Nos tutelles

CNRS

Nos partenaires

Rechercher




Accueil > Équipes > Equipe Spectrométries Appliquées à la Caractérisation Structurale (SACS)
Resp. Pr. Laurence Charles

Description détaillée de l’équipe SACS

par Didier Gigmes, Stéphane - publié le , mis à jour le

Positionnement scientifique

Adossée au Spectropole, composante de la plateforme technologique de la Fédération des Sciences Chimiques de Marseille, l’équipe SACS a pour vocation de développer de nouvelles méthodologies d’analyse spectrométrique de matériaux de toute origine, en conjuguant notamment les compétences d’enseignants-chercheurs et de chercheurs dans 3 domaines complémentaires : la Spectrométrie de Masse (MS), la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et les Mécanismes Réactionnels Radicalaires (MRR). Dans ce cadre, les activités de recherche de l’équipe SACS visent non seulement à développer chacune de ces techniques spécifiques, mais également à les associer pour tirer le meilleur profit de leur complémentarité et dégager ainsi des synergies permettant d’aborder des problématiques analytiques complexes. Une partie des ces activités de recherche est succinctement résumé ci-dessous.


Mots-clés

RMN, Spectrométrie de Masse, RPE, Caractérisation structurale et dynamique, mécanismes radicalaires


Liste des publications de l’équipe

2010 2011 2012 2013 2014 2015


Activités de recherche de l’équipe


1 ) Spectrométrie de masse

De part leur diversité (taille, solubilité, polarité, affinité cationique), les polymères synthétiques posent souvent de véritables challenges analytiques quand il s’agit de décrire de manière précise leur microstructure, en relation étroite avec leurs propriétés macroscopiques. Parce qu’elle permet d’étudier les chaines individuelles au sein d’un échantillon polymoléculaire, la spectrométrie de masse est une technique de choix pour caractériser la nature des unités monomériques mais surtout les groupements terminaux qui révèlent les réactions mises en jeu lors de la synthèse. Dans ce contexte, les processus d’ionisation utilisés en spectrométrie de masse doivent être parfaitement contrôlés pour assurer l’intégrité des espèces analysées et les règles de fragmentation qui permettent de caractériser chaque groupement terminal à partir des spectres MS/MS doivent être établies pour chaque type de polymères. Des travaux de recherche fondamentale sur les méthodes d’ionisation douce (electrospray, MALDI) sont menés pour préserver les groupements particulièrement fragiles de certains polymères synthétiques, en étroite collaboration avec l’équipe CROPS de l’ICR. Après ionisation, les polymères sont activés pour subir des réactions de dissociation ; les fragments obtenus sont typiquement issus de rupture de liaisons dans la chaine principale et contiennent donc l’un ou l’autre des groupements terminaux, ce qui permet de caractériser leur masse et leur composition élémentaire. Il s’agit donc d’établir les règles de fragmentation pour chaque modèle de polymères pour pouvoir remonter à la structure originelle de molécules inconnues. Cette approche a permis d’élucider certains processus mis en jeu lors de la polymérisation plasma de précurseurs siliconés, en collaboration avec le Centre de Recherche Public Henri Tudor (Luxembourg).

Appliquée à des co-polymères strictement monodisperses récemment développés par le Dr Jean-François Lutz à l’Institut Charles Sadron (Strasbourg), l’analyse MS/MS permet de révéler la nature et l’ordre des co-monomères présents dans la chaine. De telles méthodes de séquençage, très largement décrites pour les polymères biologiques tels que les peptides, ouvrent de fascinantes perspectives pour la lecture d’information encodée dans des polymères synthétiques dès lors qu’on attribue un code (par exemple, un code binaire 0/1) aux unités co-monomériques. Des règles de séquençage ont d’ores et déjà été établies pour des poly(alcoxyamine amide) et des polyphosphates.

Couplée à la spectrométrie de masse, la spectrométrie de mobilité ionique (IMS) apporte des informations supplémentaires sur la conformation des polymères synthétiques. Appliqué à des dendrimères destinés à vectoriser des principes actifs et préparés par le Dr Ling Peng (CINaM, AMU), ce couplage IMS-MS a notamment permis d’étudier la dynamique conformationnelle de ces dendrimères en fonction de leur milieu, un point-clé pour anticiper leur capacité à conserver leurs propriétés d’hôtes vis-à-vis des molécules véhiculées.


