Composite hybride nanotubes de carbone – nanoparticules d'oxyde de fer : un matériau de chromatographie à mode mixte stable pour la séparation des biomolécules

Résumé

Les matériaux à base de carbone sont à l'avant-garde de la recherche en nanotechnologie. Leur utilisation comme phase stationnaire en chromatographie gagne en pertinence. Nous étudions un matériau composé de nanotubes de carbone multi-parois (CNT) et de nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPION) pour son utilisation comme matériau de chromatographie à mode mixte. L'objectif est d'immobiliser le matériau d'échange d'ions (oxyde de fer) sur les CNT, qui servent de matrice stable pour les processus chromatographiques sans chute de pression significative. Les nanoparticules d'oxyde de fer sont synthétisées et utilisées pour décorer les CNT via une voie de co-précipitation. Elles se lient aux parois des CNT oxydés, permettant une séparation magnétique du composite. Ce matériau hybride est caractérisé par microscopie électronique à transmission, magnétométrie, diffraction des rayons X, spectroscopie photoélectronique X et spectroscopie Raman. Sa surface spécifique et son comportement de mouillage sont également déterminés. Nous démontrons son applicabilité comme matériau chromatographique pour la rétention d'acides aminés, en décrivant l'adsorption et la désorption de différents acides aminés dans un système poreux complexe entouré d'un milieu aqueux. Ce matériau peut ainsi servir de matrice chromatographique et d'adsorbant magnétique par lots grâce aux nanoparticules d'oxyde de fer. Nos travaux contribuent à la recherche sur les matériaux composites, nécessaires pour développer de nouvelles applications industrielles ou améliorer les procédés existants.

Introduction

Depuis la première synthèse des nanotubes de carbone (CNT) en 1991 par Iijima, ces matériaux ont connu un essor sans précédent pour devenir l'un des nanomatériaux les plus puissants. La production de CNT repose sur l'enroulement de couches de graphène en tubes. Les propriétés électriques et mécaniques des CNT peuvent être aisément ajustées par différentes conformations de couches ou assemblages multicouches. Une élasticité, une stabilité, une conductivité thermique et électrique élevées, combinées à une surface spécifique importante, placent les CNT au premier plan de la nanotechnologie. Leurs applications vont des batteries, capteurs et matériaux haute performance à l'administration de médicaments et au traitement des eaux usées. De nombreuses applications reposent sur les propriétés d'adsorption uniques des CNT, qui possèdent une surface spécifique élevée et une structure chimique définie. Cependant, l'agglomération des CNT peut réduire l'efficacité des processus d'extraction.

Les nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPION) possèdent également d'intéressantes propriétés adsorbantes, comme en témoignent plusieurs applications dans le traitement des eaux usées ou en médecine. Dans le traitement des eaux, elles sont utilisées pour l'élimination des métaux lourds, grâce à leur faible coût, leur surface spécifique élevée et leurs propriétés de complexation. En médecine, les oxydes de fer servent d'agents de contraste pour l'IRM, de vecteurs pour l'administration de médicaments ou pour des applications d'hyperthermie. Il est donc pertinent de combiner ces deux matériaux pour réunir leurs propriétés bénéfiques, notamment la conductivité des CNT et le superparamagnétisme des SPION. Les applications incluent l'extraction en phase solide magnétique de colorants et de produits pharmaceutiques. Les exigences fondamentales d'une grande surface spécifique sont similaires pour l'extraction en phase solide et la chromatographie liquide. Nous testons donc ce matériau pour sa convenance aux processus de séparation chromatographique.

