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Univ. Paris-Saclay
Analyse LC-HRMS/MS et RMN d’urines de souris marquées au C-13. Elucidation structurale de métabolites inconnus
LC-HRMS/MS and NMR analysis of C-13 labeled mouse urine. Structural elucidation of unknown metabolites

Spécialité

Chimie analytique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/01/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

HUBER Gaspard
+33 1 69 08 64 82

Résumé/Summary
La spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont deux techniques complémentaires pour l'analyse de mélanges complexes en solution comme le métabolome. L'opportunité d'analyser, par ces deux techniques, des échantillons d'urine marquée au C-13, en complément d'autres échantillons non marqués obtenus dans des conditions similaires, doit permettre au cours de ce stage de gros progrès dans l'élucidation structurale de composés inconnus.
High resolution mass spectrometry (HRMS) and nuclear magnetic resonance (NMR) are two complementary techniques for the analysis of complex mixtures in solution such as the metabolome. During this trainee-ship, the opportunity to analyze, by these two techniques, urine samples labeled with C-13, in addition to other unlabeled samples obtained under similar conditions, should allow great progress in the structural elucidation of unknown compounds.
Sujet détaillé/Full description
Contexte et projet de recherche du M2

La métabolomique vise à caractériser l'ensemble des "petites molécules" (< 1500 Da) d'un échantillon biologique et repose principalement sur deux techniques analytiques : la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et la résonance magnétique nucléaire (RMN).[1,2] Malgré la très forte complémentarité de ces deux approches, elles sont encore très rarement utilisées de concert pour l’annotation du métabolome. Alors que l’analyse LC-HRMS d’un unique échantillon biologique complexe permet la détection de milliers de signaux à des concentrations allant jusqu’au nanomolaire, la RMN permet l’identification structurale des métabolites les plus abondants de cet échantillon. Cette dernière technique souffre cependant d’un manque de sensibilité, c’est pourquoi l’accès à un « matériel biologique » entièrement marqué au C-13 (isotope stable du C-12) est une opportunité permettant : (1) d'augmenter la résolution spectrale et ainsi augmenter le nombre de métabolites caractérisables par RMN, et (2) de faciliter l’attribution des compositions élémentaires des signaux HRMS issus de métabolites inconnus par comparaison des profils LC-HRMS d’échantillons marqués et non marqués récoltés dans les mêmes conditions.
Le projet de recherche de M2 vise à analyser, par spectrométrie de masse à très haute résolution (Orbitrap Fusion, Thermo) couplée à la chromatographie liquide et par RMN 2D hétéronucléaire, les urines de souris marquées au carbone-13 et de les comparer aux urines non marquées. Cette étude visera à exploiter de façon synergique les données obtenues via les deux techniques analytiques pour identifier les métabolites inconnus détectés dans les échantillons. L’élucidation structurale des composés sera également appuyée par des acquisitions LC-HRMS/MS.

Environnement de travail

Le stage M2 se déroulera au sein de deux laboratoires du CEA de Saclay : (1) le laboratoire d’étude du métabolisme des médicaments (LEMM), institut Joliot ; et (2) le laboratoire Structure et Dynamique par résonance magnétique (LSDRM), IRAMIS.
Le LEMM s’est spécialisé dans l’analyse métabolomique depuis 2002, accumulant ainsi une expertise en terme de développement et de validation de méthodes LC-MS pour le profilage de biofluides et extraits tissulaires et cellulaires. Il est équipé d’une plateforme analytique constituée de 6 instruments à basse résolution (QqQ) et 7 instruments à haute et très haute résolution (Orbitrap et Q-TOF).
Le LSDRM est expert en développement d’approches originales pour la spectroscopie de résonance magnétique. Il est équipé de 6 spectromètres RMN de 1.0 à 11.7 T.

Profil du candidat et candidature

Etudiant ingénieur et/ou M2 en chimie. Spécialité chimie analytique ou chimie organique avec un intérêt pour la chimie analytique et plus particulièrement la spectrométrie de masse et la RMN. Date de début souhaitée: février 2021.
Les candidatures (CV et lettre de motivation) sont à envoyer à annelaure.damont@cea.fr et gaspard.huber@cea.fr

[1] Theodoridis G A et al. Liquid chromatography–mass spectrometry based global metabolite profiling: A review. Analytica Chimica Acta 2012, 711, 7-16.
[2] Nagana Gowda G A et al. Recent Advances in NMR-Based Metabolomics. Anal. Chem., 2017, 89 (1), 490-510.
Context and M2 research project

Metabolomics aims to characterize all the "small molecules" (<1500 Da) of a biological sample and is based mainly on two analytical techniques: high resolution mass spectrometry (HRMS) and nuclear magnetic resonance (NMR). [1,2] Despite the high complementarity of these two approaches, they are still very rarely used together for the annotation of the metabolome. While LC-HRMS analysis of a single complex biological sample can detect thousands of signals at concentrations down to nanomolar, NMR allows structural identification of the most abundant metabolites in that sample. However, this last technique suffers from a lack of sensitivity. Thus, the access to "biological material" fully labeled with C-13 (stable isotope of C-12) is an opportunity allowing: (1) to increase spectral resolution and thus increase the number of metabolites that can be characterized by NMR, and (2) facilitate the assignment of elementary compositions of HRMS signals from unknown metabolites by comparison of LC-HRMS profiles of labeled and unlabeled samples collected in the same conditions.
The M2 research project aims to analyze, by very high resolution mass spectrometry (Orbitrap Fusion, Thermo) coupled with liquid chromatography and by heteronuclear 2D NMR, the urine of mice labeled with carbon-13 and to compare them with unlabeled urine. This study will aim to synergistically exploit the data obtained via both analytical techniques to identify some unknown metabolites detected in the samples. The structural elucidation of the compounds will also be supported by LC-HRMS / MS acquisitions.