2 ) Résonance magnétique nucléaire

RMN DNP des polymères. De nos jours les polymères constituent une classe de matériaux fascinants jouant des rôles clés dans notre vie quotidienne. Cet engouement est étroitement lié au développement conjoint de techniques de polymérisation toujours plus performantes et de techniques analytiques toujours plus précises. En effet, ces progrès permettent de décrire au mieux les relations microstructure/morphologie/propriétés indispensables à la compréhension de leurs propriétés macroscopiques et leur optimisation. La RMN est traditionnellement considérée comme une technique spectroscopique de choix pour étudier la structure et la dynamique des polymères. Elle demeure néanmoins fortement limitée par sa faible sensibilité, qui se traduit généralement par l’obtention de spectres RMN caractérisés par un faible rapport signal-sur-bruit (S/B). Parmi les méthodes capables d’augmenter cette sensibilité, la polarisation dynamique nucléaire (ou DNP pour « Dynamic Nuclear Polarization ») figure probablement parmi les plus prometteuses. Basée sur un transfert de polarisation électron-noyau, cette technique permet d’augmenter de manière impressionnante l’intensité du signal RMN (ex : un gain théorique de l’ordre de 660 et 2600 peut être obtenu respectivement pour les noyaux 1H et 13C). Bien que le principe de la DNP ait été connu dès les années 1950, son utilisation en RMN haute résolution s’est longtemps heurtée à des verrous technologiques et théoriques. Cette situation a récemment changé avec la commercialisation d’appareils de RMN DNP haute résolution et le développement de nouveaux radicaux performants utilisés comme agents de polarisation DNP. Dans ce contexte, notre équipe a récemment montré que la technique RMN DNP haute résolution pouvait énormément apporter à l’analyse structurale des polymères synthétiques, en augmentant la sensibilité des expériences RMN de manière significative. Ce projet fédère actuellement plusieurs équipes au sein de l’ICR (SREP, CROPS, CMO).

RMN cristallographique. La diffraction de rayons X sur monocristal a révolutionné notre connaissance de la matière cristalline en fournissant des données structurales – avec une résolution atomique inégalée – pour une très grande variété d’échantillons, contribuant ainsi à l’émergence d’avancées scientifiques spectaculaires dans de nombreux domaines. Cette technique s’avère néanmoins inadaptée dans certains cas, notamment lorsqu’il n’existe pas de monocristaux de taille suffisante (quelques microns). De ce fait, l’élucidation de la structure cristalline d’un échantillon sous forme de poudre représente un enjeu de tout premier plan pour la chimie, la biologie et la physique. Dans ce contexte, la Résonance magnétique nucléaire (RMN) du solide apparaît comme une technique incontournable car elle peut fournir des détails structuraux à l’échelle atomique sans nécessiter d’ordre à longue distance (à l’inverse des techniques de diffraction). En particulier, pour des échantillons sous forme de poudre, la RMN du solide peut accéder à la position relative des atomes dans l’espace grâce à la mesure de distances internucléaires , permettant ainsi de déterminer potentiellement la conformation et l’arrangement cristallin d’un cristal moléculaire. Malheureusement, l’obtention de données structurales quantitatives par RMN du solide reste actuellement fortement limitée par manque de méthodologies appropriées. Notamment, la faible sensibilité intrinsèque de la RMN ne permet pas d’analyser des molécules organiques sans enrichissement isotopique préalable, puisque les isotopes des noyaux carbone ou azote actifs en RMN (13C et 15N) ne sont naturellement présents respectivement qu’à 1.1% et 0.4%. Qui plus est, l’enrichissement isotopique est loin de constituer une solution idéale au problème puisqu’il conduit à la présence d’une importante densité de spins au sein de l’échantillon, formant ainsi un réseau complexe de spins fortement couplés qui est difficile à manipuler par RMN du solide. Notre équipe a récemment proposé une méthodologie qui résout ces deux problèmes grâce à la technique de polarisation dynamique nucléaire (DNP). La DNP permet en effet d’augmenter de manière impressionnante l’intensité du signal RMN en transférant la polarisation de spin d’électrons (non appariés) vers les noyaux sous l’effet d’une irradiation microonde. Dans ce cas précis, une amplification d’un facteur 50 a été obtenue, permettant ainsi de réduire la durée totale de l’expérience RMN de plusieurs années à seulement quelques jours. De cette manière, il devient possible d’étudier la conformation moléculaire et le réseau cristallin de poudres microcristallines à abondance isotopique naturelle. Cela ouvre la voie à leur élucidation structurale tridimensionnelle via l’association de la méthodologie proposée avec d’autres techniques comme la diffraction de rayons X sur poudre, les méthodes de prédiction de structures cristallines, et les calculs de déplacements chimiques par théorie de la densité fonctionnelle.


3 ) MRR [en cours de rédaction]


4 ) Les développements analytiques communs

En plus de ces développements spécifiques, la particularité de l’équipe SACS réside dans sa capacité à pouvoir regrouper un ensemble de compétences en spectrométrie autour de problématiques analytiques communes. C’est notamment le cas actuellement de l’analyse structurale des polymères synthétiques (axe 1) et de l’étude des mécanismes de spin trapping par spectrométrie de masse (axe 2).

Axe 1 : Spectrométrie de masse/RMN des systèmes polymériques complexes

Cet axe s’articule autour de deux thèmes majeurs : le développement de méthodologies combinées à des fins applicatives (comme illustré par le 1er exemple ci-après) et des études pluridisciplinaires à visée plus fondamentale, comme l’utilisation de la RMN du solide pour mieux comprendre le processus d’ionisation MALDI des polymères en spectrométrie de masse, présentée comme deuxième exemple.

