La résonance magnétique nucléaire (RMN) - Isidor Isaac Rabi - 1938

a. Principe de la RMN

b. Le spin

c. Structure d'un spectromètre RMN

 

a.Principe de la RMN

On peut considérer chaque noyau d'un atome comme une "toupie" qui possède un spin nucléaire.

La RMN est une technique de spectroscopie appliquée aux atomes qui ont un spin nucléaire non nul.

  • le noyau d'un tel atome absorbe les rayonnements électromagnétiques d'une fréquence spécifique, en présence d'un fort champ magnétique
  • le noyaux étant chargé positivement, le mouvement de spin nucléaire engendre un moment magnétique. Le noyau se comporte comme un minuscule "barreau aimanté"
  • ce moment magnétique microscopique placé dans un champ magnétique extérieur H0 peut avoir 2 niveaux d'énergies possibles : orientation parallèle (α) ou anti-parallèle (β) à ce champ magnétique
  • ces 2 orientations ont des niveaux d'énergie différents

La différence d'énergie (ΔE) entre les deux orientations dépend directement de la force du champs magnétique H0.

Source : Wikipédia

Resonance magnetique nucleaire RMN spin magnetic moment electron energie energy  structure biophysique biochimej

Le principe de la RMN est donc de faire passer le moment magnétique nucléaire du niveau de plus basse énergie à celui de plus grande énergie (transition de l'état α vers l'état β) par absorption d'un photon.

Lorsque l'énergie du photon permet cette transition il y a résonnance.

La fréquence d'absorption du photon est égale à : ν = k . H0

  • k = h . γ / 2 π
  • h : constante de Planck
  • γ : rapport gyromagnétique (constante pour un noyau donné)

Pour les champs usuels (de l'ordre du tesla) la résonnance du proton a lieu dans le domaine des ondes radio (100 MHz environ)

Tesla (symbole : T - du nom du physicien Nikola Tesla) : induction magnétique uniforme qui, répartie normalement sur une surface de 1 métre carré, produit à travers cette surface un flux d'induction magnétique total de 1 Weber.

Weber (symbole : Wb) : flux d'induction magnétique qui, traversant un circuit d'une seule spire, y produit une force électromotrice de 1 volt si on l'annule en 1 seconde par décroissance uniforme.

b. Le spin

Le spin est une propriété de l'électron et des autres particules de matière. On peut l'interpréter comme un moment angulaire intrinsèque, c'est-à-dire comme si la particule tournait sur elle-même.

Comme toute grandeur quantique, le spin est quantifié : il ne peut prendre que des valeurs multiples entières ou demi-entières de la constante de Planck.

  • certains noyaux possédent un spin nul (généralement ceux de nombre de masse pair) : par exemple, les atomes de carbone 12 et d'oxygène 18
  • d'autres ont un spin nucléaire non nul et on peut leur associer un moment magnétique nucléaire : par exemple, l'hydrogène qui n'a qu'un proton

La résonance magnétique de l'hydrogène (du proton) est donc la plus utilisée.

c. Structure d'un spectromètre RMN

Les premiers spectromètres en onde continue étaient basés sur le principe de l'analyse harmonique qui consiste à mesurer la réponse forcée d'un système à une excitation sinusoidale dont la fréquence est modifiée sur une échelle de temps plus longue que tous les temps caractéristiques du système étudié.

Les spectromètres RMN actuels sont basés sur le principe de l'analyse impulsionnelle.

Expérience de base de RMN

  • à tout instant une induction magnétique statique Bo homogène et stable est appliquée à l'échantillon
  • ce champ est obtenu par une bobine supra conductrice maintenue à la température de l'hélium liquide dans un cryostat
  • à l'émission : une induction tournante B1 (T) est générée afin de transférer l'aimantation M (A/m) sur xOy. Les spectromètres permettent de moduler le signal en amplitude, en fréquence, et en phase à partir d'un modulateur
  • à la réception : la projection de l'aimantation transverse M sur un axe fixe du laboratoire est oscillante

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Source : Le spectromètre de RMN

 

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