Fe - Quebec International

Etudes de nano-objets par les
techniques synchrotron :
applications cosmétiques… et connexes
Mission
Cosmétique
et Photonique
au Québec,
6 au 9/07/2016
Rencontres
Recherche
& Industrie
AFOP – Opticsvalley
19/09/2013
Fiche d’identité de SOLEIL
•
Centre français de production et d’exploitation de lumière
synchrotron
•
Centre de recherches et de services à la recherche pour
l’étude de la matière vivante et des matériaux complexes
•
Société civile de recherche, filiale du CEA et du CNRS
•
450 personnes, 63 M€ de budget
Mission
Cosmétique
et Photonique au Québec,
6 au 9/07/2016
Rendez-vous
Opticsvalley
04/06/2013
Une Très Grande Infrastructure de Recherche
2 400 utilisateurs / an
800 projets / an (> 10%
projets industriels)
6 000 visiteurs par an
Accélérateurs
de particules
29 laboratoires d’analyse =
lignes de lumière, accessibles
24h/24, 6j/7, 220 j/an
Mission
Cosmétique
et Photonique au Québec,
6 au 9/07/2016
Rendez-vous
Opticsvalley
04/06/2013
Pourquoi utiliser la lumière synchrotron ?
Une « sonde » photonique aux propriétés exceptionnelles…
- extrêmement brillante (sensibilité)
- faiblement divergente (focalisation jusqu’à quelques dizaines de nm)
- accordable sur un spectre continu de l’infrarouge lointain aux rayons X durs (sélectivité)
- pulsée (50 ps toutes les 3 ns, phénomènes dynamiques ultrarapides)
- cohérente (imagerie par contraste de phase)
- polarisée (symétrie des molécules, phénomènes magnétiques)
… permettant d’obtenir des avantages concurrentiels :
1. performances accrues par rapport aux appareils photoniques « classiques »
2. techniques spécifiques du RS : absorption de RX, microscopie de RX…
3. approche multi-modale et multi-échelle (du macroscopique à l’atomique !) par
combinaison de techniques synchrotron
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Cosmétique
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Rendez-vous
Opticsvalley
04/06/2013
Des domaines d’applications variés…
Détection de substances
polluantes, optimisation de pots
catalytiques ou de batteries,
matériaux pour les énergies
nouvelles…
Environnement
Physique
Connaissance de la structure
des matériaux du manteau
terrestre…
Géophysique
Magnétisme, spintronique,
nanotechnologies...
propriétés électroniques,
magnétiques (ex : stockage
magnétique haute densité)
Procédés catalytiques,
chimie verte, polymères,
altération, corrosion…
Chimie
Élaboration de nouveaux
matériaux, nanomatériaux, semi et
supra conducteurs, mémoire
magnétique, matériaux sous
contraintes…
Recherche de nouveaux
médicaments, diagnostics,
imageries (os, tissus, cellules,
vaisseaux sanguins…)
Biologie/santé
Matériaux
... pour de nombreux secteurs industriels et enjeux de société : agroalimentaire, biotechnologies,
BTP, chimie, cosmétique, défense, énergie, environnement, électronique, pharmacie, santé,
transports…
Mission Cosmétique et Photonique au Québec, 6 au 9/07/2016
Nanomatériaux, nanoparticules, nano-objets…
•
Nanomatériau :
 Matériau naturel, manufacturé ou formé accidentellement
 Contenant des particules libres, sous forme d’agrégat ou
d’agglomérat,
 dont au moins 50% des particules ont au moins une dimension
comprise en 1 et 100 nm
Nanomatériaux
Nano-objets
Matériaux nanostructurés
Nanoparticules (3D)
Matériaux nanotexturés (2D)
Nanotubes/Nanofils (2D)
Matériaux nanoporeux (3D)
Nanoplaquettes (1D)
Mission
Cosmétique
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Rencontres
Recherche
& Industrie
AFOP – Opticsvalley
19/09/2013
Nanomatériaux, nanoparticules, nano-objets…
•
Nanomatériau :
 Matériau naturel, manufacturé ou formé accidentellement
