Patrick Berthault (NIMBE) et C. Fermon (SPEC)
As an alternative to X-ray diffraction, NMR is well suited to the study of proteins and the characterization of synthetic chemicals, as well as the study of disordered materials such as glass, polymers and concrete.
In this context, IRAMIS activities focus on the development of new NMR methods :
- suitable for the structural study of nuclear glass constituents, (study of quadrupolar isotopes and combination of measurements with numerical simulation results, CEA/DRF and CEA/DES collaboration).
- study the structure and dynamics of bio-molecules in solution (internal DRF collaboration between the Iramis and Joliot Instituts): characterization of molecular movements with characteristic times around the microsecond, or the study of small organic molecules in anisotropic media obtained from mineral liquid crystals.
Another area of research is the development of methods to improve the low sensitivity of NMR.
Voir aussi le dossier complet (2008) : RMN à l’IRAMIS
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 NIMBE 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 NIMBE 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.
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 supérieures à 10-15 T/Ö.Hz. Leur utilisation dans NeuroSpin pour la magnéto-encéphalographie est en cours ainsi que leur développement pour des applications en RMN bas champ.
Les micro-bobines radiofréquence. Les systèmes miniaturisés développés au NIMBE 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. Ces traceurs sont testés sur des souris géniques, dans le cadre d’une collaboration avec NeuroSpin.
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
