NANOPARTICULES FLUORESCENTES, LEUR PROCEDE DE PRÉPARATION ET LEUR APPLICATION EN MARQUAGE BIOLOGIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention appartient au domaine technique des nanocristaux de semi-conducteurs.
Plus particulièrement, la présente invention propose un procédé de préparation de nanocristaux comprenant un semi-conducteur de composition ternaire, typiquement de type ABC2, tels que des nanocristaux de CuInS2 éventuellement enrobés par une couche d'un autre semi-conducteur de type DE tel que du ZnS. La présente invention concerne également les nouveaux matériaux luminescents ainsi préparés et notamment à base de nanocristaux cœur/coquille CuInS2/ZnS dont l'émission couvre le spectre visible et le proche infrarouge ainsi que leurs différentes utilisations et notamment pour l'imagerie in vivo.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Deux principaux types de marqueurs (ou « labels » en anglais) fluorescents dans le proche infrarouge qui est le domaine de longueurs d'onde pour lesquelles l'absorption et la diffusion de la lumière par les tissus biologiques sont minimales ont été développés pour l'imagerie in vivo. Ces marqueurs sont soit des marqueurs fluorescents moléculaires, i.e. des fluorophores organiques absorbant/émettant dans le
proche infrarouge, soit des marqueurs fluorescents nano-particulaires .
Le seul fluorophore organique aujourd'hui autorisé à l'injection chez l'homme est le vert d' indocyanine (ou ICG pour « IndoCyanine Green ») . Malheureusement, ce fluorophore est peu soluble en tampon aqueux, ne comporte aucun groupe chimique permettant son greffage à un ligand biologique de ciblage, tel un peptide, un anticorps ou une protéine, et s'adsorbe de façon importante sur les protéines plasmatiques . Les applications cliniques utilisant 1 ' ICG sont, à l'heure actuelle, essentiellement des applications en imagerie de la vascularisation, telle que l'angiographie de l'œil. C'est pourquoi de nombreuses autres cyanines absorbant/émettant dans le proche infrarouge ont été développées et brevetées ces dernières années (Amersham, Molecular Probes, Schering, Li-Cor, Biosearch) , les efforts mis en œuvre pour développer de telles cyanines portant sur l'amélioration de leur solubilité et leur fonctionnalisation par des groupes de greffage permettant de les coupler à des biomolécules sondes de processus biologiques, comme des peptides. Ces fluorophores, dont certains sont aujourd'hui commercialisés à des prix très élevés, ne sont pas à notre connaissance et au jour d'aujourd'hui approuvés pour injection chez l'homme, bien que des études de toxicité dans ce sens soient très certainement en cours chez plusieurs fournisseurs. Certains de ces fluorophores organiques sont en revanche utilisés pour l'imagerie de fluorescence du petit animal. Ainsi la
société Visen commercialise différentes sondes à base de fluorophores organiques pour visualiser chez le petit animal le flux sanguin, la consommation en glucose des tumeurs, l'activité ostéoblastique, l'activité de métalloprotéases, l'activité des cathepsines et de la plasmine.
Cependant, ces fluorophores présentent les inconvénients inhérents aux fluorophores organiques absorbant/émettant dans le proche infrarouge : vitesse de photo-blanchiement importante, raies d'émission larges, faible décalage spectral entre l'absorption et l'émission, et faibles rendements quantiques d'émission (10 à 15% dans l'eau pour les fluorophores émettant au- delà de 650 nm) . Pour ces différentes raisons, les nanocristaux de semi-conducteurs sont très rapidement apparus comme une alternative intéressante en tant que marqueurs luminescents pour la biologie. Les cristaux de semi-conducteurs sont des matériaux luminescents connus depuis plusieurs décennies. Dans les années 1980—1990, il a été montré que leur spectre d'émission dépend de la taille du cristal lorsque celle-ci devient suffisamment petite. Pour des cristaux dont la taille se situe approximativement dans la gamme allant de 1 à 10 nm appelés « nanocristaux » ou « boîtes quantiques », cette dépendance est extrêmement prononcée. De fait, la palette entière des couleurs du visible et des proches infrarouge et ultraviolet peut être obtenue avec des nanocristaux semi-conducteurs par le choix approprié de leur taille et composition. Pour couvrir le spectre visible et proche infrarouge, très
important dans les domaines d'éclairage/affichage et du marquage biologique, les matériaux les plus étudiés sont les chalcogénures de cadmium (CdS, CdSe, CdTe) et de plomb (PbS, PbSe) . Cependant, la Directive Européenne RoHS (Restriction of Hazardous Substances) prévoit l'élimination entre autres du plomb, mercure et cadmium dans les Équipements Électriques et Électroniques (EEE) , commercialisés en Europe à partir du 1er juillet 2006. De même, du fait de leur toxicité intrinsèque, les nanocristaux à base de cadmium [1], de plomb ou d'arsenic [2] ne sont pas acceptables pour grand nombre d'applications en tant que marqueur biologique, et en particulier pour le marquage in vivo dans le corps humain. II est donc indispensable de trouver des matériaux alternatifs pour la fabrication des nanocristaux, tout en gardant les propriétés optiques recherchées .
D'une manière générale, la qualité optique d'un matériau luminescent composé de nanocristaux dépend de plusieurs paramètres, dont les plus importants sont :
- la taille des nanocristaux, qui règle la longueur d'onde d'émission ; - la distribution de taille des nanocristaux, qui contrôle la largeur de raie d' émission ; la passivation de surface des nanocristaux, responsable du rendement quantique de fluorescence et de la stabilité dans le temps.
La roquesite de formule CuInS2 (ou CIS) , membre de la famille des chalcopyrites ternaires, est un matériau intéressant pour substituer les nanocristaux à base de cadmium et de plomb. Grâce à sa largeur de bande interdite de 1,5 eV, il est possible de varier la longueur d'onde d'émission des nanocristaux de CIS dans le spectre visible et dans le proche infrarouge en changeant leur taille. Cependant, les nanocristaux de CIS montrent généralement une très faible efficacité de fluorescence à température ambiante, comme en témoigne la littérature.
Il existe plusieurs méthodes de préparation des nanocristaux de CIS parmi lesquelles la méthode de décomposition des précurseurs dans un solvant organique à haute température donne accès à la dispersion en taille la plus étroite. Une faible dispersion en taille des nanocristaux mène à un spectre d'émission étroit, i.e. une couleur d'émission pure ce qui est particulièrement avantageux pour les applications technologiques. Les principales voies de synthèse sont les suivantes.
Une première voie de synthèse a été décrite en 2003 dans l'article de Castro et al. [3] . Ces derniers ont proposé l'utilisation de (PPh3) 2CuIn (SEt) 4 qui est un précurseur monomoléculaire, à la fois source de cuivre, d' indium et de soufre. Ce précurseur est placé dans un ballon contenant comme solvant du dioctyl phthalate. Le mélange, chauffé à 2000C, conduit à la formation d'une poudre rouge. Cette poudre est isolée, purifiée, dispersée dans du dioctyl phthalate et chauffée ensuite à 250-3000C. Une poudre brune ou noire
constituée des nanocristaux de CIS est alors obtenue. Une modification de ce protocole comprend l'ajout du hexanethiol au mélange réactionnel et donne accès à des nanoparticules solubles en solvant organique [4] . Les nanocristaux de CIS obtenus ont une taille comprise entre 2 et 4 nm et le rendement quantique de fluorescence maximal se situe autour de 5%. Une autre variante de la méthode consiste à déclencher la réaction par irradiation UV (photolyse) [5] . Le principal désavantage de ces approches est l'utilisation d'un précurseur monomoléculaire qui n'est pas disponible commercialement et qui doit donc être synthétisé auparavant en utilisant, par exemple, la procédure décrite dans l'article de Banger et al., 2003 [6] .
Nakamura et al. ont décrit plus récemment une seconde voie de synthèse qui utilise des sources individuelles de cuivre, indium et soufre [7] . Dans ce cas, on mélange, dans l'octadécène qui sert de solvant, l'iodure de cuivre et l'iodure d' indium dissous dans de l'oléylamine ainsi que le soufre, dissous dans de la trioctylphosphine . Après chauffage du mélange à 160- 2400C, la taille des nanocristaux obtenus est de 3,5-7,5 nm, respectivement. Cependant, le rendement quantique de fluorescence est faible, inférieur à 0,1%. Une valeur de 5% a été obtenue avec le système quaternaire, Zn-Cu-In-S, décrit dans le même article.
Une autre voie de synthèse très récente utilise les diéthyldithiocarbamates de cuivre et d' indium, préparés au préalable par réaction de chlorure de cuivre (II) et de chlorure d' indium (III)
avec le diéthyldithiocarbamate de sodium [8] . Les deux précurseurs sont mélangés avec de l'acide oléique ou du dodécanethiol (stabilisant) dans le 1-octadécène
(solvant) . Après chauffage du mélange réactionnel à 2000C, l'oléylamine est injectée, déclenchant la réaction pour former les nanocristaux de CIS d'une taille de 4-30 nm selon les paramètres choisis. Aucune information concernant les propriétés de photoluminescence de ces cristaux n'est donnée. En résumé, les méthodes de préparation décrites ci-dessus permettent d'obtenir des nanocristaux de CIS dans une large gamme de taille et avec une faible dispersion en taille. Cependant elles ne résolvent pas le problème du rendement quantique de fluorescence qui demeure faible (inférieur à 5%) . De ce fait, les applications envisagées des nanocristaux CIS sont limitées aux cellules solaires, qui sont basées sur les propriétés d' absorption des nanoparticules et non pas sur leur fluorescence. Dans l'état de l'art, l'utilisation des nanocristaux CIS en tant que émetteurs/fluorophores et en particulier dans le marquage biologique n'est pas décrite.
