Les coquilles de diatomées de silice conçues avec des nanoparticules d'Au permettent une analyse sensible des molécules pour des applications biologiques, de sécurité et d'environnement

Contexte

Les diatomées sont des algues unicellulaires massivement présentes sur terre avec plus de 100 000 espèces réparties dans des niches aquatiques (océans, lacs, rivières) et semi-aquatiques (zones humides et sols). Ils contribuent à environ 40 à 50 % de la teneur totale en matières organiques des océans et à environ 20 % de la conversion du dioxyde de carbone en composés organiques (c'est-à-dire la photosynthèse) dans la biosphère [1,2,3].

Les diatomées sont protégées par une enveloppe fonctionnelle de dioxyde de silicium (frustules) avec une architecture complexe à l'échelle micrométrique et une taille de pores variant selon les espèces. En raison de leur microstructure, les coquilles de diatomées présentent des valeurs de résistance spécifique allant jusqu'à ~ 1700 kN m/kg, bien supérieures à celles d'autres matériaux naturels cellulaires, composites et en soie, notamment la soie d'araignée (1000 kN m/kg) [4,5, 6,7]. De plus, en raison de la régularité et de la symétrie du réseau de pores alignés sur la surface du frustule, les cadres de diatomées présentent souvent des propriétés optiques naturelles et révèlent des effets de convergence, de concentration et de piégeage de la lumière, en fonction de la géométrie et de la topologie des pores, de la longueur d'onde et de la valve. orientation [8,9,10,11,12].

Ainsi, les diatomées sont des structures tridimensionnelles micro ou nanométriques tridimensionnelles naturelles (par opposition à artificielles), abondantes, peu coûteuses et facilement accessibles qui ne nécessitent pas de techniques traditionnelles de nanofabrication pour leur production, et, compte tenu de leur échelle, de la morphologie, et leurs propriétés, présentent un potentiel d'utilisation en tant que capteurs miniatures, capsules d'administration de médicaments et autres micro-dispositifs [2, 13, 14]. Néanmoins, malgré cette promesse, il y a relativement peu d'applications des diatomées en nanotechnologie [15,16,17], peut-être parce que, alors que les coquilles de diatomées représentent le support requis pour de nombreuses structures, d'autres fonctionnalisations (modifications) sont nécessaires pour fournir à ces structures le fonctions correctes.

Dans cette lettre , nous démontrons une méthode pour fonctionnaliser des coquilles de diatomées de silice avec des nanoparticules d'Au. Il en résulte des appareils à plusieurs échelles dans une conception hiérarchique. Chaque coquille est un cylindre de dioxyde de silicium avec un diamètre moyen d ~ 8 μm et hauteur h ~ 10 μm (Fig. 1a et fichier supplémentaire 1). Les surfaces de la coque incorporent des motifs denses de pores de forme approximativement circulaire et leur taille varie dans l'intervalle étroit p _s = 200 ± 40 nm (Fig. 1b, c). Les nanoparticules d'or sont ensuite réparties uniformément sur la surface externe des coquilles, avec un diamètre moyen des particules d'Au − np _s ~20 nm et de petits écarts autour de la moyenne (Fig. 1b, c). Étant donné que les coquilles de diatomées sont ici dérivées de la terre de diatomées, c'est-à-dire une source de frustule à faible coût et théoriquement illimitée (Fichier supplémentaire 2), la méthode produit des volumes élevés de nano-dispositifs en peu de temps (Fig. 1d, e).

Vue d'artiste de coquilles de diatomées en dioxyde de silicium, qui se présentent sous la forme de cylindres micrométriques d'un diamètre moyen de d ~8 μm et hauteurs supérieures à h> 10 μm, des réseaux de pores décorent la surface externe des diatomées (a ). Micrographies MEB de coquilles de silice fonctionnalisées avec des nanoparticules d'or (systèmes D24) acquises à basse (b ) et élevé (c ) facteurs de grossissement. À partir de ceux-ci, on peut observer le motif régulier de pores imprégnant la surface de la diatomée décorée de nanoparticules d'or réparties de manière aléatoire, avec une taille de pores d'environ 200 nm et une taille de particules d'environ 20 nm. SEM grand champ (d ) et optique (e ) des images de systèmes D24 évaluent la capacité du processus de fonctionnalisation à produire de grands volumes de micro-dispositifs. L'inspection par microscopie à fluorescence des systèmes D24 après incubation avec des microsphères jaunes fluorescentes de 50 nm révèle la sélectivité, la spécificité et la sensibilité des dispositifs (f )

