sol.

Maturation

Cette étape comprend les processus de changements de structure et de propriétés après la gélification. Ces principaux processus sont:

• La polymérisation: augmentation de la coimectivité du réseau par des réactions de condensation.

• La synérèse: le gel se contracte et expulse le liquide des pores. Ce phénomène a lieu quand deux groupes Si—OH se condensent et expulsent ime molécule d'eau. U en résulte une contraction de la phase solide. Le rétrécissement du réseau peut aussi résulter de mouvements de chaînes flexibles conduisant à la formation d'un lien siloxane entre celles-ci et donc à leur rapprochement.

• Dissolution et reprécipitation: ces processus sont régis par la différence de solubilité entre surfaces ayant des rayons de courbures différents. Un mouvement de matière (figure 1.2.1) est observé à partir de surfaces ayant un rayon de courbure positif (particules) vers les régions ayant un rayon de courbure négatif r„ (étranglements).

transport

Figure 1.2.1: Représentation du phénomène de redissolution-reprécipitation'^’

La croissance des étranglements provoque une augmentation de la rigidité du gel. Le résultat global de ces processus est la diminution de la surface des pores et une augmentation de leur taille moyenne (figure 1.2.2).

Figure 1.2.2: Représentation du résultat du phénomène de redissolution-reprédpitatiou^124]

Chapitre I- Il Séchage

Lors du séchage, les solvants (eau et alcool) s'évaporent lentement (cela peut prendre plusieurs semaines). Le processus a lieu en 3 étapes:

• Le gel rétrécit d'un volume égal au volume de liquide évaporé et l'interface liquide-vapexir reste à rextérievu du gel (figure 1.2.3).

ménisque liquide-vapeur pores remplis

phase solide

A

B

Figure 1.23: A: Structure du gel avant séchage, B: Première étape du séchage du gel'“^

• Le rétrécissement s'arrête (le gel devient trop rigide); le ménisque (interface liquide-vapeur) entre à l'intérieur des pores (figure 1.2.4).

porcs vides

Figure 1.2.4: Deuxième étape du séchage du gel*^'

• Evaporation du liquide se trouvant dans les anfractuosités à l'intérieur des pores et diffusion de la vapeur vers l'extérieur de ceux-ci.

Le verre obtenu après séchage est appelé xérogel. Le volume de celui-ci peut avoir vm volume égal au dixième du volume du gel à la fin de l'étape de gélification.

Chapitre 1-12

Effets du pH et de la teneur en eau dans le procédé sol-gel

Le pH et la teneur en eau, exprimée par le rapport r„„/si (rapport du nombre de moles d’eau sur le nombre de mole du précurseur), jouent un rôle important à la fois dans l’étape d’hydrolyse mais également dans les étapes de gélification et de maturation.

Effet du pH

• Dans l'étape d'hydrolyse: la vitesse de réaction est d’ordre 1 par rapport à la concentration en catalyseur (acide ou base). Cette vitesse est minimale à pH 7 et augmente de part et d'autre de celui-ci.

• Dans l'étape de gélification: le domaine de pH à considérer dans notre cas est celui compris entre les pH critiques 2 (pH isoélectrique et de charge nulle) et 7 (vitesse d'hydrolyse minimale). Dans ce domaine, la condensation a lieu en 2 étapes:

^Si--- OH + OH"--- ► ^Si---0"+ H2O

=Si---0‘+ HO--- Si^--- ►^Si---O--- Si^ +OH-

La vitesse de condensation est proportionnelle à la concentration ea ion OH". Les silanols les plus acides et donc les plus aptes à être déprotonés sont ceux qui sont les plus condensés, c’est-à-dire faisant partie d’amas de grande taille. La condensation se déroule donc entre espèces condensées et moins condensées. La croissance est qualifiée de croissance monomère-amas.

• Dans l'étape de maturation: la solubilité des petites particules augmentant avec le pH, les phénomènes de dissolution et reprécipitation sont plus nombreux si le pH augmente, ce qui conduit à des amas de taille plus élevées.

