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Assemblage dirigé de nano-objets, Directed assembly of nano-objects

De
202 pages
Sous la direction de Christophe Vieu
Thèse soutenue le 17 septembre 2010: INSA de Toulouse
Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d’étude au cœur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s’agit de nanoparticules, de cellules ou encore d’objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l’étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l’intégration des objets d’intérêt à l’échelle de l’objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l’assemblage d’objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d’une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d’Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d’ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l’analyse médicale et de la détection.
-Biopatterning
-Biodétection
-Lithographie douce
-Assemblage capillaire
-Cellules
-Molécules d’ADN
-Nanoparticules
A vigorous trade across the borders of biological and physical sciences is developing around new methods and tools, and around new phenomena. The objects at the heart of this multidisciplinary overlapping are numerous. In a non exhaustive manner, the objects of study can be nanoparticles, cells, or even smaller and more elementary objects such as molecules. For applications in the field of microelectronics as for studies of fundamental biological mechanisms, the integration of these objects of interest at the single object scale is essential. In the frame of this Ph.D. thesis, the objective we pursued is the development of a technological tool-box allowing the assembly of micro- and nano-objects at pre-determined locations of a solid surface, in a simple, reliable, low-cost and parallel manner. For this development, we focused on gold nanoparticles 100 nm in diameter, bacterial cells and DNA molecules in particular. We will describe the strategies developed relying on soft-lithography and their potentialities for different applications in the fields of medical analysis and sensing.
-Biopatterning
-Biodetection
-Soft-lithography
-Capillary assembly
-Cells
-DNA molecules
-Nanoparticles
Source: http://www.theses.fr/2010ISAT0016/document
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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L ’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L ’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse
Discipline ou spécialité : Nanophysique


Présentée et soutenue par Aline CERF
Le 17 septembre 2010

Titre : Assemblage dirigé de nano-objets

JURY

M. Azzedine BOUSSEKSOU, Président
M. Zev BRYANT, Examinateur
M. Serge MONNERET, Examinateur
M. Victor MUNOZ, Examinateur
Mme. Clivia SOTOMAYOR, Examinateur



Ecole doctorale : Sciences de la Matière
Unité de recherche : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS)
Directeur(s) de Thèse : M. Christophe VIEU
Rapporteurs : M. Jean-Pierre AIME
Mme. Anne-Marie HAGHIRI-GOSNET










« Les idées ne sont pas faites pour être pensées mais vécues »
André Malraux, La condition humaine.

« I am enough of an artist to draw freely upon my imagination. Imagination is more
important than knowledge. For knowledge is limited, whereas imagination embraces the
entire world, stimulating progress, giving birth to evolution ».--Albert Einstein








A mi madre y a mi padre




























2
Remerciements


Je tiens à profiter de cette page blanche pour remercier en tout premier lieu mon directeur de
thèse, Christophe Vieu, une personne aux qualités immenses, une personne hors du commun
tant d’un point de vue scientifique qu’humain. Ces trois années de thèse ont été, grâce à lui,
une période de ma vie extrêmement enrichissante. J’ai énormément appris auprès de lui et je
lui en serai toujours reconnaissante. Grâce à lui, j’ai trouvé ma voie. Sa passion pour la
science et la recherche, sa créativité débordante, sa curiosité scientifique qu’il nous
communique au jour-le-jour sont la flamme qu’il dépose en nous et qui nous fait aimer ce
métier où rien n’est impossible ; même à notre échelle, nous pouvons contribuer et apporter
des briques aux progrès de la science dans des domaines essentiels tels que celui de la santé.
Je le remercie profondément pour la confiance qu’il ma témoignée.

Je souhaite remercier le groupe NanoBioSystèmes, les anciennes générations que j’ai vu
partir, Jean-Christophe, Jérôme, et les nouvelles qui prennent leurs marques seulement mais
qui me manqueront cruellement également. Un grand merci à Christophe, Chil, Christel,
Franck, pour leur soutien tout au long de ces trois années et leur amitié. Une mention spéciale
s’adresse à mes collègues de bureau pour leur joie et bonne humeur. Je garderai toujours un
très bon souvenir de ces trois années passées avec eux.
Tous les permanents, thésards, post-docs qui sont plus que des collègues de travail pour moi ;
Tous et chacun d’eux sont désormais inscrits dans mon cœur et j’espère ne jamais les perdre
de vue.
Un grand merci aux services du LAAS, à toutes les personnes que l’on côtoie dans cette
enceinte et qui font du LAAS un endroit si chaleureux et convivial que l’on a du mal à quitter.