 Contenant des particules libres, sous forme d’agrégat ou
d’agglomérat,
 dont au moins 50% des particules ont au moins une dimension
comprise en 1 et 100 nm
Nanomatériaux
Nano-objets
Matériaux nanostructurés
Nanoparticules (3D)
Matériaux nanotexturés (2D)
Nanotubes/Nanofils (2D)
Matériaux nanoporeux (3D)
Nanoplaquettes (1D)
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& Industrie
AFOP – Opticsvalley
19/09/2013
Principaux nanomatériaux pour la cosmétique
Mission
Cosmétique
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au Québec,
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Rencontres
Recherche
& Industrie
AFOP – Opticsvalley
19/09/2013
Etudes des matrices biologiques et des produits
cosmétiques par les techniques synchrotron
Des analyses multi-modales et multi-échelles de matrices biologiques
(peau, cheveu, ongle…), de la molécule jusqu’au tissu, en interaction ou
non avec des actifs cosmétiques (crème, shampoing, vernis…) :
•
•
Analyses structurales ex-situ :
 Détermination de la structure (macro)moléculaire,
 Comparaison de poudres aux structures très proches,
 Caractérisation structurale de solutions complexes,
 Suivi de changements conformationnels…
Imagerie in-situ de molécules, cellules et tissus (informations
chimiques, morphologiques et fonctionnelles en 2D et 3D) :
 Identification et cartographie de molécules (endogènes, actifs,
polluants…) dans les cellules et tissus
 Identification, cartographie et spéciation (état oxydation,
environnement chimique local) d’éléments chimiques (endogènes,
actifs, polluants…) dans les cellules et tissus
 Observations morphologiques 3D de constituants, avec haute
résolution spatiale (30 nm) ou haute sensibilité de contraste
ConneXions R&D Cosmetic Valley à Orléans
11/12/2012
Analyses structurales de cristaux par
diffraction de rayons X
Résolution de structures 3D de macromolécules et de petites
molécules biologiques
Complexe formé par une molécule
active (anisomycine, 19 atomes)
10 000 fois plus petite que sa cible
biologique (sous unité ribosomale
de S. cerevisiae,199 360 atomes)
MissionR&D
Cosmétique
Photonique
au Québec,
6 au 9/07/2016
ConneXions
CosmeticetValley
à Orléans
11/12/2012
Analyses structurales de formulations cosmétiques (RX)
Etude de la structure des
matériaux hybrides
« organiques-métalliques »
pour la délivrance de
principes actifs sur la peau
Comparaison de 2 poudres
ayant des structures
moléculaires très proches
(recherche de contrefaçon)
Mission Cosmétique et Photonique au Québec, 6 au 9/07/2016
Analyses structurales de matériaux
peu ou mal cristallisés (RX)
Représentation multi-échelle d’un objet (1µm qq Å )
Taille globale
Forme
Organisation, repliement
Small Angle X rays Scattering
60 Å
20 Å
Structure interne
Wide Angle X rays Scattering
6Å
2,5 Å
Applications : macromolécules en solution (enveloppes moléculaires, changementsR
conformationnels, comparaison cristal et protéine en solution), cartographie de
structures de tissus biologiques, systèmes micellaires/colloïdaux, nanomatériaux…
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Contrôle dynamique du diamètre de
nanotubes biomimétiques
Triptoréline = peptide de 10 acides
aminés s’assemblant dans l’eau sous
forme de nanotubes dont le diamètre
passe de manière réversible de 11 à
50 nm sous l’effet du pH, générant
une modification de texture du milieu.
Les 2 conformations structurales du
peptide sont liées à l’histidine qui
peut, en fonction du pH, fixer ou non
des protons
Atomic view of the Histidine environment
stabilizing higher pH conformations of pHdependent proteins. Céline Valéry et al,
Nature Communications, online (2015).