La décoration des CNT par des SPION améliore leur dispersibilité et leur recyclabilité grâce au caractère amphiphile de la surface. Un tel composite unit la fonctionnalité à mode mixte des CNT et des oxydes de fer. De plus, la décoration affecte les propriétés magnétiques et électriques du matériau. Grâce au superparamagnétisme des SPION, une séparation magnétique du composite est possible. Les méthodes de décoration incluent le remplissage des tubes par des nanoparticules, la liaison via des polymères ou émulsifiants, la synthèse solvothermale, ou la carboxylation acide des CNT avant synthèse des SPION. Cette dernière méthode, utilisée ici, est aujourd'hui prédominante. Le défi majeur reste le contrôle de l'agrégation des nanoparticules d'oxyde de fer pour obtenir un composite homogène. L'utilisation de groupes carboxyle comme ligands naturels pour l'amorçage des SPION lors d'une co-précipitation semble la meilleure voie pour prévenir l'agrégation et créer un matériau à base de nanotubes largement décoré.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Les nanotubes de carbone (Baytubes C 150 P) proviennent de Bayer Materials Science AG (Allemagne). Le chlorure ferrique (FeCl₃·6H₂O) et l'hydroxyde de sodium (NaOH) sont fournis par AppliChem GmbH (Allemagne). Le chlorure ferreux (FeCl₂·4H₂O) vient de Bernd Kraft GmbH (Allemagne). Les acides chlorhydrique, nitrique, peroxyde d'hydrogène et sulfurique sont achetés chez Sigma-Aldrich. Tous les matériaux sont utilisés tels que reçus.

Préparation des CNT carboxylés (cCNT)

10 g de CNT sont suspendus dans un mélange d'acide nitrique concentré (67 %) et d'acide sulfurique (98 %) (1:3 v/v) et agités à température ambiante pendant 18 h. La réaction est arrêtée par dilution avec 2 L d'eau déionisée. Les cCNT sont séparés par filtration sur papier et lavés jusqu'à pH 7, puis séchés à 60 °C pendant une nuit.

Co-précipitation des SPION sur cCNT

2 g de cCNT séchés sont ultrasoniqués dans 800 mL d'eau déionisée pour désagglomérer les tubes. La suspension est maintenue à température ambiante, agitée à 350 tr/min, et mélangée à 14 g FeCl₃·6H₂O et 5,2 g FeCl₂·4H₂O. De l'hydroxyde de sodium (2 mol/L) est ajouté jusqu'à pH 9,5. La réaction s'arrête après 30 min, le solide est filtré et lyophilisé (Alpha 1–2 LDplus, Martin Christ) avant analyses.

Méthodes de caractérisation

Microscopie électronique à transmission (MET)

De faibles quantités de nanotubes séchés sont suspendues dans l'eau déionisée, désagglomérées par sonication (Branson), déposées sur une grille MET et observées (JEOL 100 CX). Au moins 100 particules sont comptées par image.

Diffraction des rayons X (DRX)

Échantillons séchés analysés sur un diffractomètre Stadi P (STOE & Cie, Allemagne) avec source MoKα (λ = 0,7093 Å) en géométrie de transmission. Collecte de 2° à 50° (2θ). Logiciel STOE WinXPOW pour indexation et affinement. Diamètre de particule primaire déterminé par l'équation de Scherrer sur le pic ⟨2 2 0⟩ (facteur 0,89 pour particules sphériques).

Spectroscopie photoélectronique X (XPS)

Système Leybold–Heraeus LHS 10 en vide ultra-élevé (UHV), source Al Kα non monochromatisée (1486,7 eV). Échantillons fixés sur ruban adhésif cuivre compatible UHV. Mode énergie de passage constant 100 eV, FWHM ~1,1 eV. Pic C 1s (284,5 eV) comme référence. Spectres C 1s, O 1s, Fe 2p acquis par 30 balayages. Pression < 5 × 10⁻⁸ mbar. Ajustement par fonctions gaussiennes-lorentziennes (largeur gaussienne 0,7 eV, lorentzienne 0,3 eV).

Tensiométrie

Angles de contact mesurés sur tensiomètre Krüss T100 MK3. Lit tassé de 2 cm de hauteur, compressé uniformément. Capillarité déterminée au n-hexane. Angles de contact avec diiodométhane, DMSO, éthylène glycol, glycérol, eau déionisée. Énergie de surface libre calculée par la méthode OWRK (Owens-Wendt-Rabel-Kälble).

