La nouvelle méthode combine la RMN à champ nul à ultra faible avec une technologie d'hyperpolarisation spéciale pour détecter les alcools

La nouvelle méthode combine la RMN à champ nul à ultra faible avec une technologie d'hyperpolarisation spéciale pour détecter les alcools

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil analytique ayant un large éventail d'applications, notamment l'imagerie par résonance magnétique, utilisée à des fins de diagnostic en médecine. Cependant, la RMN nécessite souvent la génération de champs magnétiques puissants, ce qui limite la portée de son utilisation. Des chercheurs de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM) ont découvert de nouvelles façons de réduire la taille des appareils correspondants ainsi que les risques associés possibles en éliminant les champs magnétiques puissants. Ceci est réalisé en combinant la RMN dite de champ nul à ultra faible avec une technique d'hyperpolarisation spéciale. "Cette nouvelle méthode passionnante est basée sur un concept innovant. Elle ouvre toute une gamme de possibilités et surmonte les inconvénients précédents", déclare le Dr Danila Barskiy, lauréate du prix Sofja Kovalevskaja, qui travaille dans la discipline concernée chez JGU et HIM depuis 2020.

Nouvelle approche pour permettre des mesures sans champs magnétiques puissants

La génération actuelle d'appareils RMN est extrêmement lourde et coûteuse, à cause des aimants. Un autre facteur qui complique la situation est la pénurie actuelle d’hélium liquide, utilisé comme liquide de refroidissement. "Grâce à notre nouvelle technique, nous progressons progressivement vers un état totalement sans aimant, mais nous avons encore de nombreux défis à relever", a déclaré Barskiy.

Afin de rendre les aimants superflus dans ce contexte, Barskiy a eu l'idée de combiner la résonance magnétique nucléaire à champ nul à ultra faible (ZULF-NMR) avec une technique spéciale permettant d'hyperpolariser les noyaux atomiques. La RMN ZULF est elle-même une forme de spectroscopie récemment développée qui fournit des résultats analytiques riches sans nécessiter de grands champs magnétiques. Un autre avantage par rapport à la RMN à champ élevé est le fait que ses signaux peuvent être facilement détectés même en présence de matériaux conducteurs tels que des métaux. Les capteurs utilisés pour ZULF-NMR, généralement des magnétomètres à pompage optique, sont très sensibles, faciles à manipuler et déjà disponibles dans le commerce. Ainsi, il est relativement facile d’assembler un spectromètre RMN ZULF.

Relais SABRE : transmet la commande de rotation comme un bâton

Cependant, le signal RMN produit constitue un problème qui doit être résolu. Les méthodes utilisées jusqu'à présent pour générer le signal ne conviennent qu'à l'analyse d'une sélection limitée de produits chimiques ou sont autrement associées à des coûts exorbitants. Pour cette raison, Barskiy a décidé d'utiliser la technique d'hyperpolarisation SABRE, qui permet d'aligner un grand nombre de spins nucléaires en solution. Il existe un certain nombre de techniques de ce type qui produiraient un signal suffisant pour une détection dans des conditions ZULF. SABRE, abréviation de Signal Amplification by Reversible Exchange, s'est avéré particulièrement adapté. Au cœur de la technique SABRE se trouve un complexe métallique d’iridium qui assure le transfert de l’ordre de rotation du parahydrogène vers un substrat. Barskiy a réussi à contourner les inconvénients liés à la liaison temporaire de l'échantillon au complexe en utilisant SABRE-Relay, une amélioration très récente de la technique SABRE. Dans ce cas, SABRE est utilisé pour induire une polarisation, qui est ensuite transmise à un substrat secondaire.

La chimie du spin à l'interface de la physique et de la chimie

Dans leur article intitulé « Relayed Hyperpolarization for Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance » publié dans Science Advances, les Drs. Danila Barskiy, l'auteur principal Erik Van Dyke et leurs co-auteurs, comment ils ont pu détecter les signaux du méthanol et de l'éthanol extraits d'un échantillon de vodka. "Cet exemple simple montre comment nous avons pu étendre la portée de la RMN ZULF en utilisant une méthode d'hyperpolarisation rentable, rapide et polyvalente", résume Barskiy. "Nous espérons nous être rapprochés de notre objectif consistant à permettre le développement d'appareils compacts et portables pour analyser des fluides tels que le sang et l'urine et, à l'avenir, permettre potentiellement la discrimination de certains produits chimiques tels que le glucose et les acides aminés."

Danila Barskiy a reçu le prix Sofja Kovalevskaja de la Fondation Alexander von Humboldt en 2020 et a ensuite quitté l'Université de Californie à Berkeley pour Mayence, où il a commencé ses recherches dans le groupe du professeur Dmitry Budker à l'Institut de physique et de HIM à JGU. Barskiy travaille dans le domaine de la chimie physique et dirige un groupe de recherche explorant les applications potentielles de la RMN en chimie, biologie et médecine.

Source:

Université Johannes Gutenberg de Mayence

Référence:

Van Dyke, ET, et coll. (2022) Hyperpolarisation relayée pour la résonance magnétique nucléaire à champ nul. Avancées scientifiques. est ce que je.org/10.1126/sciadv.abp9242.

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