Les capteurs GMR, une excellente alternative pour la détection en spectroscopie RMN locale

De nos jours, être capable de réaliser des mesures locales sur des très faibles volumes d’échantillons (inférieur au nanolitre), afin effectuer par exemple un diagnostic précoce de certaines pathologies ou pour détecter des d’objets de taille nanométrique ou subnanométriques; représente un réel défi.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) basée sur la détection de la réponse des noyaux placés dans un champ magnétique à une excitation radiofréquence est une technique non-invasive, extrêmement puissante largement utilisée en biologie et chimie pour analyser la matière et en extraire des informations structurales très locales. En médecine, cette technique est utilisée pour l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour le diagnostic.

Réaliser de la RMN à l’échelle microscopique demande de détecter des champs magnétiques à ces échelles. Pour cette raison, des microbobines accordées ont été développées par de nombreux laboratoires mais présentent une résolution limitée à l’étude de volumes compris entre 1 nL et 1 µL. Dans le cadre de sa thèse, P-A. Guitard les a remplacées par des capteurs à Magnétorésistance Géante (capteurs GMR) qui présentent l’avantage de pouvoir, d’une part , être utilisés sur une large bande de fréquence allant du courant continu à des fréquences de l'ordre du GHz, d’autre part, d’être facilement intégrables près de l’échantillon dans un dispositif de spectroscopie.

Ce dispositif est présenté en figure 1. Le capteur est un méandre de surface 40 x 40 µm²qui permet d’obtenir la sensibilité suffisante pour l’étude de volume de 60 pL.

**FIG. 1**: Représentation schématique du dispositif expérimental. La solution est exposée à un champ magnétique B0 généré par un électroaimant. Une impulsion Radiofréquence à la fréquence de résonance nucléaire est envoyée par une boucle inductive enroulée autour de la solution. La détection est faite par la GMR plongée a l’intérieur de la solution. Le capteur GMR est sensible suivant la direction X

L’expérience est réalisée avec une solution d’eau puis d’alcool (dont les caractéristiques sont très bien connues en RMN) à température ambiante avec un champ de 0.3T. Les résultats sont présentés sur les figures 2a et 2b. Un rapport de Signal sur bruit (SNR) de 3 est obtenu après 400 et 3000 répétitions respectivement dans la solution d’eau et de l’alcool.

**Fig 2 a** : FFT du signal de précession libre de l’eau détecté par la GMR après 400 répétitions. Le SNR (Rapport Signal sur Bruit) est 3. Le signal est modulé à 3 kHz. La pente décroissante est due au bruit inductif résiduel induit par la bobine accordée couplée à la GMR. **Fig 2 b:** spectre RMN expérimental de l’éthanol détecté par la GMR après 3000 acquisitions .Le spectre RMN simulé de l’éthanol à 0.3T est représenté en rouge.

Ainsi la faisabilité de spectroscopie RMN locale en utilisant des capteurs GMR pour la détection a été prouvée ouvrant ainsi la voie à une micro-spectroscopie de haute résolution in-vivo ou en configuration microfluidique. Il faut aussi noter que la sensibilité pourra être améliorée avec des capteurs TMR (Tunnel Magnetic Resistance). De plus, il est possible de réduire la taille des capteurs à des dimensions submicroniques sans perdre en signal sur bruit.

Références :

Local nuclear magnetic resonance spectroscopy with giant magnetic resistance-based Sensors, P. A. Guitard, R. Ayde, G. Jasmin-Lebras, L. Caruso, M. Pannetier-Lecoeur, and C. Fermon , Applied Physics Letters 108, 212405 (2016)

Spectroscopie locale par résonance magnétique nucléaire à l'aide de capteurs à Magnétorésistance Géante
Thèse Pierre-André Guitard, SPEC/LNO (2015). Manuscrit de la thèse.