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention permet de résoudre les problèmes techniques et désavantages précédemment listés .
En effet, la présente invention propose, tout d'abord, un nouveau procédé pour la synthèse des nanocristaux comprenant un composé ternaire semiconducteur constitué des éléments A, B et C, ci-après
dénommé composé ternaire (A, B, C) , et particulièrement sous une forme stoechiométrique de formule ABC2. Ce procédé complété par une étape d' enrobage par une coquille dont la partie externe comprend un autre semi- conducteur de formule DE permet d' obtenir des nanocristaux, notamment des nanocristaux de type « cœur/coquille » et, en particulier, des nanocristaux cœur/coquille de formule CIS/ZnS ayant un rendement quantique de fluorescence supérieur à 10% et une grande stabilité contre la photo-oxydation. De plus, les procédés selon la présente invention utilisés sont très simples à mettre en œuvre, ce qui facilite le changement d'échelle pour fabriquer ces nanocristaux en plus grande quantité. Enfin, le procédé de la présente invention est remarquable car non seulement il permet la préparation de nanocristaux de CIS éventuellement revêtus par une coquille de ZnS, mais aussi il est généralisable à la préparation de nanocristaux comprenant un composé ternaire (A, B, C) semiconducteur, et particulièrement de formule ABC2, éventuellement revêtus par une coquille comprenant au moins un semi-conducteur de formule DE avec A représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1, B représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +III, C représentant un élément à l'état d'oxydation -II, D représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +11 et E représentant un élément à l'état d'oxydation -II.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé de préparation d'un nanocristal comprenant un composé ternaire semi-conducteur constitué des éléments
A, B et C, et, plus particulièrement, de formule ABC2, avec A représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1, B représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +III et C représentant un élément à l'état d'oxydation -II, ledit procédé (ci-après désigné procédé (I)) comprenant les étapes successives consistant à : a) préparer un mélange comprenant au moins un précurseur de A, au moins un précurseur de B et au moins un précurseur de C à une température Ta ; b) maintenir le mélange obtenu à l'étape (a) à une température Tb supérieure ou égale à la température Ta ; c) porter le mélange obtenu à l'étape (b) de la température Tb à une température Tc supérieure à la température Tb ; di) éventuellement purifier les nanocristaux comprenant un composé ternaire semi-conducteur constitué des éléments A, B et C, et, plus particulièrement, de formule ABC2, obtenus à l'étape
(c) .
Le nanocristal préparé selon le procédé de l'invention comprend un composé ternaire semiconducteur constitué des éléments A, B et C, et, plus particulièrement, de formule ABC2, avec A représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1, B représentant un métal ou métalloïde à l'état
d'oxydation +III et C représentant un élément à l'état d'oxydation -II, ce type de semi-conducteur étant appelé I-III-VI.
A, le métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1 mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est avantageusement choisi entre le cuivre (Cu), l'argent (Ag) et leurs mélanges.
B, le métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +III mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est avantageusement choisi parmi le gallium (Ga), l'indium (In), l'aluminium (Al) et leurs mélanges .
C, l'élément à l'état d'oxydation -II mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est avantageusement choisi parmi le soufre (S), l'oxygène (O) , le sélénium (Se) , le tellure (Te) et leurs mélanges .
A titre d'exemple de composé ternaire (A, B, C) semi-conducteur compris dans le nanocristal préparé selon le procédé de l'invention, on peut citer CuIn3Se5, CuIn3S5, CuIn5SeS, CuIn5Ss, Cu2In2Se4, CuIn7SeH... Parmi les composés ternaires (A, B, C) stoechiométriques, on trouve typiquement les semiconducteurs de formule ABC2, parmi lesquels on peut notamment citer CuAlS2, CuGaS2, CuInS2, CuAlO2, CuGaO2, CuInO2, CuAlSe2, CuGaSe2, CuInSe2, CuAlTe2, CuGaTe2, CuInTe2, AgAlS2, AgGaS2, AgInS2, AgAlO2, AgGaO2, AgInO2, AgAlSe2, AgGaSe2, AgInSe2, AgAlTe2, AgGaTe2, AgInTe2 et leurs mélanges. En particulier, le cœur du nanocristal préparé selon le procédé de l'invention comprend un semi-conducteur de formule ABC2 choisi parmi CuInS2,
CuGaS2, CuInSθ2, CuGaSθ2 et leurs mélanges et, plus particulièrement, ledit semi-conducteur est le CuInS2.
Avantageusement, le nanocristal préparé selon le procédé de l'invention est constitué exclusivement d'un semi-conducteur tel que précédemment défini (i.e. un semi-conducteur ternaire constitué des éléments A, B et C et, plus particulièrement, un semiconducteur de formule ABC2) .
Le nanocristal préparé par le procédé (1) de la présente invention a un diamètre inférieur à 10 nm, notamment inférieur à 8 nm et, en particulier, compris entre 1 et 6 nm.
Dans le cadre de la présente invention, le précurseur de A mis en œuvre est choisi dans le groupe constitué par un précurseur de cuivre, un précurseur d'argent, et leurs mélanges. Tous les précurseurs de cuivre et d'argent connus de l'homme du métier et notamment les précurseurs se présentant sous forme liquide ou solide sont utilisables dans la présente invention .
Avantageusement, le précurseur de A est choisi parmi les sels de A, les halogénures de A, les oxydes de A et les composés organométalliques de A. Par « composé organométallique de A », on entend, plus particulièrement, un composé de A substitué, un carboxylate de A ou un phosphonate de A.
Par « composé de A substitué », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule RiA dans laquelle Ri représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un
radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Par « carboxylate de A », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule R2COOA dans laquelle R2 représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Par « phosphonate de A », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule R3-P(OR4) (OR5)OA dans laquelle :
- R3 représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy ;
- R4 représente un atome d'hydrogène ou un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy, et - R5 représente un atome d'hydrogène ou un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Dans le cadre de la présente invention et sauf mention contraire, on entend par « groupe alkyle » un groupe alkyle linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 1 à 20 atomes de carbone, notamment de 1 à 15 atomes de carbone et, en particulier, de 1 à 10 atomes de carbone. Dans le cadre de la présente invention, on entend par « groupe alcényle » un groupe alcényle
linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 2 à 20 atomes de carbone, notamment de 2 à 15 atomes de carbone et, en particulier, de 2 à 10 atomes de carbone. Dans le cadre de la présente invention, on entend par « groupe alcoxy » un atome d' oxygène substitué par un alkyle tel que précédemment défini.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « groupe aryle » un groupe aromatique mono- ou polycyclique, éventuellement substitué, ayant de 6 à 20 atomes de carbone, notamment de 6 à 14 atomes de carbone, en particulier, de 6 à 8 atomes de carbone.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « groupe aryloxy » un atome d' oxygène substitué par un aryle tel que précédemment défini.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « éventuellement substitué » un radical substitué par un ou plusieurs groupes choisis parmi : un groupe alkyle, un groupe alcoxy, un halogène, un hydroxy, un cyano, un trifluorométhyle ou un nitro.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « halogène » un fluor, chlore, brome ou iode .
A titre d'exemples de précurseur de A utilisables dans le cadre de la présente invention, lorsque A est le cuivre, on peut citer le chlorure de cuivre, l'iodure de cuivre, l'acétate de cuivre, 1' acétylacétonate de cuivre, le stéarate de cuivre, le palmitate de cuivre, le myristate de cuivre, le laurate de cuivre, l'oléate de cuivre et leurs mélanges. Plus
particulièrement, ledit précurseur de cuivre est l'iodure de cuivre.
Dans le cadre de la présente invention, le précurseur de B mis en œuvre est avantageusement choisi dans le groupe constitué par un précurseur d' indium, un précurseur de gallium, un précurseur d'aluminium et leurs mélanges. Tous les précurseurs d' indium, d'aluminium et de gallium connus de l'homme du métier et notamment les précurseurs se présentant sous forme liquide ou solide sont utilisables dans la présente invention .
Avantageusement, le précurseur de B est choisi parmi les sels de B, les halogénures de B, les oxydes de B et les composés organométalliques de B. Par « composé organométallique de B », on entend, plus particulièrement, un composé de B tri-substitué, un carboxylate de B ou un phosphonate de B.
Par « composé de B tri-substitué », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule (Rδ^B dans laquelle chaque Re, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Par « carboxylate de B », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule (R7COO) 3B dans laquelle chaque R7, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical
alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Par « phosphonate de B », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule [R8-P(OR9) (ORio)0]3B dans laquelle : chaque Rg, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy ; chaque Rg, identique ou différent, représente un atome d'hydrogène ou un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy, et chaque Rio, identique ou différent, représente un atome d'hydrogène ou un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Les radicaux alkyle, alcényle, alcoxy, aryle et aryloxy sont tels que définis pour les précurseurs de A.
A titre d'exemples de précurseur de B utilisables dans le cadre de la présente invention, lorsque B est l'indium, on peut citer le trichlorure d' indium, le triéthyl-indium, le triacétate d' indium, le tri (acétylacétonate) d' indium, le trioctanoate d' indium, le tristéarate d' indium, la trilaurate d' indium, le tripalmitate d' indium, la trimyristate d' indium, le trioléate d' indium et leurs mélanges. Plus
particulièrement, ledit précurseur d' indium est l'acétate d' indium.
Dans le cadre de la présente invention, le précurseur de C mis en œuvre est choisi dans le groupe constitué par un précurseur de soufre, un précurseur d'oxygène, un précurseur de sélénium, un précurseur de tellure et leurs mélanges. Tous les précurseurs de soufre, d'oxygène, de sélénium et de tellure connus de l'homme du métier et notamment les précurseurs se présentant sous forme liquide ou solide sont utilisables dans la présente invention.
