Patrick Berthault et Hervé Desvaux, DRECAM/SCM
But : augmenter le signal observé par Résonance Magnétique Nucléaire.
Le signal RMN est proportionnel à la polarisation de spin nucléaire, donnée par :
- na, nb : populations des états de spin
- g : rapport gyromagnétique du noyau
- B0 : amplitude du champ statique
- k : constante de Boltzmann
- h : constante de Planck
- T : température
A titre indicatif, seul un noyau de xénon sur 105 est « visible » par RMN à 11 Tesla !
Comment augmenter cette polarisation ?
g est caractéristique du noyau, ne peut donc être modifié. Les seules solutions envisageables pour augmenter P sont ainsi :
- diminuer la température, mais la gamme pour les études biologiques est restreinte
- augmenter B0, mais on se heurte à des limitations technologiques
- transférer l’aimantation à partir d’un autre système de façon à s’éloigner de l’équilibre thermodynamique
Méthode :
L’expérience consiste à utiliser un faisceau lumineux pour transférer la polarisation des photons vers les spins électroniques d’un alcalin, puis vers les spins nucléaires d’un gaz rare. On utilise donc un laser accordable qui va illuminer une cellule contenant l’alcalin, ainsi que le gaz rare et le gaz tampon (typiquement du Rubidium, du Xénon, et de l’Azote). Cette cellule est placée au centre d’un champ magnétique colinéaire au faisceau.
L’expérience se déroule comme suit : on chauffe autour de 100°C la cellule de pompage pour vaporiser le rubidium. Celui va absorber l’énergie du faisceau laser réglé à la longueur d’onde correspondant à une transition électronique (par exemple, 794,7 nm pour la transition D1). Le faisceau est préalablement élargi, et passe avant de toucher la cellule par une lame l/4 destinée à rendre sa polarisation circulaire, et donc d’exciter les transitions s+ ou s-. Après quelques minutes, le xénon polarisé par collisions avec le rubidium est transféré vers la cellule de stockage ou directement dans le tube RMN.
RMN de gaz hyperpolarisés
Crédit photographique : © P. Berthault et H. Desvaux – CEA
Enceinte de polarisation
Enceinte de polarisation
Bobine de polarisation
Laser d’excitation
Vue générale
Schéma d’ensemble – Photo d’ensemble
Premiers résultats :
Phase gaz : Notre taux de polarisation record : 9.5% le 06/11/98 !
Phase liquide : Mesure de la vitesse de dissolution et de la vitesse de relaxation du xénon dans différents solvants : benzène, cyclohexane, chloroforme, trifluoroéthanol (TFE), tetrachlorure de carbone, mélange eau:TFE (70:30).
Exemple : signal de xénon dans le benzène perdeutéré;. Abscisses : minutes; ordonnées : intensité du signal (U.A.). La première partie de la courbe correspond à la dissolution du gaz, la deuxième à la relaxation.
Applications prévues :
- Étude du repliement des protéines
- Étude des poches et canaux hydrophobes des protéines
- Développements méthodologiques pour les transferts d’aimantation
- et beaucoup d’autres top-secret !
Matériel disponible au laboratoire:
- Spectromètres RMN Bruker: 4.7T, 11.7 T et 14 T.
- Lasers Spectra-Physics: Argon ionisé (20W) et laser accordable Titane:saphir.
- Réseau de stations de travail IBM et Silicon Graphics.
