Synthèse, études optiques et fonctionnalisation de nanoparticules plasmoniques pour des applications biologiques

Synthesis, optical studies and functionalization of plasmonic nanoparticles for biological applications

Synteza, badania optyczne i funkcjonalizacja nanocząstek plazmonicznych dla zastosowań biologicznych

• Auteur / Autrice : Marta Gordel
• Direction : Malcolm Buckle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 04/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Politechnika Wrocławska
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie et pharmacologie appliquée (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Andrzej Miniewicz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Malcolm Buckle, Andrzej Miniewicz, Sébastien Bidault, Sebastian Mackowski, Claude Nogues, Marek Samoc, Wojciech Bartkowiak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien Bidault, Sebastian Mackowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Nanophotonique

Mots clés libres

Nanoparticules plasmoniques

Fonctionnalisation

Applications biologiques

Plasmonic nanoparticles

Functionalization

Biological applications

Résumé

Les recherches décrites dans ce travail appartiennent à une branche de la science relativement jeune et interdisciplinaire, la nanophotonique. Les projets réalisés avaient pour objectif de décrire les phénomènes qui apparaissent lors de l’irradiation par un faisceau lumineux d’un matériau restreint à la dimension de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres. Les phénomènes qui ont été examinés sont la génération d’absorption, de dispersion et d’émission fluorescente ainsi que le renforcement d’émission fluorescente et le renforcement du champ électromagnétique à une échelle plus petite que la limite de diffraction restreignant l’optique classique. Dans cette thèse, j’ai profité de nouvelles propriétés de la matière générées quand les dimensions sont réduites à l’échelle nanométrique (10-9 m). Elles se distinguent significativement des propriétés classiques qui caractérisent un matériau de plus grandes dimensions. Le changement de propriétés résulte de la limitation spatiale de la structure du nuage d'électrons et de l’augmentation du rapport entre la surface du matériau et son épaisseur. 23 Les particules plasmoniques, largement décrites dans ce travail, en sont un excellent exemple puisque leurs colloïdes possèdent une section efficace d'absorption très importante dans le domaine visible. Un colloïde peut présenter des couleurs différentes en fonction des formes, des dimensions et de la composition des particules qui le constituent, contrairement à une surface métallique qui ne doit son aspect qu'à la réflexion presque totale de la lumière visible et au lustre métallique. À l’échelle nanométrique, nous avons affaire à la résonance plasmonique de surface, un phénomène qui ouvre la porte à la manipulation, à la modification et au renforcement du champ électromagnétique autour de la nanostructure métallique. La possibilité de concentrer la lumière autour d’une nanoparticule au-dessous de la limite de diffraction a trouvé un bon nombre d’applications, dont la microscopie en champ proche, la spectroscopie Raman exaltée de surface (ang. Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS), la théranostique , la production de lecteurs de carte mémoire ou de cellules photovoltaïques. Les recherches décrites dans ce travail ont un caractère interdisciplinaire, elles améliorent nos connaissances dans le domaine de la synthèse de nanostructures plasmoniques, et des méthodes de séparation permettant d'obtenir des colloïdes qui contiennent des nanoparticules presque monodispersives. La méthode de synthèse d'un nouveau métamatériau, produit lors du transfert des nanobâtonnets d’or de l’eau à l’isopropanol, a aussi été présentée dans cette thèse. Par ailleurs, ces recherches ont montré une forte exaltation du champ électromagnétique parmi les nanoparticules. J’ai aussi dénoté une application potentielle de ce matériau en tant que substrat pour la détection de biomolécules. En outre, j’ai préparé des nanocoques d’or largement stables et dont l’épaisseur de dorure est contrôlée. À l’aide de la technique Z-scan, j’ai fait la mesure des propriétés non-linéaires des nanocoques d’or et je les ai comparées avec celles des nanobâtonnets d’or et de colorants organiques en indiquant une application possible. J’ai discuté aussi d'une nouvelle méthode de biofonctionnalisation des nanobâtonnets d’or qui m’a permis de créer un marqueur afin de visualiser des cellules vivantes. Il est aussi possible de convertir l’énergie lumineuse en énergie thermique par le biais des nanostructures plasmoniques, ce qui pourrait trouver d’autres applications intéressantes dans les recherches en théranostique.

This dissertation shows the experimental results, which I strongly believe prove the possibility of application the proposed bioprobe in theranostics treatment. The advantages and disadvantages of the probe were discussed on the basis of imaging of cancer cells, toxicity and fluorescent efficiency. It is important to mention that the process of synthesis of the biomarker was controlled on each step, starting from the selection of appropriate size and shape of the core, through optical characterization, effective way of biofunctionalization and finally application in cell visualization.At first, I presented an improved method of separation of distinct shapes of gold nanoparticles from a heterogeneous mixture. The method of centrifugation in a glucose density gradient was applied in order to get homogenous fractions. The procedure of sample preparation, centrifugation and collection of the separated nanoparticles is described. Moreover, I discussed the synthesis with and without Ag+ ions added to the growth solution.Then, I had a closer look on transferring procedure of the NRs from water into IPA solvent, which induce self-organization of the nanoparticles. Optical characterization as well as recorded ATR spectra gave the foundations to understanding of the assembly process taking place. Additionally the work is enriched with the theoretical calculations indicating that individual self-assembled nanostructures show strong light polarization dependent properties. The electric field localized in the gap between NRs is estimated to be enhanced over 350 fold.In the next part of my thesis I have performed a systematic and quantitative description of the interactions of NRs with light (femtosecond laser pulses, 130 fs, 800 nm) in order to characterize the optical properties and design NRs with specific functionalities. In this work I focused on the investigation of structural changes of the NRs and the parameters influencing the reshaping, like surface modification using sodium sulfide, laser power and the position of the longitudinal surface plasmon resonance band (l-SPR) with respect to the laser wavelength.In the next part of the thesis I have quantified the probability of simultaneous absorption of two photons by plasmonic nanoparticles: gold nanorods and gold nanoshells, and by several dye molecules, by using the open-aperture Z-scan technique available in the laboratory at WUT in Poland. At first, I started from fabrication of stable and highly monodisperse NSs suspensions in water, with a varying degree of gold coverage. Then, the NLO properties of the nanoshells were quantified in terms of the two-photon absorption coefficient (α2), the nonlinear refractive index (n2), and the saturation intensity for one-photon absorption (Isat), which are extensive quantities. Then I calculated the two-photon absorption cross-section (σ2) taken per nanoparticle, which was also interpreted in terms of the merit factor σ2/M (where M is the molar mass of the nanoparticle), the quantity suitable for comparisons with other types of nonlinear absorbers.Finally, in the last chapter I have combined the results and knowledge from all previously described experiments in order to propose a new bioprobe. The probe is based on NR functionalized by DNA strand with attached fluorophore. The distance between gold surface and dye is selected in a such way as to maximize the fluorescent emission. The viability tests show low toxicity for cells and high compatibility. I showed that biofunctionalized NRs can provide fluorescent labeling of cancer cells and enable effective photothermal therapy. This is one of the first demonstrations of coupling a bioimaging application to a cancer therapy application using NRs targeted against a clinical relevant biomarker. I hope that the future studies will extend the in vitro concept demonstrated here to in vivo animal experiments.