Le précurseur de C est choisi parmi le sélénium élémentaire dissous dans un solvant organique ; le tellure élémentaire dissous dans un solvant organique ; le soufre élémentaire dissous dans un solvant organique ; un thiol aliphatique ; un xanthate ; un aminé oxyde; une phosphine séléniure ; un phosphine oxyde ; un composé de formule C (Si (Rn) 3) 2 dans laquelle C représente un élément choisi dans le groupe constitué par S, Se et Te et chaque Rn, identique ou différent, est un groupe alkyle linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 1 à 10 atomes de carbone, notamment de 1 à 6 atomes de carbone et, en particulier, de 1 à 3 atomes de carbone, et leurs mélanges.
Avantageusement, le thiol aliphatique est de formule CnH2n+i-SH avec n représentant un nombre entier compris entre 1 et 25, notamment entre 5 et 20 et, en particulier, entre 8 et 18. A titre de thiols
aliphatiques utilisables dans le cadre de la présente invention, on peut citer l' octanethiol (n = 8), 1' octadécanethiol (n = 18), le dodécanethiol (n = 12) et leurs mélanges. Par « xanthate », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de séquence
(Ri2<0CS2)nY avec Y représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +n et R12 représentant un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy. Les radicaux alkyle, alcényle, alcoxy, aryle et aryloxy sont tels que définis pour les précurseurs de A.
Par « aminé oxyde », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de séquence (Ri3)3NO dans laquelle chaque R13, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy. Les radicaux alkyle, alcényle, alcoxy, aryle et aryloxy sont tels que définis pour les précurseurs de A. A titre d'aminé oxyde utilisable dans le cadre de la présente invention, on peut citer le triméthylamine N-oxyde (R13 = méthyl) . Avantageusement, le solvant organique dans lequel le sélénium, le tellure ou le soufre élémentaire est dissous est choisi parmi les trialkylphosphines dans lesquelles le groupe alkyle comprend de 4 à 12 atomes de carbone et les alcènes. A titre d'exemples de solvants organiques utilisables, on peut citer le
1-octadécène, la tributylphosphine et la trioctylphosphine .
Plus particulièrement, les phosphines séléniure et oxyde susceptibles d'être utilisées dans le cadre de la présente invention sont respectivement choisies parmi les trialkylphosphines séléniure et les trialkylphosphines oxyde dans lesquelles le groupe alkyle comprend de 4 à 12 atomes de carbone.
Les précurseurs de A, de B et de C mis en œuvre dans le cadre de la présente invention peuvent être des produits accessibles dans le commerce ou des produits pour lesquels l'homme du métier connaît au moins un procédé simple de préparation. Ainsi, au moins un parmi les précurseurs de A, de B et de C peut avoir été éventuellement préparé au préalable avant son introduction dans le mélange de l'étape (a) ou être préparé in situ dans ledit mélange.
Le mélange d' au moins un précurseur de A, d'au moins un précurseur de B et d'au moins un précurseur de C, i.e. le mélange préparé à l'étape (a) du procédé de l'invention, est effectué dans un solvant organique .
Avantageusement, ledit solvant organique est un alcane, une aminé secondaire ou tertiaire, ou un alcène ayant un point d'ébullition supérieur à Tc , i.e. supérieur à la température choisie pour l'étape (c) du procédé selon l'invention.
Par « alcane », on entend, dans le cadre de la présente invention, un alcane linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 1 à 40 atomes de
carbone, notamment de 10 à 35 atomes de carbone et, en particulier, de 14 à 30 atomes de carbone. A titre d'exemple, les alcanes susceptibles d'être utilisés dans le cadre de la présente invention sont l'hexadécane et le squalane (C30H62) •
Par « aminé secondaire ou tertiaire », on entend, dans le cadre de la présente invention, notamment les dialkylamines et trialkylamines dont le groupe alkyle comprend de 4 à 24 atomes de carbone, notamment de 8 à 20 atomes de carbone. A titre d'exemple, l'aminé secondaire (tertiaire) susceptible d'être utilisée dans le cadre de la présente invention est la dioctylamine (trioctylamine) qui comporte 8 atomes de carbone par chaîne alkyle. Par « alcène », on entend, dans le cadre de la présente invention, un alcène linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 2 à 40 atomes de carbone, notamment de 10 à 35 atomes de carbone et, en particulier, de 14 à 40 atomes de carbone. A titre d'exemple, un alcène susceptible d'être utilisé dans le cadre de la présente invention est le squalène (C30H50) .
Un solvant plus particulièrement utilisé pour préparer le mélange de précurseurs dans le procédé selon l'invention est le 1-octadécène (CiSH36) .
De plus, le mélange de précurseurs dans ledit solvant peut contenir en outre un élément choisi dans le groupe constitué par un stabilisant pour la surface des nanocristaux et une aminé primaire. En effet, le mélange de précurseurs dans ledit solvant peut contenir en outre un stabilisant
pour la surface des nanocristaux . Par « stabilisant pour la surface des nanocristaux », également nommé « ligand stabilisant », on entend dans le cadre de la présente invention une molécule organique qui se lie à la surface du nanocristal et qui évite ainsi l'agrégation des nanocristaux. Tout stabilisant connu de l'homme du métier est utilisable dans le cadre de la présente invention. Avantageusement, ledit stabilisant est choisi parmi les thiols et notamment les thiols aliphatiques tels que précédemment décrits ; les alkylphosphines et notamment les tri (alkyl) phosphines telles que précédemment décrites ; les alkylphosphine oxydes et les acides phosphoniques tels que précédemment décrits ; les acides carboxyliques et notamment les acides carboxyliques aliphatiques ou oléfiniques tels que l'acide laurique, l'acide myristique, l'acide palmitique, l'acide stéarique, l'acide oléique ou leurs mélanges.
Enfin, le mélange de précurseurs dans ledit solvant peut également contenir une aminé primaire. Avantageusement, l'aminé primaire est une alkylamine dont le groupe alkyle comprend de 4 à 24 atomes de carbone, notamment de 8 à 20 atomes de carbone. A titre d'exemple, les aminés primaires susceptibles d'être utilisées dans le cadre de la présente invention sont 1' octylamine, le dodécylamine, l' héxadécylamine (HDA) et l' oléylamine .
La concentration du précurseur de A, du précurseur de B et du précurseur de C dans le mélange lors de l'étape (a) du procédé est comprise entre
2,5 et 150 mmol/L, notamment entre 5 et 100 mmol/L et en particulier entre 10 et 20 mmol/L.
Il convient de remarquer que certains des stabilisants précédemment listés sont également des sources de précurseurs mis en œuvre dans le procédé selon l'invention et notamment des précurseurs de C tels que des précurseurs de soufre. Dans ce cas, il est clair que la quantité totale d'un précurseur jouant également un rôle de stabilisant est largement supérieure, dans le mélange, à la quantité définie ci- dessus. Ainsi, la quantité d'un composé jouant le rôle de précurseur et de stabilisant est comprise entre 10 mmol/L et 5 mol/L, notamment entre 100 mmol/L et 1 mol/L et en particulier entre 200 et 700 mmol/L.
Avantageusement, la température Ta du mélange de précurseurs lors de l'étape (a) est inférieure à 500C, notamment inférieure à 400C et, en particulier, inférieure à 300C. Plus particulièrement, le mélange de précurseurs est à température ambiante. Par « température ambiante », on entend une température de 20°C ± 5°C.
De façon avantageuse, l'étape (a) du procédé de l'invention est effectuée sous agitation. Différents moyens connus de l'homme du métier peuvent être utilisés pour agiter le mélange mis en œuvre lors de l'étape (a) du procédé de l'invention. A titre d'exemples, le mélange peut être agité en utilisant un agitateur, un barreau magnétique, un bain à ultrasons ou un homogénéisateur .
Enfin, l'étape (a) du procédé de l'invention peut être mise en œuvre sous flux d'un gaz inerte et notamment sous flux d'argon, d'azote ou d'un de leurs mélanges.
L'étape (b) du procédé de l'invention vise à maintenir le mélange préparé à l'étape (a) à une température Tb supérieure ou égale à la température initiale du mélange, i.e. la température Ta telle que précédemment définie. Durant cette étape les précurseurs de A et de B peuvent être transformés par réaction avec les molécules de stabilisant dans le milieu. A titre d'exemple, le triacétate d' indium peut réagir avec l'acide myristique pour former du trimyristate d' indium.
Avantageusement, la température Tb du mélange de précurseurs lors de l'étape (b) est inférieure à 1000C, notamment comprise entre 30 et 800C, en particulier, comprise entre 40 et 600C. Plus particulièrement, le mélange de précurseurs est à une température de l'ordre de 500C. Par « température de l'ordre de 500C », on entend une température de 500C ± 5°C.
Dans une première variante de l'étape (b) du procédé selon l'invention, la température Tb est égale à la température initiale du mélange, i.e. la température Ta de l'étape (a) . Dans ce cas, une fois le mélange de précurseurs réalisé, ce dernier est maintenu à la température Tb = Ta pendant une durée comprise entre 15 et 180 min, notamment entre 30 et 120 min et, en particulier, pendant une durée de l'ordre de 60 min.
Par « durée de l'ordre de 60 min », on entend une durée de 60 min ± 10 min.
