Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy


Par: Greg Brust

La spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire, ou plus communément appelée RMN, est la même technique que celle utilisée dans le milieu médical dont vous avez peut-être entendu parlé, IRM ou Image par Résonance Magnétique. Le nom a été changé pour l'utilisation dans le domaine médical parce que le mot nucléaire pouvait effrayer certaines personnes. Nul ne veut ressembler à une bombe atomique! Il n'y a aucune raisons d'avoir peur, car les techniques RMN et IRM emploient des ondes hertziennes inoffensives pour acquérir leurs données, elles n'utilisent pas les rayons gamma. En fait, les ondes hertziennes sont à l'opposé (en terme énergétique) du spectre électromagnétique. Jetez un coup d' oeil la - dessous.

La RMN est aussi une technique de caractérisation où un échantillon est immergé dans un champ magnétique et soumis à des ondes hertziennes. Celles-ci encouragent les noyaux de la molécule à fredonner une chanson pour nous, qui peut seulement être reçues par un récepteur de radio spécial. Mais comme à l'opéra, les noyaux chantent une langue que nous ne pouvons pas comprendre, donc nous avons besoin d'un décodeur. Ce décodeur est appelé "Algorithme de transformation de Fourier". C'est une équation complexe qui traduit le langage des noyaux dans quelque chose que nous pouvons comprendre. Dans le cas où vous seriez curieux, les voici :

Alors le chant des noyaux est analysé pour déterminer différents aspects de la molécule et de son environnement, comme la structure de la molécule. C'est peut-être un peu confus, mais cette page à pour but de vous donner une compréhension basique du principe de cette technique. Pour comprendre le principe de la spectroscopie par RMN, il faut d'abord se réduire à une taille sous-atomique et jeter un coup d'oeil au noyau. Je vous donne une seconde pour passer à cette taille...

Etes vous devenus de minuscules "Lilipuciens" à présent ? Bien! Maintenant, si vous n'étiez pas plus grand que la longueur d'ondes de la lumière visible, vous verriez que le noyau tourne. Les scientifiques ne peuvent pas juste l'appeler "rotation", quoique. Ils doivent plutôt l'appeler "résonance". Comme les noyaux chargés positivement tournent, ce déplacement de charges crée un moment magnétique. Vous pouvez l'imaginer comme un aimant sous-atomique tournant. Lorsque aucun champ magnétique n'est présent, ces minuscules aimants sont alignés aléatoirement, mais lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique homogène, les moments magnétiques aligneront les aimants avec le champ magnétique. Bien que les moments magnétiques soient alignés par le champ magnétique, la rotation nucléaire n'est pas aussi simple et plane que la rotation d'un manège de chevaux de bois. Le mouvement thermique de la molécule crée un couple qui la fait osciller. Lorsque les ondes hertziennes frappent les noyaux en rotation, ils s'inclinent encore plus et se retournent même parfois. Lorsque le moment magnétique est incliné loin du champ magnétique appliqué, une partie du moment magnétique est détectable perpendiculairement (90°) au champ magnétique appliqué.

Des noyaux différents, résonnent à des fréquences différentes. Cela signifie que vous devez solliciter un atome de Carbone avec une onde hertzienne de fréquence différente qu'un atome d'hydrogène pour le faire vibrer. Cela signifie aussi que des atomes semblables dans des environnements différents, comme un hydrogène attaché à un oxygène et un hydrogène attaché à un carbone, vibrent à des fréquences différentes. En observant les fréquences de vibration de ces différents noyaux, on peut déterminer comment les molécules sont réunies, et bien d'autres informations encore.

Je comprends que deux atomes différents, comme le carbone et l'hydrogène, résonnent à des fréquences différentes puisqu'ils sont différents, mais pourquoi deux atomes semblables dans des environnements différents résonnent à des fréquences différentes?

C'est une très bonne question. Vous attendez une réponse n'est-ce pas ? La voici : Les électrons qui entourent le noyaux sont eux aussi chargés et ils tournent également, si vous avez prêté attention, vous savez qu'une charge électrique en rotation, crée un champ magnétique, lequel est en opposition avec le champ magnétique appliqué. Cela diminue l'ampleur du champ magnétique appliqué qui atteint le noyaux. Autrement dit, les électrons "protègent" partiellement le noyaux du champ magnétique. Puisque la fréquence de résonance d'un noyaux dépend du champ magnétique au quel il est "soumis"... Je pense que vous avez compris.

Bien, maintenant je sais ce qu'un spectromètre RMN fait, mais comment travaille-t-il ?

Soyez patient. J'y arrive. Ce grand vaisseau spatial dans l'image à droite est un spectromètre RMN. La constitution du "vaisseau" n'est qu'un grand "refroidisseur" rempli de deux liquides très froids, l'hélium liquide et l'azote liquide. J'ai dit froid ? L'azote liquide a une température de-195°C et l'hélium liquide est-269°C! L'hélium liquide est dans la partie la plus au centre "du refroidisseur" pour refroidir la bobine de superconducteur qui crée le champ magnétique à-269°C et l'azote liquide l'entoure pour empêcher l'hélium de s'évaporer trop vite.

Le trou dans le sommet (qu'indique Funda) est l'endroit où vous mettez votre échantillon dans le spectromètre. Quand il entre dans l'appareil, un jet d'air comprimé fait tourner l'échantillon pour obtenir une mesure plus uniforme.

Lorsque l'on prépare un échantillon pour une mesure par RMN, le solvant ou la partie du solvant employé doit être "deuterated". Cela signifie qu'il y a des atomes de deutérium au lieu de ceux d'hydrogènes. L'Hydrogène a un proton avec son noyau tandis que le deutérium a un proton et un neutron dans son noyau. Il faudra donc "bloquer" l'appareil sur une fréquence spécifique pour éviter toute dérive du spectre pendant l'acquisition.

Maintenant que notre échantillon est dans un champ magnétique, fermé et en rotation, nous pouvons acquérir un spectre. D'abord, un générateur de radio fréquence (fréquence de radio) à "impulsions" sollicite l'échantillon avec de courtes impulsions. Ces impulsions sont absorbées et transmises par l'échantillon au récepteur qui détecte le signal de l'échantillon. Cette information est alors transmise à l'ordinateur puis au RMN où il est traduit et analysé. Cliquez ici pour en apprendre plus.

 


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