De façon générale, l'augmentation de pH entraîne ime condensation entre amas de plus grande taille, ce qui augmente le rayon des pores mais diminue la siuface spécifique du système poreux.

Effet du rapport molaire rgau/Si

L'augmentation du rapport r„u/si provoque une augmentation de la vitesse d'hydrolyse mais également de la vitesse de dissolution dans l'étape de maturation. Pour r^^/si ^ 4 (4 étant le rapport stoéchiométrique), l'hydrolyse peut être complète avant le début de la condensation. Pour r^ju/si < 4, la condensation commence avant que l'hydrolyse soit complète. Les groupements siloxanes non hydrolysés réduisent la fonctionnalité des amas, ce qui a pour effet la formation de structures moins branchées.

L'augmentation du rapport r^^/a entraîne donc la formation d'amas de plus grande taille, ce qui engendre les mêmes effets sur le rayon des pores et la surface spécifique que l'augmentation du pH.

Le problème de la fragilité des verres monolithes

Un des problèmes les plus importants rencontré dans la fabrication de verres monolithes par le procédé sol-gel est l’apparition de fractures et de cassures durant le séchage du gef^l La cause de ce phénomène est la présence de fortes tensions capillaires au niveau de la paroi des pores. Si ceux-ci

Chapitre 1-13 sont considérés comme des capillaires cylindriques de rayon a (figure 1.2.5), la pression capillaire Ap excercée par le liquide contenu dans un tel capillaire est donnée par l’équation de Laplace'^®^:

Ap = 2yl_vcos0

a

(

.

.

)

avec yL.v^ tension de surface à l’interface liquide-air, 0: angle de mouillage

Figure 1.2.5: Schéma de l’interface liquide-air dans un capillaire cylindrique de rayon a

La diminution de la pression capillaire peut donc se faire via une augmentation de a ou une diminution de Yl.v

L’augmentation du rayon des pores implique une modification des paramètres du procédé sol-gel tels que le pH d’hydrolyse ou le rapport r^ju/si-

La diminution de la tension de surface Yl-v se fait par addition au sol d’un surfactant, aussi appelé Drying Control Chemical Additive (DCCA). Les DCCA couramment utilisés sont: le N,N- diméthylformamide‘^°', le glycérof^', l’acide oxalique'^'*' et le Triton X-lOO''®’.

Le mélange eau-alcool contenu dans les pores est remplacé par un mélange eau-alcool-DCCA ayant une tension de surface plus faible. L’effet du DCCA permet également d’obtenir des particules de taille plus uniforme au niveau du sol, ce qui entraine une moins grande dispersion de la distribution du diamètre des pores et donc ime diminution des cassures dues aux tensions différentielles entre des pores de taille différente (figure 1.2.6).

Figure 1.2.6: Représentation des tensions différentielles entre deux pores de taille différente

Etude de la transition sol-gel via l’encapsulation de photosondes

L’encapsulation de certains luminophores permet d’étudier les variations structurales à l’échelle moléculaire lors de la transition sol —> gel —> xérogel. Le principe de ces photosondes est la dépendance d’tme ou de plusieurs caractéristiques de leur émission avec la nature du milieu environnant.

Kaufinan^^*' a introduit du pyrène au niveau du sol et a suivi l’évolution du spectre d’émission de celui-ci au cours de la gélification et du séchage du gel. Le pyrène a été choisi pour sa capacité à former un excimère ayant ime émission caractéristique (entre 440 nm et 520 nm) et également parce que les rapports des intensités des pics 1 et 3 (I1/I3) et 1 et 5 (I,/Ij) de la structure vibronique du

Chapitre 1-14 spectre d’émission du monomère sont sensibles à la polarité du milieu enviroimant: plus celui-ci est polaire, plus les rapports I,/l3 et I,/Ij sont élevés. La mesure de ces deux paramètres (intensité du spectre d’émission de l’excimère et rapport I,/Ij) ont permis de suivre l’évolution de la microstructure et de la polarité du milieu à différents stades de la transition sol —> gel —> xérogel (figure 1.2.7).

