Spectroscopie Raman et microfluidique : application à la diffusion Raman exaltée de surface

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Sous la direction de Laurent Servant
Thèse soutenue le 17 décembre 2009: Bordeaux 1
Ce mémoire porte sur la mise au point de plateforme microfluidique couplée à la microscopie Raman confocale, utilisée dans des conditions d’excitation de la diffusion Raman (diffusion Raman exaltée de surface), dans le but d’obtenir une détection de très haute sensibilité d’espèces moléculaires sous écoulement dans des canaux de dimensions micrométriques. Ce travail a pour ambition de démontrer la faisabilité d’un couplage microscopie Raman/microfluidique en vue de la caractérisation in-situ et locale, des espèces et des réactions mises en jeu dans les fluides en écoulement dans les microcanaux. Nous avons utilisé un microcanal de géométrie T, fabriqué par lithographie douce, dans lequel sont injectées, à vitesse constante, des nanoparticules métalliques d’or ou d’argent dans une des deux branches du canal et une solution de pyridine ou de péfloxacine dans l’autre branche. La laminarité et la stationnarité du processus nous ont permis de cartographier la zone de mélange et de mettre en évidence l’exaltation du signal de diffusion Raman de la pyridine et de la péfloxacine, obtenue grâce aux nanoparticules métalliques, dans cette zone d’interdiffusion. L’enregistrement successif de la bande d’absorption des nanoparticules d’argent (bande plasmon) et du signal de diffusion Raman de la péfloxacine, en écoulement dans un microcanal, nous a permis d’établir un lien entre la morphologie des nanostructures métalliques, et plus précisément l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, et l’exaltation du signal Raman de la péfloxacine observé. Nous avons alors modifié la géométrie du canal afin d’y introduire une solution d’électrolyte (NaCl et NaNO3) et de modifier localement la charge de surface des colloïdes d’argent en écoulement. Nous avons ainsi confirmé que la modification de l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, induite par l’ajout contrôlé de solutions d’électrolytes, permet d’amplifier le signal SERS de la péfloxacine et d’optimiser la détection en microfluidique. Enfin, nous avons développé une seconde approche qui consistait à mettre en place une structuration métallisée des parois d’un microcanal. Nous avons ainsi démontré que la fonctionnalisation chimique de surface via un organosilane (APTES) permettait de tapisser le canal avec des nanoparticules d’argent et d’amplifier le signal Raman des espèces en écoulement dans ce même microcanal.
-Microscopie Raman confocale ;
-Ecoulement laminaire
-Agrégation des nanoparticules métalliques
-Péfloxacine
-Microfluidique
-Diffusion Raman exaltée de surface (SERS)
-Pyridine
-APTES
-Plasmon de surface
-Processus de diffusion moléculaire
-Fonctionnalisation chimique de surfaces
-Sensibilité de détection
This thesis focuses on the development of a microfluidic platform coupled with confocal Raman microscopy, used in excitation conditions of Raman scattering (Surface enhanced Raman scattering, SERS) in order to gain in the detection sensitivity of molecular species flowing in channels of micrometer dimensions. This work aims to demonstrate the feasibility of coupling Raman microscopy / microfluidics for the in situ and local characterization of species and reactions taking place in the fluid flowing in microchannels. We used a T-shaped microchannel, made by soft lithography, in which gold or silver nanoparticles injected at constant speed, in one of the two branches of the channel and a solution of pyridine or pefloxacin in the other one. The laminar flow and the stationarity of the process allowed us to map the mixing zone and highlight the enhancement of the Raman signal of pyridine and pefloxacin, due to the metallic nanoparticles, in the interdiffusion zone. The recording of the both absorption band of the silver nanoparticles (plasmon band) and the Raman signal of pefloxacin, flowing in microchannel, allowed us to establish a link between the shape of the metallic nanostructure, and more precisely the silver nanoparticle aggregation state, and the enhancement of the Raman signal of pefloxacin observed. We then changed the channel geometry to introduce an electrolyte solution (NaCl and NaNO3) and locally modify the surface charge of the colloids. We have put in evidence that the change of the silver nanoparticle aggregation state, induced by the controlled addition of electrolyte solutions, could amplify the SERS signal of pefloxacin and thus optimizing the detection in microfluidics. At last, we established second a approach that consists in the metallic structuring of microchannel walls. This has shown that the surface chemical functionalization through organosilanes (APTES) allowed the pasting of the channel with silver nanoparticles, thus amplifying the Raman signal of the species flowing within the same microchannel.
-Raman confocal microscopy
-Pefloxacin
-Pyridine
-Molecular diffusion process
-Laminar flow
-Microfluidic
-APTES
-Surface chemical functionalization
-Agregation of metals nanoparticles
-Surface enhanced raman scattering
-Surface plasmon
-Detection sensitivity
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13927/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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N° d'ordre : 3927