Expériences d'adsorption

Isothermes d'adsorption de L-lysine à différentes concentrations dans tampon phosphate 100 mM pH 7,8, avec SPION, cCNT et cCNT-SPION. Incubation 24 h à 25 °C sous agitation. Concentrations : 1 g/L cCNT ou cCNT-SPION, 2 g/L SPION. Dosage du surnageant par méthode de Cayot (détection photométrique à 420 nm après modification TNBSA à pH 8,5).

Expériences chromatographiques

Capacités de liaison dynamique (DBC) déterminées sur colonne Omnifit (diamètre 6,6 mm, fritté PE 25 µm). Échantillons tassés dynamiquement sous eau jusqu'à 6-8 cm. Débit 0,3 mL/min. HETP et temps mort mesurés avec NaCl 1 M (équation de van Deemter modifiée). Asymétrie évaluée à 10 % hauteur de pic. DBC pour glycine, L-lysine, L-histidine, L-glutamate, L-cystéine (10 mM, pH 6 ajusté HCl/NaOH). Détection par réseau de diodes à 200 nm. Lavage 30 mL eau, chargement 15 mL solution acide aminé, lavage 20 mL eau, élution 20 mL NaCl 1 M, régénération 20 mL eau. DBC mesurée à 10 % du maximum de pic. Triplicats.

Résultats et discussion

Les CNT multi-parois sont hydrophobes et interagissent peu avec les nanoparticules d'oxyde de fer polaires. Un traitement acide (nitrique/sulfurique) rend les CNT plus polaires, créant des défauts de surface et des groupes chargés qui servent de sites d'amorçage pour la co-précipitation des nanoparticules et de sites de liaison pour l'oxyde de fer. Plusieurs méthodes d'oxydation sont testées et analysées par spectroscopie Raman (rapport bande D/bande G). Le mélange acide nitrique/sulfurique donne le résultat le plus reproductible, menant à des nanotubes utilisables en colonne chromatographique. Ces nanotubes sont désignés cCNT.

La co-précipitation d'oxyde de fer en présence de cCNT donne des SPION de taille moyenne légèrement supérieure à celles synthétisées sans cCNT, avec une distribution de taille plus large (5–20 nm) et attachées aux nanotubes. Le composite présente une décoration homogène, sans agrégats majeurs observés en MET. Les mesures de magnétisation à température ambiante révèlent un matériau superparamagnétique avec aimantation de saturation de 67 emu/g et rémanence négligeable (<1 emu/g), proche des SPION purs. La courbe d'hystérésis est similaire, indiquant une composition cœur/enveloppe comparable.

L'analyse DRX montre une structure spinelle (magnétite ou maghémite) pour le composite, sans structure cristalline CNT observable. Les réflexions du composite correspondent au Fe₃O₄ cubique (JCPDS 89-4319). La largeur à mi-hauteur plus grande des pics du composite indique des cristallites primaires plus petites, expliquée par la distribution de taille plus large et les sites de nucléation additionnels sur les cCNT. L'intensité du pic graphite (⟨0 0 2⟩ à 11,8°) reste inchangée, tandis que les pics d'oxyde de fer sont plus intenses.

La spectroscopie XPS confirme la fixation de l'oxyde de fer sur cCNT. Les pics Fe 2p₃/₂ (711 eV) et Fe 2p₁/₂ (724 eV) indiquent magnétite/maghémite. La région O 1s montre les liaisons C–O, COO⁻ pour cCNT et cCNT-SPION, plus une bande à 529,5 eV pour Fe–O dans le composite. La région C 1s révèle espèces carbonées oxydées (carboxyles 289 eV, autres C–O 286–287,5 eV) et carbone sp² (284,5 eV) du squelette CNT.

