Fluorescent Gold-Silver Alloy Core Silica Shell Nanoparticles for Bioimaging Applications

Les nanomatériaux représentent un domaine de recherche en pleine expansion depuis quelques décennies. Plusieurs études portent sur le développement de nouveaux matériaux présentant de remarquables propriétés physiques, optiques ou mécaniques qui peuvent être exploitées avantageusement dans la conception d'architectures innovantes à l'échelle du nanomètre. La taille et la composition des nanoparticules d'alliages or-argent (Au / Ag), présentées dans ce mémoire, peuvent être modifiées ce qui permet d'accorder leurs propriétés plasmoniques en fonction des besoins d'une application. Ces mêmes alliages nanoparticulaires peuvent présenter des propriétés de fluorescence lorsqu'elles sont enrobées d'une couche de silice dopée de fluorophores. Ainsi, les alliages nanoparticulaires fluorescents offres plusieurs avantages par rapport à une utilisation en tant qu'agents de contrastes versatiles pour des applications biomédicales. L'objectif principal de ce projet de maîtrise est le développement d'une architecture nanoparticulaires composé d'un coeur en alliage or-argent recouvert par une couche de silice fluorescente. Dans un second temps, la démonstration de l'applicabilité de cette nouvelle gamme de marqueurs cellulaires pour des expériences de reconnaissance et de marquage cellulaire sera effectuée. On sait depuis longtemps que l'immunofluorescence, en tant que technique standard pour marquer les cellules, présente certains inconvénients tels que la limite d'intensité, les limites de multiplexage et le photoblanchiment. Alors que la diffusion de lumière par une nanoparticule plasmonique ne s'épuise jamais. Le noyau d'alliage Au/Ag exploite non seulement les mérites d'un signal de diffusion accordable mais aussi l'effet de rehaussement de la fluorescence par un métal. L'idée est de fabriquer les nanoparticules (NP) et de démontrer qu'elles permettent une nouvelle stratégie d'analyse en multiplex à l'aide d'une plate-forme multidétection. Au cours de cette étude de maîtrise, les NP d'Au/Ag@SiO2 ont été fabriqués avec succès et reproductibilité. Plusieurs types de fluorophores avec des propriétés de fluorescence différentes ont été incorporés dans la coquille de silice de Au/Ag@SiO2 NP. En utilisant une chimie relativement simple, il a même été possible d'augmenter les performances des fluorophores grâce à la présence de coeurs métalliques augmentant ainsi le signal de fluorescence.

Abstract

Nanomaterials have been a popular research field for decades and scientists are always trying to develop novel materials. This can be achieved with a hybrid of existing material to either significantly improve the performance for certain applications or generate new properties which can be exploited for new applications. Two perfect examples are gold-silver (Au/Ag) alloy nanoparticles (NPs) with strong and tunable extinction spectra in the visible range and superluminescent NPs with a metallic core and dye-doped silica shell. Both of them can be used as contrast agents for biomedical imaging applications. This research is based on the combination of these two types of NPs: the demonstration of a multiplexed bioimaging application with fluorescent NPs composed of a Au/Ag alloy core and a fluorophore-doped silica shell(Au/Ag@SiO2). It has long been known that immunofluorescence, as the standard technique to label cells, has some drawbacks such as intensity limit, limited multiplexing and loss of signal due to photobleaching. Plasmonic NPs do not photobleach and do not lose their scattering signal. The Au/Ag alloy NPs with a core-shell structure not only exploit the merits of a tunable scattering signal from the core but also the metal enhanced fluorescence (MEF) effect from the shell near a metallic surface. In this research, we have fabricated the hybrid NPs and applied them in a multimodal platform to detect both scattering and fluorescence signals in order to improve the multiplexing capability. During the master study, Au/Ag@SiO2 NPs were successfully fabricated with high reproducibility. Different fluorophores with different emission wavelengths were incorporated in the silica shell of Au/Ag@SiO2 NPs resulting in a stronger fluorescence signal in the presence of a metallic core. An etching effect of the metallic core was noted during the silica shell growth, creating a spacer between the surface of the metallic core and silica shell resulting in a slight blueshift of the plasmonic peak. This effect is more severe for silver-rich cores. Four types of NPs were prepared, with two different Au/Ag composition ratios (pure Ag and 50/50 Au/Ag) and two different fluorophores (fluorescein and rhodamine B) were incorporated into the silica shell for a bimodal multiplexed imaging test in scattering and fluorescence. A proportion of 86% of NPs on a glass slide can be identified and a similar result was obtained for NPs on cells.