Frustules de diatomées fonctionnalisées à l'or : un nanodispositif hiérarchique pour la détection SERS sensible de biomolécules et polluants environnementaux

Résumé

Les frustules de diatomées en silice sont des coquilles de dioxyde de silicium naturelles présentant des réseaux de pores hautement ordonnés qui peuvent être exploités comme plateformes peu coûteuses et haute performance pour la capture et la détection moléculaires. Nous présentons une méthode de photodéposition évolutive qui enrobe uniformément ces frustules de nanoparticules d'or de 20 nm, créant un nanodispositif hiérarchique (D24) combinant manipulabilité macroscopique, récolte d'analytes à l'échelle micrométrique et spectroscopie Raman à amplification de surface (SERS) à l'échelle nanométrique. Les dispositifs D24 capturent l'albumine sérique bovine (BSA) et l'huile minérale à des concentrations aussi faibles que 10⁻¹⁶ M et 50 ppm respectivement, démontrant leur potentiel pour le diagnostic biomédical, la surveillance de sécurité et la surveillance environnementale.

Contexte

Les diatomées, algues unicellulaires ubiquitaires, contribuent à 40–50 % de la matière organique océanique et 20 % de la fixation mondiale du CO₂. Leurs frustules — cylindres de silice à l'échelle micrométrique de diamètre ≈ 8 µm et hauteur > 10 µm — présentent une résistance spécifique exceptionnelle (~ 1700 kN m⁻¹) et des propriétés photoniques naturelles issues de leurs réseaux de pores réguliers (diamètre 200 ± 40 nm). Ces attributs rendent les diatomées attrayantes pour la nanotechnologie, pourtant les applications pratiques restent limitées, car une fonctionnalisation supplémentaire est requise pour conférer des capacités de détection.

Ici, nous démontrons un processus de photodéposition simple et évolutif qui dépose uniformément des nanoparticules d'or sur les coquilles de diatomées, produisant une architecture multi-échelle permettant une capture efficace d'analytes et une détection par SERS. La méthode utilise de la terre de diatomées — une matière première alimentaire et rentable — pour générer de grandes quantités de dispositifs D24 en moins d'une heure.

Résultats

Fonctionnalisation avec des nanoparticules d'or

Après nettoyage de la terre de diatomées à la solution piranha et traitement avec 2 % HF pour rugosifier la surface, les coquilles ont été suspendues dans une solution de HAuCl₄ à 0,1 % dans l'isopropanol et illuminées par lumière UVA/UVB. En contrôlant la concentration de coquilles, l'injection de précurseur d'or et le temps d'irradiation (1 h, 20 mg coquilles dans 50 mL, 30 µL HAuCl₄ toutes les 5 min), nous avons obtenu un enrobage dense et uniforme de nanoparticules d'or de 20 nm réparties à la fois sur la surface externe et dans les pores.

La microscopie électronique à balayage (SEM) a confirmé que les nanoparticules occupent les pores et la surface externe de la coquille (Figure 1b,c). La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a montré la présence d'or métallique (Au 4f₅/₂ à 84 eV) et des caractéristiques de bande de valence caractéristiques, confirmant la fonctionnalisation réussie (Figure 2).

Amplification du champ électromagnétique

Des simulations par éléments finis ont modélisé le système D24 comme un diélectrique (n = 1,3) avec un réseau de pores hexagonaux et 125 nanoparticules d'or par pore. Illuminé par une onde plane TM à 633 nm (1 W), le champ électrique local près des nanoparticules a atteint |E| ≈ 3 × 10⁸ V m⁻¹, donnant un facteur d'amplification de champ Q ≈ 10² et un facteur d'amplification SERS Q_SERS ≈ 10⁸. L'amplification variait avec l'angle d'incidence θ, oscillant entre |E| ≈ 1,5 × 10⁸ V m⁻¹ (θ = 20°) et |E| ≈ 4 × 10⁸ V m⁻¹ (θ = 50°), mais restait suffisante pour une détection robuste dans toutes les orientations (Figure 3).