Dans une seconde variante de l'étape (b) du procédé selon l'invention, la température Tb est supérieure à la température initiale du mélange, i.e. la température Ta de l'étape (a) . Dans ce cas, une fois le mélange de précurseurs réalisé, ce dernier est porté de la température Ta à température Tb. Ce passage peut se faire de façon croissante soit linéaire, soit avec au moins un palier. De façon particulièrement avantageuse, ce passage se fait de façon croissante linéaire notamment avec une rampe de 1 à 200C par seconde, notamment une rampe de 2,5 à 15°C par seconde et, plus particulièrement, une rampe de 5 à 100C par seconde.
L'étape (b) est avantageusement mise en œuvre sous vide primaire. Une fois l'étape (b) terminée, une purge avec un gaz inerte tel que de l'argon, de l'azote ou un de leurs mélanges est effectuée. De même, l'étape (b) du procédé de l'invention est effectuée sous agitation et notamment selon les formes de mise en œuvre précédemment envisagées pour l'étape (a) du procédé.
L'étape (c) du procédé de l'invention consiste à chauffer de façon progressive le mélange réactionnel obtenu à l'étape (b) du procédé de l'invention de la température Tb à une température plus élevée, i.e. la température Tc. Durant cette étape la formation et la croissance des nanocristaux du composé ternaire semi-conducteur (A, B, C) ont lieu.
Avantageusement, la température Tc est supérieure à 1500C, notamment supérieure à 1800C, en particulier comprise entre 1800C et 3000C, et, plus particulièrement, comprise entre 2000C et 2700C. Avantageusement, la température Tc est de l'ordre de 230°C. Par « de l'ordre de 230°C », on entend une température de 2300C ± 200C et notamment une température de 230°C ± 100C.
Dans une première variante de l'étape (c) du procédé selon l'invention, le passage de la température Tb à la température Tc se fait de façon croissante linéaire.
Avantageusement, l'augmentation linéaire de la température est effectuée avec une rampe de 0,5 à 200C par seconde, notamment une rampe de 1 à 100C par seconde et, plus particulièrement, une rampe de 1,5 à 5°C par seconde.
Dans une seconde variante de l'étape (c) du procédé selon l'invention, le passage de la température Tb à la température Tc se fait de façon croissante avec au moins un palier.
Par « palier », on entend une température T comprise entre Tb et Tc qui est maintenue constante pendant un temps compris entre 5 sec et 1 h, notamment entre 15 sec et 45 min, en particulier entre 30 sec et 30 min et, plus particulièrement, entre 1 min et 15 min. L'augmentation de la température entre les températures Tb et Tc peut présenter de 1 à 10 paliers et notamment de 2 à 5 paliers. Entre Tb et le premier palier, entre deux paliers consécutifs et entre le dernier palier et Tc, la température est augmentée de
façon linéaire dans les conditions telles que définies pour la première variante de l'étape (c) .
Lors de l'étape (c) , une fois la température Tc atteinte, cette température peut être maintenue constante pendant une durée comprise entre 10 min et 5 h, notamment entre 20 min et 3,5 h et, en particulier, entre 30 min et 2 h. Avantageusement, la durée de l'étape (c) est de l'ordre de 40 min. Par « durée de l'ordre de 40 min », on entend une durée de 40 min ± 10 min et notamment une durée de 40 min ± 5 min.
L'homme du métier connaît différentes techniques et différents moyens permettant de porter progressivement le mélange de précurseurs de la température Ta à la température Tb et de la température Tb à la température Tc. A titre d'exemples, on peut citer l'utilisation d'un ballon ou réacteur contenant le mélange de précurseurs, thermostaté programmable, ou l'utilisation d'un bain chauffé au préalable à la température requise qui peut être la température d'un palier, la température Tb ou la température Tc dans lequel est plongé le ballon ou le réacteur contenant le mélange de précurseurs.
L'étape (c) est avantageusement effectuée sous agitation et notamment selon les formes de mise en œuvre précédemment envisagées pour l'étape (a) du procédé .
Lors de l'étape (di) du procédé selon l'invention, les nanocristaux obtenus sont purifiés à partir du mélange réactionnel, i.e. les nanocristaux
sont séparés dudit mélange réactionnel. L'homme du métier connaît différentes techniques pour cette purification mettant en œuvre une étape de précipitation, une étape de dilution et/ou une étape de filtration. Les techniques mises en œuvre dans l'art antérieur pour purifier des nanocristaux luminescents sont utilisables dans le cadre de l'étape (dl) du procédé de l'invention.
Avantageusement, l'étape (di) du procédé est mise en œuvre à une température inférieure à la température Tc. Ainsi, le mélange réactionnel obtenu suite à l'étape (c) du procédé est refroidi ou laissé à refroidir jusqu'à température ambiante. Ensuite, les nanocristaux sont purifiés par précipitation en utilisant un solvant ou un mélange de solvants appropriés .
On peut utiliser, par exemple, un mélange d'un alcool tel que du méthanol et de chloroforme (avantageusement en une proportion 1:1 vol: vol) pour diluer le mélange réactionnel obtenu suite à l'étape
(c) jusqu'au double volume, et ensuite précipiter avec un excès d'acétone. Les nanocristaux sont récupérés par centrifugation et peuvent ensuite être dispersés dans des solvants organiques tels que l'hexane, le toluène ou le chloroforme. L'étape (di) de purification du procédé selon l'invention peut éventuellement être répétée une ou plusieurs fois.
Il est clair pour l'homme du métier qu'il existe deux principaux moyens pour contrôler la taille des nanocristaux de composition ternaire (A, B, C)
obtenus par le procédé (1) selon l'invention et par conséquence leur couleur d'émission. Ces principaux moyens sont (1) le temps de réaction et (2) l'ajustement des paramètres réactionnels . L'homme du métier saura donc adapter, sans effort inventif, ces paramètres pour obtenir un nanocristal de composition ternaire (A, B, C) présentant une couleur d'émission particulière .
Le procédé (1) selon la présente invention permet d'obtenir des nanocristaux de composition ternaire (A, B, C) et particulièrement de formule ABC2 présentant un rendement quantique de fluorescence maximum observé intéressant. A titre d'exemple, lorsque le nanocristal préparé selon le procédé de la présente invention est un nanocristal CIS, le rendement quantique de fluorescence maximum observé est de l'ordre de 8%.
Une méthode largement utilisée pour augmenter le rendement quantique des nanocristaux de matériaux variés (e.g. CdSe, CdS, etc.) consiste à passiver leur surface en faisant croître autour du nanocristal correspondant au « cœur » une coquille d'un semi-conducteur à largeur de bande interdite supérieure. Ce système est dénommé « cœur/coquille » dans la littérature scientifique. Les méthodes utilisées pour le dépôt de la coquille sont essentiellement les mêmes que celles employées pour la préparation du cœur. Pour améliorer les propriétés des nanocristaux de composition ternaire (A, B, C) , la présente invention propose de les recouvrir avec une
coquille d'un semi-conducteur DE, D représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +11 et E représentant un élément à l'état d'oxydation -II.
La présente invention propose donc un procédé de préparation d'un nanocristal présentant (i) un cœur comprenant un semi-conducteur de composition ternaire (A, B, C) , et, plus particulièrement, de formule ABC2, avec A représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1, B représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +III et C représentant un élément à l'état d'oxydation -II, revêtu par (ii) une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur de formule DE avec D représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +11 et E représentant un élément à l'état d'oxydation -II. Un semi-conducteur de formule DE est également appelé II-VI. Plus particulièrement, le semiconducteur mis en œuvre dans la partie externe de la coquille est de formule ZnSi_xFx, avec F représentant un élément à l'état d'oxydation -II et x étant un nombre décimal tel que 0 ≤ x < 1.
Ainsi, la présente invention propose un procédé de préparation d'un nanocristal présentant (i) un cœur comprenant un semi-conducteur de composition ternaire (A, B, C) , et, plus particulièrement, de formule ABC2, avec A représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1, B représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +III et C représentant un élément à l'état d'oxydation -II, revêtu par (ii) une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur de formule ZnSi_xFx, avec F
représentant un élément à l'état d'oxydation -II et x étant un nombre décimal tel que 0 ≤ x < 1, ledit procédé (ci-après désigné procédé (2)) comprenant les étapes consistant à : α) préparer un nanocristal comprenant un composé ternaire semi-conducteur constitué des éléments A, B et C, et, plus particulièrement de formule ABC2, selon un procédé tel que précédemment défini, puis β) revêtir le nanocristal préparé à l'étape (α) par une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur de formule ZnSi_xFx, avec F représentant un élément à l'état d'oxydation -II et x étant un nombre décimal tel que 0 ≤ x < 1.
Le nanocristal préparé par le procédé (2) de la présente invention a un diamètre inférieur à 15 nm, notamment inférieur à 12 nm et en particulier inférieur à 10 nm.
La coquille du nanocristal préparé par le procédé (2) selon l'invention a une épaisseur comprise entre 0,3 et 6 nm, notamment entre 0,5 et 4 nm et en particulier entre 1 et 2 nm.
Toute technique connue de l'homme du métier permettant d'enrober ou d'entourer un nanocristal d'un semi-conducteur avec une ou plusieurs couches d'un autre (ou d'autres) semi-conducteur (s) est utilisable dans le cadre de l'étape (β) du procédé selon la présente invention. Ladite étape (β) peut être mise en œuvre sur les nanocristaux préparés par le procédé (1), purifiés (i.e. suite à l'étape (di) ) ou non (i.e. suite à l' étape (c) ) .
