Utilisation de l'AFM-IR en mode tapping pour l'étude des nanoparticules

Principe

Le mode contact de l'AFM-IR a prouvé son efficacité lors de nombreuses applications. Cependant, ce mode de fonctionnement n'est pas adapté pour des échantillons mous dans lesquels la pointe peut rester piégée, ou qui n'adhèrent pas à la surface et sont entraînés par la pointe pendant la formation de l’image AFM. C'est le cas des nanoparticules (NPs), utilisées pour de nombreuses applications biologiques. En mode tapping, la pointe n'est pas en contact permanent avec la surface de l'échantillon mais seulement par intermittence, ce qui permet d’imager les nanoparticules sans le détruire ou le déplacer.

Dans ce mode, le levier de l'AFM vibre à sa fréquence de résonance fondamentale et la pointe de l'AFM est abaissée jusqu'à l'échantillon de telle sorte que l'amplitude soit limitée par le contact avec la surface de l'échantillon. La pointe parcourt ensuite la surface de l'échantillon pour enregistrer sa topographie, tout en maintenant une amplitude d'oscillation constante. Si le laser IR irradiant l’échantillon était pulsé à la fréquence du mode tapping utilisé pour réaliser la topographie, dans la mesure où la perturbation liée à l’expansion thermique est extrêmement faible, elle ne serait pas détectée.

Principe de l'utilisation de l'AFM-IR en mode *tapping*

Licence : Reproduit avec autorisation Source : Adapté de Surfaces, B.N., Tapping AFM-IR Provides High-Resolution Chemical Imaging 2019

Afin de pouvoir réaliser des mesures locales d’absorption, une approche hétérodyne est alors employée. L'hétérodyne est une méthode de détection d'un signal qui est fondée sur la multiplication de plusieurs fréquences. La fréquence du laser est réglée de telle sorte qu'elle soit égale à la différence entre les fréquences des modes fondamental et secondaire du levier AFM. La non linéarité de l'interaction en mode tapping permet de combiner l'oscillation du levier avec la dilatation photothermique de l'échantillon à une fréquence qui est la somme des deux, c'est-à-dire la fréquence du deuxième mode de vibration du levier.

On peut également faire l’inverse, réaliser l’imagerie de topographie avec le second mode tapping et détecter l'absorption IR en utilisant le mode tapping fondamental. Dans les deux cas, le signal est dominé par le signal local lors du contact entre la pointe et l'échantillon et seule la taille de la pointe AFM limite la résolution spatiale. Des mesures effectuées avec cette technique ont présenté une résolution spatiale de 10 nm (Figure 2).

Images obtenues en mode *tapping* AFM-IR et spectres d'un échantillon de polymères en bloc polystyrène-poly(2-vinylpyridine) (PS-P2VP) montrant la haute résolution de cette technique.

L'échantillon de PS-P2VP a été imagé avec une taille de faisceau de 1×1 µm².

(A) Topographie, qui montre la présence de deux composants dans l'échantillon, (B) Images AFM-IR en mode *tapping* obtenues pour deux bandes d'absorption spécifiques du PS (1492cm^-1, rouge) et du P2VP (1588cm^-1, vert), (C) Spectres obtenus en mode *tapping* AFM-IR pour les deux composés, (D) Coupe transversale réalisée sur une des cartes, mettant en évidence une résolution inférieure à 10 nm. Pour l'estimation de la résolution ici, les auteurs ont choisi la plus petite caractéristique de l'image chimique et ont mesuré la distance pour laquelle le signal passe de 90 à 10%.

D'après Mathurin, J., Pancani, E., Deniset-Besseau, A., Kjoller, K., Prater, C.B., Gref, R., and Dazzi, A., How to unravel the chemical structure and component localization of individual drug-loaded polymeric nanoparticles by using tapping AFM-IR, *Analyst* 2018, 143(24), 5940–5949.

Auteur(s)/Autrice(s) : Jérémie Mathurin Licence : Reproduit avec autorisation Source : Royal Society of Chemistry

Application à l'étude de nanoparticules

Représentation schématique de la structure de type cœur-coquille d'une nanoparticule

Auteur(s)/Autrice(s) : Lucas Henry Licence : CC-BY-NC

Ce mode de fonctionnement a déjà été utilisé pour l'étude de nanoparticules de polymères de moins de 200 nm de diamètre, qui ont un grand intérêt pour des applications biomédicales. Ces nanoparticules possèdent une structure de type cœur-coquille (Figure 3) avec un cœur composé de PLA (acide polylactique) ou PLGA (acide poly(lactique-co-glycolique)) et une coquille en PVA (poly(acétate de vinyle)) (structures Figure 4).

Structures du PLA, du PLGA et du PVA

Auteur(s)/Autrice(s) : Lucas Henry Licence : CC-BY-NC

L'utilisation du mode tapping permet d'imager les nanoparticules sphériques sans les déformer ou les déplacer et de localiser chacun des constituants.

Les nanoparticules de PLA ont été imagées par AFM-IR en mode contact et en mode tapping. Lorsque le mode contact est utilisé, les particules sont repoussées ou écrasées par la pointe, même en diminuant la force appliquée (Figure 4 A).

Comparaison de l'AFM-IR en mode contact (A) et *tapping* (B, C). (D) Vue schématique pour illustrer le processus de séchage des billes sur le support.

Pour les figures A et B, la couleur rouge correspond à des absorptions élevées pour la bande de vibration d'élongation de la liaison C=O des fonctions ester du PLA à 1760 cm^-1 alors que pour (C), le bleu correspond à des absorptions élevées pour la bande de vibration de déformation de la liaison C-H du PVA à 1415cm^-1. (D): Le cœur et la coquille sont représentés schématiquement en rouge et bleu, respectivement.

D'après Mathurin, J., Pancani, E., Deniset-Besseau, A., Kjoller, K., Prater, C.B., Gref, R., and Dazzi, A., How to unravel the chemical structure and component localization of individual drug-loaded polymeric nanoparticles by using tapping AFM-IR, *Analyst* 2018, 143(24), 5940–5949.

Auteur(s)/Autrice(s) : Jérémie Mathurin Licence : Reproduit avec autorisation Source : Royal Society of Chemistry

En revanche, en mode tapping, une image fidèle de la forme sphérique des nanoparticules sans aucune déformation est observée (Figures 5, B et C). L'image B présente en rouge l'absorption correspondant aux bandes de vibration d'élongation des liaisons C=O des fonctions ester du PLA à 1760 cm^–1, qui constitue le cœur de la nanoparticule. Dans l'image C, le bleu correspond aux bandes de déformation des liaisons C-H du PVA, qui constitue la coquille des nanoparticules. On constate que cette couche ne fait que 15 à 10 nm d'épaisseur et n'est présente que sur les bords de la nanoparticule. Cela peut s'expliquer par le processus de séchage présenté sur la Figure 5 D : les chaînes de PVA sont progressivement déshydratées au cours du séchage et ainsi, s'aplatissent à la surface de la nanoparticule. Les chaînes de PVA qui s'accumulent dans l'espace entre la nanoparticule et le support AFM sont ainsi plus facilement détectables alors que les chaînes de PVA au sommet des nanoparticules forment une couche trop mince pour être détectée.

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