En résonance magnétique nucléaire dont l'application la plus connue est l'IRM, on mesure usuellement, aux bornes d'une bobine, la tension qui reflète l'induction créé par l'aimantation nucléaire mise préalablement en précession par une impulsion radiofréquence. Cette aimantation nucléaire résulte de la différence de population entre les états de spins, provoquée par le très fort champ magnétique statique.
Cependant cette spectroscopie souffre indubitablement d'une faible sensibilité, car cette différence est toujours faible. Ainsi, à 10 T et température ambiante seul un noyau sur environ 100 000 contribue au signal détecté et le seuil de détection par excitation radiofréquence est typiquement de 1017 spins.
Une équipe de l'IRAMIS-SIS2M développe une approche alternative recourant à des systèmes hyperpolarisés. En effet, via une étape préalable de sélections des états de spins nucléaires qui est effectué au laboratoire par pompage optique, ce n'est plus un noyau sur 100 000 qui contribue au signal mais peut atteindre 1 sur 2 en moyenne ! Ainsi, certaines méthodes de détection jusqu'à présent écartées pour des raisons de faible sensibilité deviennent prometteuses, comme la mesure du "bruit de spins" pour de très faibles concentrations, dont la première observation vient d'être faite à Saclay.
Dans cette méthode, on mesure les fluctuations de tension à haute fréquence aux bornes d'une bobine de détection qui reflètent celles du champ électromagnétique dans le système. Le caractère fortement hyperpolarisé induit le fort couplage du système de spins à la bobine. La perte du signal de fluctuation à la fréquence de résonance des spins nucléaires (voir figure) est due à l'absorption du champ électromagnétique par ces moments magnétiques. Cette méthode de détection ne requiert donc aucune excitation radiofréquence préalable, ce qui n'induit aucune perturbation du système qui reste ainsi hautement polarisé. On a ainsi déjà pu abaisser le seuil de détection à une valeur record de l'ordre de 1016 spins.
De plus, comparée à la méthode d'excitation radiofréquence, la détection par bruit de spin devient de plus en plus avantageuse pour de très petits nombres de spins contenus dans un petit volume, et seule cette méthode permet d'envisager, par l'emploi de bobines miniatures, l'abaissement de ce seuil. De plus, l'absence d'excitation radiofréquence a le grand avantage de faire disparaître tous les problèmes associés à l'exposition au rayonnement rencontrés dans les applications médicales (IRM). Elle fournit par ailleurs des informations sur la dynamique des spins avec une possibilité de mesure en continu.
Par l'amplification du signal et le gain de sensibilité associé, les méthodes d'hyperpolarisation des spins nucléaires sont très prometteuses et ouvrent, comme cet exemple l'illustre, de nouveaux champs d'applications.
A gauche, photographie de la petite bobine utilisée qui a permis l'obtention du spectre d'absorption du xénon par la technique de "bruit de spins" (à droite, autour de la fréquence de résonance du xénon 129 à 11.7 T). Le Xénon est hyperpolarisé par pompage optique et dissous. Le nombre de spins impliqués (~ 1016) n'est pas suffisant pour être détectable par la méthode classique utilisant des excitations radiofréquence.
Référence :
First Nuclear Spin-Noise Spectra of Hyperpolarized Systems,
H. Desvaux, D. J.Y. Marion, G. Huber, P. Berthault, Angew. Chem. (2009).
• UMR 3299 - Service Interdisciplinaire sur les Systèmes Moléculaires et les Matériaux
• Laboratoire Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (LSDRM)
• Spectrocopie nucléaires : RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) - Spectroscopie Mössbauer
