Plasmons de surface localisés

Intérêt des nanoparticules

Depuis la fin des années 90, les nanotechnologies ont connu un réel essor. Les nanoparticules, dont les propriétés optiques dépendent fortement de la taille, trouvent cependant leurs premières applications il y a plusieurs siècles. Un exemple connu de tous est l’utilisation de nanoparticules pour les vitraux des églises du Moyen-Age ou encore la coupe de Lycurgus qui apparaît verte en réflexion et rouge en transmission (400 après J.-C.) (figure 90). Aujourd’hui les nanoparticules sont utilisées dans différents domaines, de la photonique à la médecine. En 1908, Gustav Mie a montré que les propriétés optiques des nanoparticules métalliques reposent sur l’oscillation collective des électrons de conduction induite par interaction avec un rayonnement électromagnétique (figure 91).15 Les modes d’oscillation des charges sont nommés plasmons de surface localisés. Les charges étant soumises à une force de rappel qui les ramène toujours vers le centre de la particule, leur oscillation est résonnante pour une certaine fréquence d’excitation.6,16 L’impossibilité de créer des excitations propagatives de l’ensemble des nanoparticules disjointes relâche la condition de couplage existante en SPR classique (chapitre 3), il y a donc moins de contraintes expérimentales en LSPR ce qui rend l’utilisation des nanoparticules intéressante.

Théorie des plasmons de surface localisés

Gustav Mie a développé en 1908 une théorie explicitant les solutions au problème de l’interaction de sphères métalliques isolées avec la lumière. Ces solutions ont une expression simple dans le cadre plus restreint de l’approximation de Rayleigh où le diamètre des nanoparticules est très petit devant la longueur d’onde, car on peut alors considérer que le champ électrique est uniforme dans la sphère. 7 Le phénomène de résonance apparaît donc à la fréquence électromagnétique ω pour laquelle ε’= -2 εmedium et ε’’ très petit, déterminant ainsi l’existence de plasmons de surface localisés. Seuls les métaux possédant des électrons libres (essentiellement l’or et l’argent, le cuivre et les métaux alcalins) possèdent des résonances plasmons dans le spectre visible présentant ainsi de telles couleurs (figure 92).5,17 La fréquence de résonance plasmon dépend de plusieurs paramètres comme la composition, ou la taille des particules. Elle dépend aussi de la         + + = ‘ 2 2 2 3 2/3  »  » ln(10) ( 2 ) 24 ε ε ε ε λ π ε medium NAa medium A E 154 forme des nanoparticules, bien que cela n’apparaisse pas explicitement dans l’équation (18) obtenue pour le cas de nanoparticules sphériques. Dans le cas de substrats pour lesquels la densité des nanoparticules est importante et où la longueur d’onde est grande devant la taille des nanoparticules et la distance les séparant, nous pouvons considérer que nous sommes à la limite électrostatique. Les nanoparticules sont en interaction les unes avec les autres, ce qui résulte en la concentration de champs électriques intenses entre les nanoparticules, appelés parfois « points chauds ». A la résonance, une forte extinction de la lumière est observée, associée à un intense champ autour de la particule, dont l’intensité décroît rapidement avec la distance. Une molécule placée à proximité de la nanoparticule métallique verra dans ce cas un champ avec une intensité un à deux ordres de grandeur supérieure par rapport à celle du champ incident.

Biocapteurs LSPR 

Au début des années 2000, le groupe de Van Duyne a montré qu’il était possible d’utiliser des substrats à base de nanoparticules pour l’étude de réactions biologiques grâce à l’évolution du pic LSPR (λmax).4 En effet, comme le montre la figure 93a le signal dépend fortement de l’indice de réfraction à la surface du substrat. L’évolution du pic LSPR pour des nanoparticules d’argent dans différents solvants permet de déterminer la sensibilité du capteur grâce à la pente de la droite de λmax en fonction de l’indice de réfraction.4,17 De nombreuses équipes se sont alors intéressées à la réaction d’hybridation et ont montré qu’il était possible d’obtenir une sensibilité plus élevée que pour les capteurs SPR

Utilisation des couches minces a-Si1-xCx 

Modes opératoires

Evaporation des nanoparticules

 Les lames de verre sont dans un premier temps lavées aux ultrasons dans l’isopropanol et l’acétone. Après un rinçage soigneux à l’eau MilliQ, elles sont séchées sous azote et introduites dans la chambre d’évaporation (MEB 550S Plassys). Les nanoparticules (Np) sont déposées sur des lames de verre par évaporation thermique d’un film mince métallique (par exemple un film d’or de 4 nm), suivie d’un démouillage du film par un traitement thermique rapide : un recuit à 500°C pendant 60 secondes sous un flux d’azote grâce au four Jipelec Jet First 100.13,18 b) Dépôt de silicium amorphe Des films de silicium amorphe carboné sont déposés comme aux chapitres 2 et 3 par PECVD en régime « basse puissance », le taux final en carbone (C) dans le matériau étant ajusté en variant la proportion de méthane dans le mélange gazeux ([CH4]/ {[CH4]+[SiH4]}).

Fonctionnalisation de surface 

La couche mince a-Si1-xCx: H est ensuite fonctionnalisée suivant les procédures précédemment décrites dans les chapitres précédents. En bref, la surface est hydrogénée par des vapeurs de HF (15 s) puis une monocouche d’acide undécylénique est greffée par photochimie (3 h ; 312 nm). Les sites acides sont ensuite activés par traitement dans un mélange équimolaire EDC/NHS à 5 mM. Pour l’étude par infrarouge, la réaction d’amidation a été étudiée avec l’éthanolamine à 5 10-2 M pendant 15 minutes à température ambiante. 

Immobilisation des sondes et hybridation 

(1)Etude LSPR En partant de surfaces activées, la sonde G-ON (non marquée 25-mer [5’ NH2- (CH2)6-AAC-GCC-CAT-CTT-AAA-ATC-GAC-GCC-T 3’] est diluée à 10-5 M dans 150 mM d’un tampon phosphate contenant 0,01% de SDS à pH 8,5. L’immobilisation se fait ensuite entre lame et lamelle en déposant 20 µL par cm-2 pendant 14 à 16 h pour l’analyse. Après dépôt, les sites ester de succinimidyle non amidés sont bloqués avec de l’éthanolamine (5 10-2 M, pendant 15 min), puis dans de l’eau ultrapure (Millipore) et les lames sont séchées sous un flux d’azote. La surface est alors hybridée avec des solutions de différentes concentrations de 50 nM à 500 nM contenant l’oligonucléotide ON (complémentaire des sondes ON-G) 5’ [AGGCGT-CGA-TTT-TAA-GAT-GGG-CGT-T 3’] à température ambiante pendant 40 minutes dans un tampon d’hybridation contenant (2X SSC, 0,1% SDS, 35% formamide, 0,1% de sperme de saumon).