Mes remerciements les plus sincères vont au service TEAM pour leur aide précieuse et leurs
conseils, à Xavier pour sa gentillesse, disponibilité et remarquable ingéniosité. Merci aux
autres laboratoires, le LCC, le LISPB, le CEMES, l’IPBS, la plateforme biopuces, pour leur
accueil, merci en particulier à Gabor, Lionel, Adilia, Marie-Ange, Emmanuelle, Véronique,
Guillaume, Merci à eux.

















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4

Table des matières

Chapitre 1 Introductif .......................................................................................................................................... 9

I. Etat de l’art des techniques « non conventionnelles » d’assemblage de solutions colloïdales........................... 12
I. A. Auto-assemblage ....................................................................................................................................... 12
I. A. 1. Assemblage par évaporation ............................................................................................................. 12
I. A. 2. Assemblage par voie chimique. ........................................................................................................ 13
I. A. 3. Assemblage électrostatique .................... 14
I. A. 4. Assemblage par guidage magnétique ou électrique ......................................................................... 14
I. A. 5. Assemblage par forces capillaires ..................................................................................................... 15
I. B. Assemblage assisté par un support ............................................................................................................ 16
I. B. 1. Supports organiques/inorganiques .................................................................................................... 17
I. B. 2. Assemblage capillaire dirigé par motifs chimiques ........................................................................... 17
I. B. 3. Assemblage dirigé par contraste de charge ....................................................................................... 19
I. B. 4. Assemblage capillaire dirigé par motifs topographiques .................................................................. 19
I. C. La lithographie par champ proche ............................................................................................................. 22
I. D. Bilan .......................................................................................................................................................... 24
II. Positionnement des travaux .............................................................................................................................. 24
III. Références ....................................................................................................................................................... 26

Chapitre 2: Aspects technologiques de l'intégration de nano-objets sur une surface structurée……….37


I. Première méthodologie : le contraste chimique ............................................................................................ 38
I. A. La fonctionnalisation chimique de surface ............................................................................................... 38
I. B. Une technique de lithographie douce : le microcontact printing ............................................................... 41
I. B. 1. Le moule ........................................................................................................................................... 42
I. B. 2. Le timbre ........................................................................................................................................... 44
I. B. 3. L’encre .............................................................................................................................................. 44
I. C. Protocoles expérimentaux de fonctionnalisation de surface utilisés ......................................................... 45
I. D. Double fonctionnalisation du substrat ....................................................................................................... 47
II. Deuxième méthodologie : l’assemblage capillaire dirigé par structuration topographique de surface .... 52
II. A. Notions sur l’assemblage capillaire dirigé ............................................................................................... 52
II. A. 1. Introduction sur la capillarité : la tension superficielle et la force capillaire ................................... 53
II. A. 2. Mouillage total et partiel .................................................................................................................. 55
II. A. 3. Effet de la température ..................................................................................................................... 56
II. A. 4. Effet de la concentration des solutés ................................................................................................ 56
II. A. 5 Les flux dans les systèmes colloïdaux .............................................................................................. 57
II. B. Présentation de la plateforme expérimentale ........................................................................................... 62
II. C. La structuration topographique de surface ............................................................................................... 64
5
II. D. Mise en place de l’expérience .................................................................................................................. 65
II. E. Transfert ................................................................................................................................................... 66
II. F. Extensions : vers le multiplexage ............................................................................................................. 67
III. Techniques de caractérisation utilisées .................................................................................................... 69
III. A. Les microscopies « conventionnelles » .................................................................................................. 69
III. A. 1. La Microscopie Optique : mode en champ sombre ........................................................................ 69
III. A. 2. La Microscopie Optique en fluorescence ....................................................................................... 69
III. B. La Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ................................................................................... 70
III. C.oscopie à Force Atomique (AFM) ............ 71
III. C. 1. Principe de fonctionnement ............................................................................................................ 71
III. C. 2. Les différents modes d’imagerie .................................................................................................... 73
III. C. 3. Mesures de force : la nanomécanique ............................................................................................. 74
III. D. La microbalance à quartz (QCM) ........................................................................................................... 76
III. E. La spectroscopie Raman ......................................................................................................................... 78
IV. Conclusion ............................................................................................................................................... 78
V. Références ................................................................................................................................................ 79