Analyse SERS de la BSA

L'incubation de dispositifs D24 dans une solution de BSA à 10⁻¹⁶ M (1 mg mL⁻¹) pendant 10 min a entraîné la capture de BSA dans les pores de 200 nm. Les spectres Raman collectés avec un laser à 633 nm (0,18 mW) ont révélé des pics SERS distincts à 1392, 1556–1576 et 1670 cm⁻¹ correspondant aux vibrations de cycles aromatiques, bandes amides et étirement COO⁻ (Figure 4a). La cartographie Raman a confirmé la distribution homogène de la BSA sur le dispositif (Figure 4c,d).

Analyse SERS de l'huile minérale

Les dispositifs D24 ont capturé l'huile minérale (HM) depuis des émulsions aqueuses jusqu'à 50 ppm. Les spectres Raman ont affiché les bandes caractéristiques de ciseau CH₂ (1450 cm⁻¹) et d'étirement CH (2850–2923 cm⁻¹) qui évoluaient linéairement avec la concentration en HM (Figure 5a). La cartographie à 1450 et 2900 cm⁻¹ a résolu la distribution de HM avec une résolution sub-micrométrique (Figure 5c,d).

Discussion

La plateforme D24 intègre capture, rétention et détection dans un seul dispositif portable. Contrairement aux substrats SERS conventionnels qui nécessitent un dépôt d'analyte externe, le D24 sert simultanément de concentrateur de cible et de capteur, permettant une surveillance en temps réel dans des matrices complexes. La conception hiérarchique permet d'introduire les dispositifs dans les systèmes circulatoires biologiques, où ils peuvent séquestrer des biomarqueurs et signaler des états pathologiques avec une haute résolution spatiale et temporelle.

Des travaux antérieurs ont démontré des substrats SERS à base de diatomées utilisant l'argent ou la déposition d'or sans courant, mais ces approches immobilisent soit les frustules, soit impliquent une chimie plus complexe. Notre méthode de photodéposition est rapide, évolutive et nécessite un post-traitement minimal, la rendant adaptée à la production à grande échelle.

Conclusions

Nous avons établi un protocole rapide et rentable pour produire des frustules de diatomées enrobées d'or (D24) qui capturent les molécules et fournissent une amplification SERS. Les dispositifs détectent la BSA à 10⁻¹⁶ M et l'huile minérale à 50 ppm, soulignant leur potentiel pour la chimie analytique, le diagnostic biomédical, la sécurité alimentaire et la surveillance environnementale.

Méthodes

Microscopie électronique à balayage

Les échantillons D24 ont été montés sur ruban carbone et imager avec un Zeiss Auriga Compact FE-SEM (détecteurs d'électrons secondaires et rétrodiffusion) pour visualiser la morphologie et la distribution d'Au.

Analyse de fluorescence

Les dispositifs ont été incubés avec des microsphères Fluoresbrite® Yellow Green de 50 nm (ratio 1:10), puis imager sur un microscope confocal Leica TCS-SP2 (laser ArUV, excitation 441 nm, émission 485 nm). Les images couvraient 975 × 750 µm² et étaient moyennées pour réduire le bruit.

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

L'XPS a été réalisée sur un PHI Versa Probe II utilisant une source Al Kα de 100 W (11,7 keV). Spectres d'enquête (≥ 20 min) et spectres haute résolution (résolution 0,1 eV) ont été référencés au C 1s (284,8 eV).

Simulations électromagnétiques

COMSOL Multiphysics 5.3 a modélisé une cellule unité contenant 125 sphères d'Au de 20 nm sur un diélectrique d'indice 1,3. Une onde plane TM à 633 nm (1 W) a illuminé la cellule, et les distributions de champ ont été calculées en utilisant des couches parfaitement adaptées et des frontières de conducteur magnétique.

Spectroscopie Raman

La cartographie Raman a utilisé un microscope micro-Raman Renishaw inVia avec un laser HeNe à 633 nm (0,18 mW). Les spectres ont été acquis avec un objectif 20× et intégrés pendant 20 s par point.

Abréviations

BSA

Albumine sérique bovine

Systèmes D24

Coquilles de diatomées en dioxyde de silicium fonctionnalisées avec nanoparticules d'or

DE

Terre de diatomées

HM

Huile minérale

SERS

Spectroscopie Raman à amplification de surface