Thèse Développement d'Une Méthode Analytique en Rmn Hyperpolarisée pour des Matrices Complexes de l'Environnement. H/F - Institut Polytechnique de Paris École polytechnique

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : LCM Laboratoire de Chimie Moléculaire
Direction de la thèse : David TOUBOUL ORCID 000000032751774X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-08T23:59:59

Dans un contexte visant à préserver l'environnement, dans le cadre de la transition énergétique, le laboratoire de Chimie Moléculaire (LCM) concentre une de ses thématiques sur la valorisation de la lignine, qui est l'une des sources de composés aromatiques les plus abondantes sur Terre. La dépolymérisation électrochimique présente plusieurs avantages, notamment l'utilisation de conditions douces et d'eau comme solvant, ce qui confère au processus un potentiel inestimable sur le plan économique et durable. Cependant, les bruts réactionnels de lignine dépolymérisée sont complexes, contenant entre des dizaines et des centaines de composants en faible concentration, et nécessitant donc des outils analytiques avancés pour exploiter leur intérêt pour l'industrie.
La polyvalence de la RMN comme un des outils de choix pour l'analyse de ces mélanges complexes est démontrée dans les domaines de la santé, de l'alimentation ou du métabolisme végétal (1-3). En contrepartie du haut potentiel prouvé par son caractère quantitatif, la RMN est limitée par une faible sensibilité.
Dans ce contexte, le laboratoire LCM développe une méthode de polarisation dynamique nucléaire induite photo-chimiquement (photo-CIDNP), qui permet de surmonter les limitations intrinsèques de la RMN (4,5). Cette approche repose sur la formation d'un pair-radical entre un photosensibilisateur excité à l'état triple par l'irradiation avec la lumière, et une molécule d'intérêt. Les molécules cibles sont celles avec un faible potentiel d'ionisation, tel que les aromatiques. Les avantages du photo-CIDNP comprennent la versatilité vers n'importe quel instrument RMN, le faible coût (seulement une source d'irradiation est nécessaire) et la rapidité d'obtention de donnés (moins de 10 s par spectre !).
Nous avons récemment montré que cette méthode peut faire partie d'un protocole analytique intégré pour l'analyse des composés mineurs dans les produits alimentaires en utilisant la RMN photo-CIDNP, avec de la spectrométrie de masse à haute résolution (LC-HRMS) pour le suivi des composés dégradés par la lumière. Des facteurs d'amplification du signal entre 10-15 pour des dérivés de polyphénol ont offert une excellente opportunité pour une discrimination statistique robuste et rapide d'échantillons de thé complexes (Manuscript en préparation).
La plateforme RMN de l'Institut Polytechnique de Paris (ResoMag) a récemment installé un spectromètre 600 MHz, équipé d'un système d'irradiation lumineuse « in situ », une technique rare au niveau national et international, et cruciale pour la mise en place du photo-CIDNP. En plus de la première preuve de concept, la méthode nécessite des développements plus poussés pour être adaptée aux analyses du plus grand nombre d'échantillons dans des applications diverses, en particulier, sur les dérivés de lignine. Le défi scientifique réside dans leur identification, extrêmement difficile en raison de la connaissance limitée des mécanismes de dépolymérisation et de la grande variabilité chimique de la lignine extraite du bois ou des déchets, composée de petites molécules et de polymères de masse moléculaire élevée (6). Les développements quantitatifs en noyaux 1H et 13C, ainsi que dans des analyses en 2D adaptés aux mélanges complexes seront nécessaires. L'optimisation des analyses en fonction des produits de photo-dégradation observés en LC-HRMS sera crucial.
L'objectif de cette thèse est le développement d'une méthode analytique intégré de RMN photo-CIDNP et spectrométrie de masse de haute résolution afin d'identifier et de quantifier systématiquement les produits des réactions à différentes étapes de la dépolymérisation de la lignine. Le but ultime est de détecter et maitriser la présence de monolignols pour optimiser les protocoles de dépolymerisation (7).Parmi les techniques d'hyperpolarisation en RMN, la DNP en dissolution (d-DNP) est à ce jour la plus polyvalente et une alternative pour le profilage métabolique et les études métabolomiques offrant des gains de sensibilité jusqu'à 10 000 fois (15 ,16). Cependant, le processus de polarisation a besoin des températures cryogéniques (1,2 à 4,2 K), ce qui est actuellement coûteux et limite fortement l'efficacité de la méthode. De plus, cette technique est généralement limitée aux carbones quaternaires, dont les temps de relaxation sont plus longs.
La photo-CIDNP est déclenchée par un transfert d'électron ou de radical H- d'un métabolite vers un photosensibilisateur dans un état triplet excité, induit par irradiation lumineuse. La source lumineuse est généralement un laser ou une LED, moins coûteuse, avec du FMN (17 ,18). Avec d'autres colorants tels que la fluorescéine, décrite pour des échantillons faiblement concentrés, ou l'Atto Thio 12, présentant un « Intersystem crossing » élevé, il a été possible d'accéder à des signaux RMN multinucléaires à des concentrations inférieures au µM (19 ,20).
Cette technique a été utilisée pour démontrer le phénomène dans des acides aminés aromatiques tels que la tyrosine, l'histidine ou le tryptophane, avec des amplifications de signal de 100 à 400 fois (21 ). Au LCM nous avons obtenu des amplifications de signal de 5 à 40 fois pour des concentrations submillimolaires de composés modèles aromatiques (tryptophane, catéchine, épigallocatéchine) en utilisant la FMN et l'irradiation LED et un spectromètre 300 MHz.
La photo-CIDNP a également été employée dans des mélanges tels que l'urine et le plasma, où les acides aminés aromatiques sont masqués par des métabolites très concentrés dans un spectre RMN 1H standard (22 ). Des protocoles de quantification ont été présentés pour les échantillons d'urine à des fins de diagnostic (13). Le potentiel de la photo-CIDNP dans des études comprenant des échantillons plus complexes, notamment dans l'analyse des brutes de réaction de dépolymerisation de la biomasse, reste à explorer et à démontrer pleinement.