Working environment

The M2 traineeship will take place in two CEA Saclay laboratories: (1) the drug metabolism study laboratory (LEMM), Joliot institute; and (2) the laboratoire structure et dynamique par résonance magnétique (LSDRM), IRAMIS.
LEMM is specialized in the analysis of the metabolome since 2002, thus accumulating expertise in the development and validation of LC-MS methods for profiling biofluids, and tissue and cell extracts. It is equipped with an analytical platform consisting of 6 low resolution instruments (QqQ) and 7 high and very high resolution instruments (Orbitrap and Q-TOF).
LSDRM is an expert in developing novel approaches for magnetic resonance spectroscopy. It is equipped with 6 NMR spectrometers from 1.0 to 11.7 T.

Profile of the candidate and application

Engineering student and/or M2 in chemistry. Specialty in analytical chemistry or organic chemistry with an interest in analytical chemistry and more particularly mass spectrometry and NMR. Desired start date: February 2021.
Applications (CV and cover letter) should be sent to annelaure.damont@cea.fr and gaspard.huber@cea.fr

[1] Theodoridis G A et al. Liquid chromatography–mass spectrometry based global metabolite profiling: A review. Analytica Chimica Acta 2012, 711, 7-16.
[2] Nagana Gowda G A et al. Recent Advances in NMR-Based Metabolomics. Anal. Chem., 2017, 89 (1), 490-510.
Mots clés/Keywords
metabolomique
metabolomics
Compétences/Skills
spectrométrie de masse, résonance magnétique nucléaire
mass spectrometry, nuclear magnetic resonance
Logiciels
XCalibur Topspin
Détection microfluidique des intermédiaires de nucléation cristalline lors de synthèses de nanoparticules inorganiques en phase aqueuse
Microfluidic detection of crystal nucleation Intermediates during yttrium vandate (YVO4) nanoparticle synthesis in water

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

25/06/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CHEVALLARD Corinne
+33 1 69 08 52 23

Résumé/Summary
La synthèse en solution aqueuse de nanoparticules de YVO4 se caractérise par l’existence transitoire d’un réseau amorphe, formé dès les premières ms de la réaction, en amont de la nucléation cristalline. Afin de suivre en détails l’apparition de ce réseau, nous effectuerons des synthèses microfluidiques à l’aide d’un dispositif original permettant le mélange des solutions salines en quelques 100 μs, ainsi que la réalisation de mesures de diffusion X sur puce.
The synthesis of yttrium vanadate nanoparticles in water is characterized by the transient existence of an amorphous network that appears within the first few ms, prior to crystal nucleation. In order to track the appearance of this transient network, we will carry out microfluidic syntheses using a device which allows mixing salt solutions in a few 100 µs, as well as on-chip x-ray scattering measurements.
Sujet détaillé/Full description
La compréhension des mécanismes de nucléation cristalline dans des solutions salines sursaturées détermine notre capacité à concevoir des nanomatériaux et à comprendre certains processus géologiques ou encore la biominéralisation [1]. Cependant, la nucléation cristalline est imparfaitement décrite par les «théories classiques de nucléation» (CNT) [2]. Une raison, admise, de cet échec est que les CNT négligent l'existence d'états désordonnés transitoires, liquides ou solides amorphes. À ce jour, les données quantitatives sont en effet rares, en raison du défi que représente la mesure de structures petites et transitoires ( Nous avons récemment mis au point des mélangeurs microfluidiques permettant d’accéder à des temps de réaction après mélange dix fois plus courts (~100 µs) que ceux accessibles avec les mélangeurs commerciaux [3]. L’utilisation de ces mélangeurs ultrarapides va nous permettre de caractériser, par diffusion de rayons X sur source synchrotron, les toutes premières étapes de la nucléation cristalline de YVO4, avant même la formation du réseau amorphe déjà observé avec un mélangeur commercial [4]. Les premières expériences réalisées en février 2020 sur le synchrotron DIAMOND (Royaume-Uni) ont confirmé la faisabilité de ces mesures et ont apporté de premiers résultats scientifiques. Il faut désormais attester la reproductibilité des mesures et généraliser l’emploi du mélangeur microfluidique à d’autres conditions expérimentales (concentrations salines, valeur de pH, nature des sels) afin de préparer ou de consolider les prochaines expériences prévues au au printemps 2021 sur le synchrotron SOLEIL.
Ce stage de Master 2 correspond à un travail expérimental qui consistera à fabriquer les puces microfluidiques dans un environnement de salle blanche, puis à caractériser leur temps typique de mélange en fonction des débits choisis et à mener des expériences de cristallisation sur puces, couplées avec un suivi par microscopie optique. Des expériences de laboratoire complémentaires seront effectuées pour caractériser les produits finaux, par l’utilisation de la spectroscopie de luminescence stationnaire, des mesures de diffusion X ou de la microscopie MET.
A proper understanding of crystal nucleation from supersaturated salt solutions crucially determines our ability to tailor nanomaterials, or to capture geological and biomineralization processes [1]. Despite this importance, crystal nucleation is poorly captured by the so-called “classical nucleation theory” (CNT), which can be off by ten orders of magnitude in the predicted nucleation rates [2]. An acknowledged reason for this failure is that the CNT overlook the existence of transient disordered states, that is, liquid or solid amorphous states. However, to date, quantitative data are scarce and limited as detecting small and transient structures (< nm, << 1s) is very challenging.
We have recently developed microfluidic mixers that provide reaction times after mixing (~ 100 µs) which are ten times shorter than those available with commercial mixers [3]. The use of these ultra-fast mixers will allow us to characterize, by X-ray scattering on a synchrotron source, the very first steps of YVO4 crystal nucleation, even before the formation of the amorphous network already observed with a commercial mixer [4]. The first experiments carried out in February 2020 at the DIAMOND synchrotron (United Kingdom) confirmed the feasibility of these measurements and provided first scientific results. It is now necessary to certify the reproducibility of the measurements and generalize the use of the microfluidic mixer to other experimental conditions (salt concentrations, pH value, nature of the salts) in order to prepare or consolidate the next experiments planned during spring 2021 at SOLEIL synchrotron.
This Master 2 internship corresponds to an experimental work, which will consist in producing the microfluidic chips in a clean room environment, then characterizing their typical mixing time according to the chosen flow rates, and carrying out crystallization experiments on chips, with optical microscopy monitoring. Additional laboratory experiments will be performed in order to characterize the final products, through the use of stationary luminescence spectroscopy, X-ray scattering measurements or TEM microscopy.
Mots clés/Keywords
Microfluidique, croissance cristalline, nanoparticules, diffusion X
Microfluidics, crystal growth, nanoparticles, X-ray scattering
Compétences/Skills
Lithographie douce, microfluidique, microscopie optique, diffusion X
Soft-lithography, microfluidics, optical microscopy, x-ray scattering
Logiciels
Windows standard softwares, python
Étude expérimentale de l’effet du flux hydrodynamique sur la conformation de protéines adsorbées sur des nanoparticules.
Experimental study of the effect of the hydrodynamic flux on the adsorption of proteins at the surface of nanoparticles

