Stimuler la RMN et l'IRM haute résolution des noyaux à haut et bas gamma en milieu poreux avec une polarisation nucléaire dynamique et des méthodes innovantes : des MOF aux membranes biologiques

Equipement, 2019-2

Equipe : Laboratoire des biomolécules, Structure et dynamique des biomolécules

Porteur de projet : Daniel Abergel

Résumé :

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) offre un ensemble unique de techniques pour étudier la structure et la dynamique des systèmes chimiques et biologiques, que ce soit dans des liquides ou à l'état solide. Nous proposons d'exploiter de façon optimale les avantages des approches modernes de RMN : la polarisation nucléaire dynamique (DNP) couplée à la rotation à angle magique, l'acquisition parallèle, la rotation à angle magique rapide et la DNP de dissolution couplée à l'imagerie par résonance magnétique pour étudier les caractéristiques structurelles et dynamiques d'une large gamme de milieux poreux, des cadres métallo-organiques (MOF) aux canaux transmembranaires.

La mise en œuvre relativement récente des techniques de polarisation nucléaire dynamique (DNP) en RMN à haut champ est extrêmement prometteuse. La DNP utilise des impuretés paramagnétiques à faible concentration, introduites dans l'échantillon sous forme de radicaux stables hautement polarisés. L'irradiation par micro-ondes entraîne un transfert de la polarisation des spins électroniques des radicaux vers les spins nucléaires pour obtenir des améliorations sans précédent de la polarisation nucléaire et du signal RMN. Le DNP combiné au " magic-angle spinning " (MAS-DNP) en RMN du solide représente une percée méthodologique majeure où des gains de sensibilité allant jusqu'à ~200 ont été obtenus. Des améliorations plus faibles sont généralement observées à des champs magnétiques plus élevés, mais une amélioration d'environ 40 fois entraîne une réduction du temps d'expérience d'un facteur 1600, rendant accessible en une journée ce qui prendrait en théorie quatre ans. Néanmoins, le MAS-DNP est particulièrement intéressant à 800 MHz, plutôt qu'à des champs plus faibles, dans l'étude des noyaux quadripolaires de faible valeur (γ) en réduisant de façon significative les effets des interactions quadripolaires de deuxième ordre.

Les améliorations récentes de l'électronique des spectromètres RMN permettent de tirer pleinement parti des instruments utilisés en laboratoire. Ainsi, une sensibilité accrue à de faibles gains de récepteur grâce à une gamme dynamique améliorée, permet de contrôler plus rapidement, donc avec plus de précision, la phase et le profil des impulsions RF, et facilite les expériences de RMN à détection multiple.

Ce projet comprend l'étude de solides microporeux (MOFs, zéolites, etc.) dont les propriétés exceptionnelles sont souvent liées à des phénomènes qui se produisent à la surface ou dans les pores de ces solides. Ainsi, la détermination des paramètres structuraux et des propriétés de surface des MOF sera effectuée par MAS-DNP à haut champ. D'autres applications, telles que l'utilisation du 129Xe hyperpolarisé, ou l'étude de biomatériaux complexes, ainsi que le transport d'ions (K+, Li+) à travers des canaux transmembranaires bénéficieront d'une dynamique plus élevée et d'une meilleure électronique.

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