Techniques et outils

• Synthèses et chromatographies
• Caractérisation des auto-assemblages par diffusion du rayonnement
• Caractérisation par microscopies
• Caractérisation par spectroscopies

Synthèses et chromatographies

Synthèses

Au sein du laboratoire, en dehors des équipements de synthèse organique classique, nous disposons de trois appareils plus spécifiques qui permettent :

• La synthèse automatisée de peptides sous champ micro-onde grâce au Liberty 1^® de la marque CEM. Cet appareil permet de réaliser les synthèses peptidiques sur support solide (résine) et conduit à des rendements de synthèse et des puretés nettement supérieurs à ceux obtenus par synthèses dites classiques. De plus, l'activation micro-onde permet une synthèse beaucoup plus rapide des peptides.
• La synthèse sous champ micro-onde avec un réacteur de synthèse Discover^® SP – CEM. Lors d’une synthèse, l'effet thermique associé aux micro-ondes permet d'exercer une chaleur constante sur chaque molécule du mélange. Ce mécanisme permet d'augmenter sensiblement la cinétique de la réaction étudiée. De meilleurs rendements, voire des différences de sélectivité peuvent être observés.
• L'hydrogénation en flux continu grâce au H-CUBE^® de la marque ThalèsNano. Cet appareil permet la génération d'hydrogène in situ via l'électrolyse de l'eau, ce qui permet de limiter le stockage d'hydrogène et les risques liés à sa manipulation. La réaction d'hydrogénation est ensuite réalisée en flux continu en utilisant des catalyseurs supportés (CatCart^®).

Chromatographies

Afin d’analyser et de purifier les produits synthétisés, notre laboratoire dispose de deux chaînes de chromatographie haute performance en phase liquide :

• Une chaîne analytique de type UPLC^® de la marque Waters équipée d’un détecteur UV-visible à barrettes de diodes (PDA) et d’un spectromètre de masse simple quadrupole (SQD). Cet instrument est principalement utilisé pour juger de l'avancement d'une réaction ou pour caractériser des mélanges combinatoires. Le couplage à la spectrométrie de masse permet notamment de vérifier la masse des produits formés en cours de réaction. Par rapport à une HPLC dite classique, le système UPLC^® permet de travailler à plus haut débit, diminuant ainsi les temps d'analyse (environ 5 minutes) sans altérer les performances chromatographiques.

• Une chaîne analytique/préparative de type HPLC-AutoPurification de la marque Waters équipée d’un détecteur UV-visible à simple ou double longueur d’onde et d’un spectromètre de masse simple quadrupole (3100). L’intérêt de cette machine est double : les mélanges réactionnels sont injectés en mode analytique afin de déterminer les conditions optimales nécessaires à la purification du mélange en mode préparatif. Les purifications peuvent alors être réalisées sur plusieurs centaines de milligramme en une seule injection. Cet outil est particulièrement adapté à la purification de produits polaires solubles dans l’eau ou les solvants organiques tels que l’acétonitrile ou le méthanol.

Caractérisation des auto-assemblages par diffusion du rayonnement

Afin de connaitre les tailles et les formes des auto-assemblages supramoléculaires, nous utilisons les techniques de diffusion du rayonnement (lumière, neutrons et rayons X) en étroite collaboration avec  les physiciens Prof. E. Buhler (Université Paris Diderot) et Dr. M. Rawiso (ICS).

• Les expériences de diffusion de la lumière (statique et dynamique) sont réalisées sur un spectromètre 3D LS au sein du laboratoire du Prof. Buhler. La diffusion statique de la lumière (SLS) permet, entre autres, de déterminer la masse moléculaire M_w et le rayon de gyration R_g des structures auto-assemblées ou des polymères supramoléculaires étudiés. La diffusion dynamique de la lumière (DLS) permet de déterminer la taille moyenne des particules formées (rayon hydrodynamique R_H). Cette expérience peut également être réalisée en routine au sein de l’ICS sur un appareil Malvern Zetasizer Nano ZS.