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/02/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOBEAUX Frederic
+33 1 69 08 55 21

Résumé/Summary
Lors de l’introduction de nanoparticules dans un milieu biologique, il se forme une couche de protéines adsorbées à leur surface, ce qui a pour effet de leur donner une nouvelle identité biologique qui définira leur bioactivité. L’objectif de ce projet est d’étudier l’effet du flux hydrodynamique sur cette couche de protéines et la stabilité des nanoparticules.
Upon introduction of nanoparticles in a biological medium, proteins adsorb on their surface, giving them a new biological identity that will define their bioactivity. The aim of this project is to study the effect of the hydrodynamic flow on this protein layer and on the nanoparticle stability.
Sujet détaillé/Full description
La compréhension du devenir des nanoparticules dans les milieux biologiques est cruciale pour leur utilisation dans le cadre d’applications biomédicales. Nous savons qu’après l’injection de nanoparticules in vivo, les protéines en circulation s’adsorbent à leur surface et créent une couche appelée « couronne de protéines » qui confère au nanoparticules une nouvelle identité. Cette couronne va donc dicter la biodistribution, la pharmacocinétique, l’efficacité thérapeutique et la potentielle toxicité des nanoparticules. Tandis que l’étude de la structure, de la composition et de la dynamique de formation de cette couronne de protéines a déjà motivé de nombreuses recherches, nous en savons encore peu sur les effets du flux hydrodynamique alors qu’il s’agit d’une caractéristique crucial du milieu sanguin par exemple.
Nous proposons donc de déveloper une méthodologie pour apprécier le rôle du flux et du cisaillement sur le couple nanoparticules/protéines en combinant différentes techniques analytiques. En effet, nous nous intéresserons aussi bien à la stabilité et à l’integrité des nanoparticles (à l’aide de méthodes de diffusion, de le microscopie électronique) qu’aux changements de conformations subis par les protéines (à l’aide de méthodes spectroscopiques). Quand cela sera possible, les caractérisations auront lieu in situ.
Ce projet sera mené en collaboration avec Simona Mura (Institut Galien, Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry and Frank Wien (Synchrotron Soleil). Il est financé par le LabEx NanoSaclay.
Understanding the future of nanoparticles in biological media in of utmost importance for their potential use in biomedical applications. It is known that after in vivo administration of nanoparticles, their surface is rapidly covered by adsorbed proteins forming a so-called “corona” that strongly affects their biodistribution, pharmacokinetic, therapeutic efficacy and potential toxicity.1 While the structure and composition of this “protein corona” has already prompted a lot of research, the role of the hydrodynamic flow on the nanoparticle evolution in the presence of proteins (protein adsorption, nanoparticle aggregation or dissolution etc…) has so far received little attention although it is a key feature of blood medium.2
By combining different analytical techniques, we thus propose to develop a methodology to appreciate the effect of flow and shearing on the nanoparticles/proteins pair. Indeed, we will investigate the stability and integrity of the nanoparticles (scattering methods, cryo-TEM) as well as the conformational changes of the proteins (spectroscopic methods). When possible, these analyses will be performed in situ.
This project is carried out in collaboration with Simona Mura (Institut Galien, Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry and Frank Wien (Synchrotron Soleil). It is supported by the LabEx NanoSaclay.
Mots clés/Keywords
physico-chimie, biophysique, nanoscience
physical-chemistry, biophysics, nanoscience
Compétences/Skills
Dichroïsme circulaire, fluorescence, diffusion des rayons X/neutrons aux petits angles
Circular dichroism, fluorescence spectroscopy, small angle x-ray/neutron scattering
Lutte contre le réchauffement climatique: capture du CO2 atmosphérique avec des nanofluides
Fight against climate change: atmospheric CO2 capture with nanofluids

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/05/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary
L'une des voies que le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur le Climat encourage fortement pour capturer le CO2 atmosphérique est l'utilisation d'amines liquides, suivie de la récupération et du stockage souterrain profond. Mais l'étape de récupération du CO2 est actuellement trop énergivore. Nous visons à comprendre comment l'ajout de nanoparticules peut mener à une récupération efficace en termes d'émission nettes de carbone.
One of the route the Intergovernmental Panel on Climate Change strongly encourages to capture atmospheric CO2 is the use of liquid amines, followed by recovery and deep underground storage. But the CO2 recovery step is currently too energy consuming. We aim at understanding how the addition of nanoparticles can meet a carbon-efficient recovery.
Sujet détaillé/Full description
Le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur le Climat (GIEC) souligne que pour atténuer le changement climatique, nous devons capturer c.a. 100 à 1000 GtCO2 dans le siècle à venir, et atteindre la neutralité carbone en 2050. L'une des voies fortement encouragées par le GIEC est le captage du CO2 par des amines liquides, suivi de sa récupération et son stockage souterrain profond. Mais un problème essentiel rend le procédé actuellement inefficace: la récupération du CO2 est réalisée par chauffage, et est trop énergivore.
Dans ce contexte, nous étudions comment l'ajout de nanoparticules améliore la récupération du CO2 des amines liquides. Ces «nanofluides» ont une efficacité reconnue, mais il y a peu d'indications sur la façon d'atteindre une composition appropriée, et aucun consensus sur le mécanisme d'amélioration. Notre objectif est de remplacer les approches actuelles d'essai-erreur par des lignes directrices rationnelles qui mèneront à la meilleure combinaison nanoparticule + amine liquide.