Avantageusement, le procédé (2) selon la présente invention comprend les étapes successives consistant à : a) préparer un mélange comprenant au moins un précurseur de A, au moins un précurseur de B et au moins un précurseur de C à une température Ta ; b) maintenir le mélange obtenu à l'étape (a) à une température Tb supérieure ou égale à la température Ta ; c) porter le mélange obtenu à l'étape (b) de la température Tb à une température Tc supérieure à la température Tb ; d2) ajouter, au mélange obtenu à l'étape (c) et maintenu à la température Tc, au moins un précurseur de zinc, au moins un précurseur de soufre et éventuellement au moins un précurseur de F ; e2) purifier les nanocristaux présentant un cœur comprenant un composé ternaire semi-conducteur constitué des éléments A, B et C, et, plus particulièrement, de formule ABC2, revêtu d'une coquille dont la couche externe comprend un semiconducteur de formule ZnSi_xFx, obtenus à l'étape (d2) .
Les différentes formes de mise en œuvre et variantes envisagées pour les étapes (a) , (b) et (c) du procédé (1) selon l'invention s'appliquent mutatis mutandis aux étapes (a), (b) et (c) du procédé (2) selon l'invention.
Le nanocristal préparé selon le procédé (2) de la présente invention présente une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur de formule
ZnSi-xFx, avec F représentant un élément à l'état d'oxydation -II et x étant un nombre décimal tel que 0 ≤ x < 1. F est un élément à l'état d'oxydation -II notamment choisi parmi l'oxygène (0), le sélénium (Se), le tellure (Te) et leurs mélanges.
La coquille du nanocristal préparé selon le procédé (2) de l'invention peut être constituée d'une seule couche ou de plusieurs couches (i.e. être une coquille multicouche) . Dans le cas où la coquille n'est constituée que d'une couche, la partie externe de la coquille correspond à ladite couche.
Dans le cas où la coquille est constituée de plusieurs couches, la partie externe de la coquille correspond à la couche externe de la coquille. Par « couche externe », on entend dans le cadre de la présente invention la couche de la coquille la plus éloignée du cœur du nanocristal et en contact direct avec le milieu ou l'environnement dans lequel le nanocristal se trouve. Une coquille multicouche peut comprendre de 2 à 10, notammment de 2 à 5 couches de semi-conducteurs différents. Ainsi, différentes variantes sont envisageables pour la coquille du nanocristal préparé par le procédé de l'invention.
Dans une première variante, x dans la formule ZnSi_xFx est égal à 0 et la coquille n'est formée que d'une couche qui est donc une couche de ZnS.
Dans une seconde variante, x dans la formule ZnSi_xFx est tel que 0 < x < 1 et la coquille n'est formée que d'une couche. Dans une troisième variante, x dans la formule ZnSi_xFx est égal à 0 et la coquille comprend au
moins deux couches différentes parmi lesquelles la couche externe est une couche de ZnS.
Dans une quatrième variante, x dans la formule ZnSi_xFx est tel que 0 < x < 1 et la coquille comprend au moins deux couches différentes.
De plus, la (ou les) couche (s) de la coquille du nanocristal préparé selon le procédé (2) de l'invention peut (vent) présenter une composition chimique uniforme ou, à l'intérieur, d'une même couche, une composition chimique qui diffère et notamment une composition chimique sous forme de gradient. Dans ce cas de figure, la partie externe de la coquille sera constituée par la zone externe d'une coquille à une couche et par la zone externe de la couche externe d'une coquille multicouche.
Lorsque la coquille est multicouche, la (ou les) couche (s) comprise (s) entre le cœur du nanocristal et la couche externe de formule ZnSi_xFx telle que précédemment définie peuvent comprendre un semi- conducteur de composition ternaire (A, B, C) , et, plus particulièrement, de formule ABC2, telle que précédemment définie et/ou un semi-conducteur de formule DE telle que précédemment définie.
Le métal ou métalloïde D à l'état d'oxydation +11, est notamment choisi parmi le magnésium (Mg) , le calcium (Ca) , le strontium (Sr) , le baryum (Ba) , le zinc (Zn) , le cadmium (Cd) , le mercure
(Hg), l'étain (Sn), le plomb (Pb) et leurs mélanges.
L'élément E à l'état d'oxydation -II est notamment choisi parmi l'oxygène (O), le soufre (S), le sélénium (Se), le tellure (Te) et leurs mélanges. Des exemples
de semi-conducteurs pouvant être présents dans les couches comprises entre le cœur du nanocristal et la couche externe de la coquille sont, par exemple, MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe et leurs mélanges. Plus particulièrement, des exemples de semiconducteurs pouvant être présents dans les couches comprises entre le cœur du nanocristal et la couche externe de la coquille sont choisis dans le groupe constitué par MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, SnS, SnSe, SnTe et leurs mélanges.
Il est donc clair que, dans le cas d'une coquille multicouche, le mélange réactionnel mis en œuvre dans le cadre de la présente invention et notamment à l'étape (cb) contient en outre les précurseurs des éléments constituant les couches autres que la couche externe de la coquille.
L'étape (cb) permet, d'une part, d'ajouter, au mélange obtenu à l'étape (c) , i.e. au mélange contenant les nanocristaux de type (A, B, C) , et notamment ABC2, formant le cœur des nanocristaux préparés par mise en œuvre du procédé (2), les précurseurs de la (ou des) coquille (s) entourant ou enrobant un tel cœur et, d'autre part, de maintenir le mélange à la température Tc à laquelle la coquille est formée . Tous les précurseurs mis en œuvre dans le cadre du procédé (2) de la présente invention sont soit
des produits accessibles dans le commerce, soit des produits pour lesquels l'homme du métier connaît au moins un procédé de préparation. Ainsi, au moins un parmi les précurseurs de zinc, de soufre et de F peut avoir été éventuellement préparé au préalable avant son introduction dans le mélange de l'étape (cb) ou être préparé in situ dans ledit mélange.
Dans le cadre de la présente invention, le précurseur de zinc mis en œuvre est choisi dans le groupe constitué par les sels de zinc, les halogénures de zinc, les oxydes de zinc et les composés organométalliques de zinc. Par « composé organométallique de zinc », on entend, plus particulièrement, un composé de zinc bi-substitué, un carboxylate de zinc ou un phosphonate de zinc.
Par « composé de zinc bi-substitué », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule (Ri4) 2Zn dans laquelle chaque Ri4, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Par « carboxylate de zinc », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule (Ri5COO) 2Zn dans laquelle chaque Ri5, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy. Un carboxylate avantageusement mis en œuvre est le stéarate de zinc.
Par « phosphonate de zinc », on entend dans le cadre de la présente invention un composé de formule [Ri6-P(ORi7) (ORi8)O]2Zn dans laquelle : chaque Ri6, identique ou différent, représente un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy ; chaque Ri7, identique ou différent, représente un atome d'hydrogène, un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy, et chaque Ris, identique ou différent, représente un atome d'hydrogène, un groupe hydrocarboné de 1 à 20 atomes de carbone tel qu'un radical alkyle, un radical alcényle, un radical alcoxy, un radical aryle ou un radical aryloxy.
Les radicaux alkyle, alcényle, alcoxy, aryle et aryloxy sont tels que définis pour les précurseurs de A.
Dans le cadre de la présente invention, le précurseur de soufre mis en œuvre est choisi dans le groupe constitué par un thiol aliphatique, le soufre élémentaire dissous dans un solvant organique, un xanthate et un composé de formule S (Si (1*19)3) 2 dans laquelle chaque R19, identique ou différent, est un groupe alkyle linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 1 à 10 atomes de carbone,
notamment de 1 à 6 atomes de carbone et, en particulier, de 1 à 3 atomes de carbone.
Les précurseurs du soufre comme le thiol aliphatique et les xanthates, et les formes de mise en œuvre de ces derniers comme le solvant organique utilisé sont telles que précédemment définies.
Dans le cadre de la présente invention, le précurseur de F éventuellement mis en œuvre dans l'étape (cb) est choisi dans le groupe constitué par un précurseur d'oxygène, un précurseur de sélénium, un précurseur de tellure et leurs mélanges.
Avantageusement, le précurseur de F est choisi parmi le sélénium élémentaire dissous dans un solvant organique ; le tellure élémentaire dissous dans un solvant organique ; l'acétate de zinc ; une phosphine séléniure ; un phosphine oxyde ; un composé de formule F' (Si (1*20)3) 2 dans laquelle F' représente Se ou Te et chaque R20, identique ou différent, est un groupe alkyle linéaire, ramifié ou cyclique, éventuellement substitué, de 1 à 10 atomes de carbone, notamment de 1 à 6 atomes de carbone et, en particulier, de 1 à 3 atomes de carbone, et leurs mélanges . Les précurseurs de F comme les phosphines séléniure et oxyde, et les formes de mise en œuvre de ces derniers comme le solvant organique utilisé sont tels que précédemment définis.
La concentration du précurseur de zinc et celle du précurseur de soufre éventuellement avec le
précurseur de F est comprise entre 5 et 400 mmol/L, notamment entre 10 et 300 mmol/L et en particulier entre 20 et 200 mmol/L.
Lorsque la coquille du nanocristal est multicouche, les précurseurs des différents éléments, métaux et métalloïdes constituant les couches autres que la couche externe de la coquille sont présents, dans le mélange réactionnel, à une concentration comprise entre 5 et 400 mmol/L, notamment entre 10 et 300 mmol/L et en particulier entre 20 et 200 mmol/L.
L'ajout des précurseurs de zinc, de soufre et, éventuellement, de F et d'autres métaux, métalloïdes ou éléments constituant les couches internes de la coquille lors de l'étape (cb) peut se faire de différentes façons.
Dans une première variante, les précurseurs à ajouter sont préalablement mélangés entre eux et le mélange ainsi obtenu est ajouté en une seule fois au mélange de l'étape (c) .
Dans une seconde variante, les précurseurs à ajouter sont préalablement mélangés entre eux et le mélange ainsi obtenu est ajouté au moins deux fois au mélange de l'étape (c) . Dans cette variante, le mélange de précurseurs est avantageusement ajouté sous forme d'un goutte à goutte.
