Résonance paramagnétique électronique (RPE) Laboratoire de Physique de la Matière Complexe (LPMC) Institut de Physique de Matière Condensée Faculté des Sciences de Base (FSB) Dr. Andrzej Sienkiewicz, P.D., MER

La résonance paramagnétique (RPE) – une branche de radio-spectroscopie

La résonance paramagnétique – le principe radiofréquence, microondes… B0  0 S = +1/2 B0 = 0

Spectromètre RPE Bruker EleXsys: 3 bandes de microondes: S, X et Q (2.4, 9.5 et 34) GHz)

Etudes des propriétés photo-physiques et photo-chimiques de nanomatériaux

Paramagnetic species - examples Molecular Oxygen (O2) Liquid oxygen is strongly attracted by… and “trapped” (!) in the magnetic field. Oxygène moléculaire (O2) est paramagnétique, S =1

Paramagnétisme de l’oxygène moléculaire (O2) Atomic oxygen (O): O2 is paramagnetic, its ground state is spin triplet (S = 1). Oxygen molecule (O2) S = 1 1s Atomic orbital Molecular orbital ESR spectra of oxygen (X-band)

L’oxygène moléculaire triplet (paramagnétique, 3O2) n’est pas réactif … par contre l’oxygène moléculaire singlet (diamagnétique, 1O2) est très réactif !

Génération d’oxygène singlet en présence d’un colorant organique, Rose Bengal

Génération d’oxygène singlet en présence d’un colorant organique, Rose Bengal

La structure hyperfine d’un radical stable, nitroxide, TEMPOL

Propriétés photochimiques/photophysiques des nanomatériaux: dérivés de C60, de protoporphyrine, nano-TiO2 … Dérivés de C60: “éponges” des ROS, mais aussi générateurs de 1Dg et …d’autres ROS! Nano-TiO2 - générateur de ROS: OH. and O2 -. Nano-TiO2 Dérivés solubles dans l’eau de PPIX: 1Dg, d’autres ROS, applications dans la PDT…

Problèmes à résoudre: 1.1. Caractérisation des propriétés photo catalytiques de nanoparticules de TiO2 en fonction de leur phase cristalline (anatase/rutile) et la taille des grains. TiO2 + UV → génération des radicaux libres OH. et O2 -.

Piégeage du radical libre: OH. Problèmes à résoudre: 1.1. Caractérisation des propriétés photo catalytiques de nanoparticules de TiO2 en fonction de leur phase cristalline (anatase/rutile) et la taille des grains. DMPO Piégeage du radical libre: OH. “L'empreinte du doigt” du radical OH. OH. OH O DMPO-OH

Notre laboratoire de résonance paramagnétique électronique dispose d’une grande variété de spectromètres…

Spectromètre RPE Bruker ESP300E microondes: bande X (9.5 GHz), le champ 0 – 1.8 T pierre angulaire du labo…

Spectromètre RPE de haut champ magnétique: 4 bandes de microondes: 110, 220, 330 et 440 GHz. Champ magnétique: 0 - 16 T.

symétrie locale: axiale Fe(III), S=5/2, symétrie locale: axiale A. Sienkiewicz, et al., J. Am. Chem. Soc. 128, 4534 (2006)

Imagerie et spectroscopie RPE in vivo - - dans quelque mois !… Magnet & Gradient Coils Magnet Bmax = 600 G air gap = 120 mm weight = 350 kg Gradients X-, Y- and Z-direction 40 G/cm planar multi layer water cooled air gap = 65 mm Bruker E 540, L-Band Resolution: 25 mm for 100 mG linewidth

RPE in vivo: réduction ‘1-électron’ des radicaux libres (nitroxides) dans les cellules vivantes… EPR silent EPR active

les accessoires des spectromètres RPE! Notre force de frappe: les accessoires des spectromètres RPE! Haute pression hydrostatique: 1 - 6000 Bar (gaz) jusqu’à 15 000 Bar (enclumes) Plage de températures: 4 – 1000 K Technique du mélange rapide des substrats liquides – mesure directe de courbes cinétiques des réactions chimiques et de processus biophysiques (Stopped-Flow ESR)

Résumé Le laboratoire de résonance paramagnétique électronique (RPE) dispose d’une variété de spectromètres: 1. Spectromètre RPE Bruker ESP300E, bande X (9.5 GHz), le champ 0 – 1.8 T. 2. Spectromètre RPE Bruker EleXsys: 3 bandes de microondes: S, X et Q (2.4, 9.5 et 34 GHz). 3. Spectromètre RPE de haut champ magnétique: 4 bandes de microondes: 110, 220, 330 et 440 GHz. Champ magnétique: 0 - 16 T. 4. Spectromètre RPE pour la spectroscopie et imagerie in vivo (RPE L-Band). Les possibilités d’étudier les phénomènes ‘traçables’ avec la RPE dans une variété des conditions physiques: températures 4-1000 K, pressions 1-15000 Bar, champs 0 – 16 T, avec une approche ‘multifréquence’ (1 – 440 GHz), mélange rapide des substrats liquides (Stopped-Flow ESR). En bref: équipement RPE unique, un des plus complets en Europe !!!

