Que sont les « points chauds » des nanostars d'or, et pourquoi sont-ils importants ?
Les « points chauds » des nanostars d'or sont de minuscules régions situées à l'extrémité de leurs branches pointues et dans les très petits espaces entre ces pointes. C'est là que les champs électromagnétiques s'intensifient considérablement grâce à la résonance plasmonique de surface localisée (RPSL), amplifiant les signaux dans des techniques comme la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) par des facteurs pouvant atteindre des millions ( Hrelescu et al., 2011 ; Becerril-Castro et al., 2022 ; Mousavi et al., 2020 ). Ces points chauds apparaissent lorsque la lumière excite les électrons libres de la nanostructure d'or, les faisant osciller et créant ainsi des champs électriques locaux extrêmement intenses, notamment aux extrémités pointues où la densité électronique présente une forte variation. Cette propriété confère aux nanostars des nanoparticules sphériques une supériorité sur les nanoparticules sphériques pour la détection, car leurs pointes concentrent l'énergie à la manière d'un paratonnerre focalisant une décharge électrique.
Les points chauds des nanostars d'or sont modulables en ajustant la longueur, le nombre et la taille globale des pointes, ce qui permet de décaler leur réponse plasmonique du visible au proche infrarouge pour des applications ciblées. Les agrégats ou les structures cœur-satellite (nanostars liées à d'autres particules d'or) multiplient les points chauds entre les particules, amplifiant ainsi davantage l'effet SERS (Shiohara et al., 2015).
Détection chimique et biologique basée sur la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS)
L'un des domaines d'application les plus importants des nanostars d'or est la détection chimique et biologique par spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). Des études analytiques montrent que les substrats SERS à base de nanostars peuvent détecter des traces d'analytes, tels que des contaminants environnementaux ou de petites biomolécules, à des concentrations extrêmement faibles, car les molécules situées dans les points chauds bénéficient d'une forte amplification de leur signal Raman. Des revues récentes sur les nanostructures d'or pour la SERS soulignent l'intérêt particulier des nanostars, car elles combinent des points chauds intenses et localisés à leur extrémité avec une bonne stabilité colloïdale et une grande facilité de synthèse, ce qui les rend adaptées à la réalisation de substrats reproductibles en chimie analytique de routine (López-Lorente, 2021 ; Becerril-Castro et al., 2022) .
Bioimagerie
L’utilisation la plus directe des points chauds des nanostars réside dans leur emploi comme « nanotags » pour la diffusion Raman exaltée de surface (SERS) en bio-imagerie (Andreiuk et al., 2022). Dans ce cas, des molécules rapportrices Raman sont ancrées dans les régions des points chauds (pointes et espaces inter-pointes), et les nanostars sont ensuite fonctionnalisées avec des anticorps, des aptamères ou des peptides afin de cibler des récepteurs spécifiques ou des marqueurs tumoraux. La spectroscopie SERS avec des nanostars d'or permet d'imager des biomarqueurs du cancer comme l'EpCAM à la surface des cellules, en quantifiant leur expression dans les cellules cancéreuses du sein (MCF-7) et de la prostate (PC-3) à des concentrations subnanomolaires grâce à des points chauds fonctionnalisés par des aptamères (Bhamidipati et al., 2018). La spectroscopie SERS à super-résolution permet de suivre des nanostars marquées par des peptides se liant aux récepteurs d'intégrine ( αvβ3 ) sur les membranes cellulaires, révélant des interactions à l'échelle nanométrique et localisant les particules individuelles grâce à leurs signatures SERS intenses (de Albuquerque et Schultz, 2020).
Imagerie Raman in vivo et théranostique
Les nanostars convertissent efficacement la lumière en chaleur au niveau de leurs points chauds, ce qui permet à de nombreux dispositifs d'intégrer la thérapie photothermique à l'imagerie SERS (« théranostique guidée par l'image »), en utilisant les mêmes particules pour la cartographie tumorale pré-traitement et l'ablation localisée subséquente (Tian et al., 2025). Liu et al. (2015) ont développé une sonde à base de nanostars d'or permettant la diffusion Raman exaltée de surface pour la détection tumorale in vivo à travers la peau intacte, en association avec la tomodensitométrie à rayons X et l'imagerie par luminescence biphotonique dans des modèles murins de sarcome. La thérapie photothermique laser NIR in vivo, sous exposition maximale admissible, a permis l'ablation de tumeurs contenant des nanostars d'or, confirmant ainsi le potentiel théranostique de ces dispositifs.
Imagerie photoacoustique avec des points chauds nanostar
Les nanostars d'or sont d'excellents agents de contraste photoacoustique (PA) car leur forme ramifiée et leurs points chauds amplifient l'absorption optique dans le proche infrarouge, laquelle est ensuite convertie en ondes ultrasonores. L'imagerie PA avec des nanostars a permis de visualiser des structures telles que les ganglions sentinelles et les tumeurs, avec des signaux plusieurs fois supérieurs à ceux du sang environnant, grâce à l'absorption intense au niveau des points chauds situés à leur extrémité (Kim et al., 2011).
Suivi intracellulaire en temps réel et sondes « intelligentes »
Des nanostars d'or ont également été intégrées à des systèmes de suivi en temps réel dans des cellules vivantes, où les signaux SERS localisés dans les zones d'intérêt renseignent sur la libération du médicament ou les modifications du microenvironnement. Par exemple, des conjugués nanostars-médicament ont été suivis à l'intérieur de cellules individuelles, grâce à la spectroscopie SERS de molécules situées dans ces zones d'intérêt, permettant de distinguer les états liés et libérés du médicament lors de son transfert (Minati et al., 2021).
