CE09 - Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur

Commutateurs hybrides supramoléculaires/plasmoniques comme capteurs et marqueurs luminescents – SupraSwitch

Dynamic nanostructures as fluorescence switches

Un des défis actuels de la plasmonique appliquée est de contrôler l’environnement moléculaire des nanostructures, une voie prometteuse pour intégrer des fonctionnalités intelligentes. Notre idée est de coupler des nanoparticules métalliques avec des fluorophores tout en contrôlant leur écartement avec des molécules sensibles aux stimuli comme les systèmes hôtes/invités et PNIPAM.

Nous voulons développer un système plasmonique dynamique permettant une commutation de la fluorescence via un contrôle externe de la distance entre des nanoparticules métalliques et des fluorophores.

Notre premier objectif est de synthétiser les deux séries de ligands sensibles aux stimuli : la 1ere basée sur des polymères sensibles à la température comme le pNIPAM, et la 2ème basée sur des interactions ß-cyclodextrine/invité, dont l'affinité est sensible à des stimuli électrochimiques ou optiques, selon la nature de l'invité. Le second objectif est de coupler des nanoparticules métalliques avec des fluorophores en utilisant ces ligands pour développer des nanostructures hybrides permettant la modulation de la luminescence avec une large amplitude et de manière réversible. Les premiers résultats sont attendus en solution, suivis par le transfert des commutateurs développés sur des surfaces nanostructurées. Enfin, nous étudierons la possibilité d'appliquer les systèmes développés comme capteurs et nano-sondes luminescentes (preuve de concept).

Tout d'abord, nous explorerons un certain nombre de molécules sensibles aux stimuli, allant de simples interactions hôte/invité à des structures oligopeptidiques orthogonales. Leur comparaison nous permettra d'évaluer la versatilité des interactions supramoléculaires comme moyen de régler la distance nanoparticule/fluorophore et d'identifier les systèmes et les stimuli les plus efficaces. Deuxièmement, nous utiliserons les récentes avancées en nanofabrication pour produire des surfaces nanostructurées bien définies et ajustables. Troisièmement, nous maîtriserons la fonctionnalisation des surfaces en contrôlant les interactions non spécifiques et la densité surfacique, afin de maximiser la modulation de la luminescence. Quatrièmement, l'accès direct à une gamme de techniques de caractérisation (fluorescence, électrochimie, AFM, QCM-D), y compris leur couplage in situ, nous permettra de caractériser entièrement les interactions nanoparticule/fluorophore et de maximiser le nombre de stimuli étudiés (électrochimie, lumière, température). Enfin, notre expertise en luminescence et en microfluidique nous permettra d'évaluer les performances des commutateurs développés en tant que capteurs optiques confinés en surface.

Les premiers résultats prometteurs ont été obtenus pour les systèmes hybrides basés sur des polymères thermosensibles tels que le pNIPAM. Nous avons montré que la fluorescence peut être modulée de manière réversible en changeant la distance entre la nanoparticule et les fluorophores.

Une fois que nos systèmes seront caractérisés en solution, nous étudierons la modulation de la fluorescence sur des surfaces nanostructurées. Ces résultats nous permettront de démontrer que la stratégie développée est compatible avec diverses nanostructures plasmoniques (y compris les surfaces planes) et peut être adaptée à d'autres stimuli externes. Enfin, en proposant un exemple d'application (comme capteur ou nano-sonde optique), nous démontrerons que cette approche a un potentiel important pour les nanotechnologies, en particulier pour des capteurs chimiques et biologique où la détection multifonctionnelle de la fluorescence est nécessaire à l'échelle nanométrique.

Les résultats obtenus pour le système thermosensible ont été soumis à une revue internationale (Journal of Physical Chemistry C).

Un des défis actuels de la plasmonique est de contrôler l’environnement moléculaire des nanostructures, une voie prometteuse pour intégrer des fonctionnalités intelligentes. L’objectif de "SupraSwitch" est de coupler des nanoparticules (NP) métalliques avec des fluorophores tout en contrôlant leur écartement à l’aide de molécules stimuli-sensibles telles que les complexes hôte/invité et le polymère thermosensible poly(N-isopropylacrylamide). En raison de la forte influence de la distance NP/fluorophore sur les mécanismes d’extinction/exaltation, il sera possible d’obtenir une large modulation de la luminescence. Les commutateurs synthétisés seront caractérisés par : i) une réponse à de multiples stimuli, ii) un contrôle externe, iii) une réponse rapide et réversible, iv) une compatibilité avec une large gamme de fluorophores et v) une intégration possible sur des surfaces. Ces propriétés élargiront le champ d’application de la plasmonique, allant du biodiagnostic en solution jusqu'aux nanomatériaux intelligents pour des capteurs et marqueurs confinés en surface.
Pour atteindre cet objectif ambitieux, nous utiliserons notre savoir-faire en synthèse organique, chimie supramoléculaire et de surface, nanofabrication et caractérisation physico-chimique. L’expertise du groupe dans les systèmes stimuli-sensibles et les propriétés de luminescence permettra mener à bien plusieurs étapes critiques du projet. Premièrement, nous étudierons plusieurs molécules stimuli-sensibles, allant des complexes hôte/invité aux macromolécules rigides et aux polymères ramifiés pour identifier les interactions supramoléculaires les plus efficaces pour contrôler la distance entre les NP et les fluorophores. Deuxièmement, nous utiliserons des avancées récentes de la nanofabrication “bottom-up”, telles que la nanolithographie micellaire, pour fabriquer des surfaces plasmoniques bien contrôlées et ajustables, à faible coût et haut rendement. Troisièmement, nous chercherons à augmenter la modulation de la luminescence en contrôlant les interactions non spécifiques lors de l’étape de fonctionnalisation des surfaces. Quatrièmement, l'accès direct à plusieurs techniques de caractérisation (fluorescence, électrochimie, AFM, ellipsométrie) nous permettra de caractériser les interactions NP/fluorophore et de maximiser les stimuli étudiés (électrochimie, lumière, température). Enfin, notre expertise en luminescence et en microfluidique nous permettra d'évaluer pour la première fois la performance des commutateurs supramoléculaires / plasmoniques incorporés dans des capteurs et des marqueurs optiques confinés en surface. “SupraSwitch” représente donc un projet multidisciplinaire, impliquant à la fois des aspects fondamentaux et appliqués, avec un fort potentiel d’applications innovantes dans les domaines de science des matériaux et de la nanotechnologie.

Coordinateur du projet

Madame Galina Dubacheva (Galina DUBACHEVA)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PPSM Galina DUBACHEVA
PPSM Galina DUBACHEVA

Aide de l'ANR 574 560 euros
Début et durée du projet scientifique : août 2019 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter