Pour exacerber la sensibilité de la spectroscopie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire*), une équipe du Laboratoire
MEM au CEA-Irig a développé une technique d’hyperpolarisation*, la
polarisation dynamique nucléaire* (DNP), à ultra-basse température (20 K). Cependant, la sensibilité extrême ainsi obtenue sur cette instrumentation quasi-unique au monde a révélé un côté obscur : les fluctuations, d’un scan à l’autre, des signaux détectés deviennent supérieures au bruit thermique, et engendre des artéfacts qui rendent certaines expériences multi-dimensionnelles en partie inexploitables.
La RMN du solide avec hyperpolarisation (DNP) présente l’avantage de permettre l’analyse structurale de composés organiques via la détection des noyaux
13C/15N sans recourir à un enrichissement isotopique. Par exemple, cette technique permet d’observer des
cohérences « double quanta »* entre deux atomes de
13C (dont l’abondance n’est que de 1%) même en présence de
cohérences « simple quanta »* environ 104 fois plus intenses. Ces expériences sont toutefois souvent affectées par des artefacts générés par les fluctuations des signaux « simple quanta ». Dans cette étude, les auteurs ont réussi le tour de force d’éliminer la principale source des artéfacts, i.e. les signaux intenses provenant des
13C isolés, tout en préservant les corrélations à deux spins
13C-13C qui renseignent sur les proximités spatiales entre atomes de carbone, évitant ainsi l’apparition du bruit parasite.
« Nous présentons ici une méthode, basée sur l’utilisation de pulses RF, permettant de supprimer le bruit t1 dans les spectres de corrélation
13C–13C. Ce filtre, appelé filtre zz, améliore considérablement la qualité des spectres obtenus sur des spectromètres DNP commerciaux fonctionnant à une température de 100 K, ainsi que sur notre prototype « fait maison » qui nous permet d’atteindre 20 K. Cette méthodologie testée sur des échantillons modèles comme l’ampicilline (un antibiotique), présente des spectres plus clairs et plus sensibles avec une amélioration du rapport signal-sur-bruit jusqu’à un facteur 5, permettant de détecter des interactions longues distances jusque-là invisibles » précise Sabine Hediger, un des co-auteurs.
Figure : à gauche, le spectre RMN-DNP typiquement obtenu jusqu’ici ; à droite, le même spectre avec la méthodologie reposant sur l’utilisation combinée de deux séquences d’impulsion : 1. Un filtre zz qui élimine spécifiquement les cohérences indésirables (signaux parasites) avant la détection, en exploitant leurs propriétés quantiques. 2. Un filtre z qui supprime les résidus de bruit persistant, garantissant un spectre final exempt d’artefacts. © CEA
Grâce à cette nouvelle méthodologie, la sensibilité inédite de cette instrumentation quasi-unique au monde va pouvoir être mise à profit pour l’étude de systèmes complexes pour lesquels il est difficile voire impossible d’obtenir une information à l’échelle atomique. Cela pourrait donc concerner par exemple l’étude structurale de principes actifs amorphes dans des formulations de médicaments, ou encore l’interaction de molécules à surface de nanomatériaux innovants.
Le montage expérimental © CEA
*La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est une technique d'analyse utilisée pour étudier la structure et la dynamique des molécules. Elle repose sur la détection des signaux émis par les noyaux atomiques soumis à un champ magnétique intense.
*L’yperpolarisation est une technique qui augmente la sensibilité de la RMN en alignant davantage les noyaux atomiques dans une direction particulière, ce qui amplifie le signal détecté.
*La Polarisation Dynamique Nucléaire (DNP) est une méthode d'hyperpolarisation qui utilise des électrons non appariés (radicaux libres) pour transférer leur polarisation aux noyaux atomiques, augmentant ainsi la sensibilité de la RMN. La particularité ici, est qu’elle est effectuée à ultra-basse température (20 K).
*Cohérences « double quanta » : les signaux détectés entre deux noyaux atomiques (par exemple, deux atomes de carbone 13C) fournissent des informations sur les interactions entre ces noyaux.
*Cohérences « simple quanta » : Signaux détectés sur un seul noyau atomique, généralement plus intenses mais moins informatifs sur les interactions entre noyaux.
Tutelles UMR : Univ. Grenoble Alpes, CEA, CNRS
Financements : ENS-Lyon, ANR (ANR-17-EURE-0003 through the labEx Arcane, ANR-15-IDEX-02 through the CDP Glyco@Alps2, and ANR-22-CE07-0046-03), FEDER