Trois axes de développement en RMN et chimie analytique environnementale seront mis en oeuvre lors de ce projet de thèse :
1) Tests systématiques de différentes concentrations de composés aromatiques modèles (monolignols) dans des expériences de photo-CIDNP, en utilisant une batterie de photosensibilisateurs déjà décrits dans la littérature (par exemple, flavine mononucléotide, FMN ; fluorescéine ; Atto Thio12) (8 ,9) et d'autres utilisés pour la première fois (par exemple, rhodamine B, chlorophylle B, azaphilones) (10 -12), qui absorbent dans le proche UV-visible. Un plan expérimental chimiométrique sera mis en oeuvre afin de déterminer : a) la concentration optimale de photosensibilisateur, b) la limite de détection, c) le temps d'irradiation optimal, d) son intégration adéquate dans la séquence d'impulsions RMN, e) les protocoles d'amélioration pour la quantification. Le choix optimal du photosensibilisateur pour chaque molécule sera facilité par la mesure du facteur g de l'état réduit en solution à chaque concentration et par la détermination des constantes de couplage hyperfin par RPE.
2) Afin d'adapter le protocole à des échantillons complexes, des mélanges modèles de monolignols seront préparés en concentrations connues. Des courbes de calibration pour la quantification basée sur des protocoles de « spiking » seront développées (13 ). Des expériences 2D basées sur des séquences ultrarapides seront mises en oeuvre, combinant ainsi l'amélioration de la résolution spectrale apportée par les cartes de corrélation 2D (COSY, HSQC) et l'augmentation de la sensibilité de la photo-CIDNP (14 ). Ce protocole implique une modification minimale de l'échantillon (absence d'enzymes piège d'oxygène) ; par conséquent, les limites de la dégradation chimique et de l'extinction des photosensibilisateurs seront contrôlées par LC-HR-MS dans un LCM.
3) La lignine est un composant essentiel de la biomasse ligneuse et une matière première renouvelable pour les composés aromatiques de valeur. Troisième biopolymère le plus abondant sur Terre, elle est principalement composée de trois monolignols : les alcools p-coumarylique, coniférylique et sinapylique. L'accès à ces monomères et autres dérivés aromatiques repose sur diverses techniques de dépolymérisation, notamment électrochimique, un domaine de recherche privilégié au LCM. Le suivi et la quantification de ces réactions par RMN sont complexes, car les monomères sont mélangés à des polymères de masse moléculaire plus élevée. Nous réaliserons ici des études photo-CIDNP, en nous concentrant sur les noyaux 1H et 13C, selon le protocole développé pour des échantillons modèles, afin d'analyser et de quantifier les résultats de la réaction à différentes étapes de la dépolymérisation électrochimique de la lignine, dans le but de détecter la présence de monolignols. Des études de discrimination seront menées sur les résultats en fonction de l'origine du bois.

RMN : la personne recrutée aura accès aux spectrométres de la plateforme ResoMag, qui comprend un 300 MHz et 400 MHz pour l'analyse en solution, et un 600 MHz hybride liquid-solide. La plateforme compte également avec un spectrométre à bas champ (80 MHz).
Système d'irradiation : le spectrometer 600 MHz est adapté avec deux systemes d'irradiation in situ; un systeme LED avec non modulable avec 5 longueur d'onde disponibles, et un systeme laser modulable avec des filtres permettant de seleccionner un longuer d'onde choisi.
Spectrométrie de masse : la personne recrutée aura accès à un parc analytique important en spectrométrie de masse aussi bien en GC-MS, qu'en couplage LC-MS/MS avec des appareils à haute résolution (timsTOF et Orbitrap). Ceci permettra une caractérisation fine des espèces formées en solution après irradiation.

Le(a) candidat(e) doit posséder de bonnes connaissances en RMN, chimie analytique, physico-chimie avec un goût prononcé pour l'interdisciplinarité. L'étudiant(e) devra démontrer une capacité d'organisation importante, une rigueur scientifique et une envie de travailler en étroite collaboration avec des chercheurs de discipline différente ainsi qu'en collaboration avec plusieurs centres de recherche.