Chapitre 3: Assemblage dirigé de cellules individuelles vivantes………………………………………..81


I. Sujet d’étude et état de l’art .......................... 82
II. Stratégie mise en place ............................................................................................................................. 84
III. Biopatterning ........................................................................................................................................... 86
III.A. Bactéries traitées ..................................................................................................................................... 87
III.A.1. Fonctionnalisation des sites d’accroche ........................................................................................... 87
III.A.2. Immobilisation des bactéries traitées sur les surfaces chimiques ..................................................... 93
III.A.3. Détection de la viabilité des cellules par coloration ......................................................................... 96
III. B. Bactéries non traitées .............................................................................................................................. 97
III.B.1. Fonctionnalisation des sites d’accroche.............. 97
III. B. 2. Immobilisation des bactéries non traitées sur substrats chimiques. ................................................ 99
III. B. 3. Propriétés nanomécaniques de cellules mortes ou de cellules vivantes ........................................ 100
III. B. 4. Contrôle du nombre de bactéries .................................................................................................. 103
III. B. 5. Y-a-t-il une adhésion orientée des bactéries ? .............................................................................. 104
IV. Extensions et applications ...................................................................................................................... 105
V. Conclusion ............................................................................................................................................. 106
VI. References .............................................................................................................................................. 107

Chapitre 4 : Assemblage ordonné et déterministe de molécules d’ADN uniques .................................. 111

I. Généralités .................................................................................................................................................. 112
I. A. Description « chimique » et « structurale » de l’ADN ............................................................................ 112
I. B. Grandeurs biophysiques associées aux molécules d’ADN ...................................................................... 114
II. Etat de l’art : méthodes d’étirement de la molécule d’ADN. ................................................................. 115
III. Assemblage induit par des structures topographiques. .......................................................................... 118
6
III. A. Protocole expérimental. ........................................................................................................................ 118
III. B. Résultats ............................................................................................................................................... 119
III. B. 1. Influence du surfactant ................................................................................................................. 122
III. B. 2. Influence de la température : vers un assemblage de molécules d’ADN simple brin ................... 123
IV. Extensions et Applications ..................................................................................................................... 130
IV. A. Y-a-t-il une sélection par la taille des molécules ? Cas d’un mélange complexe ................................. 130
IV. B. Assemblage de molécules d’ADN plus courtes : les plasmides. .......................................................... 133
IV. C. Assemblage d’un système plus complexe basé sur l’ADN : le système ADN-bille ............................. 134
IV. D. Lignes d’ADN comme réseau de diffraction. ...................................................................................... 136
V. Conclusion ............................................................................................................................................. 138
VI. Références .............................................................................................................................................. 138

Chapitre 5 : Assemblage contrôlé de nanoparticules métalliques pour la production de substrats
SERS : Vers une ingénierie des points chauds ............................................................................................. 143