CEA - CNRS - Univ. Rennes 1 - IPSEN
Micro-imagerie chimique moléculaire (IR)
Identification et localisation de molécules aux échelles cellulaire et tissulaire
Etudes de la pénétration
d’un agent cosmétique
dans la peau humaine
0.02
-0.02
2 types
différents de
lipides dans
3000
2900
2800
2700 cuticule et
Wavenumbers ( cm-1) médulla
Cosmetic agent
Normal skin
Etudes du cheveu humain
Résolution spatiale < 3 x 3 µm2
after
lipids
treatment
Absorbance
0.00
3000 2600 2200 1800 1400 1000
Wavenumbers (cm -1)
Cosmetic agent :1165 cm-1
Lipides : nC=O
70
70
60
60
Follicule
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
L’agent
cosmétique
pénètre le
long du
follicule
pileux
Mission Cosmétique et Photonique au Québec, 6 au 9/07/2016
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Nano-spectroscopie et nano-imagerie IR par
couplage AFM-synchrotron
Collaboration LNLS (Brésil) - SOLEIL
Synchrotron infrared nanospectroscopy using low-aberration beamline optics
Raul O. Freitas, C. Deneke, F.C.B. Maia, Th. Moreno, P. Dumas
To be published
Mission Cosmétique et Photonique au Québec, 6 au 9/07/2016
Nano-spectroscopie et nano-imagerie IR par
couplage AFM-synchrotron
Disponible sur la ligne SMIS de SOLEIL
Collaboration LCP Orsay - SOLEIL
Collaboration LNLS (Brésil) - SOLEIL
Synchrotron infrared nanospectroscopy using low-aberration beamline optics
Raul O. Freitas, C. Deneke, F.C.B. Maia, Th. Moreno, P. Dumas
To be published
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Visualisation des nano-feuillets peptidiques
-globulin
2 m
Peptoid
Nanosheets
H.A. Bretchel, E A. Muller, R.L. Olmon, M.A.
Martin, M. B. Raschke
Proceedings of the National Academy of
Sciences, 111(20), 7191–7196 ( 2014)
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Orientation des lipides entre les couches
protéiques de la cuticule du cheveu
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(Micro)Nano-imagerie chimique moléculaire (V-UV)
Identification et localisation de molécules aux
échelles cellulaire et tissulaire
Auto-fluorescence
sans ajout de
marqueur exogène
Dans un cheveu
Dans la peau :
•Kératine
•Mélanine
Imageries d’une veine
Collagène fibrillaire
Erythrocyte « emprisonné » dans la section
Collagène autour des cellules
Résolution spatiale < 100 nm
Micro-imagerie chimique élémentaire (RX)
Localisation et spéciation d’éléments chimiques dans les cellules et tissus
Cartographie de fluorescence de RX d’un cheveu
d’un patient leucémique traité avec As2O3
S
Ca
Spéciation de l’As par
spectroscopie d’absorption des RX
Hair
Résolution spatiale < 3 x 3 µm2
Cu
As
Energy (keV)
Bio-transfert de NP de TiO2 dans les laitues
Etude du transfert par voie racinaire et foliaire de laitues exposées à des
concentrations variables de nanoparticules de TiO 2
Traces de NP de TiO2 dans tous les tissus de la laitue.
Hypothèse d’un passage par les stomates (structures permettant les échanges
gazeux) et la cuticule des feuilles.
Pas de mise en évidence par la spéciation de transformation des NP de TiO 2 qui
restent sous leur forme initiale.
Fate of pristine TiO2 nanoparticles and aged paint-containing TiO2 nanoparticles in
lettuce crop after foliar exposure. Larue, C. et al, Journal of Hazardous Materials,.