Le but de ce stage est de prouver / réfuter que la récupération du CO2 est bien décrite par des modèles de nucléation hétérogène de bulles. Ceci nécessitera de : i) réaliser les dispersions de nanoparticules dans les amines liquides, et d'évaluer in situ leur(s) taille(s), leur état de dispersion et leur surface active par diffusion des rayons X ii) mesurer le taux de nucléation des bulles avec un montage de laboratoire dédié iii ) confronter les résultats expérimentaux aux modèles de nucléation.
The Intergovernmental Panel on Climate Change1 (IPCC) has reported that in order to mitigate climate change, we must capture c.a. 100 to 1000 GtCO2 in the coming century and reach carbon neutrality in 2050. One of the route IPCC strongly encourages is the capture of CO2 by liquid amines, followed by recovery and deep underground storage. But a single bottleneck currently makes the net CO2 capture ineffective: the CO2 recovery is carried out by heating and is too energy consuming.
In this context, we study how the addition of nanoparticles improves the CO2 recovery from liquid amines. These “nanofluids” have an acknowledged improved efficiency, but there is little indication on how to reach a suitable composition, and no consensus on the mechanism. Our goal is to replace the current trial-and-error approaches with rational guidelines to find the best nanoparticle + liquid amine combination.

The aim of this internship is to prove / disprove that CO2 recovery is well-described by models of bubble heterogeneous nucleation. It requires: i) making the dispersions of nanoparticles in the liquid amines, and assessing in situ their size(s), dispersion state and active surface area by X-ray scattering ii) measuring the bubble nucleation rate with a custom-made setup iii) confront the experimental results to nucleation models.
Mots clés/Keywords
Nanoparticules, chimie des solutions
Nanoparticles, chimie des solutions
Compétences/Skills
Diffusion des rayons X, microscopie optique, théories de la germination
X-ray scattering, optical microscopy, nucleation theories
Logiciels
Python
Mise au point de l'analyse de mélanges complexes par RMN au moyen du parahydrogène

Spécialité

Spectroscopie

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/01/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

HUBER Gaspard
+33 1 69 08 64 82

Résumé/Summary
La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), malgré sa faible sensibilité, offre des atouts certains dans l'analyse des extraits métaboliques. L'objet de ce stage est d'appliquer à ces mélanges complexes une technique récemment découverte qui vise à augmenter drastiquement la sensibilité de la RMN.
NMR, despite its low sensitivity, is an analytical technique with definite advantages in the analysis of metabolic extracts. The object of this traineeship is to apply to these complex mixtures a recently discovered technique which aims to drastically increase the sensitivity of NMR.
Sujet détaillé/Full description
La métabolomique vise à caractériser l'ensemble des "petites molécules" (< 1500 Da) d'un échantillon biologique et repose principalement sur la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et la résonance magnétique nucléaire (RMN). L’analyse LC-HRMS d’un unique échantillon biologique complexe permet la détection de milliers de signaux à des concentrations allant jusqu’au nanomolaire, alors que la RMN permet l’identification structurale de métabolites, mais seulement des plus abondants en raison de son manque de sensibilité. Une des méthodes connues pour augmenter drastiquement la sensibilité de la RMN emploie les propriétés particulières du parahydrogène. Le laboratoire a développé un montage d'enrichissement du dihydrogène en parahydrogène et effectué des développements méthodologiques sur son utilisation par RMN [1]. Récemment la gamme des molécules dont les signaux RMN sont sensibles à la méthode, jusque-là assez restreinte, a été étendue aux molécules possédant au moins un proton échangeable, une méthode nommée SABRE-Relay [2]. L'observation de noyaux C-13, compatible avec cette récente méthode, permet d'augmenter la résolution spectrale. L’accès à un « matériel biologique » entièrement marqué au C-13 est une opportunité permettant d'observer les noyaux C-13 par SABRE-Relay, et ainsi d'augmenter drastiquement la résolution spectrale par rapport à un spectre RMN du proton. Le laboratoire partenaire LEMM possède actuellement des échantillons d’urines de souris « marquées » au C-13 (et leurs équivalents non marqués) issus de rongeurs ayant été alimentés avec des nutriments intégralement marqués au C-13.
Le projet de recherche de M2 vise à mettre au point au laboratoire la méthode SABRE-Relay et à l'optimiser lors de son application à un jeu d'échantillons d'extraits métaboliques enrichis en isotope 13C. Cet enrichissement isotopique permet d'imaginer de nouvelles expériences de RMN pour mieux caractériser certains métabolites. Les résultats seront ensuite comparés à ceux obtenus par ailleurs par HRMS sur les mêmes échantillons.
Le stage M2 se déroulera au laboratoire structure et dynamique par résonance magnétique (LSDRM)du CEA de Saclay, en collaboration avec le laboratoire d’étude du métabolisme des médicaments (LEMM), dans le cadre d'une étude plus large conjuguant des analyses métabolomiques à base de RMN et de HRMS.
Le LSDRM est expert en développement d’approches originales pour la spectroscopie de résonance magnétique. Il développe en particulier des méthodes visant à augmenter la sensibilité de la RMN. Il est équipé de 6 spectromètres RMN de 1.0 à 11.7 T. Le LEMM s’est spécialisé dans l’analyse métabolomique depuis 2002, accumulant ainsi une expertise en terme de développement et de validation de méthodes LC-MS pour le profilage de biofluides et d'extraits tissulaires et cellulaires.
Profil du candidat
Etudiant ingénieur et/ou M2 en physico-chimie ou chimie. Spécialité chimie analytique ou physico-chimie avec un intérêt pour la RMN, l'instrumentation et les sciences expérimentales.

[1] Guduff et al. Single-Scan Diffusion-Ordered NMR Spectroscopy of SABRE-Hyperpolarized Mixtures. ChemPhysChem 2019, 20, 392–398.
[2] Iali et al. Using parahydrogen to hyperpolarize amines, amides, carboxylic acids, alcohols, phosphates, and carbonates. Sci. Adv. 2018; 4 : eaao6250
Metabolomics aims to characterize all the "small molecules" (less than 1500 Da) of a biological sample and is based mainly on high resolution mass spectrometry (HRMS) and nuclear magnetic resonance (NMR). LC-HRMS analysis of a single complex biological sample allows the detection of thousands of signals at concentrations down to nanomolar, while NMR allows structural identification of metabolites, but only the most abundant due to the lack of sensitivity of NMR. One of the known methods to drastically increase the sensitivity of NMR employs the particular properties of parahydrogen. The laboratory has developed an assembly for enriching dihydrogen in parahydrogen and carried out methodological developments on its use by NMR [1]. Recently the range of molecules whose NMR signals are sensitive to the method has been extended to molecules possessing at least one exchangeable proton, a method called SABRE-Relay [2]. The observation of C-13 nuclei, compatible with this recent method, makes it possible to increase the spectral resolution. Access to "biological material" fully labeled with C-13 is an opportunity to observe C-13 nuclei by SABRE-Relay, and thus to drastically increase the spectral resolution compared to a proton NMR spectrum. LSDRM starts a collaboration with LEMM which owns urine samples from mice labeled with C-13 (and their unlabeled, C-12, equivalents) from rodents that have been fed with nutrients fully labeled with C-13.
The M2 research project aims to develop the SABRE-Relay method in the laboratory and to optimize it during its application to a set of samples of metabolic extracts enriched in the isotope 13C. This isotopic enrichment makes it possible to imagine new NMR experiments to better characterize some metabolites. The results will then be compared with those obtained by others at LEMM by HRMS on the same samples.
The M2 internship will take place in the laboratoire structure et dynamique par résonance magnétique (LSDRM) of the CEA, at Saclay, in collaboration with the laboratory for the study of drug metabolism (laboratoire d’étude du métabolisme des médicaments, LEMM) taking part of a larger study combining metabolomic analyzes based on NMR and HRMS.
LSDRM is an expert in developing novel approaches to magnetic resonance spectroscopy, in particular in the field of methods aiming at increasing the sensitivity of NMR. LSDRM is equipped with 6 NMR spectrometers from 1.0 to 11.7 T. LEMM is specialized in metabolomic analysis since 2002. LEMM has accumulated expertise in the development and validation of LC-MS methods for profiling tissue and cell extracts, and biofluids.

Profile of the candidate
Engineer and/or M2 student in physico-chemistry or chemistry. Specialty in analytical chemistry or physico-chemistry with an interest in NMR, instrumentation and experimental sciences.

[1] Guduff et al. Single-Scan Diffusion-Ordered NMR Spectroscopy of SABRE-Hyperpolarized Mixtures. ChemPhysChem 2019, 20, 392–398.
[2] Iali et al. Using parahydrogen to hyperpolarize amines, amides, carboxylic acids, alcohols, phosphates, and carbonates. Sci. Adv. 2018; 4 : eaao6250
Mots clés/Keywords
Instrumentation, Hyperpolarisation, Manipulation de gaz
Instrumentation, Hyperpolarization, Gas handling
Compétences/Skills
Résonance Magnétique Nucléaire
Nuclear Magnetic Resonance
Logiciels
Topspin
Nano-objets polymères et hybrides sous irradiation
Polymer and hybrid nano-objects under irradiation

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/06/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARROT Géraldine - RENAULT Jean-Philippe
+33 1 69 08 41 47

Résumé/Summary
Stage M1 ou M2 :
Le projet consiste à synthétiser et à caractériser des nanoparticules polymères à partir de copolymères amphiphiles dont un des blocs est radiosensible. L'autre voie explorée consiste à former des nanoparticules métalliques (effet radiosensibilisant) avec une couronne polymère. L'objectif est ensuite d'incorporer dans ces objets des principes actifs (par interactions hydrophobes ou greffage covalent).
M1 or M2 level internship:
The project consists in the synthesis and the characterization of polymer nanoparticles from amphiphilic copolymers with one radiosensitive block. The other issue is to form metal nanoparticles (radiosensitizing effect) with a polymer corona. The objective is then to incorporate drugs inside these objects (by hydrophobic interactions or covalent grafting).
Sujet détaillé/Full description
Ce projet repose sur le développement de nouveaux systèmes de relargage de principes actifs basés sur la dégradation de polymères par irradiation. Ce type de stimulus n'a jamais été exploré auparavant, pour de telles applications. Cela permet d'envisager un vrai couplage radiothérapie/ chimiothérapie qui se différencie du simple relargage ciblé. Jusqu'ici, nous avons vérifié la faisabilité du procédé par des expériences sur divers films polymères (augmentation du relargage avec la dose d’irradiation). Maintenant, l'objectif est de réaliser la synthèse d'une bibliothèque de copolymères amphiphiles originaux, avec un bloc polymère soluble dans l'eau/biocompatible, et un autre bloc hydrophobe/radiosensible. L'auto-assemblage dans des micelles ou des vésicules mènera à des objets avec un coeur radiosensible où sera localisé le principe actif. Une autre stratégie consiste en l'utilisation d'objets hybrides à base de nanoparticules métalliques (NPs) qui augmentent localement l’effet du rayonnement. Les NPs seront soit incorporées directement dans les micelles polymères, soit fonctionnalisées par une couronne de polymère où pourra être greffé ultérieurement le principe actif. Le premier avantage de ces nouveaux systèmes est de contrôler plus finement le ciblage des principes actifs vers les cellules tumorales afin de limiter les effets secondaires liés à la chimiothérapie et la radiothérapie, via la position du faisceau d'irradiation et/ou les doses absorbées.

