La RMN à l 'IRAMIS
Patrick Berthault (NIMBE), Hervé Desvaux (IRAMIS/Dir), C. Fermon (SPEC) logo_tutelle 

Voir aussi le dossier complet (2008) : RMN à l'IRAMIS

 


 

La RMN est devenue une méthode alternative à la diffraction des rayons X pour l’étude des protéines et une méthode de choix dans la caractérisation des produits chimiques de synthèse et l’étude des matériaux désordonnés comme les verres, les polymères ou les bétons.

Dans ce cadre, les activités de l'IRAMIS ont porté sur le développement de nouvelles méthodes RMN :

- appropriées à l’étude structurale des constituants des verres nucléaires, (étude d’isotopes quadrupolaires et combinaison des mesures avec des résultats de simulations numériques, collaboration DSM/DEN).

- d’étude de la structure et de la dynamique de bio-molécules en solution (collaboration DSM/DSV) : caractérisation des mouvements moléculaires de temps caractéristiques autour de la microseconde ou l’étude de petites molécules organiques dans des milieux anisotropes obtenus à partir de cristaux liquides minéraux.

Aujourd'hui, si une partie de ces thématiques perdure, la tendance récente est au développement de recherches visant à combattre la faiblesse majeure de la RMN : sa faible sensibilité.

 

Pour augmenter le signal RMN, la solution usuelle consiste, comme dans le cas du projet NeuroSpin à utiliser des champs magnétiques les plus intenses possible. Cependant, dans le futur, cette solution sera rapidement limitée par les contraintes sur les matériaux supraconducteurs. Aussi d’autres approches permettant d’augmenter l’intensité du signal par unité de temps et/ou la résolution spatiale sont développées.

Pour gagner en sensibilité, l’utilisation d’espèces ‘hyperpolarisées’, c’est-à-dire dont les écarts de populations des niveaux d’énergie sont fortement augmentés par rapport à leur valeur d’équilibre dans le champ magnétique utilisé, devrait prendre un grand essor. Deux techniques développées à l'IRAMIS permettent ainsi de ‘booster’ la polarisation nucléaire :

- La polarisation nucléaire dynamique, initiée au SPEC, met à profit un transfert de polarisation électron-noyau pour obtenir des gains en signal de plusieurs milliers. Cette approche touche maintenant l’IRM.

- Le pompage optique de gaz rares, où la polarisation photonique est transférée vers les spins nucléaires. Depuis 1998, le SCM développe une telle expérience, et produit du xénon polarisé par laser utilisé en spectroscopie. Le gain en polarisation par rapport à la polarisation thermique même dans les supraconducteurs actuels est de plus de 4 ordres de grandeur ! Le SCM s’est fait une spécialité de transférer cette forte polarisation du gaz rare utilisé, le xénon, vers d’autres noyaux magnétiquement actifs en RMN, développant ainsi une sonde des milieux hydrophobes et explorant les capacités de gain en sensibilité.

 

Schema de principe d'un capteur mixte : supraconducteur-jonction GMR (magnéto-résistance géante). Le champ magnétique appliqué génère un supercourant intense qui renforce le champ (x 1000), détecté via la couche libre de la jonction GMR.

 

Il est aussi important d’augmenter les performances des systèmes de détection ou de développer des méthodes alternatives de détection. L'IRAMIS développe ainsi plusieurs programmes de recherches dans cet axe :

La microscopie de résonance magnétique, où un micro-levier identique à ceux utilisés dans un microscope à force atomique est utilisé pour faire de l'imagerie magnétique de surface avec une résolution spatiale sub-micronique (SPEC).

Les capteurs magnétiques utilisant des résistances magnétiques géantes du SPEC permettent d’atteindre des sensibilités de détection des fluctuations de champ magnétique de l’ordre de 10-15 T/Ö.Hz. Leur utilisation dans NeuroSpin pour la magnéto-encéphalographie est déjà prévue et leur développement pour des applications en RMN a aussi été entrepris.