UNIVERSITÉ DE BORDEAUX I
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES - INSTITUT DES
SCIENCES MOLECULAIRES

THÈSE
Présentée par
Caroline DELHAYE

Pour obtenir le grade de DOCTEUR, spécialité Chimie-Physique

SPECTROSCOPIE RAMAN ET
MICROFLUIDIQUE : APPLICATION A LA
DIFFUSION RAMAN EXALTEE DE SURFACE



Thèse soutenue le 17 Décembre 2009

Après avis de :

MM. SZUNERITS Sabine, Professeur, Université Lille 1 Rapporteur
AUBARD Jean, Professeur, Université Paris VII Rapporteur

Devant la commission d'examen formée de :
MM. LECOMTE Sophie, Chargée de Recherche CNRS, Université Bordeaux 1 Examinateurs
COLIN Annie, Professeur, Université Bordeaux 1
BOUKHERROUB Rabah, Professeur, Université Lille 1
GUILLAUME François, Directeur de Recherche CNRS, Université Bordeaux 1
SERVANT Laurent, Professeur, Université Bordeaux 1 Directeur de thèse
Résumé Abstract

Ce mémoire porte sur la mise au point de This thesis focuses on the development of a
plateforme microfluidique couplée à la microscopie Raman microfluidic platform coupled with confocal Raman
confocale, utilisée dans des conditions d’excitation de la microscopy, used in excitation conditions of Raman
diffusion Raman (diffusion Raman exaltée de surface), scattering (Surface enhanced Raman scattering,
dans le but d’obtenir une détection de très haute sensibilité SERS) in order to gain in the detection sensitivity of
d’espèces moléculaires sous écoulement dans des canaux de molecular species flowing in channels of micrometer
dimensions micrométriques. Ce travail a pour ambition de dimensions. This work aims to demonstrate the
démontrer la faisabilité d’un couplage microscopie feasibility of coupling Raman microscopy /
Raman/microfluidique en vue de la caractérisation in-situ microfluidics for the in situ and local characterization
et locale, des espèces et des réactions mises en jeu dans les of species and reactions taking place in the fluid
fluides en écoulement dans les microcanaux. Nous avons flowing in microchannels. We used a T-shaped
utilisé un microcanal de géométrie T, fabriqué par microchannel, made by soft lithography, in which
lithographie douce, dans lequel sont injectées, à vitesse gold or silver nanoparticles injected at constant speed,
constante, des nanoparticules métalliques d’or ou d’argent in one of the two branches of the channel and a
dans une des deux branches du canal et une solution de solution of pyridine or pefloxacin in the other one.
pyridine ou de péfloxacine dans l’autre branche. La The laminar flow and the stationarity of the process
laminarité et la stationnarité du processus nous ont permis allowed us to map the mixing zone and highlight the
de cartographier la zone de mélange et de mettre en enhancement of the Raman signal of pyridine and
évidence l’exaltation du signal de diffusion Raman de la pefloxacin, due to the metallic nanoparticles, in the
pyridine et de la péfloxacine, obtenue grâce aux interdiffusion zone. The recording of the both
nanoparticules métalliques, dans cette zone absorption band of the silver nanoparticles (plasmon
d’interdiffusion. L’enregistrement successif de la bande band) and the Raman signal of pefloxacin, flowing in
d’absorption des nanoparticules d’argent (bande plasmon) microchannel, allowed us to establish a link between
et du signal de diffusion Raman de la péfloxacine, en the shape of the metallic nanostructure, and more
écoulement dans un microcanal, nous a permis d’établir precisely the silver nanoparticle aggregation state, and