Figure 1.2.7: Evolution des spectres d’émission (à droite) et d’excitation (à gauche) du pyrène encapsulé dans un gel de silice par le procédé sol-gel^’*’

A: juste après la préparation du sol. B: 48 h après la préparation du sol (point de gélifîcation), C, D, E et F: respectivement 80 h, 100 h, 172 h et 288 h après la préparation du sol

Une augmentation croissante de l’intensité d’émission de l’excimère est observée jusqu’à atteindre un maximum (cas D). Ceci résulte de l’augmentation du nombre de pores, de la diminution de leur taille moyenne au coins des étapes de gélification et de maturation. Les molécules de pyrène sont donc de plus en plus confinées, ce qui favorise la formation d’excimères. Ensuite, au moment où le gel se transforme en xérogel, la taille des pores diminue encore et devient telle que le volume libre est insuffisant pour deux molécules de pyrène, ce qui provoque une dispersion locale de celles-ci causant la diminution de l’émission de l’excimère (cas E et F).

Le rapport I,/!, évolue de la même manière que l’intensité d’émission de l’excimère; il croît jusqu’à 100 h après la préparation du sol (cas D) puis décroît. L’augmentation durant la gélification et la maturation correspond à une contribution croissante des groupements silanol à la coque de solvatation des molécules de pyrène. Ensuite, le confinement de celles-ci provoque une augmentation de leur concentration locale et donc, une diminution de la contribution des groupements silanol à leur coque de solvatation, causant une diminution du rapport I,/Ij. La valeur finale de celui-ci est proche de celle mesurée dans le méthanol.

McKieman'^' a effectué le même type d’expérience avec le complexe rhenium(I) bipyridyltriscarbonylchlore, ReC^COjjbpy, comme molécule sonde. Celle-ci possède la propriété de rigidochromisme, c’est-à-dire que sa luminescence change avec la rigidité du milieu: le maximum d’émission se déplace vers le bleu et le rendement quantique augmente lorsque la molécule passe d’un environnement fluide à un enviroimement solide.

La longueur d’onde du maximum d’émission, a donc été mesurée à différents stades de la transition sol gel —xérogel (figure 1.2.8).

Chapitre 1-15

Figure 1.2.8: Evolution de la longueur d’onde du maximum d’émission (courbe du bas) et de la masse du gel (courbe du haut) au cours de la transition soi-> gel xérogel

Un déplacement vers le bleu de 590 mn à 560 nm de est observé à partir du point de gélification qui correspond à ime rigidification de l’environnement des molécules de ReCl(CO)3bpy. Celles-ci sont cependant encore entourées de molécules de solvants (eau et alcool). Au début de l’étape de séchage, un nouveau déplacement vers le bleu de se produit: avec l’évaporation des solvants, la flexibilité de l’environnement des molécules de complexe devient quasi nulle. La valeur de après l’étape de séchage est identique à celle mesurée dans l’éthanol solide à 50 K.

Application du procédé sol-gel à l’encapsulage de molécules biologiques

Dans le cas de l’encapsulage de molécules biologiques, différentes modifications sont à apporter au procédé sol-gel classique. Tout d’abord, un alcool ne peut être utilisé comme solvant mutuel de l’eau et du précurseur car il dénature les protéines. L’hydrolyse peut être initiée sans ajout d’alcool en soumettant le mélange précmseur-eau à l’action d’ultrasons^'^’^^’ en présence du catalyseur (acide);

l’enzyme étant ensuite ajoutée au sol. Un mécanisme radicalaire basé sur la production de radicaux OH* par décomposition thermique de l’eau est généralement avancé pour expliquer l’effet des ultrasons sur les réactions en milieu aqueux'^^l

Les enzymes ont une activité optimale dans im domaine de pH généralement compris entre 6 et 8.