Dans une troisième variante, les précurseurs à ajouter sont ajoutés indépendamment les uns des autres au mélange de l'étape (c) , chaque précurseur pouvant être ajouté audit mélange en une
seule ou en au moins deux fois, voire sous forme d'un goutte à goutte.
Dans une quatrième variante, certains précurseurs sont mélangés ensemble et le (ou les) mélange (s) ainsi obtenu (s) est (sont) ajouté (s) au mélange de l'étape (c) en une seule ou en au moins deux fois, voire sous forme d'un goutte à goutte, alors qu'au moins un autre précurseur est ajouté, indépendamment de ce (ou ces) mélange (s), au mélange de l'étape (c) et ce, en une seule ou en au moins deux fois, voire sous forme d'un goutte à goutte.
Quelle que soit la variante mise en œuvre pour l'ajout des précurseurs, ces derniers peuvent être ajoutés sous forme solide notamment en poudre ou sous forme d'une solution. Lorsqu'au moins un précuseur parmi les précurseurs de zinc, de soufre et, éventuellement, de F et d'autres métaux, métalloïdes ou éléments constituant les couches internes de la coquille est ajouté en solution, cette solution comprend, comme solvant, un solvant organique tel que précédemment défini.
La température du mélange lors de l'étape (cb) est maintenue à la température Tc telle que précédemment définie. Il convient de remarquer qu'il peut être nécessaire de porter la température du mélange de l'étape (c) à la température Tc, si la température dudit mélange diminue entre les étapes (c) et (cb) . Les différents moyens et formes de mise en œuvre pour porter et/ou maintenir le mélange à la
température Tc durant l'étape (cb) sont identiques à ceux envisagés pour les étapes (b) et (c) .
L'étape (cb) présente avantageusement une durée comprise entre 5 min et 5 h, notamment entre 10 min et 3,5 h et, en particulier, entre 20 min et 2 h. Avantageusement, la durée de l'étape (cb) est de l'ordre de 30 min. Par « durée de l'ordre de 30 min », on entend une durée de 30 min ± 10 min et notamment une durée de 30 min ± 5 min. Les précurseurs de zinc, de soufre, de F et d'autres métaux, métalloïdes ou éléments constituant les couches internes de la coquille peuvent être ajoutés au mélange durant toute la durée de l'étape (cb) ou avoir été ajoutés dans les premières minutes de l'étape (cb) . Par « les premières minutes », on entend dans le cadre de la présente invention la lere, les 2 1ères, les 5 1ères, les 15 1ères minutes de l'étape (cb) .
L'étape (θ2) de purification du procédé (2) est une étape de purification/séparation des nanocristaux cœur/coquille ainsi préparés à laquelle s'appliquent les formes de mise en œuvre et les variantes précédemment envisagées pour l'étape (di) .
La présente invention concerne tout nanocristal susceptible d'être obtenu par un procédé selon la présente invention, i.e. :
- soit un nanocristal comprenant un semiconducteur de composition ternaire (A, B, C) , et, plus particulièrement, de formule ABC2,
soit un nanocristal présentant (i) un cœur comprenant un semi-conducteur de composition ternaire (A, B, C) , et, plus particulièrement, de formule ABC2, avec A représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +1, B représentant un métal ou métalloïde à l'état d'oxydation +III et C représentant un élément à l'état d'oxydation -II, revêtu par (ii) une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur de formule ZnSi_xFx, avec F représentant un élément à l'état d'oxydation -II et x étant un nombre décimal tel que 0 ≤ x < 1.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un nanocristal présentant un cœur comprenant un semi-conducteur comprenant du cuivre, de l'indium et du soufre, revêtu par une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur comprenant du zinc et du soufre, susceptible d'être obtenu par un procédé selon l'invention.
En effet, l'utilisation d'un matériau semi- conducteur comprenant du zinc et du soufre en partie externe de la coquille a plusieurs avantages :
1) ce matériau est non toxique et présente une bonne stabilité chimique ;
2) son paramètre de maille (5,41 A) est proche de celui du cœur CIS (5,52 A) soit un désaccord de maille d'environ 2%, un faible désaccord de maille entre les matériaux cœur et coquille étant indispensable afin de pouvoir faire croître la coquille de manière épitaxiale et d'éviter ainsi la formation de défauts cristallins qui pourront diminuer l'efficacité de fluorescence ;
3) sa grande largeur de bande interdite de 3,8 eV (« band gap » en anglais) et son alignement de bandes énergétiques par rapport au CIS assurent le confinement dans le CIS des porteurs de charge générés lors d'une excitation lumineuse. En conséquence, la coquille de ZnS n'influence pas (ou très peu) la longueur d'onde d'émission. En revanche, l'intensité de fluorescence et la photo-stabilité pourront être fortement améliorées grâce à la meilleure passivation de la surface de CIS et de sa séparation physique du milieu environnant par la coquille de ZnS.
Plus particulièrement, le nanocristal objet de la présente invention, i.e. présentant un cœur comprenant un semi-conducteur comprenant du cuivre, de l'indium et du soufre, revêtu par une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur comprenant du zinc et du soufre, susceptible d'être obtenu par un procédé selon l'invention possède un rendement quantique de fluorescence plus élevé que les valeurs rapportées à ce jour. Le rendement quantique de fluorescence avec les nanocristaux selon l'invention est supérieur à 5% à température ambiante, notamment supérieur à 10% à température ambiante, en particulier, supérieur à 20% à température ambiante et, plus particulièrement, supérieur à 50%.
L'homme du métier connaît différentes techniques permettant, pour un nanocristal donné, d' obtenir son rendement quantique de fluorescence à température ambiante. A titre d'exemple, on peut citer la technique consistant à comparer l'intensité
d'émission intégrée spectralement, d'une dispersion de nanocristaux selon l'invention dans de l'hexane de densité optique X à une longueur d'onde d'excitation Y avec celle d'une solution de rhodamine G6 dans de l'éthanol de même densité optique et à la même longueur d'onde d'excitation.
Le nanocristal présentant un cœur comprenant un semi-conducteur comprenant du cuivre, de l'indium et du soufre, revêtu par une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur comprenant du zinc et du soufre, objet de la présente invention émet dans le proche infrarouge, avantageusement dans la gamme spectrale de 500 à 900 nm et notamment, dans la gamme spectrale de 650 à 900 nm, ce qui est particulièrement intéressant pour l'imagerie optique in vivo.
La présente invention concerne également une composition comprenant au moins un nanocristal présentant un cœur comprenant un semi-conducteur comprenant du cuivre, de l'indium et du soufre, revêtu par une coquille dont la partie externe comprend un semi-conducteur comprenant du zinc et du soufre dans un milieu aqueux. Ladite composition est avantageusement une composition liquide.
Par « milieu aqueux », on entend dans le cadre de la présente invention un milieu choisi dans le groupe constitué par l'eau, l'eau déminéralisée, l'eau désionisée, une solution saline telle que du PBS, une solution physiologique, une solution de chlorure de sodium, de l'acide acétique aqueux, un mélange d'eau et
d'un solvant organique tel que précédemment défini et leurs mélanges.
En effet, une fois synthétisés, les nanocristaux selon la présente invention se trouvent en milieu organique et nécessitent d'être transférés en milieu aqueux avant toute utilisation en biologie et en particulier pour l'imagerie moléculaire in vivo.
Le passage des nanocristaux en milieu aqueux s'effectue généralement par toute technique connue de l'homme du métier. Ces techniques impliquent (i) un échange de ligands (i.e. on échange les ligands initiaux stabilisant les nanocristaux en milieu organique par des ligands qui stabiliseront les nanoparticules en milieu aqueux), (ii) la formation d'une couche intermédiaire entre le nanocristal et le milieu aqueux telle qu'une couche de silice, ou encore
(iii) l'interaction hydrophobe/hydrophobe avec au moins un polymère amphiphile avec la partie hydrophobe du polymère interagissant avec les ligands organiques initiaux stabilisant les nanocristaux, et la partie hydrophile servant à stabiliser lesdits nanocristaux en tampon aqueux. Pour toutes ces techniques, on parle de fonctionnalisation des nanocristaux.
Par conséquent, le procédé (2) selon la présente invention peut présenter une étape additionnelle visant à fonctionnaliser les nanocristaux purifiés après l'étape (θ2) .
Plus particulièrement, dans le cadre de l'échange de ligands, le passage des nanocristaux en tampon aqueux est réalisé dans des conditions qui favorisent un taux d'échange maximum des ligands tels
que le dodécanethiol par les nouveaux ligands amphiphiles et une stabilité des nanocristaux ainsi fonctionnalisés en suspension aqueuse. Tout ligand amphiphile connu de l'homme du métier est utilisable dans cette fonctionnalisation . A titre d'exemples, on peut citer les ligands amphiphiles de type acide mercaptocarboxylique, de type β-dicétone et l'acide dihydrolipoïque . Ce dernier présente une petite taille, un groupe chargé pour favoriser la solubilisation dans l'eau, et deux fonctions thiol connues pour leur grande affinité avec la surface des nanocristaux comportant une coquille de sulfure de zinc.
La présente invention concerne enfin l'utilisation d'un nanocristal susceptible d'être préparé selon un procédé de l'invention ou d'un nanocristal selon l'invention dans une diode électroluminescente ou dans une cellule photovoltaïque .
La présente invention concerne enfin l'utilisation d'un nanocristal susceptible d'être préparé selon un procédé de l'invention, d'un nanocristal selon l'invention ou d'une composition selon la présente invention pour le marquage fluorescent de molécules chimiques ou biologiques.