L’utilisation de polymères naturels issus de ressources renouvelables comme alternative à la synthèse de polymères à partir de dérivés pétroliers se heurte à un obstacle majeur : l’absence d’outils analytiques performants pour décrire leur structure complexe de façon précise. Ce point limitant gène énormément le développement de procédés de greffage contrôlés qui visent à modifier les polymères naturels, comme la cellulose, pour améliorer leurs propriétés macroscopiques. Des problèmes du même ordre sont rencontrés pour compatibiliser des polymères naturels et synthétiques. Par conséquent, les compatibilisants issus du greffage de chaînes polymériques sur la cellulose sont synthétisés de manière semi-empirique. En collaboration étroite avec l’équipe CROPS de l’ICR, nous proposons une approche différente qui s’applique à développer à la fois des procédures de greffage et des méthodologies analytiques à partir de polysaccharides moins complexes et de taille plus faible et bien définie, pour produire des compatibilisants destinés à stabiliser des mélanges cellulose/polystyrène. Plus particulièrement, ce projet de recherche a pour objectifs de développer des méthodologies combinant la résonance magnétique nucléaire et la spectrométrie de masse pour caractériser de façon précise la structure des copolymères issus du greffage, par polymérisation radicalaire contrôlée par des nitroxydes, de segments polystyrène sur des squelettes polysaccharidiques. La capacité des copolymères ainsi produits à compatibiliser des mélanges cellulose/polystyrène sera déterminée, permettant de guider de façon rationnelle l’optimisation de la synthèse et d’étudier les relations structure/propriétés des copolymères. Ce projet de recherche a été labellisé par le pôle de compétitivité à vocation internationale Axelera et financé par l’ANR dans le cadre de l’appel à projets "Chimie Durable – Industries – Innovation (CD2I)" (projet BIOBLEND 2010-2014).

Avec le développement des techniques d’ionisation douce qui ont permis la production d’ions intacts de haut poids moléculaire en phase gazeuse, la spectrométrie de masse a révolutionné la caractérisation des polymères synthétiques. L’ionisation par desorption laser assistée par matrice (MALDI) s’est rapidement affirmée comme la méthode de choix pour l’ionisation des polymères car applicable à une très grande variété d’échantillons. Un point-clé dans le succès d’une analyse MALDI réside dans la préparation de l’échantillon. A cause de la diversité des matériaux polymères et du rôle ambigu joué par la matrice dans le processus de desorption/ionisation des analytes, il n’existe pas de procédure standard et le développement de méthode reste empirique et aléatoire. Une limitation majeure des applications MALDI-MS à grande échelle reste la mauvaise connaissance des mécanismes fondamentaux sous-jacents au processus de desorption/ionisation. Le challenge scientifique est donc de rationaliser la préparation des échantillons MALDI en établissant les relations existant entre la microstructure des dépôts solides MALDI, l’efficacité de la desorption/ionisation et les conditions expérimentales mises en œuvre pour préparer les échantillons. Nous avons récemment montré que la RMN du solide était un outil de choix pour explorer l’organisation moléculaire au sein des dépôts MALDI. Cette approche a permis d’établir clairement que la présence de certains groupes fonctionnels dans la molécule de matrice jouaient un rôle important dans le processus de cationisation du poly(éthylène glycol). Ces résultats préliminaires ont donné naissance à un projet Jeune Chercheur ANR, porté par Hélène Pizzala (projet DESIR 2010-2013).

Axe 2 : Etude des mécanismes de spin trapping par spectrométrie de masse

L’équipe SACS développe des approches analytiques pour la caractérisation structurale de nitroxydes et de leurs espèces diamagnétiques dérivées. L’étude de ces composés, présents à l’état de traces dans des mélanges souvent complexes, requiert des techniques sensibles, avec des acquisitions rapides, et pouvant révéler de manière précise leur structure ou celles de composés dérivés. Si dans certains cas favorables, le spectre de RPE peut aussi être caractéristique de la structure d’un nitroxyde, l’identification précise de telles espèces sur la base de leur spectre RPE n’est pas toujours possible, des composés de structures proches pouvant montrer des spectres identiques. Par ailleurs, des modifications de l’environnement du nitroxyde peuvent induire d’importants changements au niveau du spectre RPE et, sous certaines conditions, des nitroxydes peuvent être plus ou moins rapidement convertis en dérivés diamagnétiques, donc indétectables en RPE. Dans ce contexte, les travaux de l’équipe SACS concernent le développement de méthodes associant la spectrométrie de masse à une détection RPE pour contourner ces difficultés. Les différentes réalisations finalisées dans notre groupe ont permis de démontrer que les informations apportées par la RPE, spécifique des composés radicalaires, et la caractérisation structurale ESI-MS/MS en infusion directe de leurs dérivés diamagnétiques, apportent des informations cruciales quant aux mécanismes réactionnels faisant intervenir des composés nitroxyde. L’application de la combinaison RPE/MS développée dans notre équipe est actuellement étendue à l’étude d’autres systèmes pour évaluer ses performances dans le domaine des matériaux et de la biologie.