L’hydrolyse se déroulant en milieu acide (aux environs de pH 2), l’ajout de l’enzyme au sol dans ces conditions entraîne tm dénaturation de celle-ci. Le pH du sol est donc augmenté par addition d’un tampon avant d’ajouter la solution de l’enzyme à encapsuler*'^'.

Un traitement thermique peut également être appliqué au xérogel*^^'. Les buts recherchés sont le séchage complet du xérogel par évacuation des molécules d’eau adsorbées (température comprise entre 100 °C et 180 °C) ou la stabilisation par rapport aux tensions causées par la réhydratation par désorption des groupes hydroxyles chimisorbés sur la paroi des pores (température comprise entre 500 °C et 800 °C). Ces traitements sont à éviter dans le cas de xérogels dopés avec des protéines car cela provoquerait une dénaturation thermique de celles-ci.

Chapitre I- 16

1.3. Fabrication de films minces en verre poreux

Introduction

n existe plusieurs techniques de fabrication de films minces sur support'^': recouvrement par trempage et centrifugation (dip coating et spin coating), électrophorèse, thermophorèse et déposition (settling). Seules les techniques de dip et spin coating seront utilisées au coms de notre travail.

Dip coating^^^

Cette technique comprend trois étapes principales (figure 1.3.1):

• Etape de trempage: un support, dont la surface est préalablement rendue hydrophile, est trempé dans im récipient contenant le sol.

• Etape de dépôt et drainage: le support est tiré vers le haut à vitesse constante à l'aide d'un moteur.

Le sol en contact avec le support est entraîné avec celui-ci et s’accroche à sa surface. Le sol non accroché est drainé vers le bas.

• Etape d’évaporation des solvants: simultanément, la partie supérieme du film en contact avec l'an­

se transforme rapidement en gel puis en xérogel par évaporation des solvants (eau et alcool).

NMIEIIMON

DIP COATING r\ ï r\4

I

ST ART-UE

Figure 1.3.1: Etapes du processus de dip coating'^^

L'épaisseur h du film est doimée par la relation suivantè^"*’:

h = k

/ \l/2

^r|U VPgy

(U.l)

avec ri: viscosité du sol, U: vitesse de levage du support, p: masse volumique du sol, g: accélération due à la gravité, k = 0.944(tiU/ Yuv))'‘ pour dos valeurs de U et q suffisamment faibles (cas du procédé sol-gel); y^v: tension de surface à l’interface liquide-vapeur

Chapitre I- 17

Spin coating^*^^

Cette technique comprend quatre étapes (figure 1.3.2):

• Etape de déposition: un volume de sol est déposé sur le support qui est à l’arrêt ou en rotation lente.

• Etape d’accélération non-nulle (spin-up): le support commence à tourner et son accélération augmente. Le sol s’écoule radialement vers les contours du support. Cette étape est sous le contrôle de la force centrifuge générée par la rotation du support.

• Etape d’accélération nulle (spin qff): cette étape débute quand l’accélération s’annule et que la vitesse atteint plusieurs milliers de rotations par minute. L’excès de sol dans le film s’écoule radialement vers les contours du support, s’y accumule temporairement et est finalement expulsé.

Cet écoulement ralentit au fur et à mesure que le film s’amincit et que l’évaporation des solvants (quatrième étape) devient importante.

• Etape d’évaporation des solvants (eau et alcool).

M M-U

EVAPORATION

Figure 1.3.2; Etapes du processus de spin coating'^’

L’épaisseur du film dépend principalement de deux forces: une force centrifuge dirigée vers les contours du support et une force de direction opposée due à la viscosité. L’épaisseur finale est donnée par la relation'^':

^finale

1/3

(IJ.2)

avec : masse de solvant par unité de volume, : valeur initiale de p^ , ti: viscosité du sol, a>: vitesse de rotation et e: vitesse d’évaporation des solvants par unité de surface

La technique de spin coating possède certains avantages par rapport à la technique de dip coating: le volume utilisé pour fabriquer un film est faible (quelques dizaines de microlitres suffisent) et les films obtenus ont tme épaisseur plus uniforme'^’. Néanmoins, ces films sont plus denses et ont donc un volume poreux spécifique plus petit que les films préparés par dip coating’^’.