un lien entre la morphologie des nanostructures the enhancement of the Raman signal of pefloxacin
métalliques, et plus précisément l’état d’agrégation des observed. We then changed the channel geometry to
nanoparticules d’argent, et l’exaltation du signal Raman de introduce an electrolyte solution (NaCl and NaNO3)
la péfloxacine observé. Nous avons alors modifié la and locally modify the surface charge of the colloids.
géométrie du canal afin d’y introduire une solution We have put in evidence that the change of the silver
d’électrolyte (NaCl et NaNO ) et de modifier localement la nanoparticle aggregation state, induced by the 3
charge de surface des colloïdes d’argent en écoulement. controlled addition of electrolyte solutions, could
Nous avons ainsi confirmé que la modification de l’état amplify the SERS signal of pefloxacin and thus
d’agrégation des nanoparticules d’argent, induite par optimizing the detection in microfluidics. At last, we
l’ajout contrôlé de solutions d’électrolytes, permet established second a approach that consists in the
d’amplifier le signal SERS de la péfloxacine et d’optimiser metallic structuring of microchannel walls. This has
la détection en microfluidique. Enfin, nous avons shown that the surface chemical functionalization
développé une seconde approche qui consistait à mettre en through organosilanes (APTES) allowed the pasting
place une structuration métallisée des parois d’un of the channel with silver nanoparticles, thus
microcanal. Nous avons ainsi démontré que la amplifying the Raman signal of the species flowing
fonctionnalisation chimique de surface via un organosilane within the same microchannel.
(APTES) permettait de tapisser le canal avec des
nanoparticules d’argent et d’amplifier le signal Raman des Key words:
espèces en écoulement dans ce même microcanal. Raman confocal microscopy ; surface enhanced
Raman scattering (SERS) ; detection sensitivity;
Mots clés : surface plasmon ; metallic nanoparticles ;
Microscopie Raman confocale ; diffusion Raman exaltée de aggregation of metal nanoparticles ; surface
surface (SERS) ; sensibilité de détection ; plasmon de chemical functionalization ; APTES ; microfluidic ;
surface ; nanoparticules métalliques ; agrégation des laminar flow ; molecular diffusion process ;
nanoparticules métalliques ; fonctionnalisation chimique pyridine ; pefloxacin.
de surface ; APTES ; microfluidique ; écoulement
laminaire ; processus de diffusion moléculaire ; pyridine ;
péfloxacine.

REMERCIEMENTS

Je ne saurais dire qui, durant ces trois années passées à l’ISM, ne m'a pas apporté un
jour ou l'autre une aide, un conseil, un soutien... C'est pourquoi j'exprime ma profonde
gratitude à l'ensemble de ses membres.

Je remercie M. François Guillaume pour m’avoir accueilli au sein du Groupe de
Spectroscopie Moléculaire pour y mener à bien mes travaux de thèse, ainsi que d’avoir accepté
de présider le jury de la thèse.

Je suis très reconnaissante à MM. Sabine Szunerits et M. Jean Aubard qui ont accepté
d’être rapporteurs de cette thèse. Je les remercie vivement de l’intérêt qu’ils ont porté à mon
travail, à la lecture de mon manuscrit, ainsi que pour leurs remarques et questions lors de la
soutenance. Je remercie également les autres membres du jury, MM. Annie Colin, M. Rabah
Boukherroub avec qui je n'ai eu que trop peu de temps pour discuter, MM. Sophie Lecomte
avec qui j'ai eu aussi grand plaisir à collaborer et qui m’a apporté une aide conséquente et des
conseils avisés.

