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Nanoparticules de KTP

par Anne-Marie, Poggi Mélanie - publié le , mis à jour le

Participants
Elodie Chaudan, Sandrine Perruchas, Thierry Gacoin
Ludovic Mayer (ancien thésard) – Géraldine Dantelle

Collaborations
*Equipe d’Emmanuel Beaurepaire, Laboratoire d’Optique et Biosciences, Ecole polytechnique
*Groupe de Jean-François Roch, laboratoire de photonique quantique et moléculaire, ENS Cachan
*Michel Simonneau et Aude-Marie Bestel-Lepagnol de l’INSERM

Single KTP nanocrystals as second-harmonic generation biolabels in cortical neurons, Nanoscale, 2013, 5, 8466, DOI : 10.1039/c3nr01251d
Dual light-emitting nanoparticles : second harmonic generation combined with rare-earth photoluminescence
J. Mat. Chemistry C, 2014, 2, 7681, DOI : 10.1039/c4tc01227e

Le KTiPO4 (KTP) est un oxyde connu pour ses propriétés optiques non-linéaires. En particulier il est générateur de seconde harmonique (SHG) : lorsqu’un cristal de KTP est illuminé par une onde de fréquence f, il réémet une lumière de fréquence doublée 2f. Cette propriété est par exemple utilisée dans des lasers ou des modulateurs électro¬-optiques.
Nous nous sommes intéressés à la synthèse de ce matériau sous forme de nanoparticules. Nous avons mis au point une synthèse en phase solide, où la réaction entre précurseurs se fait à haute température (700 à 1000 °C). La nucléation des nano-cristaux de KTP se fait en présence de KCl, qui va en limiter la croissance.
Les nanoparticules de KTP obtenues sont de tailles variables (cf figure 1) et particulièrement stables en phase aqueuse grâce aux groupements phosphates présents en surface.

Figure 1 (a)KTP nanoparticules images, made by Scanning Electron Microscopy (SEM) (b) A single KTP nanocrystal image, made by Transmission Electron Microscopy.

Les propriétés d’émission de seconde harmonique sont étudiées à l’échelle de la particule unique, en déposant des particules sur lame mince. L’intensité d’émission SHG de la particule peut être reliée à sa taille et son volume estimés par imagerie AFM (Atomic Force Microscopy ; cf figure 2), à la puissance de la source d’excitation (un laser titane-saphir ici) ou encore à la polarisation de la lumière incidente. Des hétérostructures comportant un cœur de KTP et une coquille de LaPO4:Eu permettent d’avoir une sonde duale, émettant à la fois en SHG et en photoluminescence.

Figure 2 (a) AFM image of an area with several core-shell KTP@LaPO4:Eu particles (b) Photoluminescence (c) SHG and (d) radiations spectra.

L’étude des diagrammes d’émissions et de la polarisation de la lumière émise par SHG ont été réalisées en collaboration avec le groupe de Jean-François Roch, qui possède un grand savoir-faire dans l’étude de rayonnement SHG de particules uniques.
Une des applications répandue de la SHG est l’imagerie biologique. En effet, la fenêtre de transmission de la plupart des tissus biologiques se trouve dans l’infrarouge, gamme d’ondes qu’il est facilement possible d’atteindre par SHG. Dans cette perspective d’applications en imagerie biologique, des études de cytotoxicité et des images de nanoparticules de KTP insérées dans des cellules neuronales de souris ont pu être réalisées, en collaboration avec l’INSERM. Ces études ont montré que les nanoparticules de KTP semblaient assez peu cytotoxiques pour ce type de cellules et qu’il était possible de les imager individuellement dans les neurones (cf figure 3).

Figure 3 : Single nano-KTP in a dendron of a mouse neuronal cell. On the optical image, the neuronal cell is in red, and in yellow, the SHG signal from a single KTP nano-crystal.

Nous travaillons aussi en collaboration avec le groupe d’Emmanuel Beaurepaire du Laboratoire d’Optique et Biosciences (LOB, Ecole polytechnique), dont une des problématiques est l’étude de la croissance d’embryons de poissons-zèbres. L’injection de nanoparticules de KTP dans ces poissons permet de suivre leur développement embryonnaire, et en particulier de tracer par imagerie SHG les vaisseaux sanguins des poissons.