CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

L'analyse chimique ressemble souvent à une course contre la montre, surtout lorsque les scientifiques doivent comprendre la composition de centaines ou de milliers d'échantillons différents. L'un des outils les plus puissants pour cette tâche est la résonance magnétique nucléaire, une technique qui utilise des champs magnétiques puissants et des ondes radio pour révéler la structure précise des molécules. C'est une méthode douce qui ne détruit pas l'échantillon, permettant aux chercheurs de voir exactement comment les atomes sont disposés et comment ils interagissent. Cependant, la manière traditionnelle d'utiliser cette technologie est lente. Les machines standards sont conçues pour examiner un échantillon à la fois, et même lorsqu'elles peuvent examiner plusieurs échantillons, l'équipement nécessaire pour les écouter simultanément devient volumineux, coûteux et emmêlé dans un fouillis de câbles. Ce goulot d'étranglement limite la vitesse à laquelle les scientifiques peuvent tester de nouveaux médicaments ou étudier des mélanges biologiques complexes, créant un besoin pressant d'un moyen d'accélérer le processus sans sacrifier la qualité des données.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, a développé une nouvelle approche pour résoudre ce problème en réduisant l'électronique complexe nécessaire à la détection parallèle sur une minuscule puce informatique. Leurs travaux se concentrent sur une méthode appelée multiplexage, qui permet à plusieurs signaux radio de circuler dans un seul fil en même même temps sans interférer les uns avec les autres. Pour tester cette idée, ils ont construit une puce personnalisée utilisant une technologie de fabrication de silicium standard, mesurant seulement 3 millimètres par 4 millimètres. Ce petit dispositif agit comme un contrôleur de trafic pour les ondes radio, prenant les signaux de quatre détecteurs d'échantillons différents et les combinant en un seul flux qui peut être envoyé à un ordinateur pour analyse. En faisant cela, ils ont éliminé la nécessité de quatre ports récepteurs distincts et du lourd faisceau de câbles qui relie habituellement ces derniers, réduisant ainsi efficacement la complexité et le coût du matériel d'un facteur quatre.

Les chercheurs ont mis leur système à l'épreuve dans deux scénarios différents pour voir s'il pouvait gérer des conditions réelles. Dans la première expérience, ils ont utilisé une sonde spécialisée contenant quatre détecteurs distincts, chacun contenant un échantillon liquide différent. Deux des détecteurs étaient réglés pour écouter les atomes d'hydrogène, tandis que les deux autres écoutaient les atomes de fluor. Ils ont placé cette sonde à l'intérieur d'un aimant puissant et ont fait passer les échantillons dans le système. Sans leur nouvelle puce, la machine aurait eu besoin de quatre câbles séparés pour envoyer les données à l'ordinateur. Au lieu de cela, la puce a combiné les quatre signaux en un seul câble. Les résultats ont montré que le système fonctionnait remarquablement bien. L'ordinateur a été capable de séparer à nouveau les signaux et de produire des spectres clairs pour les quatre échantillons simultanément. Bien qu'il y ait eu une légère baisse de la clartité du signal pour certains canaux, allant d'environ 8 % à 32 %, les chercheurs ont constaté que le simple fait de répéter la mesure et de moyenner les résultats pouvait restaurer la qualité. Lorsqu'ils ont moyenné 32 balayages, la qualité du signal s'est améliorée d'un facteur de plus de cinq, atteignant presque la limite théorique attendue pour un tel processus.

Pour prouver davantage la flexibilité de leur conception, l'équipe a mené une seconde expérience utilisant une sonde différente qui contenait un seul échantillon mais possédait deux bobines réglées sur différents types d'atomes : l'hydrogène et le carbone. Cette configuration leur a permis de tester si la puce pouvait gérer des signaux provenant de différents éléments en même temps. Ils ont réalisé l'expérience dans un aimant légèrement plus petit et ont de nouveau combiné les deux signaux en un seul câble. Les résultats ont confirmé que la puce pouvait gérer avec succès les signaux de différents noyaux atomiques, même s'ils vibrent à des fréquences très différentes. La qualité du signal est restée élevée, avec une perte de clarté infime pour le signal de l'hydrogène et une perte presque imperceptible pour le signal du carbone. En moyennant 16 balayages, ils ont de nouveau récupéré presque totalement la force du signal, démontrant que le système est assez stable pour des expériences de longue durée.

L'un des avantages les plus significatifs de cette nouvelle méthode est la façon dont elle gagne du temps. Dans une configuration traditionnelle, si un scientifique voulait effectuer 32 mesures sur quatre échantillons différents, il devrait attendre que la machine finisse un échantillon, puis le suivant, et ainsi de suite, en répétant le processus quatre fois. Avec le système multiplexé, les quatre échantillons sont mesurés en même temps durant ces 32 cycles. Cela signifie que le temps total requis pour l'expérience est réduit d'un facteur quatre, un gain massif pour le travail à haut débit comme la découverte de médicaments. Les chercheurs ont également démontré que le système pouvait gérer des séquences d'impulsions complexes, telles que celles utilisées pour mesurer le temps qu'il faut à un signal pour revenir à son état de repos, sans perdre de stabilité. Ils ont même montré qu'ils pouvaient utiliser des logiciels pour nettoyer toute interférence mineure entre les canaux, garantissant que les données d'un échantillon ne bavent pas sur les données d'un autre.

Le succès de ce travail suggère que l'avenir de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire pourrait impliquer des réseaux de détecteurs beaucoup plus denses intégrés dans des espaces plus petits. Comme la puce est si petite et intègre tant de fonctions, elle peut être placée très près de l'échantillon, réduisant ainsi la perte de signal qui se produit habituellement lorsque l'électricité voyage à travers de longs fils. Les chercheurs ont noté que, bien que leur puce actuelle ait été fabriquée selon un processus de fabrication standard, les versions futures pourraient être dotées de caractéristiques encore plus petites, permettant de compacter encore plus de canaux sur un seul dispositif. Cela pourrait éventuellement mener à des spectromètres capables d'analyser des dizaines d'échantillons à la fois, transformant la manière dont les scientifiques abordent le criblage chimique à grande échelle. L'étude confirme qu'il est possible de contourner les limites traditionnelles des systèmes volumineux à multiples câbles, offrant une voie pratique vers une analyse chimique plus rapide, plus efficace et plus abordable.