Synthesis, characterization and optical properties of hybrid nanoparticles working with plasmon-fluorescence coupling

• Auteur / Autrice : Ning Sui
• Direction : Eliane Souteyrand, Virginie Monnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et nanobiotechnologies
• Date : Soutenance le 10/09/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Plain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Olivier Durand, Jean-Marie Bluet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lin Guo, Serge Ravaine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Chimie des surfaces

Nanoparticules

Plasmons

Fluorescence

Mots clés libres

Fluorescence exaltée par un métal

Plasmonique

Nanoparticules

Fluorophores organiques

Chimie de surface

Magnétisme

Metal-enhanced fluorescence (MEF)

Fluorescence

Plasmonics

Core-shell nanoparticles

Metal nanoparticles

Magnetism

Résumé

L’exaltation de fluorescence par un métal est de plus en plus utilisée pour augmenter la sensibilité de détection dans les systèmes utilisant la fluorescence. Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié ce phénomène dans des nanoparticules hybrides Métal@SiO2 possédant des émetteurs de fluorescence immobilisés sur la silice. Dans un premier temps, nous avons élaboré les nanoparticules cœur-coquille Métal@SiO2 (Métal = Au ou Ag) en utilisant différentes méthodes et en les comparant pour choisir la plus adaptée selon le diamètre du cœur métallique. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de fluorescence exaltée des nanoparticules hybrides. Deux types d’émetteurs de fluorescence ont été sélectionnés : des nanoparticules semi-conductrices (SiC) et des fluorophores organiques (cyanine 3 et fluorescéine). Après fonctionnalisation de la silice, les émetteurs de fluorescence ont été greffés à la surface des nanoparticules Métal@SiO2. L’exaltation de leur fluorescence a été analysée en fonction de leur densité surfacique, de leur distance par rapport au cœur métallique (fixée par l’épaisseur de silice), du diamètre du cœur métallique et de la longueur d’onde d’excitation. Le facteur d’exaltation le plus important (de l’ordre de 103) a été obtenu avec une faible épaisseur de silice (10 nm) pour les nanoparticules de SiC dont le rendement quantique intrinsèque est très faible (inférieur à 1%). Enfin, la surface de nanoparticules hybrides a été fonctionnalisée avec des nanoparticules d’oxyde de fer de manière à obtenir une combinaison de propriétés optiques (fluorescentes et plasmoniques) et magnétiques à l’intérieur d’une même nanoparticule hybride.

For the past decade, metal-enhanced fluorescence (MEF) has attracted much attention as it improved the sensitivity of fluorescence detection. In this work, MEF was investigated in hybrid Metal@SiO2 nanoparticles with fluorescent emitters immobilized onto silica. In the first part, core-shell Metal@SiO2 (Metal = Au or Ag) nanoparticles were elaborated and several elaboration methods were compared. A comparison was given in order to choose the most suitable method depending on metal core diameter. The second part was dedicated to MEF properties of hybrid nanoparticles. Two kinds of fluorescent emitters were selected: quantum dots (SiC) and organic dyes (cyanine 3 and fluorescein). After silica surface modification, fluorescent emitters were linked to Metal@SiO2 nanoparticles. MEF phenomenon was investigated by tuning the distance between metal and fluorescent emitter (fixed by silica thickness), metal diameter, the fluorescent emitter surface density, and the excitation wavelength. The highest enhancement factor (almost 103) was obtained for a low silica thickness (10 nm) with SiC nanoparticles whose intrinsic quantum yield is very low (lower than 1%). Finally, we functionalized the surface of hybrid nanoparticles with iron oxide nanoparticles to obtain a combination of optical (fluorescence and plasmonics) and magnetic properties inside one hybrid nanoparticle.