La spectroscopie IR ATR montre la bande à 550 cm⁻¹ (vibration T₁u magnétite) proéminente pour le composite. Sur cCNT, les vibrations d'étirement symétrique/asymétrique COO⁻ (1325, 1400, 1624 cm⁻¹) et O–H (~3250 cm⁻¹) confirment les groupes carboxyles. La diminution des pics C–O et l'apparition nette de Fe–O indiquent un revêtement homogène.

Le potentiel zêta du composite est proche de celui des SPION nus, suggérant que les oxydes de fer dominent la surface. Le point isoélectrique (pH 7,5 vs 6,5 pour SPION) et le comportement amphiphile similaire confirment un bon revêtement. Les expériences de mouillage (méthode de montée capillaire) donnent des énergies de surface libres similaires pour composite (47,1 mJ/m²) et SPION nus (55,9 mJ/m²), avec une part polaire légèrement plus élevée pour le composite. Les CNT bruts montrent une énergie dispersive élevée, les cCNT une énergie polaire élevée. La surface spécifique BET : SPION 110 m²/g, cCNT 228 m²/g, composite 131 m²/g. Les densités varient : cCNT 1,46 g/cm³, composite 2,38 g/cm³, SPION 3,8 g/cm³.

Les capacités de liaison statique (isothermes L-lysine) et dynamique (chromatographie) sont comparées. L'isotherme de L-lysine sur cCNT-SPION et SPION montre un comportement similaire (K_D ~0,17 vs 0,72 g/L) mais capacité maximale très différente (0,91 vs 0,15 g/g), expliquée par interactions électrostatiques fortes entre lysine chargé positivement et cCNT chargé négativement. En chromatographie dynamique, la L-lysine (positive) a une DBC plus élevée sur cCNT, tandis que le L-glutamate (négatif) a une DBC significativement plus élevée sur cCNT-SPION, en accord avec l'affinité connue du glutamate pour les oxydes de fer. La glycine montre une DBC plus élevée sur le composite (caractère amphiphile). La L-cystéine a une DBC élevée sur le composite (formation de cystine via interaction avec ions fer). L-histidine montre une DBC élevée sur tous les matériaux (interactions électrostatiques, coordination, hydrophobes). La colonne cCNT-SPION a un HETP plus élevé mais asymétrie (~0,7) acceptable pour l'analyse de courbes de percement. Porosité similaire (0,78–0,94) pour tous les systèmes.

Conclusion

Un composite associant nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques et nanotubes de carbone a été synthétisé. L'étude visait à comprendre les propriétés de surface du composite et la contribution de chaque constituant, et à tester son efficacité pour la séparation de molécules (rétention d'acides aminés en chromatographie liquide). L'idée était de combiner la réactivité de surface des nanoparticules d'oxyde de fer avec les propriétés de tassement des CNT (faible chute de pression). Un système chromatographique a été établi et l'interaction d'acides aminés chargés positivement, négativement ou neutres avec le composite a été caractérisée. Ce matériau peut servir d'indicateur d'interactions avec une matrice à base de CNT. Outre la chromatographie, des procédés comme l'extraction en phase solide sont possibles grâce à l'aimantation de saturation élevée. Les propriétés magnétiques permettent une séparation magnétique simple, tandis que les CNT régulent la structure macroscopique et l'accessibilité des molécules cibles à la surface. Cette étude souligne la similitude entre séparation magnétique et chromatographie analytique (matériaux et équilibres d'adsorption similaires). Pour l'exploitation future, les propriétés hydrodynamiques (applications à mode mixte) et électriques (applications électrochimiques) semblent prometteuses. La compréhension et la conception de matériaux composites et la description de leurs propriétés d'interface restent un défi, mais ces matériaux ouvrent la voie à une complexité accrue dans toutes les applications futures. La chromatographie, technologie pionnière applicable à tout composé cible, offre un large portefeuille de méthodes. Des matériaux comme celui présenté sont nécessaires pour comprendre la part de chaque propriété dans un processus donné et comment des compositions différentes impactent le résultat final des processus basés sur les interfaces solide-liquide.