Chapitre 1-18

I.4.Caractérisation du système poreux des verres

Un système poreux est généralement défini par sa surface spécifique Sp (surface des parois des pores par gramme de solide), par son volume poreux spécifique (volxune des pores par gramme de solide) et par son spectre de pores (courbe de distribution du rayon des pores). La détermination de ces caractéristiques se fait par l'intermédiaire de la mesure d'isothermes d'adsorption et de désorption d'un gaz inerte par rapport au solide. Dans notre cas, il s'agit de l'azote. Un isotherme d'adsorption ou de désorption donne la relation entre la quantité de gaz adsorbé et la pression relative p/po (p étant la pression du gaz à l'équilibre et po la pression de vapeur saturante du gaz) pour un gaz et im solide donnés et à température donnée (température de l'azote üquide sous une pression d’une atmosphère:

77.3 K). Les isothermes d’adsorption et de désorption sont respectivement obtenus en soumettant le solide poreux à des pressions relatives en gaz dans le sens des pressions croissantes et décroissantes.

L'examen de milliers d'isothermes résultant d'une adsorption physique de gaz montre que ceux-ci peuvent se classer en cinq groupes (classification de Brunauer, Deming, Deming et Teller, aussi appelée BDDT)'"'’^’.

i

I

l•0 1-0

R«lolly« prMturc

Figure 1.4.1: Les cinq types d'isothermes suivant la classification BDDT (en abscisse: pression relative; en ordonnée: quantité de gaz adsorbé)^^^’

• I: correspond à l'adsorption physique en monocouche qui se déroule sur les solides microporeux (dont le diamètre des pores est inférieur à 2 nm).

• H: correspond à l'adsorption physique sur plusiems couches dans le cas des solides non poreux.

• III: typique de l’adsorption de molécules qui présentent des interactions entre elles plus fortes que les interactions entre ces mêmes molécules et la surface sur lesquelles elles s’adsorbent.

• rV: typique des xérogels de silice et d'alumine contenant des mésopores (diamètre des pores compris entre 2 et 20 nm) et des macropores (diamètre supérieur à 20 nm); la présence de micropores pouvant donner des isothermes de type I.

• V: plutôt rare; typique de l’adsorprtion de vapeurs de n-pentane sur xm gel de silice présentant des mésopores.

Chapitre 1-19 La surface spécifique est calculée par la méthode BET (Brunauer, Emmett et Teller)'^®’^^'. Cette procédure est la généralisation à l’adsorption en pliuicouches du modèle de Laugmuir*^** qui décrit l’adsorption sior monocouche.

L’équation du modèle BET est la suivante'^’’:

P 1 , c-1 P

Ha(Po-P) CUm CUniPo

(1.4.1)

avec p: pression du gaz à l'équilibre, po: pression de v^eur saturante du gaz, n,: nombre de molécules ou de moles de gaz adsorbées par gramme de solide, n„,; capacité de la monocouche (nombre de molécules ou de moles de gaz adsorbées par gramme de solide lorsque la monocouche est remplie), C: paramètre dépendant de l'énergie d'adsorption différentielle E,- L (E, étant l'énergie de désorption dans la première couche et L, l'énergie d'adsorption dans les couches supérieures)

Les valeurs de C et de n sont calculées en portant Ybet = p/(ii«(po - p)) en fonction de p/po dans le domaine de pression relative compris entre 0.05 et 0.3.n\

La surface spécifique Sp est obtenue en multipliant n„, par Taire de la section d’une molécule d’azote (0.162 nm').