• Les expériences de diffusion des neutrons aux petits angles sont réalisées sur les grands instruments au laboratoire Léon Brillouin (LLB) au CEA Saclay ou à l’institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. En effet, elles nécessitent la présence d’un réacteur nucléaire afin de générer les neutrons qui interagissent avec le noyau des atomes de la structure étudiée et l’utilisation de détecteurs de plus de 5 mètres de long. Ces expériences permettent, entre autres, de déterminer la structure interne des auto-assemblages mais également leur taille et leur masse et peuvent être complétées par des expériences de diffusion statique de la lumière.

• Les expériences de diffusion des rayons X aux petits et grands angles sont réalisées au sein de l’ICS dans l’équipe du Dr. Rawiso qui dispose de deux diffractomètres : Nanostar de la marque Bruker (petits et grands angles) ou MicroMax avec un générateur à anode tournante de la marque Elexience. A la différence des neutrons, les rayons X interagissent avec les électrons qui entourent le noyau atomique. De ce fait, bien que fournissant des informations sur la taille, la masse voire la structure interne des auto-assemblages, ces expériences sont souvent complémentaires des expériences de diffusion des neutrons. Ces expériences peuvent également être réalisées sur les grands instruments de type Synchrotron comme Soleil à Gif sur Yvette ou l’ESRF à Grenoble.

Caractérisation par microscopies

Microscopie à champ proche

Notre laboratoire possède une variété de techniques de microscopie à champ proche:

• Un microscope force atomique (AFM) en mode force spectroscopique. C’est un AFM fait maison, combiné avec in microscope optique de fluorescence. Cette technique est dédiée à la manipulation de la molécule unique et la mesure des forces d’interactions aux échelles du nanomètre et de picoNewton.

• Un AFM multimode Nanoscope 8, dédié à l’imagerie en mode Tapping et Peak-Force.
  Nous avons à la fois une expertise et une vaste expérience dans le développement de solutions innovantes pour une large gamme de problèmes dans les domaines tels que les systèmes auto-assemblés supramoléculaires, polymères synthétiques et naturelles, gels,… et l'imagerie dans le milieu liquide et dans un environnement bien contrôlé (vide, gaz inerte, température…etc).

Microscopie électronique en transmission

La Microscopie Electronique en Transmission (MET) est utilisée fréquemment dans notre équipe afin d’étudier la morphologie des objets auto-assemblés synthétisés. Etant donné qu’une analyse nécessite peu de temps ainsi qu’une faible quantité de matériel, nous l’utilisons souvent comme une technique de criblage rapide afin de sélectionner les échantillons d’intérêt qui seront ensuite analysés avec d’autres techniques plus longues à mettre en œuvre. Combinée à d’autres techniques de diffusion (lumière, neutrons, rayons X) ainsi qu’à de l’imagerie telle que l’AFM, la MET nous permet d’obtenir des informations structurales sur les systèmes auto-assemblées de l’équipe. Quand l’échantillon à étudier se comporte comme un gel, la microscopie par cryofracture est utilisée afin d’imager l’échantillon dans son état natif. Les échantillons sont analysés sur un microscope électronique Phillips CM12 soumis à une tension de 120kV.   

Caractérisation par spectroscopies

Au sein  de notre institut, nous disposons de différents appareils de spectroscopie partagés entre les diverses équipes et gérés par la plateforme de caractérisation des polymères. Certains nous permettent de déterminer la pureté des produits organiques synthétisés (Spectromètre RMN 400 MHz – Bruker et MALDI-TOF Autoflex – Bruker). D’autres sont utilisés pour étudier les propriétés optiques de nos molécules ou auto-assemblages. En particulier, l’institut est équipé des appareils suivants:

• Un spectromètre IRTF Vertex 70 de la marque Bruker. Cet appareil est utilisé aussi bien en mode ATR que pour l’étude des auto-assemblages en solution. Nous disposons pour cela de plusieurs cellules infra-rouge qui nous permettent de travailler aussi bien en milieux organiques qu’aqueux.
• Un spectromètre UV-Vis-NIR Cary 5000 de la marque Agilent. Cet instrument permet entre autres de réaliser des expériences en température variable, de mesurer les propriétés optiques de films organiques, ou encore d’effectuer des mesures de reflectance sur nos échantillons.
• Un fluorimètre FluoroMax-4 de la marque Horiba, qui est utilisé pour étudier les propriétés de fluorescence des états stationnaires de nos auto-assemblages ou molécules en solution.