Contribution of inelastic neutron scattering to the characterization of the grafting of fluorophores onto double-walled carbon nanotubes

par Thomas Lorne

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Emmanuel Flahaut et de Monica Jimenez-Ruiz.

Soutenue le 12-12-2017

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire des Sciences et Génie des Matériaux (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Contribution de la diffusion inelastique de neutron à la caractérisation du greffage de fluorophores sur des nanotubes de carbone biparois


  • Résumé

    Face à la recrudescence de l'utilisation des nanotubes de carbone (NTCs) pour des applications de pointe, leur impact potentiel sur la santé et sur l'environnement est devenu une question centrale. Afin d'évaluer les risques liés à l'exposition accidentelle des êtres-vivants à ces nanoparticules de nombreuses études de toxicité ont été réalisées. Pour certaines, il est important de pouvoir déterminer précisément où et comment les NTCs s'accumulent dans les organismes aquatiques ou dans les cellules. Un des moyens habituel pour réaliser de telles expériences consiste à fonctionnaliser les NTCs avec des molécules fluorescentes, qui seront par la suite mises en évidence sous un rayonnement de longueur d'onde appropriée, permettant ainsi de localiser les nanotubes. Malgré le fait que cette technique soit bon marché et facilement mise en œuvre, elle souffre d'un défaut majeur: elle présuppose en effet que les molécules fluorescentes resteront attachées aux nanotubes de façon définitive. Cependant, cette supposition peut être sérieusement questionnée car les fluorophores possèdent généralement un ou plusieurs cycles aromatiques pouvant facilement conduire à l'adsorption de ces derniers sur les parois des NTCs. Dès lors, une fois que les NTCs atteignent l'environnement chimique complexe d'une cellule, on peut s'attendre à une désorption des molécules fluorescentes, pouvant de fait conduire à de mauvaises interprétations des résultats expérimentaux. Il est par conséquent essentiel d'évaluer l'efficacité du protocole de greffage et de déterminer les différentes proportions de molécules greffées de façon covalente et non-covalente (adsorbées). Bien entendu, la fonctionnalisation des NTCs étant une problématique clef dans le développement de leurs applications en science des matériaux, les questions soulevées ici dépassent le simple cadre de la santé et de l'environnement. Pour y répondre, nous avons décidé de nous intéresser à la fonctionnalisation de nanotubes de carbone double-parois (DWNTs) par deux molécules fluorescentes, l'Isothiocyanate de Fluorescéine (FITC) et la cyanine 5Me(Net2)2. Nous avons, pour ce faire, réaliser le greffage des fluorophores sur des DWNTs oxydés purifiés à l'aide d'un procédé de fonctionnalisation en 3 étapes. Enfin, nous avons caractérisé nos échantillons au moyen de deux techniques différentes de spectroscopie, la spectroscopie de photoélectron X (XPS) et la spectroscopie de diffusion inélastique de neutrons (INS). En complément de la spectroscopie de neutrons, nous nous sommes appuyés sur des simulations numériques, telle que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour les analyses de nos données expérimentales. Les résultats ainsi obtenus, ont permis de montrer que, contrairement à ce qui était communément attendu lors d'un greffage covalent, une part non négligeable des marqueurs fluorescent restait adsorbée à la surface des NTCs, et ce, en dépit de lavages consciencieux par des solvants appropriés. La présence de ces marqueurs fluorescents adsorbés montre, dans le cadre des études de toxicité, qu'il existe une certaine probabilité que ces derniers se détachent des NTCs lors de leur voyage dans un organisme ou dans une cellule, ce qui conduirait l'établissement de conclusions potentiellement erronées quant au destin de ces nanoparticules.


  • Résumé

    Facing the growing use of carbon nanotubes (CNTs) in state-of-the-art applications, the question of their potential impact on health and environment became a central one. In order to evaluate the risks related to living being exposure to those nanoparticles, several toxicity studies have been performed aiming at knowing the exact location of the CNTs accumulating inside organisms or cells. A very common way to track them in such conditions is to functionalize the CNTs with fluorescent molecules which would be highlighted afterwards under a light with appropriate exciting wavelength. Despite the fact that these fluorescence techniques are very cheap and easy to operate, they suffer from a major drawback: they assumes that the fluorescent molecule is permanently linked to the CNTs. It is however reasonable to question this assumption as the fluorescent molecules are usually constituted by one or more 6-carbon rings that can easily also simply adsorb on the surface of the CNTs. This non-covalent binding could lead to the desorption of the fluorophore once the CNTs reach the complex chemical environment of a living cell or organism. Therefore, the fluorescence data could lead to wrong information about the CNTs location. Therefore, it is fundamental to understand the grafting mechanisms in order to estimate the efficiency of the covalent functionalization of the CNTs as well as the amount of simply adsorbed fluorophores. Of course, the impact of such a question clearly exceeds the field of the health and the environment, because the functionalization of CNTs is a key for their application is Materials Science in general. In order to answer to these questions, we chose to study the functionalization of Double-Walled carbon Nanotubes (DWNTs) with two different fluorophores, the Fluorescein Isothiocyanate (FITC) and the STREPTOcyanine 5Me(Net2)2. We used a three-step functionalization process to graft the fluorophores on highly-purified oxidized DWNTs. Finally, both the surface and the bulk of the sample have been investigated using two different spectroscopic techniques, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the inelastic neutron scattering spectroscopy (INS). In addition to neutron techniques we also used computational techniques such as Density Functional Theory (DFT) calculations for a better analysis of our results. The results obtained by means of this two powerful techniques highlighted that, although the fluorescent markers is always considered to be strongly bonded onto carbon nanotubes when using a covalent strategy, a non-negligible part may in fact be only adsorbed, even after thorough washings in appropriate solvents. This is likely, in the particular field of toxicology, to lead to a release of the fluorescent marker at some point along the journey of the nanoparticle throughout the cells or the whole organism, and thus to partially wrong conclusions in terms of their fate in terms of biodistribution, accumulation or excretion.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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  • Sous le titre : Contribution of inelastic neutron scattering to the characterization of the grafting of fluorophores onto double-walled carbon nanotubes
  • Détails : 1 vol. (182 p.)
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