Le stage pourra commencer dès le premier trimestre 2021. Merci de prendre garde au délai de traitement des dossiers et de prendre contact au plus tôt avec les responsables.
This project involves the development of new delivery systems for drugs based on the degradation of polymers by irradiation. This new stimulus has never been explored for such applications. This permits to consider a coupled chemo- and radiotherapy beyond the simple trigger release. So far, we have checked the feasibility of the process via experiments on various polymer films. Now, the objective is to perform the synthesis of a library of original amphiphilic copolymers, i.e. with a water-soluble/biocompatible part, together with a hydrophobic/radiosensitive part. The self-assembly into micelles or vesicles will lead to objects with a radiosensitive core where the drug will be located. The other strategy consists in the use of hybrid objects based on metallic nanoparticles (NPs) which increase the local radiation effect. The NPs will be either incorporated to the polymer micelle core, or functionalized with a polymer corona. The first advantage of these new systems is to control more finely the targeting of drug to the tumor cells and to avoid the side effects associated with chemotherapy and radiotherapy, by controlling the position of the irradiating beam and /or the absorbed doses.

Mots clés/Keywords
Chimie des matériaux, Polymères, Organique/ inorganique, Nano-objets
Materials chemistry, Polymers, Organic/ Inorganic, Nano-objects
Compétences/Skills
Synthèses polymères, Chimie organique, Chromatographie d' exclusion stérique (GPC), Spectroscopie UV et FTIR, Thermogravimétrie (TGA), Diffusion de la Lumière.
Polymer synthesis, organic chemistry, SEC, UV and FTIR spectroscopies, TGA, light scattering, etc...
Logiciels
Excel, Origin
Nanogouttes minérales: étude d'impact pour la séparation de terres rares
Mineral nanodroplets: impact study for rare-earth separation

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary
Nous avons découvert un mécanisme de précipitation exotique intervenant dans certains procédés de recyclage de terres rares. L'objectif de ce stage est d'en évaluer l'imapact sur les procédés existants, et son intérêt pour de nouvelles approches.
We have unveiled an exotic precipitation mechanism involved in some recycling processes of rare-earth elements. The goal of the internship is to evaluate its impact on existing processes, and its potential for new approaches.
Sujet détaillé/Full description
Notre «économie verte» (photovoltaïque, batteries au lithium) repose en grande partie sur les terres rares (TR); mais leur extraction soulève de lourdes préoccupations écologiques et leur recyclage reste rare. Tout progrès dans les processus de séparation et de précipitation profitera à l'équilibre environnemental mondial.

Dans ce contexte, nous avons mis en évidence la formation spontanée de «nanogouttelettes minérales» lors de la coprécipitation d'ions cérium par l'acide oxalique dans l'eau, étape clé dans certains processus de récupération des TR. Les nanogouttelettes minérales sont constituées d'un liquide riche en réactif qui se transforme en cristaux d'oxalate de cérium après plusieurs dizaines de secondes. Cette nanophase récemment dévouverte au laboratoire reste ignorée dans les processus actuels de séparation et de récupération.

L'objectif de ce stage est d'évaluer l'impact des nanogouttelettes minérales sur les processus existants, et d'explorer son potentiel pour des voies alternatives: i) évaluer leur sensibilité aux paramètres physico-chimiques pertinents pour les applications, ii) confrimer / infirmer leur existence dans un contexte plus large une variété de terres rares, et iii) évaluer leur mouillage avec des surfaces d'hydrophobicité et de tailles de pores variables (nm-µm).
Our “green economy” (photovoltaics, lithium batteries) largely relies on the rare-earth (RE) elements; but their extraction raises heavy ecological concerns, and their recycling is scarce. Any progress in the separation and precipitation processes will benefit the global environmental balance.

In this context, we evidenced the spontaneous formation of “mineral nanodroplets” during the co-precipitation of cerium ions by oxalic acid in water, a key step in some recovery process of RE. The mineral nanodroplets consist in a reactant-rich liquid that convert into the cerium oxalate crystals after several tens of seconds. This newly reported nanophase is ignored in the current separation and recovery processes.

The aim of this internship is to evaluate the impact of the mineral nanodroplets on existing processes, and explore its potential for alternative routes: i) assess their sensitivity towards physico-chemical parameters relevant to applications, ii) prove / disprove their existence in a broader variety of rare-earths, and iii) assess their wetting with surfaces of varying hydrophobicity and pore sizes (nm-µm).
Mots clés/Keywords
Séparation des terres rares, co-précipitation, nucléation non-classique, diffusion des rayons X, cro-microscopie, luminescence
Rare-earth separation, co-precipitation, non-classical nucleation, X-ray scattering, cryo-microscopy, luminescence
Compétences/Skills
Chimie des solutions, cryo-microscopie en transmission, spectroscopie de luminescence, diffusion des rayons X en laboratoire et synchrotron
Solution chemistry, cryo-electron transmission microscopy, luminescence spectroscopy, small-angle X-ray scattering in lab and synchrotron
Logiciels
Python
Nanostructures à base de porphyrines
Porphyrin-based nanostructures

Spécialité

Chimie organique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

16/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CAMPIDELLI Stéphane
+33 1 69 08 51 34/23 77

Résumé/Summary
Le terme graphène regroupe toute une famille de matériau. Dans ce projet, nous proposons de construire par des méthodes synthèses organiques des nanoparticules de graphène qui ont un intérêt fondamental pour la photoluminescence, par exemple, et qui peuvent servir de brique de base pour la réalisation de graphène de synthèse.
Sujet détaillé/Full description
Le but de ce projet est de synthétiser de nouvelles molécules à base de porphyrines pour la fabrication de nanostructures mono- et bidimensionnelles. Les porphyrines sont des macrocycles tetrapyrroliques aromatiques ; les dérivés de porphyrines sont des briques essentielles du vivant, notamment pour le transport d’oxygène, pour les réactions d’oxydation et également pour la photosynthèse. Au-delà de cette importance dans le domaine du vivant, les propriétés optiques et électroniques des porphyrines en font un des matériaux les plus étudiés pour la conversion d’énergie, la catalyse, l’optique/optoélectronique et la médecine.