Le volume poreux est calculé par application de la règle de Gtirvitsch'^®': la région de l'isotherme proche de p/po égal à 1 représente le remplissage de tous les pores par l'adsorbat (azote) dans sa phase liquide et donc le volume poreux Vp est égal au rapport de la quantité adsorbée (en gramme) à la saturation par la masse volumique p de l'adsorbat liquide (0.8081 g/ml pour Tazote).

Le spectre de pores est la courbe de distribution du rayon des pores. Dans le cas des isothermes de type rv présentant une hystérèse, les rayons de pores sont obtenus à partir de l’équation de Kelvin appliquée à l’isotherme de désorption, et plus particulièrement dans le domaine de pression relative correspondant à Thystérèse'^®', appelé aussi domaine de condensation capillaire.

L’équation de Kelvin pour des pores de forme cylindrique est la suivante'^®':

_ 2YL-yCOse

Po rRT

(1.4.2)

avec p/po: pression relative, Yl-v'- tension de surface à l'interface liquide-air (0.00885 Nm ' pour l’azote), V: volume molaire de l'adsoibat liquide (34.6 10 ‘m’ mol '), r: rayon de pore, 0: angle de contact entre le ménisque de l’adsorbat hquide et la paroi du pore (dans le cas des solides poreux, la simplification0 = 0 est faite car il est difficile d’estimer cet angle), T = 77.3 K et R = 8.314 J mol ' K '

Le spectre de pores est calculé de la manière suivante'^®': dans ce domaine de condensation capillaire, on se donne, à intervalles réguliers, différentes pressions relatives (p/po)i auquelles correspondent les volumes adsorbés Vj. Le rayon r; est calculé par application de l'équation de Kelvin. Si la quantité de gaz préalablement adsorbé sur les parois est négligée, est égal au volume de tous les pores ayant un rayon supérieur ou égal à r^, tous ces pores étant remplis quand la pression relative (p/po)i est atteinte. V; est porté en fonction de r^ et la courbe de distribution de rayon de pores est la courbe dérivée obtenue en portant dV/chi en fonction de rj.

Une méthode de calcul de cette courbe est celle de Pierce'^’' basée sur le modèle de Barrett, Joyner et Halenda''*®’. Cette procédure offie l'avantage d'être relativement simple du point de vue mathématique. Elle est décrite dans l’appendice III.

Chapitre 1-20

1.5.Les complexes a-diimine du ruthénium(II)

Les complexes de métaux de transition et en particulier les composés a-diimine du ruthénium(II) sont très souvent utilisés comme indicateur dans le cadre des optrodes à oxygène basées sur l’extinction de Imninescence. En effet, ils possèdent un état excité ^MLCT (état de transfert de charge du métal vers le ligand) hautement émissif, ayant une longue dmée de vie de luminescence (de l’ordre de la microseconde) et présentant un déplacement de Stokes important''*”. De plus, ces complexes absorbent dans le domaine bleu-vert des longueius d’onde. Les spectres d’absorption et d’émission du complexe ruthénium(II) tris(2,2’-bipyridine) dans l’eau, à température ambiante sont présentés à la figure 1.5.1.

Figure 1.5.1: Spectres d’absorption (à gauche) et d’émission (à droite) du complexe ruthémum(II) tris(2,2’-bipyridine)

Entre 200 et 400 nm se trouvent les transitions centrées sur les ligands (LC), centrées sur le métal (MC) et de transfert de charge du ligand vers le métal (LMCT). Les transitions de type MLCT se trouvent dans le visible et le coefficient d’extinction molaire de celles-ci au maximum d’absorption est de l’ordre de 20000 M ‘ cm ‘.

Un diagramme d’énergie des états fondamental et excités est présenté à la figure 1.5.2.

IMLCT

déchélation

Figure 1.5.2: Diagramme d’énergie des états fondamental et excités

L’état ‘MLCT est atteint par absorption d’un photon. 11 se désactive rapidement vers l’état ^MLCT par passage intersystème (isc). L’état ^MLCT peut se désactiver radiativement et non radiativement vers l’état fondamental Sq. Un état ^MC peut également être atteint par activation thermique. La