L'appareil intègre différentes échelles. (i) La dimension submillimétrique des coques permet la manipulation, la manipulation et l'accès du système. (ii) La taille micrométrique des pores permet la récolte de molécules, la sélection et (dans des évolutions plus sophistiquées du dispositif) la fragmentation. (iii) La taille nanométrique des Au-NPs permet le contrôle et l'amplification d'un rayonnement électromagnétique (EM) externe. Ainsi, une architecture multi-échelle hiérarchique permet d'extraire des cibles moléculaires analytiques spécifiques d'une solution et de les caractériser à l'aide de la spectroscopie Raman à surface améliorée (SERS) même dans des plages d'abondance très faibles. L'incubation avec des microsphères fluorescentes de 50 nm (Fluoresbrite® Yellow Green Microspheres—Additional file 3) et l'analyse de fluorescence subséquente indiquent la localisation, la sélectivité, la spécificité et l'absence de signal du fond (bruit) des dispositifs (Fig. 1f).

Résultats

Fonctionnalisation avec Au–NPs

La terre de diatomées (DE) a été nettoyée avec une solution de piranha pour éliminer les résidus organiques. Les échantillons ont ensuite été maintenus pendant 120 s dans une solution diluée à 2 % d'acide fluorhydrique (HF) pour éliminer les petits fragments, rendre la surface des diatomées rugueuse et favoriser la nucléation de l'Au. Les échantillons ont ensuite été décorés avec Au-NPs à l'aide d'un processus de photo-dépôt. Les coquilles ont été mises en suspension dans de l'eau déionisée avec une solution à 0,1% d'acide chloroaurique (HAuCl₄ ) dans de l'alcool isopropylique et éclairé avec une lampe UVA/UVB Osram Ultra Vitalux. Le temps d'irradiation, la concentration de coquilles de diatomées en solution et la quantité d'acide chloraurique ont été modifiés sur des intervalles significatifs pour produire différentes morphologies de nanoparticules. Pour la présente configuration, nous avons utilisé 20 mg de coquilles dans 50 ml de solvant et des injections ponctuelles de 30 μl d'acide chloraurique toutes les 5 min, pour une durée totale de 1 h. Notez que la méthode n'implique pas la réduction électrochimique des ions d'or en or métallique comme dans le dépôt autocatalytique [18, 19]. Dans ce qui suit, nous indiquerons les coquilles de diatomées fonctionnalisées Au–NPs avec l'abréviation D24. La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) a été utilisée pour caractériser les systèmes D24. Les spectres XPS haute résolution ont été acquis à l'aide d'un P de puissance = 100 W, énergie du faisceau e = 11,7 keV, résolution δe = 0.1 eV, temps d'accumulation de t = 20 min minimum. Les pics dans les spectres ont été référencés au pic de carbone C1s à une énergie de liaison de 284,8 ev. Dans la figure 2, nous rapportons les spectres XPS des systèmes avant et après fonctionnalisation. Nous observons qu'après fonctionnalisation, les systèmes D24 présentent l'émergence d'or métallique (bande centrale Au4f5 à 84 ev d'énergie de liaison), et des traces des bandes de valence associées à Au4d3 (353 eV), Au4d5 (334 eV), Au5d3 (6 eV ). Nous observons également des traces de sodium (Na1s, 1071 eV et pics Auger à 497 eV) et de silicium (Si2s, 2p à 150 et 97 eV), qui sont attribuées à des contaminants dans le substrat utilisé pour le dépôt de gouttes de nanoparticules. La présence de carbone (C1s) dans les spectres est fortuite, non associée au processus de fabrication, et elle résulte de l'adsorption spontanée de niveaux normaux de carbone contenu dans l'atmosphère à la surface des diatomées. La méthode présentée pour la synthèse de nanoparticules permet la formation de nanoparticules sur la surface externe des diatomées et dans les pores. Des images supplémentaires de microscopie électronique à balayage (MEB) présentées dans le fichier supplémentaire 1 démontrent le dépôt de nanoparticule Au profondément à l'intérieur de la matrice de pores des diatomées. Ainsi, alors que les pores de la matrice poreuse permettent la séquestration, l'immobilisation et la rétention des analytes, le réseau de nanoparticules d'or permet l'effet SERS et la détection des analytes dans des plages d'abondance très faibles. Ces effets sont étroitement imbriqués.

Spectres XPS d'une coquille de diatomée en dioxyde de silicium avant (diagramme du bas) et après (diagramme du haut) la fonctionnalisation avec des nanoparticules d'or

Simulation du champ électromagnétique autour de D24/Au–NPs

Nous avons utilisé des simulations informatiques et une analyse par éléments finis (FEA) pour évaluer le champ EM autour de matrices de nanoparticules d'or dans le système D24 (Méthodes et fichier supplémentaire 4). Étant donné que les motifs de trous dans la diatomée révèlent une symétrie hexagonale (Fig. 3a) ressemblant à un cristal photonique, nous avons utilisé un schéma numérique pour évaluer si une géométrie similaire, décorée avec une distribution uniforme de nanoparticules d'Au, peut localement améliorer le signal EM. Des modèles de pores simulés ont été reproduits à partir d'une image SEM réelle (Fig. 3b). Un maximum de 125 particules ont été placées autour de chaque pore et entre les pores (Fig. 3b). Nous avons approximé le champ EM incident avec une onde plane TM polarisée linéairement avec une longueur d'onde centrale λ = 633 nm, puissance P _inc = 1 W, et densité de puissance associée I = 2,5 × 10 ⁸ W/cm ² . Dans les simulations, la coquille de diatomée a été décrite par un diélectrique avec un indice de réfraction n _J24 = 1.3 et le milieu environnant et les pores ont été considérés comme de l'air avec n _aérien =1. Au–NPs ont été modélisés en utilisant la formulation de Rakic ​​et ses collègues [20]. Les résultats indiquent (Fig. 3c) que le champ EM amplifié par le système est inégalement réparti dans le volume d'intérêt, le champ EM étant préférentiellement concentré autour des nanoparticules d'or, où il atteint des intensités aussi élevées que |E|~3 × 10 ⁸ V/m et facteurs d'amélioration associés Q~10 ² si l'on considère le champ EM et Q~10 ⁸ si l'on considère les effets de la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS). (Auquel cas, le rehaussement est proportionnel à l'amplitude du champ électrique local à la puissance quatre [21]). Étant donné que dans les applications pratiques la surface des diatomées peut être orientée de manière aléatoire par rapport à un rayonnement externe, il est intéressant d'analyser le comportement de |E| en fonction de la direction que forme la normale de la surface des diatomées avec l'onde TM se propageant (Fig. 3e). Dans le θ = 0 − 70 ^° intervalle, |E| oscille entre ~1,5 × 10 ⁸ V/m = |E|_min à θ = 20 ^° et ~4 × 10 ⁸ V/m = |E|_max à θ = 50 ^° . Ainsi, l'intensité du champ EM est fortement influencée par la manière dont les systèmes D24 sont positionnés sur une surface pour une analyse et une inspection successives. Notez cependant que même dans la pire configuration, les valeurs calculées de |E|_min sont suffisamment grandes pour produire une analyse robuste et sensible du signal associé à la propagation du champ EM.

Image SEM d'un réseau hexagonal de pores sur la surface des diatomées reproduisant un cristal photonique (a ). La taille, la forme et la topologie des pores du prototype réel, ainsi que les modèles aléatoires de NP d'or répartis entre les pores, ont été répliqués dans une boîte à outils d'analyse numérique par éléments finis (FEA) (b ). Le résultat des simulations est le champ EM et l'amélioration du champ EM autour des agrégats de nanoparticules d'or, avec un champ EM maximal de près de ~3 10 ⁸ V/m (c ). La distribution EM montre une sensibilité à l'orientation de la surface des pores par rapport au rayonnement incident externe (d ). En faisant varier l'angle d'incidence entre le rayonnement externe et la normale de la surface des pores sur des intervalles significatifs, nous constatons que l'intensité maximale du champ électromagnétique oscille entre ~1,5 10 ⁸ et ~4 10 ⁸ V/m (e )

L'analyse FEM présentée sur la figure 3a–c simule le champ EM dans des géométries planes 2D simplifiées. Pour cette configuration, le champ EM évolue autour des nanoparticules d'Au sur la surface externe des diatomées. Néanmoins, dans le schéma tridimensionnel de la figure 3d et d'autres images présentées dans le fichier supplémentaire 4, des nanoparticules d'or sont réparties le long de la surface interne des pores. Ce schéma, plus proche du prototype physique réel, indique que les analytes adsorbés par les dispositifs D24 peuvent interagir avec le champ EM - et être détectés - pour toute localisation réciproque pore/analyte. Ainsi, même si SERS est un effet à courte portée et que le champ EM décroît avec une puissance de trois de la distance des nanoparticules d'or [22], la récolte d'analyte et la colocalisation analyte/pore assurent les capacités de détection de l'appareil. À cette fin, nous démontrons la localisation de l'analyte dans les pores avec des images de fluorescence supplémentaires à fort grossissement de systèmes D24 chargés de nanosphères Jaune Vert 50 nm (Fichier supplémentaire 3). Le chevauchement spatial entre le signal de fluorescence et les appareils à diatomées D24 et le signal de fond extrêmement faible démontrent que l'absorption de l'analyte est très efficace, ne laissant aucun ou un minimum de résidus.

Analyse SERS de BSA dans la solution

Ici, nous évaluons la capacité des dispositifs D24 à fonctionner comme agents de récolte moléculaire et dispositifs de détection dans les systèmes biologiques. Nous avons incubé les dispositifs D24 dans une solution contenant de l'albumine de sérum bovin (BSA) dans un 10 ⁻¹⁶ Concentration M, avec une abondance relative de 1 mg de dispositifs D24 dans 1 ml de solution. Le réseau complexe d'ouvertures qui pénètre dans la diatomée représente un filtre capable d'absorber les molécules dont le diamètre hydrodynamique est inférieur à la taille des pores. Considérant que, pour la configuration actuelle, la taille moyenne des pores est de près de 200 nm, les protéines BSA avec une longueur caractéristique de ~ 6 nm [21] s'accumuleraient facilement dans la matrice de pores. Après 10 min d'incubation, les systèmes D24 ont été séparés et extraits de la solution initiale par sédimentation. Des dispositifs D24 contenant du BSA ont été placés sur la platine d'un microscope Renishaw inVia micro-Raman pour analyse.

La figure 4a rapporte les spectres Raman mesurés de la capsule D24 (i), de la BSA pure (ii), de la BSA + coquilles de diatomées non fonctionnalisées (iii) et des systèmes BSA + D24 (iv). Notez que dans la dernière configuration, les systèmes produisent des effets SERS. Dans le tableau 1, nous rapportons une comparaison directe et une affectation provisoire des pics mesurés dans les systèmes avec (iii) et sans (ii) effets SERS. Alors que la BSA est encore détectable dans de simples coquilles de diatomées, les nanoparticules d'Au dans les systèmes D24 mettent en évidence la présence des composants aromatiques de la BSA à 1392 cm ⁻¹ et dans les 1556-1576 cm ⁻¹ bande. Le pic à 1670 cm ⁻¹ suggère la présence d'amide I dans l'échantillon, qui à son tour suggère β - conformation de la feuille visible avec SERS. Le pic correspondant en micro Raman simple est situé à 1658 cm ⁻¹ , cela suggère différemment un α -structure en hélice. Parallèlement, l'amélioration pertinente de l'étirement symétrique COO- à 1392 cm ⁻¹ suggère de fortes interactions électrostatiques avec la surface diatomée/or [23]. Des balayages matriciels SERS d'échantillons sur des zones finies ont été effectués à la fréquence centrale f = 1576 cm ⁻¹ pour évaluer la réparabilité, la fiabilité et la sensibilité des mesures (Fig. 4b). Le tracé raster du signal SERS dans deux configurations différentes (Fig. 4c, d) indique la capacité du système à reconstruire la distribution spatiale du contenu en BSA à travers les coquilles dans des plages d'abondance extrêmement faibles. Dans des expériences précédemment rapportées [24], nous avons étudié le chauffage local induit par l'amplification EM et la plasmonique. Bien que nous ayons observé des incréments de température pertinents et sélectifs pour le site associés aux dispositifs nano-photoniques sur un substrat, avec des valeurs absolues de températures aussi élevées que ~ 400 K, néanmoins la puissance laser associée à ces incréments doit être définie dans la plage de 10 mW, c'est-à-dire, deux ordres de grandeur supérieur à l'intensité de la puissance laser P = 0.18 mW utilisé pour les mesures de courant. Par conséquent, dans ce cas, les effets de chauffage artificiel et les changements de conformation possibles des protéines sont négligés. Changements de conformation et changements dans le contenu relatif de β - les feuilles de protéines sont activées par des champs de température appliqués de l'extérieur à partir de ~ 340 K [25].

Spectres Raman de BSA pure, BSA adsorbée par des coques de dioxyde de silicium et BSA adsorbée par des systèmes D24, dans les deux dernières expériences, la concentration initiale de BSA était de 10 ⁻¹⁶ (un ). Inspection par microscopie optique des systèmes D24 après incubation avec BSA (b ); Carte Raman de BSA acquise sur des systèmes D24 individuels (c , d )

Analyse SERS de l'huile minérale

Les dispositifs D24 ont été démontrés dans l'analyse et la détection d'huile minérale dans des facteurs de dilution de plus en plus bas. L'huile minérale est un sous-produit de la distillation du pétrole pour produire de l'essence. Il contient des mélanges légers d'alcanes supérieurs avec les paraffines de cette huile minérale allant d'environ C ₁₈ à C ₄₀ :elle correspond approximativement à la composition d'huile de base pour la fabrication d'huiles lubrifiantes ou hydrauliques [26]. Dans un commentaire récent [26], il est recommandé de réduire l'exposition à l'huile minérale à des niveaux inférieurs à ~ 50 mg/kg, soit 50 ppm. L'analyse des huiles minérales (m.o.) et des produits connexes présente donc un intérêt pour la pollution de l'environnement et la sécurité alimentaire. m.o a été examiné à l'aide de la spectroscopie Raman selon les méthodes décrites dans l'analyse BSA précédente.

La figure 5a affiche les spectres Raman mesurés par rapport aux seules capsules D24 (i), à la seule m.o. (ii), et à une émulsion de m.o. et de l'eau DI à différentes concentrations (iii). Le dioxyde de silicium est le composant principal des systèmes D24 (i). Dans la gamme de fréquences considérée 600–3200 cm ⁻¹ , on observe des pics Raman dans la bande 950 cm ⁻¹ , associé à une diffusion du silicium de second ordre, et dans la bande 2130 cm ⁻¹ , associé au −SiH₂ étirement [27]. Le m.o. le spectre (ii) est caractérisé par le pic à 1450 cm ⁻¹ , indicatif du CH₂ les vibrations des ciseaux et les pics de 2 850 à 2 923 cm ⁻¹ région, attribuable à l'étirement du CH [28]. Spectres Raman relatifs à D24 après adsorption avec m.o. à différentes concentrations allant de 0,05 à 200 l/ml indiquent que la teneur relative en m.o. dans l'émulsion est codé dans les bandes 1450 et 2850-2923 cm ⁻¹ . Plus le contenu de m.o. dans l'émulsion, plus les pics Raman sont élevés dans ces gammes de fréquences. Remarquablement, l'analyse D24 est sensible à m.o. dilutions aussi faibles que 0,050 μl/ml ≡ 50 ppm, (m.o.: DI eau), c'est-à-dire la valeur limite au-dessus de laquelle les problèmes de sécurité, de toxicité ou de pollution peuvent augmenter. Cartes Raman de m.o. à une dilution de 10 l/ml sont mesurées sur une surface D24 et reportées dans l'encart de la figure 5b. Les cartes sont calculées aux fréquences centrales f = 1450 cm ⁻¹ (Fig. 5c) et f = 2900 cm ⁻¹ (Fig. 5d). Dans tous les cas, l'intensité Raman est proportionnelle au contenu de m.o. dans la coquille de diatomée, et le m.o. le profil est reconstruit avec une résolution inférieure au micromètre.

Spectres Raman des systèmes D24, de l'huile minérale pure et de l'huile minérale adsorbée par les systèmes D24 à des concentrations de plus en plus faibles (a ). Image optique des systèmes D24 après incubation avec de l'huile minérale et sédimentation (b ). Cartes Raman de l'huile minérale adsorbée par un micro-appareil D24 acquise à f = 1450 cm ⁻¹ (c ) et f = 2900 cm ⁻¹ (d )

Discussion

Le schéma décrit permet la capture, la localisation, la séquestration et la détection de l'analyte. Les analytes adsorbés par les diatomées D24 poreuses peuvent être facilement collectés, manipulés, séparés et aliquotés dans des échantillons. Chaque échantillon est constitué de (i) diatomées fonctionnalisées chargées (ii) d'analytes spécifiques. Ainsi, un échantillon est une combinaison de l'analyte et du dispositif nécessaire pour le détecter. Différentes aliquotes peuvent être traitées à l'aide de configurations Raman simples, stockées pour une analyse future, éventuellement conservées dans un réfrigérateur ou un congélateur pendant de longues périodes. Ainsi, les systèmes D24 sont un dispositif hybride qui fonctionne en symbiose avec les molécules cibles que l'on veut analyser. Alors que les substrats SERS traditionnels ou les nanoparticules métalliques étaient jusqu'à présent utilisés de manière isolée, et que l'interaction entre le substrat SERS et l'analyte se déroule par épisodes intermittents et est souvent limitée au moment de la mesure, les systèmes D24 intègrent le capteur et la molécule cible dans un appareil individuel multifonctionnel, gérable et portable. De plus, contrairement aux substrats SERS traditionnels, les systèmes D24 sont suffisamment petits pour servir de traceurs. Libérés dans les circuits de microcirculation, les systèmes D24 seront transportés à travers les artères, les artérioles et les microvaisseaux des tissus vivants, interagiront avec le sang et les déchets des cellules, internaliseront les analytes, les peptides et les biomarqueurs, et effectueront l'analyse des biomolécules avec des résolution temporelle. Les cartes analytiques des biomolécules peuvent être, à leur tour, associées au risque de cancer individuel, au risque pathologique ou à l'état physiologique d'un patient pour étayer les décisions médicales et planifier les interventions.

Notez que l'idée d'utiliser des diatomées comme microcapsules pour la détection n'est pas complètement nouvelle. Néanmoins, les travaux précédemment rapportés s'écartent de notre analyse dans une mesure qui dépend des contributions individuelles, comme expliqué dans la section suivante.

Dans la référence [29], Ren et ses collègues ont utilisé des simulations pour explorer les améliorations du champ électrique générées par les nanoparticules plasmoniques enduites sur la surface des coquilles squelettiques de diatomées. Ensuite, ils ont préparé des substrats SERS en assemblant des nanoparticules d'argent sur des surfaces de diatomées. Alors que des dispositifs similaires atteignent d'excellents facteurs d'amélioration de la détection, les diatomées sont immobilisées sur un substrat et peuvent ne pas être librement administrées dans la microcirculation, dans les fluides ou solutions biologiques, les compartiments biologiques, les aqueducs, les canaux, l'eau de mer, les courants et courants océaniques, à des fins biologiques ou techniques. candidatures.

Dans la référence [30], Chen et ses collègues ont pressé de la terre de diatomées recouverte de nanoparticules d'Au dans des comprimés millimétriques durs en forme de bouton. Ensuite, ils ont utilisé ces tablettes SERS pour analyser la composition chimique de la sueur eccrine dans les empreintes digitales latentes, c'est une application brillante et très pratique de l'appareil en médecine. Pourtant, il est spécifique et l'analyse est toujours exécutée à un niveau macroscopique.

Dans la référence [31], le groupe dirigé par Luca De Stefano a fonctionnalisé le frustule de diatomée avec des nanoparticules d'Au en utilisant le dépôt autocatalytique. Ensuite, ils ont testé le dispositif à l'aide de p-mercaptoaniline (pMA). Le pMA peut former une monocouche auto-assemblée sur des surfaces métalliques et est donc utilisé comme molécule sonde de surface dans le SERS. Le dépôt autocatalytique est une technique évaluée pour la synthèse de nanoparticules d'or sur une surface autocatalytique qui permet d'atteindre un contrôle élevé sur la taille et la densité des particules [18, 19, 32]. Contrairement à cette approche, nous avons utilisé ici un processus de photo-dépôt qui est plus direct, plus rapide et ne nécessite aucun ou un traitement d'échantillon minimal par rapport au dépôt autocatalytique. Néanmoins, l'approche proposée par De Stefano est prometteuse et mérite d'être vérifiée encore plus loin dans des applications biologiques ou environnementales.

Conclusions

Nous avons développé des moyens de modifier la terre de diatomées économique, facilement accessible et abondante pour obtenir des dispositifs de capteurs miniatures où les pores des coquilles de diatomées ont la capacité de capturer des molécules en solution, et les nanoparticules d'or amplifient le signal de spectroscopie de plusieurs ordres de grandeur pour révéler molécules dans des plages de faible abondance autrement inaccessibles. Nous avons démontré des dispositifs D24 similaires dans l'analyse des protéines biologiques BSA en solution et pour la détection de traces d'huile minérale dans une émulsion binaire avec de l'eau. Dans les deux cas, nous avons révélé des molécules cibles à de faibles dilutions jusqu'à 10 ⁻¹⁶ M pour BSA et 50 ppm pour huile minérale. Les dispositifs peuvent trouver des applications dans la chimie analytique, la surveillance et l'évaluation des risques biologiques, la sécurité alimentaire, la surveillance des contaminants et la surveillance dans les eaux de mer, les aqueducs et l'eau potable.

Méthodes

Microscopie électronique à balayage d'échantillons

Des coquilles de silice fonctionnalisées avec des nanoparticules d'Au (systèmes D24) ont été dispersées directement sur un ruban adhésif de carbone pour l'imagerie par microscopie électronique à balayage (MEB). Les échantillons ont été imagés à l'aide d'un Zeiss Auriga Compact FE-SEM équipé d'un détecteur d'électrons secondaires InLens, pour l'imagerie morphologique, et d'un détecteur de rétrodiffusion annulaire, pour l'imagerie en contraste Z (afin de mettre en évidence la présence d'Au).

Caractéristiques de la terre de diatomées utilisées dans cette étude

Le matériau de diatomées utilisé dans cette étude était une terre de diatomées de qualité alimentaire et de haute qualité fournie par Perma-Guard (Perma-Guard Europe Sollaris Sp. z o.o., Otwock, Pologne) sous forme d'échantillon gratuit de 1 kg de Fossil Shell Flour®. Son prix actuel sur le marché est d'environ 16 euros pour 1 kg. Il est composé de coquilles cylindriques de diatomées d'eau douce éteintes Melosira preicelanica. Sa fraction principale est constituée de silice amorphe (jusqu'à 94%), suivie des smectites (~ 3%), de la kaolinite (~ 2%), des feldspaths (~ 1%), de la calcite (> 1%) et du quartz (> 1%) . Un broyage dans un broyeur à marteaux à basse vitesse a été effectué pour homogénéiser la taille des particules. Les principales propriétés (y compris les propriétés physiques et optiques) de Fossil Shell Flour® sont la taille médiane des particules :10 μm, les résidus de tamis à mailles :2 % ; indice de réfraction :1,43; absorption d'huile :120 %; luminosité (filtre vert) :85 ; densité :2,2; superficie :44,2 m ² /g; pH :8,0 ; volume total des pores :0,132 cm ³ /g; micropores (< 20 Å) : 14 % ; mésopores (20-500 Å) :65 %.

Analyse de fluorescence des systèmes D24

Les systèmes D24 ont été incubés avec des microsphères Fluoresbrite® Yellow Green d'un diamètre de 50 nm pendant 10 min, avec un rapport D24 : particules fluorescentes = 1 : 10. Ensuite, nous avons collecté les systèmes D24 de la solution et les avons placés sur la platine optique d'un système de microscopie confocale à balayage laser inversé Leica TCS-SP2®. Toutes les mesures ont été effectuées à l'aide d'un laser ArUv. Le sténopé (80 μm) et la puissance du laser (80 % de puissance) ont été maintenus tout au long de chaque expérience. La fluorescence jaune (similaire au FITC) a été excitée à l'aide d'un λ ₁ = 441 nm de raie d'excitation et des images confocales ont été collectées au maximum d'émission λ ₂ = 485 nm en utilisant des objectifs × 10/20. Les images ont été acquises sur une région d'intérêt de 975   ×   750 μm ² et ont été moyennés sur quatre lignes et dix images pour améliorer la qualité et réduire le bruit. Les images ont été numérisées en 1280 × 960 pixels.

Analyse par spectroscopie photoélectronique aux rayons X d'échantillons

Les spectres de photoélectrons aux rayons X ont été enregistrés sur une spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) Versa Probe II (PHI, Chanassen US) par un mode d'analyse à grande surface où le faisceau anodique monochromate Al de 100 μm, 100 W de puissance, normal à la surface, est tramée sur une superficie de 1400 × 300 μm ² avec l'analyseur à 45° par rapport à la surface de l'échantillon. Les spectres d'enquête ont été acquis avec un temps d'accumulation d'au moins 20 min à une énergie passe-haut (187 keV) tandis que les spectres à haute résolution des éléments d'intérêt ont été acquis à 11,7 keV avec la même puissance et une résolution de 0,1 eV. Les spectres ont été analysés par le logiciel Multipack (PHI, Chanassen USA) et tous les pics ont été référencés aux pics de carbone adventices C1s à une énergie de liaison de 284,8 eV.

Simulation du champ électromagnétique dans les systèmes D24

Afin de calculer numériquement le profil du champ électrique dans toute la structure décorée, un modèle 3D de la méthode des éléments finis (FEM) a été développé en utilisant le logiciel commercial COMSOL Multiphysics 5.3. Des simulations ont été menées sur une seule cellule unitaire cubique où 125 particules ont été placées sur la surface de la surface diélectrique à motifs. La réponse optique globale a été étudiée en fonction de l'angle d'incidence du champ électromagnétique qui a été approximé comme une onde plane polarisée linéairement TM (Fichier supplémentaire 4). La périodicité du système a été prise en compte en appliquant des conditions aux limites de Floquet sur les faces latérales de la maille élémentaire, perpendiculaires au plan d'incidence; par la suite, les résultats ont été périodiquement étendus pour visualiser le réseau de diatomées (Fichier supplémentaire 4). Une longueur d'onde de λ = 633,0 nm a été défini. La puissance du rayonnement incident a été arbitrairement choisie comme P _inc = 1 W, la surface de la cellule unitaire est égale à 3,9 × 10 ⁻¹³ m ² and the resulting intensity is I  = 2.5 × 10 ⁻⁸  W/cm ² (notice that intensity dependant non-linearity is here neglected). Regarding the materials, the diatom was optically described as a dielectric with refractive index n _diatom  = 1.3, whereas the surrounding environment is air with n _aérien  = 1. Gold nanoparticles, modeled as perfect spheres with a diameter d  = 20 nm, were modeled following the dielectric formulation reported in [20]. The geometrical domain has been discretized using tetrahedral elements. Maximum size of the mesh element has been chosen as 1/5 of the effective wavelength value that had to be resolved in each domain, depending on its refractive index. The minimum mesh element was set to r /1.5, r  = 10 nm is the radius of each nano-sphere. Maxwell equations have been numerically solved within the unit cell by placing perfectly matched layers at the top and the bottom of the structure, in order to avoid unphysical reflections at the boundaries of the domain. In addition, the electromagnetic field symmetry has been exploited to reduce the computational effort of the simulation. As a result, equations are solved for a half of a diatom only, and perfect magnetic conductor boundary conditions have been imposed to the lateral sides of the unit cell, parallel to the plane of incidence, coherently with the polarization of the incident field.

Raman Analysis of Samples

D24 devices containing BSA were positioned on the stage of a Renishaw inVia micro-Raman microscope for analysis. Samples were analyzed using × 20/50 objectives of a Leica microscope. Raman spectra were excited by the 633.0 nm line of an HeNe laser in backscattering geometry and acquired with a CCD with 1024 × 1024 pixels. Laser power was adjusted as 0.18 mW and maintained constant throughout the whole measurements. Interferograms were recorded with an integration time of 20 s. Each spectrum was base line corrected with a second degree polynomial function. Raman maps were performed with a step size of 400 and 600 nm in the x et y axes direction.

Abréviations

BSA:

Bovine serum albumin

D24 systems:

Silicon dioxide diatom shells functionalized with gold nanoparticles

DE:

Diatomaceous earth

MO:

Mineral oil

SERS:

Surface-enhanced Raman spectroscopy