Résonance Magnétique Nucléaire

Un effet quantique

Si un noyau possède un spin, il a tendance à s’aligner sur un champ magnétique externe. Cependant, en lui fournissant précisément la quantité d’énergie supplémentaire nécessaire, le noyau peut être incité à basculer dans l’état de spin opposé.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) se produit lorsque le champ de radiofréquence appliqué à un échantillon a exactement la bonne fréquence, appelée fréquence de Larmor, pour induire ce basculement de spin.

Le parfait magnétomètre

Le cœur d’un magnétomètre RMN est simplement une bobine enroulée autour d’un échantillon. La bobine fournit l’énergie radiofréquence nécessaire pour induire des basculements de spin dans l’échantillon. En plaçant l’axe de la bobine perpendiculairement au champ, on obtient la meilleure réponse. La résolution est limitée uniquement par la largeur de résonance, qui, en fonction du matériau de l’échantillon, peut être très étroite, de l’ordre de 1 Hz.

De plus, la RMN mesure toujours la force totale du champ plutôt qu’une seule composante. Enfin, et surtout, étant donné que le rapport gyromagnétique est une constante physique, le magnétomètre RMN ne présente pratiquement aucune dérive et ne nécessite aucune calibration.

Le rapport gyromagnétique

Il s’avère que la différence d’énergie entre les états nucléaires alignés et antialignés dépend linéairement de l’intensité du champ. Ainsi, le rapport de la fréquence de résonance à l’intensité du champ est une constante physique appelée le rapport gyromagnétique (gamma).

Il est d’environ 42,5 MHz/T pour les protons (noyaux d’hydrogène). D’autres noyaux présentent également une RMN, mais avec un gamma différent, par exemple, 6,5 MHz/T pour le deutérium et 40 MHz/T pour le fluor.

Pour étendre la plage de mesure de la RMN, nous pouvons donc utiliser un échantillon avec un gamma différent. Un échantillon de deutérium a un gamma qui est un facteur 6,5 inférieur à celui des protons, de sorte que la même plage de fréquences mesurera des champs 6,5 fois plus élevés.

Mode continu ou mode pulsé

Il existe deux méthodes fondamentales de détection de la Résonance Magnétique Nucléaire. L’approche en onde continue est similaire à l’accord d’une radio : nous ajustons lentement la fréquence jusqu’à ce que nous « accordions » la résonance. Pour être capable de la détecter, nous devons traverser plusieurs fois la fréquence de résonance, ce qui signifie que nous devons moduler soit la fréquence, soit le champ magnétique.

L’approche en onde pulsée, en revanche, est comparable à la sonnerie d’une cloche : nous frappons l’échantillon avec une impulsion à large bande, et l’échantillon absorbe et réémet à la fréquence de Larmor. L’approche en mode pulsé nécessite des électroniques modernes à commutation rapide, mais elle est plus directe et offre généralement une plus grande précision.

Vitesse de mesure

Après une résonance, l’échantillon est généralement autorisé à libérer l’énergie absorbée et à retrouver son état d’origine aligné sur le spin. Cela limite la fréquence de mesure à environ 10-100 Hz. De plus, pour réduire la variabilité, de nombreuses mesures de ce type sont souvent moyennées, produisant des taux de mesure effectifs approchant une seconde. Par conséquent, la RMN est généralement utile uniquement pour des champs changeant lentement.

Homogénéité du champ

Si le champ n’est pas uniforme, un bord de l’échantillon résonnera à une fréquence différente de l’autre côté. Le pic de résonance s’élargit et s’aplatit jusqu’à ce qu’il disparaisse complètement dans le bruit. Ce phénomène détermine la limite d’homogénéité du champ en RMN.

Gamme de mesure

Il existe également des limitations pratiques à la plage utile de la RMN. Pour les champs magnétiques bas, les noyaux ne sont que faiblement alignés, et la réponse de la RMN s’estompe. La solution la plus simple est d’utiliser un échantillon plus grand, augmentant ainsi le nombre de spins participants ; cependant, à un certain point, la taille de l’échantillon devient impraticablement grande pour une sonde polyvalente.

Tuning

La bobine autour de l’échantillon est une inductance, avec une réponse qui diminue à haute fréquence. Si nous ajoutons une capacité en parallèle, nous créons un résonateur LC qui, s’il est accordé pour coïncider avec la fréquence de Larmor, améliore considérablement la sensibilité de la détection du signal RMN. Pour cette raison, les sondes de RMN nécessitent un accord.