D’autre part, à cause de leur structure et de la grande versatilité de leur synthèse, les porphyrines meso-substituées ont permis la formation d’un large éventail de nanostructures covalentes ou supramoléculaires.[1-5] Dans ce contexte, au cours de ce stage nous proposons de synthétiser des dérivés de porphyrines contenant des groupements PAHs (hydrocarbures aromatiques polycycliques)[6] pouvant conduire à des porphyrines pi-étendues et/ou des nanostructures mono- et bidimensionnelles.[7] Avec ces assemblages, nous visons à exploiter les propriétés optiques et optoélectroniques des porphyrines. Ce projet rassemble plusieurs partenaires possédant des expertises complémentaires en chimie (CEA-Saclay) et en microscopie à effet tunnel (ISMO-Univ. Paris-Sud et IM2NP/CINaM à Marseille). Pour ce projet le/la candidat(e) devra posséder une solide formation en chimie organique. Le projet sera réalisé en collaboration avec des physiciens ; le/la candidat(e) doit également avoir un goût prononcé pour le travail multidisciplinaire.

Références :
1. S. Mohnani and D. Bonifazi, Coord.Chem.Rev., 2010, 254, 2342-2362.
2. N. Aratani and A. Osuka, Bull.Chem.Soc.Jpn, 2015, 88, 1-27.
3. R. Haver and H. L. Anderson, Helv.Chim.Acta, 2019, 102, e1800211.
4. L. Grill, M. Dyer, L. Lafferentz, M. Persson, M. V. Peters and S. Hecht, Nat.Nanotechnol., 2007, 2, 687-691.
5. J. Otsuki, Coord.Chem.Rev., 2010, 254, 2311-2341.
6. J. Pijeat, Y. J. Dappe, P. Thuéry and S. Campidelli, Org.Biomol.Chem., 2018, 16, 8106-8114.
7. N. Kalashnyk, M. Daher Mansour, J. Pijeat, R. Plamont, X. Bouju, T. S. Balaban, S. Campidelli, L. Masson and S. Clair, J. Phys. Chem. C, 2020, doi : 10.1021/acs.jpcc.0c05908.
Compétences/Skills
Synthèse organique, RMN, spectrométrie de masse.
Surfaces polymères bactériostatiques
Bacteriostatic polymer surfaces

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARROT Géraldine
+33 1 69 08 41 47

Résumé/Summary
Stage M1 ou M2 :
Le sujet de ce stage porte sur la synthèse et le greffage sur des surfaces, de polymères bactériostatiques. Le but est d'incorporer ces polymères sous forme de couche ou de copolymère, dans des films de polyéthylène, constituant principal des films alimentaires. En plus de la chimie, les polymères et les surfaces seront caractérisés par diverses techniques d'analyses (RMN, FTIR, XPS, microscopie, angle de contact...), avant de faire l'objet d'études en microbiologie. Ce travail se fera au CEA (Laboratoire LICSEN/NIMBE) pour la partie chimie/caractérisation, en collaboration avec l'INRA-AgroParisTech (Laboratoire B2HM) pour la caractérisation et les tests de microbio. Ce stage bénéficie d’un soutien industriel et peut se poursuivre par une thèse.
M1 or M2 level internship:
This project consists in the synthesis and the surface grafting of bacteriostatic polymers. The objective is to incorporate these polymers as a layer or a copolymer inside polyethylene films (main materials of food films). In addition to chemistry, both polymers and surfaces will be characterized by several analytical techniques (NMR, FTIR, XPS, microscopy, contact angles ...) before being studied in microbiology. This project will be performed at CEA ( Laboratory LICSEN/NIMBE) for the synthesis and surface chemistry part, in collaboration with INRA-AgroParisTech (Laboratory B2HM) for the characterization and microbiological tests. This project has an industrial support and may continue with a PhD thesis.


Sujet détaillé/Full description
Les infections microbiennes sont une des grandes préoccupations de nombreuses applications commerciales comme l’emballage alimentaire, la purification de l’eau, les équipements médicaux. Ici nous nous intéressons surtout à la problématique emballage où le challenge est de diminuer la charge microbienne (pour augmenter la durée de conservation, DLC). Une des stratégies consiste à incorporer des polymères bactériostatiques dans la matrice polymère. L'objectif de ce stage est donc de former des copolymères blocs dont l'un des bloc sera le polymère bactériostatique et de préparer des particules greffées avec des chaînes de ce polymère. Les deux composés seront destinés ensuite à être mélangés avec la matrice polymère afin de former des films composites (extrusion). Après la caractérisation des polymères (chromatographie d'exclusion stérique, RMN), des particules (TGA) et des surfaces (FTIR, XPS, goniomètre), des études microbiologiques seront menées avec notre équipe partenaire AgroParisTech.
Nous recherchons pour ce stage, un étudiant M2 motivé qui possède une solide formation en chimie et caractérisation des polymères et des connaissances en mise en œuvre des plastiques et/ou en sciences des surfaces (caractérisation).
Microbial infections are a major concern for many commercial applications such as textiles, food packaging, water purification or medical equipment. Here we are interested mainly in packaging where the challenge here is to reduce the microbial loading (to increase shelf life). The objective is to preferentially incorporate bacteriostatic polymers in packaging due to their advantages of having some mobility and resistance to packaging process conditions (temperature, stretching ...). One of the strategies is to incorporate bacteriostatic polymers into the polymer matrix. The objective is therefore to form block copolymers, with one block that will be the bacteriostatic polymer and to prepare particles grafted with chains of this polymer. The two compounds will then be mixed to the polymer matrix in order to form composite films. After the characterization of polymers (size exclusion chromatography, NMR), particles (TGA) and surfaces (FTIR, XPS, goniometer), microbiological studies will be conducted with our partner team AgroParisTech.
We are looking for this internship, a motivated M2 student who has a solid background in chemistry and polymer characterization and knowledge in surface science (characterization).
Mots clés/Keywords
Chimie des polymères, fonctionnalisation de surface
Polymer chemistry, surface fonctionnalisation
Compétences/Skills
Synthèse (co)polymères, FTIR, chromatographie d'exclusion stérique (CES), angle de contact, microscopie, profilométrie, XPS
Polymer chemistry, FTIR, size-exclusion chromatography, contact angle, microscopy, profilometry, XPS
Synthèse et caractérisation de nanomatériaux semiconducteurs bidimensionnels (MoS2, SnS2)