2013: 3,925
Fluorescence X : de la µ-imagerie 2D à
la µ-tomographie 3D Transmission
50
Globarotalia inflata : cellule
unique (200 µm) d’animal
marin (foraminifère)
cm-1
0
50 m
0.009
S
0.008
Cl
0.522
g/cm-3
g/cm-3
g/cm-3
0
0
0
0.001
g/cm-3
0
Cu
0.009
g/cm-3
0
Zn
Ca
Fluorescence X : de la µ-imagerie 2D à
la µ-tomographie 3D
Idem
pour l’IR sur SMIS
: µ-imagerie 2D ->
µ-tomographie 3D
Transmission
Ca
Fe
Cu
Zn
Courtoisie : Jean Susini ( ESRF)
Ni
(Micro)Nano-spectroscopie et imagerie de
photoémission
Localisation de NP de Fe3O4 dans des cellules pulmonaires humaines
avec une résolution de 100 nm
Cœur en Fe3O4
+ Coquille organique
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(Micro)Nano-spectroscopie et imagerie de
photoémission
Localisation de NP de Fe3O4 dans des cellules pulmonaires humaines
avec une résolution de 100 nm
Cœur en Fe3O4
+ Coquille organique
10 µm
Sans NP (détection C)
10 µm
Avec NP (détection C et Fe)
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(Micro)Nano-spectroscopie et imagerie de
photoémission
Analyse quantitative de NP de Fe3O4 dans des cellules pulmonaires
humaines
T1: 50 mg/ml de Fe-NP
T2 : 20 mg/ml de Fe-NP
Ratio Fe/C = 1.7
Ratio Fe/C = 3
C
Fe
C
Fe
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(Micro)Nano-spectroscopie et imagerie de
photoémission + spectroscopie d’absorption X
NP in the cells
Fe (III + II)
Fe (II)
Spéciation
du Fe dans
les NP
Nanoparticles (NPs)
Fe (III)
27
Nano-Imagerie 3D (RX)
Imagerie de diffraction, absorption
et fluorescence avec des sondes
nanométriques (mode scan)
=> Étude (distribution, spéciation…) des
éléments intracellulaires à très haute
résolution spatiale = quelques dizaines
de nm
Distribution du Fer dans une cellule
=> Imagerie de diffraction cohérente
sur des objets de quelques microns,
avec une résolution ~ 50 nm
Étude du réseau des canalicules de l’os
(diamètre compris entre 50 nm et 1 µm)
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ConneXions
CosmeticetValley
à Orléans
11/12/2012
Nano-Imagerie 3D (RX)
Microscopie RX mous à très haute
résolution spatiale (30 à 50 nm) sur
cellules hydratées de qqs µm
Imagerie 3D plein champ de RX
durs à haute résolution spatiale
(30 nm) ou à haute sensibilité de
contraste (phase ou absorption)
Flux sanguin
dans cerveau
humain
Autres exemples typiques : colloïdes,
micelles, interfaces, nanovecteurs,
organelles, transporteurs…
Organisation
d’un
chondrocyte
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ConneXions
CosmeticetValley
à Orléans
11/12/2012
Conclusions
Principaux intérêts des techniques synchrotron :
1. Combinaison possible d’analyses structurales, chimiques et
morphologiques sur le même échantillon, permettant d’obtenir un
« bouquet » d’informations à différentes échelles, dont celle
caractéristique des nano-objets
2. Bien adaptées à l’étude des tissus vivants en général, et des
phanères humaines en particulier
3. Complémentarité avec la microscopie électronique (caractérisation
topologique), avec accès à la caractérisation chimique élémentaire
des nanoparticules (généralement constituées d’oxydes métalliques)
4. Mise en œuvre avec différentes modalités :
• Recherche propre dans le cadre des AAP de SOLEIL,
• Recherche partenariale menée avec les scientifiques de lignes,
• Prestations de services réalisées par le personnel de SOLEIL
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Plus d’informations :
www.synchrotron-soleil.fr
[email protected]
Responsable Relations Industrielles & Valorisation
+33 1 69 35 90 05
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