Li et al. (2021) ont décrit des sondes nanostars Au permettant une fluorescence « activée » et une fluorescence SERS « désactivée » via l'extinction du plasmon, idéales pour la détection sur une seule puce d'ions/biomarqueurs avec des lectures complémentaires.
Sondes multifonctionnelles et dispositifs de laboratoire sur puce
Au-delà de la simple détection et imagerie, les nanostars d'or dotées de points chauds artificiels sont intégrées à des plateformes multifonctionnelles. Leurs propriétés optiques uniques permettent une détection bimodale (combinant par exemple la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) et la fluorescence) dans des dispositifs de diagnostic compacts, facilitant ainsi l'intégration de multiples tests sur une seule puce. Une approche consiste à combiner un cœur de nanostar d'or (fournissant des points chauds et une conversion photothermique) avec une enveloppe isolante et des composants fluorescents ou des points quantiques pour créer des sondes hybrides compatibles avec la SERS et la lecture par fluorescence ou luminescence. On peut citer en exemple la structure nanostar d'or@SiO₂@CdSe/ZnS, où le cœur de la nanostar génère des points chauds pour la SERS et une absorption lumineuse efficace, tandis que l'enveloppe semi-conductrice externe fournit un canal optique supplémentaire, permettant une détection bimodale dans des milieux complexes. De telles architectures sont prometteuses pour les dispositifs de laboratoire sur puce, où de petits volumes, une détection multiplexée et des signaux forts sont nécessaires pour un diagnostic rapide (Shan et al., 2018).
Folks et al. (2025) ont mis en évidence les points chauds supérieurs des nanostars (gain SERS >100x par rapport aux sphères) dans les nanogels thermosensibles pour la SERS microfluidique, avec une accordabilité optique préservée soutenant l'intégration de la fluorescence pour un multiplexage réutilisable sur puce de laboratoire.
Ainsi, les nanostars d'or permettent des avancées majeures dans la détection en temps réel à l'intérieur des cellules, l'immunothérapie photothermique ciblée et les dispositifs de diagnostic sur puce. Leurs structures flexibles et leur stabilité dans des conditions proches de celles du corps humain en font des agents de nouvelle génération idéaux pour la thérapie et le diagnostic combinés (théranostique).
Références
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7. Bhamidipati, M., Cho, HY., Lee, KB., Fabris, L. (2018) Quantification par SERS de l'expression de biomarqueurs au niveau de la cellule unique grâce à des nanostars d'or et des aptamères tronqués, Bioconjugate Chemistry 29 (9), 2970-2981, https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.8b00397
8. de Albuquerque, CDL et Schultz, ZD (2020). Imagerie par diffusion Raman exaltée de surface à super-résolution de particules uniques dans les cellules. Analytical Chemistry, 92(13), 9389–9398, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c01864
9. Tian, M., Hu, S., Sun, W., Hu, Y., Ma, X. (2025). Nanoparticules d'or à points chauds pour la théranostique du cancer du sein. Theranostics, 15(18), 9695-9728, https://doi.org/10.7150/thno.119678
10. Liu, Y., Ashton, JR, Moding, EJ, Yuan, H., Register, JK, Fales, AM, Choi, J., Whitley, MJ, Zhao, X., Qi, Y., Ma, Y., Vaidyanathan, G., Zalutsky, MR, Kirsch, DG, Badea, CT et Vo-Dinh, T. (2015). Une sonde théranostique Plasmonic Gold Nanostar pour l'imagerie tumorale in vivo et la thérapie photothermique. Théranostique, 5(9), 946-960, https://doi.org/10.7150/thno.11974
11. Kim, C., Song, HM, Cai, X., Yao, J., Wei, A. et Wang, LV (2011). Cartographie photoacoustique in vivo du système lymphatique à l'aide de nanostars à résonance plasmonique. Journal of materials chemistry, 21(9), 2841–2844, https://doi.org/10.1039/C0JM04194G
12. Minati, L., Maniglio, D., Benetti, F., Chiappini, A. et Speranza, G. (2021). Nanostars d'or multimodales en tant qu'étiquettes SERS pour une étude sur la libération optique de doxorubicine dans les cellules cancéreuses. Materials (Bâle, Suisse), 14(23), 7272, https://doi.org/10.3390/ma14237272
13. Li, C., Chen, P., Wang, Z., Ma, X. (2021) Sonde DNAzyme-nanorésistance en forme d'étoile pour la détection et l'imagerie bimodales SERS-fluorescence des ions calcium dans les cellules vivantes, Sensors and Actuators B: Chemical, 347, 130596, https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130596
14. Shan, F., Su, D., Li, W., Hu, W., Zhang, T. (2018) Complexe de points quantiques CdSe/ZnS à base de nanostars d'or@ SiO₂ @CdSe/ZnS présentant une forte amplification de fluorescence. AIP Advances 1, 8 (2), 025219, https://doi.org/10.1063/1.5020640
15. Folks, C., Ghiloria, N., Castro-Boggess, LD (2025) Caractérisation optique d'un nanocomposite plasmonique nanogel-nanostar pour la détection microfluidique et la diffusion Raman améliorée en surface, Analyst, 5043-5053, https://doi.org/10.1039/D5AN00833F