Pour résumer les avantages particuliers apportés par la présente invention, l'intérêt de la méthode proposée est multiple :
1. Elle donne des nanocristaux à base de CIS/ZnS ayant un rendement quantique de fluorescence plus élevé que les nanocristaux connus jusqu'à présent
et notamment supérieur à 20% à température ambiante dans le spectre visible (480-650 nm) et supérieur à 5% dans le proche infrarouge (650-900 nm) .
2. Elle donne accès à des nanocristaux CIS/ZnS émettant dans le proche infrarouge et notamment dans la gamme spectrale 650-900 nm, particulièrement intéressante pour l'imagerie optique in vivo.
3. Elle est très simple, ce qui facilite le changement d'échelle afin d'augmenter la quantité produite. En particulier, aucun précurseur pyrophorique n'est utilisé et les étapes de synthèse des cristaux cœur et cœur/coquille se suivent directement, i.e. sans purification intermédiaire des cristaux cœur CIS. De plus, aucune étape de tri en taille (e.g. par précipitation sélective) n'est requise du fait de la faible dispersion en taille des échantillons obtenus directement après la synthèse.
4. Après fonctionnalisation adéquate de la surface, les nanocristaux CIS/ZnS peuvent être transférés en milieu aqueux et utilisés en tant que marqueur fluorescent en biologie. Ils ne comportent pas de cadmium, plomb ou mercure, métaux lourds présentant une toxicité aiguë ou chronique. Leurs propriétés d'émission sont suffisamment performantes pour permettre la détection de leur biodistribution in vivo sans sacrifice de l'animal chez la souris Nude à des doses de l'ordre de 1017 atomes de cuivre/souris de 20g.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous donnés à
titre illustratif et non limitatif, et faisant référence aux figures annexées.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 présente les spectres d'absorption UV-vis des prélèvements effectués lors de l'expérience décrite à la partie II ci-après (synthèse de nanocristaux CIS) , en utilisant une température de réaction de 2000C. La figure 2 présente les spectres de photoluminescence des prélèvements effectués lors de l'expérience décrite à la partie II ci-après (synthèse de nanocristaux CIS) . La longueur d'onde d'excitation est 470 nm. La figure 3 présente les spectres de photoluminescence des échantillons CIS/ZnS préparés selon la partie III ci-après en utilisant pour la synthèse de nanocristaux cœur CIS une température de 2300C et un temps de réaction de 20 min (Figure 3A) ; 40 min (Figure 3B) ; 60 min (Figure 3C) . La longueur d'onde d'excitation est 470 nm.
La figure 4 présente un diffractogramme de rayons X sur poudre des nanocristaux cœur CIS préparés en chauffant à 2700C pendant 30 min (Courbe A), des nanocristaux cœur CIS préparés en chauffant à 2300C pendant 40 min (Courbe B) , et des nanocristaux cœur/coquille CIS/ZnS (Courbe C) , fabriqués à partir de l'échantillon B.
La figure 5 présente les images de microscopie électronique à transmission d'un échantillon des nanocristaux cœur CIS préparés en
chauffant à 2300C pendant 40 min (Figure 5A) et de l'échantillon cœur/coquille CIS/ZnS correspondant au même agrandissement (Figure 5B) .
La figure 6 présente les spectres de photoluminescence des nanocristaux CIS-ZnS avant et après transfert en tampon aqueux PBS IX (excitation à 590 nm) .
La figure 7 présente les images de fluorescence montrant la bio-distribution au cours du temps de nanocristaux CIS-ZnS (6, 5.1016 - l,3.1017 atomes de cuivre) injectés par voie intraveineuse
(veine caudale) dans des souris Nude saines.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Toutes les manipulations de matériaux sensibles à l'air sont faites en boîte à gants ou en utilisant une rampe à vide (technique de Schlenk) .
I . Matériel et Méthodes . Pour la caractérisation, les spectres d'absorption UV-visible ont été mesurés sur un spectromètre Hewlett-Packard 8452A (domaine spectral en longueur d'onde : 190-820 nm, résolution 2 nm) , les spectres de photoluminescence ont été acquis avec un spectromètre Hitachi F-4500. Pour ces mesures spectroscopiques, les solutions colloïdales diluées de nanocristaux dans de l'hexane ont été placées dans des cuvettes en quartz de chemin optique 1 cm. Les rendements quantiques de fluorescence à température ambiante ont été obtenus par comparaison de l'intensité d'émission — intégrée spectralement — de la solution de
nanocristaux dans l'hexane avec celle d'une solution de rhodamine 6G dans 1 ' éthanol, les deux solutions ayant la même densité optique (< 0,03) à la longueur d'onde d'excitation (490 nm) . Les diffractogrammes RX ont été obtenus sur un appareil Philips X'Pert, utilisant une source de Co, à 50 kV et 35 mA. Les images de microscopie électronique à transmission ont été acquises avec un microscope JEOL 4000FX.
Tous les produits sauf le stéarate de zinc (Riedel de Haën) et l'iodure de cuivre (Acros) ont été achetés chez Sigma-Aldrich et utilisés tels quels, acétate d' indium (pureté 99,99%), iodure de cuivre (pureté 99,995%), stéarate de zinc (pureté 90%), dodécanethiol (pureté 97%) et 1-octadécène (pureté 90%) . La synthèse d' éthylxanthate de zinc, utilisé dans la croissance de la coquille, est décrite par la suite : 0,005 mol de chlorure de cadmium est dissous dans 20 mL d'eau distillée. On lui ajoute une solution de 0,01 mol d' éthylxanthogénate de potassium dissous dans 20 mL d'eau distillée. Un précipité blanc est ainsi formé, qu'on filtre, puis lave 3 fois avec 50 mL d'eau distillée et sèche sous vide.
II . Synthèse de nanocristaux de CIS. II. A. Protocole.
Etape 1 : 0,3 mmol d' iodure de cuivre (I), 0,3 mmol d'acétate d' indium (III) , 12,5 mmol de 1- dodécanethiol et 25 mL de 1-octadécène sont placés dans un ballon tricol de 50 mL équipé d'un condenseur et mélangés sous flux de gaz inerte (argon ou azote) à l'aide d'un agitateur magnétique.
Etape 2 : On chauffe ce mélange à 500C pendant 1 h sous vide primaire, puis on purge avec de l'azote ou de l'argon.
Etape 3 : On chauffe le mélange réactionnel à 2300C, et on laisse sous agitation à cette température pendant 40 min. Pour la montée en température, pendant laquelle le mélange réactionnel devient transparent, on utilise une rampe d'environ 150°C/minute. Etape 4 : Après refroidissement à température ambiante, les nanocristaux CIS peuvent être isolés par ajout d'un équivalent en volume d'un mélange chloroforme/méthanol (1:1 vol: vol) et de 10 équivalents en volume d'acétone, puis par centrifugation . Le précipité résultant contenant les nanocristaux peut être dispersé dans des solvants organiques tels que l'hexane, le toluène ou le chloroforme.
II. B. Caractérisation des nanocristaux de CIS.
Les spectres d'absorption UV-vis et de photoluminescence des nanocristaux CIS avant enrobage avec une coquille ZnS, obtenus courant une synthèse effectuée à 2000C, sont présentés aux Figures 1 et 2, respectivement.
Dans la Figure 1, on observe le déplacement du seuil d'absorption vers de plus grandes longueurs d'onde avec le temps, indiquant l'augmentation de la taille des nanocristaux au cours de la réaction. A partir de 130 min, cette évolution stagne.
Dans les spectres de photoluminescence
(Figure 2), on observe un signal ayant son maximum aux alentours de 650 nm à 20 min. Le pic se déplace avec le temps de réaction vers de plus grandes longueurs d'onde, ce qui est accompagné par l'apparition de deux pics localisés à environ 713 et 806 nm. L'intensité relative de ces trois signaux varie également avec le temps. Les spectres de photoluminescence de CIS présentent généralement plusieurs raies qui proviennent des transitions impliquant des états électroniques à l'intérieur du gap (bande interdite du semiconducteur) . Ces derniers se situent à proximité de la bande de valence et proche de la bande de conduction, donnant lieu à des transitions de type donneur- accepteur, par exemple. Le rendement quantique de fluorescence maximum observé des cristaux cœur CIS préparés selon le procédé de la présente invention est de l'ordre de 8%.
III. Synthèse de nanocristaux cœur/coquille
CIS/ZnS.
III. A. Protocole.
Pour la croissance de la coquille en ZnS, on continue la réaction décrite en partie II après l'étape 3, c'est-à-dire avant la purification.
La température du mélange réactionnel est maintenue (ou ajustée dans le cas où la synthèse de cristaux CIS a été effectuée à une autre température) à
2300C et les précurseurs de ZnS, un mélange de 2,5 mmol de stéarate de zinc et de 0,32 mmol d' éthylxanthate de
zinc dans 20 mL de 1-octadécène, sont ajoutés goutte à goutte pendant 30 min.
Après refroidissement à température ambiante, la purification des nanocristaux CIS/ZnS est effectuée de même manière que décrit pour les cristaux CIS, i.e. étape 4 de la partie II.
III. B. Caractérisation des nanocristaux cœur/coquille CIS/Zns et comparaison avec les nanocristaux CIS.
La Figure 3 montre l'évolution des spectres de photoluminescence au cours de la croissance de la coquille de ZnS sur trois échantillons différents de nanocristaux CIS. Dans la Figure 3A, on observe à la fois une forme plus symétrique de la raie de fluorescence, un rétrécissement de sa largeur de 120 nm (FWHM, largeur à mi-hauteur) à 100 nm et une augmentation de l'intensité intégrée (500-900 nm) d'un facteur > 7. Le rendement quantique de cet échantillon a été déterminé à 61%.