 

Les micro-bobines radiofréquence. Les systèmes miniaturisés développés au SCM permettent de réduire la quantité de porteurs de spins nécessaire à l’étude par RMN tout en conservant une très bonne résolution spectrale.

De la même façon que le transfert photons-spin nucléaires permet de multiplier la polarisation nucléaire, la détection optique de la résonance magnétique, pour laquelle des travaux ont débutés à l'IRAMIS, offrira un gain précieux en sensibilité. Celle-ci pourra en outre offrir une excellente résolution spatiale.

De plus, l’utilisation de champs magnétiques intenses n’induit pas seulement un gain en sensibilité, mais aussi permet un accroissement de la résolution spectrale. Des travaux pour développer une biosonde à base de xénon polarisé par laser sont entrepris à l'IRAMIS. Par son caractère hydrophobe, le xénon a une grande affinité pour des molécules-cages qui sont modifiées chimiquement pour cibler certains récepteurs cellulaires. Le déplacement chimique du xénon encapsulé est très différent de celui du xénon libre, ce qui permet d’envisager une imagerie sensible et sélective d’environnements biologiques spécifiques. Une collaboration a débuté avec NeuroSpin, où ces traceurs seront testés sur des souris géniques.

Enfin, constatant que la résonance magnétique nucléaire classique est constituée  d’un appareillage assez lourd et encombrant qui nécessite le déplacement des objets d’étude vers les systèmes RMN / IRM, des recherches sont en cours pour développer un spectromètre portable utilisant des aimants permanents. Plusieurs champs d’application pourraient profiter de ces travaux, parmi lesquels :

- l’analyse in situ de matériaux hétérogènes (roches, peintures, etc.)

- le déplacement de spectromètres en zone chaude

- l’imagerie médicale localisée et transportable

 

Maj : 20/04/2016 (1690)

Voir aussi
  Aim: The classical way to see relaxation in liquids is strongly associated to Bloch's equations, characterized by a longitudinal T1 and a transverse T2. This obviously needs to be extended in a first step to dipolar cross relaxation as explored by NOESY or ROESY experiments and in a ... Lire la suite »
The Floquet-Magnus Expansion (FME) is an extension of the popular Magnus Expansion and Average Hamiltonian Theory (AHT). It aims to bridge the AHT to the Floquet Theorem but in more more concise and efficient formalism. Calculations can then be perfomred in a finite-dimensional Hilbert space ... Lire la suite »
A new approach for glass NMR structural studies: the in silico NMR spectrocopy
Thanks to recent advances in computational methodologies, Solid State NMR spectroscopy can now be efficiently combined with First-principles calculations of NMR parameters (using the DFT GIPAW method) and Molecular Dynamics Simulations. Among others, the MD-GIPAW methodology  is powerful ... Lire la suite »
Parahydrogen induced polarization (PHIP) method is based on the non-Boltzmann distribution of nuclear spin states following the hydrogenation of a substrate by parahydrogen. Absorptive and/or emissive NMR signals can be greatly enhanced, up to several orders of magnitude as compared to thermally ... Lire la suite »
LSDRM
  Version française   The Laboratory 'Structure and Dynamics by Magnetic Resonance' (LSDRM) belongs to NIMBE, UMR CEA/CNRS 3685. The research axes are centered on the conception and the use of new NMR tools. Cutting edge methods and original approaches ... Lire la suite »
Our researches in Solid State NMR aim at developping new experimental, theoretical and computational approaches for the study of materials. They are conducted along four main directions :   Solid State NMR: Theory, Simulation and ... Lire la suite »
Measurements of very weak field (down to the femtotesla range) have been mainly addressed by low-Tc SQUIDS. We have proposed in 2004 the principle of a new sensor, based on spin-electronics, to offer extremely good sensitivity for measurements of magnetic fields over a wide range of frequency (dc ... Lire la suite »
 

 

Retour en haut