I. Sujet d’étude : Généralités .......................................................................................................................... 144
II. Principe de l’effet Raman ...................................................................................................................... 144
III. Propriétés optiques des colloïdes métalliques ........................................................................................ 147
IV. La Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS) ............................................................................ 148
IV. A. Mécanismes de l’effet SERS ................................................................................................................ 149
IV. A. 1. La contribution électromagnétique ............................................................................................... 149
IV. A. 2. La contribution chimique ............................................................................................................. 150
IV. A. 3. Bilan sur les mécanismes d’exaltation ......................................................................................... 151
IV. A. 4. Vers un design des sites d’exaltation. .......................................................................................... 152
IV. A. 5. Questions ouvertes et positionnement de notre travail ................................................................. 155
V. Assemblage de nanoparticules induit par des structures topographiques. .............................................. 156
V. A. Protocole expérimental .......................................................................................................................... 156
V. B. Résultats du nanocontact printing assisté par solvant après assemblage capillaire ............................... 158
V. C. Préparation des substrats pour les mesures Raman ................................................................................ 161
V. D. Dispositif expérimental ......................................................................................................................... 161
VI. Comportement optique. .......................................................................................................................... 163
VI. A. La résonance plasmon en solution ....................................................................................................... 163
VI. B. La résonance plasmon sur les sites ....................................................................................................... 163
VI. C. L’effet SERS ........................................................................................................................................ 167
VII. Effet MEF .............................................................................................................................................. 174
VII. A. Généralités............................... 174
VII. B. Exaltation des processus optiques et photochimiques ......................................................................... 175
VII. C. Application à l’exaltation de fluorescence .......................................................................................... 176
VIII. Extensions et applications ...................................................................................................................... 179
VIII. A. Exaltation du signal Raman de couches minces. ............................................................................... 179
VIII. B. Détection de molécules uniques ........................................................................................................ 180
VIII. C. Assemblages de mélanges ................................................................................................................. 181
VIII. D. Assemblage de nanoparticules à transition de spin ........................................................................... 182
7
VIII. E. Nanoparticules comme masques de gravure ...................................................................................... 182
IX. Conclusion ............................................................................................................................................. 183
X. Références .............................................................................................................................................. 184

Conclusion et Perspectives……………………………………………………………………………………191










































8
Chapitre 1 Introductif

Positionnement de la thèse

Aussi bien pour les nanoparticules que pour les protéines, les molécules ou les cellules,
différentes problématiques visent à assembler en 2D ou 3D ces objets en suspension sur des
surfaces solides ou des interfaces. Leur intégration de cette phase liquide sur la surface solide
suivant un positionnement et un arrangement donnés, demeure une phase critique et sensible
dans le développement de nombreux dispositifs fonctionnels utiles en nanoélectronique,
spintronique, dans le domaine des capteurs ainsi que pour des études plus fondamentales en
biologie. Ce nano-assemblage est une étape clé de nombreux procédés et un sérieux défi à
relever. De manière générale, le nano-assemblage ou l’organisation d’objets nanométriques
peut être accompli en utilisant des approches « top-down » telles que la lithographie ou des
approches « bottom-up » basées sur l’auto-assemblage. Mais, ces techniques présentent des
limitations. En effet, l’enjeu aujourd’hui est de pouvoir assembler des objets d’étude de façon
simple, rapide, fiable, bas-coût et grande échelle, tout en permettant d’atteindre la résolution
de l’objet unique. Dans ce premier chapitre, nous résumons les différentes méthodes
d’assemblage « non-conventionnelles » existantes et les principes qui gouvernent ces
procédés. Enfin, nous positionnerons nos travaux parmi les différentes stratégies présentées
puis nous expliquerons nos choix.


Introductive Chapter 1
Positioning of the Ph.D. thesis

Different studies aim at assembling in 2D or 3D various objects in suspension onto solid
surfaces or interfaces. These objects can range from nanoparticles, proteins, to molecules or
cells. In any case, their integration from this liquid phase to the solid surface following a
given arrangement remains a critical step in the development of various functional devices
useful in nanolectronics, spintronics, sensing, as well as in more fundamental biological
studies. This nano-addressing is a key step in many technological processes and a serious
challenge to overcome. In a general manner, the nano-addressing or the organization of
nanometric objects can be accomplished by employing “top-down” approaches such as
lithography, or “bottom-up” approaches based on self-assembly. However, these techniques
present some limitations. In fact, the current stake is the assembly of objects of study in a
simple, fast, reliable, low-cost and large-scale manner, with enough flexibility to reach single
object resolution. In this first chapter, we will summarize the different existing methods for
the assembly of objects and the principles which govern these processes. Then, we will
position this work among the different strategies presented and we will explain our choices.

9

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