Le spectre de photoluminescence de l'échantillon cœur CIS visible en Figure 3B présente deux pics distincts à 723 et 802 nm, ainsi qu'un épaulement aux alentours de 680 nm. Pendant l'enrobage avec la coquille de ZnS, ce sont les pics à 682 et à 723 nm dont l'intensité augmente le plus fortement. L'intensité intégrée augmente d'un facteur 5 et le rendement quantique de fluorescence de l'échantillon est de 42%. La Figure 3C montre qu' il est également possible d'augmenter spécifiquement l'intensité de la
raie à plus grande longueur d'onde (810-820 nm) . On observe une amélioration de l'intensité intégrée d'un facteur 4,1 donnant un rendement quantique de 8%. Ces résultats montrent qu'on peut couvrir une large gamme spectrale avec les nanocristaux CIS/ZnS. L'enrobage par le ZnS permet d'augmenter de manière significative le rendement quantique de fluorescence.
Dans la Figure 4, les diffractogrammes de rayons X sur poudre, obtenus pour des échantillons cœur et cœur/coquille, sont comparés. Les diffractogrammes des échantillons A et B montrent les pics caractéristiques de la phase cubique du CuInS2 (carte de « Joint Committee on Powder Diffraction Standards », JCPDS, No. 001-8517) . Ces deux échantillons contiennent des nanocristaux de CIS de tailles différentes. La largeur des pics plus grande pour l'échantillon B indique que la taille des cristallites est plus petite. Le diffractogramme de l'échantillon C confirme la formation de l' hétérostructure CIS/ZnS. Les pics comprennent à la fois la contribution de la phase cubique de CIS et de la structure blende de zinc ZnS (carte JCPDS No. 05-0566) .
La Figure 5 compare des images de microscopie électronique à transmission des nanocristaux CIS avant et après croissance de la coquille en ZnS. On observe une augmentation de la taille moyenne de 3 nm à 7 nm correspondant au dépôt d'une coquille constitué d'environ 6 monocouches de ZnS. La distribution de taille de l'échantillon cœur/coquille est inférieure à 10%.
III. C. Fonctionnalisation des nanocristaux CIS/ZnS.
Tous les produits sauf les colonnes NAP-5 (GE Healthcare) ont été achetés chez Sigma-Aldrich. Dans un premier temps, pour éliminer l'excès de dodécanethiol utilisé dans l'étape de synthèse des nanocristaux, ces derniers sont lavés à deux reprises par l'ajout d'un non solvant (éthanol) de la manière suivante. Une solution de 250 μL d'hexane contenant les nanocristaux CIS-ZnS (synthétisés comme décrit ci- dessus) est placée dans un microtube de 1,5 mL . 250 μL d' éthanol sont ajoutés pour entraîner la précipitation des nanocristaux. Le microtube est centrifugé à 13 000 x g pendant 10 min sur une centrifugeuse Thermo Electro Corporation modèle HERAEUS PICO17. Les nanocristaux CIS-ZnS sont séparés du surnageant puis redispersés dans 250 μL d'hexane.
Après l'étape de lavage, les nanocristaux sont séchés sous vide à 500C. Une fois le reste d'hexane et d' éthanol évaporé, 40 μL d'acide dihydrolipoïque sont ajoutés et le mélange réactionnel est chauffé à 700C sous agitation magnétique. Au bout de deux heures de chauffage, 1 mL de diméthylformamide est ajouté pour solubiliser le contenu. Puis un excès de tert-butoxyde de potassium est additionné, entraînant la précipitation des nanocristaux. Le microtube est centrifugé à 13 000 x g pendant 10 min sur une centrifugeuse Thermo Electro Corporation modèle HERAEUS PICO17. Les nanocristaux CIS sont séparés du surnageant puis redispersés dans une solution tampon
(0,01 M de phosphate de sodium et 0,15 M de chlorure de sodium) avec un pH de 7,4.
Enfin, cette solution de nanocristaux CIS- ZnS est purifiée sur une colonne NAP-5 Sephadex G25 (GE Healthcare) pour éliminer l'excès de tert-butoxyde de potassium. Une petite quantité d'acide dihydrolipoïque est ajoutée à la solution purifiée pour augmenter la stabilité colloïdale du produit.
IV. Injection intraveineuse des nanocristaux CIS/ZnS fonctionnalisés.
Une fois l'échange de ligands réalisé, trois conditions doivent être réunies pour pouvoir utiliser le produit pour des applications biologiques, et notamment l'injecter dans le petit animal pour l'imagerie de fluorescence in vivo. Ces conditions sont les suivantes :
- la connaissance de la concentration des solutions : les différents éléments constituant le nanocristal présent dans la solution sont dosés par une analyse par spectrométrie de masse couplée à un plasma inductif (ICP-MS) après un traitement à l'acide nitrique 65% ; l'absence d'agglomérats : le diamètre hydrodynamique des nanoparticules obtenues en tampon aqueux PBS IX après échange de ligands est déterminé à l'aide du nanosizer NANO-ZS de Malvern : on obtient un diamètre hydrodynamique de 17±3 nm ; un signal optique élevé pour avoir une bonne sensibilité de détection. Les propriétés optiques de ces nanocristaux sont déterminées après le passage
dans la phase aqueuse. La Figure 6 représente les spectres de photoluminescence obtenus avant et après passage en tampon aqueux (excitation à 590 nm) . On observe un décalage vers le rouge d'environ 50 nm de la longueur d'onde d'émission des nanocristaux après transfert en tampon aqueux.
Une fois ces conditions vérifiées, 200 μL de la solution aqueuse de nanocristaux CIS-ZnS fonctionnalisés correspondant à 6, 5.1016 - l,3.1017 atomes de cuivre, sont injectés par voie intraveineuse dans la queue de souris Nude femelles âgées de 6 à 8 semaines, et maintenues sous conditions sans pathogènes (IFFA-Credo, Marcy l'Etoile, France) .
Les souris ont été maintenues sous anesthésie générale par voie gazeuse (isoflurane) tout le long de l'expérience. Les souris anesthésiées ont été imagées avec un dispositif d' imagerie de fluorescence par réflectance (ou FRI pour « Fluorescence Réflectance Imaging ») , comportant comme source d'excitation une couronne de LEDs munies de filtres interférentiels, émettant à 633 nm (puissance d' éclairement 50 μW.cm"2) comme décrit par exemple dans l'article de Texier et al., 2005 [9] .
Les images ont été recueillies après filtration par un filtre coloré RG665 de densité optique >5 à la longueur d'onde d'excitation par une caméra CCD (Orca BTL, Hamamatsu) avec un temps d'exposition de 500 ms . Les signaux ont été quantifiés à l'aide du logiciel de traitement d'images Wasabi. La Figure 7 montre l'évolution en fonction du temps de la fluorescence des nanocristaux CIS-ZnS
fonctionnalisés par l'acide dihydrolipoïque au sein de la souris sur une période de 24 h. Aucune modification du comportement de l'animal n'est observée pendant les 24 h suivant l'injection et aucun signe de toxicité n'est décelé.
Les nanocristaux sont dirigés vers le foie et les poumons dès 15 min après l'injection. Une élimination par voie fécale est observée 6 h après injection. Ces observations non invasives in vivo sont confirmées par analyse des organes par fluorescence après sacrifice de l'animal à 24 h.
En conclusion, les nanocristaux CIS-ZnS fonctionnalisés par l'acide dihydrolipoïque sont adaptés à l'imagerie de fluorescence in vivo. Leur fonctionnalisation ultérieure par différents ligands de ciblage (anti-corps, peptides, saccharides) permettant de les diriger vers d'autres zones d'intérêt à imager peut être envisagée en greffant ces dits ligands de ciblage sur la fonction acide de l'acide dihydrolipoïque. De plus, une élimination, au moins partielle, de ces nanocristaux par voie fécale devrait permettre leur utilisation répétée dans des protocoles d'imagerie, notamment dans le but d'évaluer l'efficacité de traitements thérapeutiques.
RÉFÉRENCES
[1] H. S. Choi, W. Liu, P. Misra, E. Tanaka, J. P. Zimmer, B. I. Ipe, M. G. Bawendi, J. V. Frangioni, Nat . Biotechnol . 2007, 25, 1165-1170.
[2] J. P. Zimmer, S. W. Kim, S. Ohnishi, E. Tanaka, J. V. Frangioni, M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2526-2527.
[3] S. L. Castro, S. G. Bailey, R. P. Raffaelle, K. K. Banger, A. F. Hepp, Chem. Mater. 2003, 15, 3142-3147.
[4] S. L. Castro, S. G. Bailey, R. P.
Raffaelle, K. K. Banger, A. F. Hepp, J. Phys . Chem. B 2004, 108, 12429-12435.
[5] J. J. Nairn, P. J. Shapiro, B. Twamley, T. Pounds, R. von Wandruszka, T. R. Fletcher, M.
Williams, C. M. Wang, M. G. Norton, Nano Lett . 2006, 6, 1218-1223.
[6] K. K. Banger, M. H. C. Jin, J. D. Harris, P. E. Fanwick, A. F. Hepp, Inorganic Chemistry 2003, 42, 7713-7715.
[7] H. Nakamura, W. Kato, M. Uehara, K. Nose, T. Omata, S. Otsuka-Yao-Matsuo, M. Miyazaki, H. Maeda, Chem. Mater. 2006, 18, 3330-3335.
[8] D. Pan, L. An, Z. Sun, W. Hou, Y. Yang, Z. Yang, Y. Lu, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5620-5621.
[9] Texier, I. et al., Proceedings of the SPIE 2005, 5704, 16-22.