Mes remerciements s’adressent aussi à un homme exceptionnel, sans qui je n’en serais
pas là. Merci donc à mon directeur de thèse, Laurent Servant, qui m’a fait entièrement
confiance en me laissant une très (très) grande Autonomie pour mener à bien ce travail de
thèse. Merci également pour toute l’attention et le temps qu’il m’a accordé lorsque j’en avais
besoin. J’ai beaucoup appris avec lui et j’ai pu apprécier ses connaissances et sa culture aussi
bien en sciences que dans tout un tas d’autres domaines. Malgré nos quelques désaccords, nos
nombreuses discussions m’ont permis de m’affirmer dans le domaine de la recherche, et de
« grandir » en passant du statut de « jeune » en arrivant à « vieille » aujourd’hui.

Une mention toute particulière à mes « ch’tis » préférés Jean-Luc Bruneel, le « champion
olympique des spectro », David Talaga et Frédéric Adamietz sans lesquels je n'aurais pu réaliser
toutes ces études et qui m’ont apporté au cours de ces trois années un soutien tant sur le plan
scientifique qu’humain.... Sans eux, mes résultats n’auraient pas été aussi « mimi » (dixit L.S.) et
j’aurai parfois baissé les bras. Merci aussi à Julien Sanchez qui, grâce à sa bonne humeur et ses
remarques toujours très pertinentes, m’on fait passé d’un extrême à un autre…. Je remercie
également Nicolas Daugey pour sa patience et ses explications qui m’ont permis de mieux (un
peu) comprendre certain programme.
Merci également pour tous les débriefings du vendredi soir et autres soirées…

Toute la partie microfluidique de ce travail a été rendue possible par la collaboration
avec de nombreux chercheurs et ingénieurs du laboratoire Rhodia-LOF, et en particulier
Matthieu Guirardel. Il a toujours été là pour m’aider les nombreuses fois où je venais le voir
avec mes « petits » problèmes et a toujours répondu à mes questions avec gentillesse. Je remercie
aussi Fanny Destremaut, Chloé Masselon et Christophe Cottin pour leur contribution.

J'associe à ces remerciements les chercheurs, ingénieurs, doctorants et post-doc passés et
présents, notamment Raphaël Méreau et Arnaud Desmedt de m’avoir accepté un matin
d’octobre dans le clan des fumeurs, mais aussi pour toutes les discussions. Merci à Grégoire
Guillon pour son rire si communicatif, Ludovic Martin, Fabien Mançois, Valérie Guieu, sans
oublié mon ancien collègue de bureau Nicolas Marquestaut et ses fameux « Tiens ! C’est
cadeau ». Je remercie aussi Vincent Rodriguez, Joëlle Mascetti, Yann Danten, Dominique
Cavagnat pour leur gentillesse et leurs conseils tant scientifiques qu’amicaux. Enfin, merci à
Enora Prado et Zohra Guennoun d’avoir écouté patiemment mes petits malheurs ces derniers
mois, de m’avoir comprise et conseillée.

Je remerciement également ma famille, surtout ma mère qui m’a toujours soutenue et
encouragée, et mon frère qui, malgré ses « grognements », m’a si souvent aidée.

Enfin, le meilleur pour la fin. Je ne pourrais oublier mon « brubru », qui a su me
comprendre, m’écouter et me conseiller. Merci de m’avoir soutenu dans les moments difficiles,
d’avoir enduré mes périodes de doutes et mes emportements fréquents. Bref, merci de me
supporter et de m’aimer telle que je suis.