- physique des solides et biophysique: Problèmes étudies - - physique des solides et biophysique: Caractérisation des matériaux via leur susceptibilité paramagnétique RPE; les mécanismes de ‘transport’ dans différents matériaux… Propriétés photochimiques/ photophysiques des nanomatériaux. Mécanismes du stress oxydatif en présence des photo-catalyseurs, les mécanismes moléculaires et cellulaires du stress oxydatif  la thérapie photo-dynamique, matériaux nouveaux… Pigments du paludisme  nouveaux medicaments contre la malaria…

Piégeage du radical libre: O2-. Problèmes à résoudre: 1.1. Caractérisation des propriétés photo catalytiques de nanoparticules de TiO2 en fonction de leur phase cristalline (anatase/rutile) et la taille des grains. Piégeage du radical libre: O2-. DMPO O2 -. aN OOH aH aH b O “L'empreinte du doigt” du radical O2-. 10 G DMPO-OOH

“L'empreinte du doigt” du radical OH.

Lac de Neuchâtel Lac Léman

Problèmes à résoudre: 1.1. Caractérisation des propriétés photo catalytiques de nanoparticules de TiO2 en fonction de leur phase cristalline (anatase/rutile) et la taille des grains. Motivation – mieux comprendre les processus oxydatifs en présence de nanoparticules de TiO2 … Le défi: plusieurs applications: crèmes solaires, produits de beauté…. Les nanoparticules de TiO2 absorbent les UV (à partir de l ~380 nm), sont transparentes pour la lumière visible… Mais elles générent aussi les radicaux libres!!!

Stress oxydatif dû aux UVA et UVB - responsable du vieillissement et des cancers de la peau… Stress oxydatif ?

Problèmes à résoudre: 2.1. Caractérisation des propriétés photo catalytiques de nanoparticules de TiO2 en fonction de leur phase cristalline (anatase/rutile) et la taille des grains. Augmenter le rendement ‘quantique’ de génération des radicaux libres par ces nanoparticules afin de rendre les processus oxydatifs en leur présence encore plus efficaces!

Problèmes à résoudre: 2.2. Caractérisation des propriétés photo-catalytiques de nanoparticules de TiO2 ‘modifiées’ (dopées à l’azote) - pour augmenter leur rendement dans le domaine de la lumière visible.

3. Stress oxydatif dans les cellules vivantes. Problèmes à résoudre: 3. Stress oxydatif dans les cellules vivantes. Anti-oxydants Coupables ? Pro-oxydants (ROS/RNS) Espèces radicalaires – dérivées de l’oxygène et de l’azote (ROS and RNS) …

Thérapie photodynamique PDT: oxydation sélective des tissus malades – une action déclenchée par la lumière, en présence des photo-catalyseurs et de l’oxygène moléculaire (O2):

Allons – par l’intermédiaire de la RPE - vers l’intérieur d’une cellule... (10 microns)

sur les cellules vivantes: Stress oxydatif – - de la RPE - vers l’AFM… sur les cellules vivantes: Imagerie AFM Elasticite cellulaire 15 mm Photocatalyseurs: porphyrines derives des fullerenes nanoparticules de TiO2 Une baisse de l’elasticite cellulaire dans Les cellules exposees au stress oxydatif! B. Vileno et al., Adv. Funct. Mater. 16, 120 (2006) B. Vileno et al.. J. Phys.: Condens. Matter 17 (No.18) S1471 (2005) B. Vileno et al., CARBON 42, 1195 (2004) Temps de l’exposition [min]

Laboratory of Nanostructured and Complex Matter Physics (LPMC) Institute of Condensed Matter Physics (ICMP) Faculty of Basic Sciences (FSB)

Génération de l’oxygène singulet par les dérivés de C60 Motivation: oxydation de la matière biologique, thérapie photodynamique PDT, matériaux nouveaux… Fullerenes – photocatalyseurs des ROS: 1Dg, OH., … RPE + 1Dg = RPE + 1Dg AFM Elasticité cellulaire Fibres d’actine, points focales? Cibles primaires?

Ceci est un minuscule aperçu… L’avenir est en marche et vous attend!

Laboratoire RPE E-mail: andrzej.sienkiewicz@epfl.ch laszlo.forro@epfl.ch Tel.: (+41-21) 693 43 37 Laboratoire RPE IPMC

JANUARY, 2006 actin network microtubule network Phospholipid bilayer transmembrane protein 1 2 3 cholesterol 4