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

19/03/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DERYCKE Vincent
+33 1 69 08 55 65

Résumé/Summary
L'étudiant aura pour mission spécifique de synthétiser par CVD (chemical vapor deposition) des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (épaisseur <1 nm) de type monocouches de SnS2 et de MoS2 et d’en caractériser en détail les propriétés structurales par différentes techniques (AFM, MEB, XPS, PL, etc.).
Sujet détaillé/Full description
Ce stage en sciences des matériaux s'intègre dans un projet collaboratif plus large visant à étudier les propriétés électroniques et optiques de nanomatériaux semiconducteurs bidimensionnels de type dichalcogénures de métaux de transition (typiquement des monocouches atomiques de SnS2 et de MoS2) et d’assemblages de ces nanomatériaux sous la forme d’empilements contrôlés appelés hétérostructures de van des Waals. Dans ce contexte, l'étudiant recruté au CEA-Saclay/LICSEN aura pour mission spécifique de synthétiser par CVD (chemical vapor deposition) des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (épaisseur <1 nm) de type monocouches de SnS2 et de MoS2 et d’en caractériser en détail les propriétés structurales par différentes techniques (AFM, MEB, XPS, PL, etc.). Le laboratoire dispose déjà d’une expérience solide dans la synthèse de MoS2 qui garantira un démarrage rapide de la partie expérimentale. Pour améliorer la qualité des synthèses déjà disponibles et pour étendre les compétences du laboratoire à d’autres matériaux 2D (SnS2 notamment), le stagiaire devra s’impliquer fortement dans la compréhension des mécanismes de croissance et du rôle des différents paramètres (notamment la nature et la morphologie du film mince organique utilisé comme promoteur de croissance).

Des compétences au niveau master dans le domaine de la synthèse et de la caractérisation de nanomatériaux sont indispensables ainsi bien sûr qu'un très haut niveau de motivation et une grande rigueur. Le stage démarrera par une étude bibliographique détaillée qui nécessitera donc une bonne maitrise de l’anglais scientifique écrit.

Informations complémentaires et candidatures : vincent.derycke@cea.fr
Mots clés/Keywords
chimie des matériaux, nanosciences
Compétences/Skills
CVD, microscopie optique, microscopie électronique à balayage, microscopie à force atomique (AFM), photoluminescence (PL), Spectroscopie de photoélectrons (XPS)
Synthèse et propriétés optiques de nanoparticules de graphène
Synthesis and optical properties of graphene nanoparticles

Spécialité

Chimie organique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

16/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CAMPIDELLI Stéphane
+33 1 69 08 51 34/23 77

Résumé/Summary
Le terme graphène regroupe toute une famille de matériau. Dans ce projet, nous proposons de construire par des méthodes synthèses organiques des nanoparticules de graphène qui ont un intérêt fondamental pour la photoluminescence, par exemple, et qui peuvent servir de brique de base pour la réalisation de graphène de synthèse.
Sujet détaillé/Full description
Le graphène est un matériau bidimensionnel issu, à l'origine, du graphite. Depuis sa découverte qui a valu le Prix Nobel de Physique à Geim et Novoselov en 2010, le graphène a provoqué l'engouement de la communauté scientifique. Le graphène possède des propriétés optiques, électroniques et mécaniques exceptionnelles qui en font un matériau de choix pour de très nombreuses applications : électronique/optoélectronique rapide et flexible, électrode ou matériau actif dans le domaine des énergies renouvelables (photovoltaïque, fuel cells) ou pour les composites.
De nos jours le terme graphène regroupe toute une famille de matériau : graphène obtenu par exfoliation du graphite, graphène produit par "Chemical Vapor Deposition" (croissance sur un catalyseur à partir de la décomposition d'un dérivé carboné), oxyde de graphène ou nanoparticules et rubans de graphène synthétisé grâce à des procédés de chimie organique. Ces matériaux possèdent des propriétés légèrement différentes et le matériau choisi dépendra de l'application finale.
Le LICSEN (CEA-Saclay) a débuté une collaboration avec le Laboratoire Aimé Cotton (LAC) (ENS Paris-Saclay - Université Paris-Sud) qui visait à étudier les propriétés optiques des particules de graphène synthétisées via l’approche « bottom-up ». La synthèse des motifs graphéniques est basée sur la condensation de molécules polyaromatiques.[1;2] Les nanoparticules de graphène se sont avérées très prometteuses car nous avons pu observer l’émission de photons uniques à température ambiante.[3] Au cours de ce stage de Master, nous proposons de synthétiser d’autres familles de nanoparticules de graphène et d'étudier leurs propriétés optiques ainsi que les relations structures/propriétés.
Ce stage demande une formation de chimiste organicien. Le stage s'effectuera au LICSEN. Le/la candidate devra avoir un gout prononcé pour le travail interdisciplinaire et aimer relever des défis.

Postuler par e-mail, CV et lettre de motivation à :
stephane.campidelli@cea.fr

Références:
[1.] Z. Tomovic, M. D. Watson, K. Müllen, Angew.Chem., Int.Ed. 2004, 43, 755-758.
[2.] A. Narita, X. Y. Wang, X. Feng, K. Müllen, Chem.Soc.Rev. 2015, 44, 6616-6643.
[3.] S. Zhao, J. Lavie, L. Rondin, L. Orcin-Chaix, C. Diederichs, P. Roussignol, Y. Chassagneux, C. Voisin, K. Müllen, A. Narita, S. Campidelli, J.-S. Lauret, Nat.Commun. 2018, 9, 3470.
Compétences/Skills
Synthèse organique, RMN, spectrométrie de masse.

 

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