Nouveaux outils RMN pour l’analyse d’échantillons liquides biphasiques : migration moléculaire et hyperpolarisation par parahydrogène

Dans un échantillon biphasique, les solutés se répartissent entre les deux phases immiscibles selon leur affinité relative. La caractérisation de tels échantillons est nécessaire à bien des égards, et connaître la composition des phases est fondamentale. La spectroscopie RMN est un outil puissant permettant l’analyse d’échantillons très variés de manière non invasive. Cependant, cette technique souffre d’une faible sensibilité intrinsèque qui limite l’analyse à des espèces concentrées ou à longue durée de vie. Plusieurs méthodes, éventuellement complémentaires, contribuent à y remédier. Parmi celles-ci, les techniques d’hyperpolarisation ont pour objectif d’augmenter, de manière éphémère, le signal induit. Dans le cadre de ces travaux, l’accent a été mis sur une méthode d’hyperpolarisation dont le principe repose sur l’échange réversible d’espèces à polariser et de parahydrogène sur un catalyseur. Toutefois, cette étape est davantage efficace en solvant organique, rarement compatible avec des applications biologiques. Ainsi, le transfert de ces substrats hyperpolarisés d’une phase organique vers une phase aqueuse est une solution envisagée. C’est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés aux systèmes biphasiques. L’objectif, dans ce cas, est de déterminer la composition de chacune des phases de manière la plus rapide possible, compte tenu du déclin de l’hyperpolarisation, mais aussi de manière simultanée sur l’ensemble de l’échantillon. La spectroscopie RMN localisée apparaît comme étant l’outil idéal pour y parvenir. Nous avons donc développé une séquence d’impulsions RMN d’imagerie de déplacements chimiques des noyaux en fonction de la position spatiale des solutés présents. Afin de limiter le temps d’acquisition de la seconde dimension, et pour ne pas dépolariser l’ensemble des spins lors de la première acquisition, nous avons choisi de procéder à une sélection de tranches radiales (i.e. des tranches longitudinales tournant autour de l’axe principal). Nous avons ainsi pu obtenir des spectres bidimensionnels de pyridine hyperpolarisée dans les deux phases d’un système eau/dichlorométhane en quelques secondes seulement. Par ailleurs, des développements ont été introduits pour permettre une meilleure séparation de phase après secouage (nécessaire à la solubilisation du parahydrogène gazeux), ainsi qu’un meilleur transfert de substrats hyperpolarisés vers la phase aqueuse d’intérêt. L’analyse d’échantillons biphasiques ne se limitant pas uniquement aux systèmes hyperpolarisés, nous proposons aussi une méthode pour suivre la migration d’une molécule de manière simultanée sur l’ensemble de l’échantillon, ici exemplifiée à travers la migration de l’acétonitrile du haut de la phase aqueuse vers la phase dichlorométhane plus dense. Un modèle mathématique est proposé pour analyser les courbes cinétiques, permettant d’observer quantitativement les différents comportements intra- et interphases. Finalement, une séquence RMN de diffusion a été développée afin de permettre la mesure spatiale de coefficients de diffusion propres de substrats dans un système biphasique. Une méthode de calibration des gradients de champ magnétique est proposée afin d’affiner la justesse de la mesure aux extrémités de la zone de détection, où les gradients sont généralement plus faibles. Ce travail propose de nouvelles méthodologies d’étude de systèmes biphasiques par RMN. L’analyse de la migration de solutés d’une phase à l’autre est d’un intérêt majeur en chimie, tant pour des étapes de synthèse que de purification. Le couplage à une technique d’hyperpolarisation permet de détecter dans une phase, une molécule potentiellement faiblement concentrée mais dont les signaux RMN sont augmentés de plusieurs ordres de grandeur. Ce gain en sensibilité et en contraste par rapport aux autres signaux pourra ensuite être exploité pour mieux décrire des systèmes complexes, par exemple dans les domaines de la chimie et de la santé.