“Life can only be understood backward but must be lived forward”

Sören Kierkegaard



















A mon papounet

TABLES DES MATIERES

INTRODUCTION……………………………………………………………… 1

1. LA DIFFUSION RAMAN ET LES EFFETS D’EXALTATION
1.1. LA DIFFUSION RAMAN ...............................................................................…. 8
1.1.1. Introduction……………………………………………………………………………………. 8
1.1.2. Principe de la diffusion Raman…………………………………………………………… 10
1.1.2.1. Origine de la diffusion……………………………………………………………………………………… 10
1.1.2.2. Symétrie des vibrations et modes normaux…………………………………………………………. 15
1.1.3. Différents effets Raman……………………………………………………………………… 17
1.1.3.1. Effet Raman conventionnel linéaire et non linéaire…………………………………………….. 17
1.1.3.2. Effet Raman exaltés………………………………………………………………………………………….. 17
1.2. PLASMON DE SURFACE……………………………………………………………………….. 19
1.2.1. Définition d’un plasmon……………………………………………………………………. 19
1.2.2. Plasmon de surface…………………………………………………………………………… 21
1.2.2.1. Nature du plasmon de surface…………………………………………………………………………… 21
1.2.2.2. Relation de dispersion et longueur de propagation……………………………………………… 23
1.2.2.3. Plasmon de surface localisé dans les nanoparticules métalliques……………………………. 25
1.3. LA DIFFUSION RAMAN EXALTEE DE SURFACE……………………………………. 28
1.3.1. Découverte du SERS……………………………………………………………………………. 28
1.3.2. Origine de l’effet SERS………………………………………………………………………… 30
1.3.2.1. Origine électromagnétique………………………………………………………………………………… 31
1.3.2.2. Origine chimique…………………………………………………………………………………………….. 35
1.4. CONCLUSION………………………………………………………………………………………. 37
Références bibliographiques……………………………………………………………………………… 39

2. AMPLIFICATION DE LA DIFFUSION RAMAN PAR
DIFFERENTS SUPPORTS
2.1. INTRODUCTION………………………………………………………………………………….. 44
2.2. PREPARATION ET CARACTERISATION DES SOLUTIONS
COLLOÏDALES…………………………………………………………………………………….. 45
2.2.1. Synthèse de nanoparticules métalliques………………………………………………... 45
2.2.1.1. Les solutions colloïdales……………………………………………………………………………………. 45
2.2.1.2. Synthèse des nanoparticules d’or et d’argent……………………………………………………….. 46
2.2.2. Caractérisation par spectroscopie d’absorption UV-visible et diffusion dynamique
de la lumière……………………………………………………………………. 48
2.3. PREPARATION ET CARACTERISATION DES SUBSTRATS…………………….. 50
2.3.1. Fonctionnalisation de surface par dépôt de solutions colloïdales……………….. 50
2.3.2. Fonctionnalisation de surface par l’AminoPropylTriEthoxySilane…………….. 53
2.3.2.1. Principe et intérêt de la fonctionnalisation…………………………………………………………. 53
55 2.3.2.2. Caractérisation de la surface fonctionnalisée……………………………………………………….
2.4. ETUDE DES DIFFERENTES MOLECULES PAR MICROSPECTROSCOPIE
58 RAMAN………………………………………………………................................................
58 2.4.1. Dispositif expérimental………………………………………………………………………
2.4.2. Amplification du signal Raman de différentes molécules par les supports
60 métalliques………………………………………………………………………………………
60 2.4.2.1. Evaluation d’un facteur d’exaltation……………………………………………………………………
62 2.4.2.2. Exaltation du signal Raman des molécules par des solutions colloïdales…………………
71 2.4.2.3. Exaltation du signal Raman des molécules par des substrats métalliques………………..
74 2.5. CONCLUSION……………………………………………………………………………………....
76 Références bibliographiques………………………………………………………………………………


3. LA MICROFLUIDIQUE
82 3.1. LA MICROFLUIDIQUE…………………………………………………………………………..
82 3.1.1. Les origines de la microfluidiques…………………………………………………………
85 3.1.2. Les techniques de microfabrication………………………………………………………

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