Antenne collectrice de lumière pour la détection de molécules individuelles – LHnanoMat

La collecte, le transport et le transfert efficaces de l’énergie lumineuse vers un «accepteur» fonctionnel constituent un ensemble de processus fondamentaux pouvant être utilisés lors de la photosynthèse naturelle et artificielle, de la photocatalyse, de la conversion d’énergie photovoltaïque, ainsi que de la détection de molécules uniques. La nature et la fonction de l'accepteur sont très différentes dans tous ces processus: alors que le centre de réaction photosynthétique utilise cette énergie pour effectuer un transfert d'électrons en plusieurs étapes, un fluorophore réémet de la lumière après avoir collecté l'énergie de l'antenne permettant ainsi d’amplifier son émission de fluorescence. Néanmoins, la fonction de ces «antennes» est fondamentalement la même: capturer la lumière d'excitation et la transférer efficacement vers l'accepteur. Actuellement, le domaine des nanoantennes optiques est dominé par la plasmonique, qui utilise l'excitation collective des électrons de conduction de nanoparticules ou de surfaces métalliques. Ce type de systèmes a été utilisé avec succès pour transporter l'énergie d'excitation le long de surfaces métalliques nanostructurées, pour exalter localement le couplage antenne-accepteur ou pour détecter des molécules individuelles. Cependant, l'obtention d'une efficacité d'amplification élevée de la nanoantenne plasmonique nécessite un contrôle très précis de la distance séparant l’accepteur de l’antenne.
Une avancée majeure, dans le domaine des nanoantennes, a récemment été réalisée par notre groupe qui a démontré que des nanoparticules organiques (NPO) pouvaient être utilisées comme nanoantennes et permettre la détection de molécules individuelles en utilisant la lumière naturelle comme source d’excitation. Un transfert d'énergie d'excitation extrêmement efficace a été obtenu avec des colorants cationiques encapsulés dans une matrice de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) contenant des contre-ions volumineux qui minimisent l’agrégation des fluorophores et donc l’inhibition de fluorescence. Avec des NPO biocompatibles d’une taille de 60 nm, nous avons obtenu une amplification d’un facteur 1000 de la fluorescence émise par un accepteur unique (Cy5). Cet effet d’antenne est 3 fois plus élevé que ceux obtenus avec les meilleurs nanoantennes plasmoniques. Nous avons également observé qu’un grand nombre de fluorophores (> 500), encapsulés dans des nanoparticules de 30 nm, se comportaient comme un émetteur unique présentant des transitions de type ON/OFF avec un contraste de 100%. Cette observation confirme la présence d’un transfert d’énergie extrêmement rapide sur l’ensemble de la nanoparticule. Le clignotement se produit car un accepteur d'énergie non-fluorescent est capable d’éteindre l'émission de l'ensemble des fluorophores, comme cela avait déjà été démontré pour les polymères conjugués. Ce processus de piégeage limite donc la longueur sur laquelle l’énergie peut être transportée et constitue un verrou quant à l’emploi de ces systèmes en photonique organique.
Nous proposons ici de concevoir des nanomatériaux synthétiques collecteurs de lumière (LHN) composés de nanoparticules organiques dopées par des chromophores (0D) et de nanofils (1D). Nous appliquerons ces LHNs à la détection de molécules individuelles, en utilisant la lumière ambiante comme source d’excitation, via le transfert d’énergie de résonance de type Förster vers un accepteur unique. Cette application servira également de référence pour démontrer les performances de nos systèmes photosynthétiques pour la collecte, le transport et le transfert d’énergie, quel que soit le type d’accepteur, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications.