La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire est l'une des méthodes les plus courantes et les plus sensibles pour déterminer la structure des composés organiques, permettant d'obtenir des informations non seulement sur la composition qualitative et quantitative, mais également sur l'emplacement des atomes les uns par rapport aux autres. Diverses techniques de RMN offrent de nombreuses possibilités pour déterminer la structure chimique des substances, les états de confirmation des molécules, les effets d'influence mutuelle et les transformations intramoléculaires.
La méthode de résonance magnétique nucléaire présente un certain nombre de caractéristiques distinctives: contrairement aux spectres d'absorption moléculaire optique un rayonnement électromagnétique la matière se produit dans un champ magnétique externe uniforme et puissant. De plus, pour mener une étude RMN, l’expérience doit répondre à un certain nombre de conditions reflétant principes généraux Spectroscopie RMN :
1) l'enregistrement des spectres RMN n'est possible que pour noyaux atomiques avec son propre moment magnétique ou noyaux dits magnétiques, dans lesquels le nombre de protons et de neutrons est tel que le nombre de masse des noyaux isotopiques est impair. Tous les noyaux de nombre de masse impair ont un spin I dont la valeur est 1/2. Ainsi pour les noyaux 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R la valeur de spin est égale à 1/2, pour les noyaux 7 Li, 23 Na, 39 K et 4 l R la valeur de spin est égale à 3/2 . Les noyaux avec un nombre de masse pair soit n'ont aucun spin si la charge nucléaire est paire, soit ont des valeurs de spin entières si la charge est impaire. Seuls les noyaux dont le spin est I 0 peuvent produire un spectre RMN.
La présence de spin est associée à la circulation charge atomique autour du noyau apparaît donc moment magnétique μ . Une charge tournante (par exemple, un proton) avec un moment cinétique J crée un moment magnétique μ=γ*J . Le moment nucléaire angulaire J et le moment magnétique μ apparaissant lors de la rotation peuvent être représentés sous forme de vecteurs. Leur rapport constant est appelé rapport gyromagnétique γ. C'est cette constante qui détermine la fréquence de résonance du noyau (Fig. 1.1).
Figure 1.1 - Une charge tournante avec un moment cinétique J crée un moment magnétique μ=γ*J.
2) la méthode RMN examine l'absorption ou l'émission d'énergie dans des conditions inhabituelles de formation du spectre : contrairement aux autres méthodes spectrales. Le spectre RMN est enregistré à partir d'une substance située dans un champ magnétique uniforme et puissant. De tels noyaux dans un champ externe ont différentes significationsénergie potentielle en fonction de plusieurs angles d'orientation possibles (quantifiés) du vecteur μ par rapport au vecteur intensité de l'extérieur champ magnétique H0. En l’absence de champ magnétique externe, les moments magnétiques ou spins des noyaux n’ont pas d’orientation spécifique. Si des noyaux magnétiques de spin 1/2 sont placés dans un champ magnétique, alors certains des spins nucléaires seront situés parallèlement aux lignes du champ magnétique, l'autre partie étant antiparallèle. Ces deux orientations ne sont plus énergétiquement équivalentes et les spins sont dits répartis à deux niveaux d'énergie.
Les spins avec un moment magnétique orienté selon le champ +1/2 sont désignés par le symbole | α >, avec une orientation antiparallèle au champ extérieur -1/2 - symbole | β > (Fig. 1.2) .
Figure 1.2 - Formation des niveaux d'énergie lorsqu'un champ externe H 0 est appliqué.
1.2.1 Spectroscopie RMN sur noyaux 1 H. Paramètres des spectres PMR.
Pour déchiffrer les données des spectres RMN 1H et attribuer des signaux, les principales caractéristiques des spectres sont utilisées : déplacement chimique, constante d'interaction spin-spin, intensité du signal intégré, largeur du signal [57].
A) Déplacement chimique (C.C). Échelle HS Le déplacement chimique est la distance entre ce signal et le signal de la substance de référence, exprimée en parties par million de l'intensité du champ externe.
Le tétraméthylsilane [TMS, Si(CH 3) 4], contenant 12 protons structurellement équivalents et hautement protégés, est le plus souvent utilisé comme étalon pour mesurer les déplacements chimiques des protons.
B) Constante d’interaction spin-spin. Dans les spectres RMN à haute résolution, une division du signal est observée. Cette division ou structure fine dans les spectres à haute résolution résulte d'interactions spin-spin entre noyaux magnétiques. Ce phénomène, avec le déplacement chimique, constitue la source d'informations la plus importante sur la structure des molécules organiques complexes et la répartition du nuage électronique qu'elles contiennent. Cela ne dépend pas de H 0, mais dépend de structure électronique molécules. Le signal d'un noyau magnétique interagissant avec un autre noyau magnétique est divisé en plusieurs lignes en fonction du nombre d'états de spin, c'est-à-dire : dépend des spins des noyaux I.
La distance entre ces lignes caractérise l'énergie de couplage spin-spin entre les noyaux et est appelée constante de couplage spin-spin n J, où n-le nombre de liaisons qui séparent les noyaux en interaction.
Il existe des constantes directes J HH, des constantes géminales 2 J HH , constantes vicinales 3 J HH et certaines constantes à longue portée 4 J HH , 5 J HH .
- les constantes géminales 2 J HH peuvent être à la fois positives et négatives et occuper la plage de -30 Hz à +40 Hz.
Les constantes vicinales 3 J HH occupent la plage 0 à 20 Hz ; ils sont presque toujours positifs. Il a été établi que l'interaction vicinale dans les systèmes saturés dépend très fortement de l'angle entre les liaisons carbone-hydrogène, c'est-à-dire de l'angle dièdre - (Fig. 1.3).
Figure 1.3 - Angle dièdre φ entre les liaisons carbone-hydrogène.
Interaction spin-spin à longue portée (4 J HH , 5 J HH ) - interaction de deux noyaux séparés par quatre liaisons ou plus ; les constantes d'une telle interaction sont généralement comprises entre 0 et +3 Hz.
Tableau 1.1 – Constantes d’interaction spin-spin
B) Intensité du signal intégré. L'aire des signaux est proportionnelle au nombre de noyaux magnétiques résonnant à une intensité de champ donnée, de sorte que le rapport des aires des signaux donne le nombre relatif de protons de chaque variété structurelle et est appelé intensité du signal intégré. Les spectromètres modernes utilisent des intégrateurs spéciaux dont les lectures sont enregistrées sous la forme d'une courbe dont la hauteur des marches est proportionnelle à l'aire des signaux correspondants.
D) Largeur des lignes. Pour caractériser la largeur des raies, il est d'usage de mesurer la largeur à une distance de la moitié de la hauteur de la raie zéro du spectre. La largeur de ligne observée expérimentalement comprend la largeur naturelle de ligne, qui dépend de la structure et de la mobilité, et l'élargissement dû à des raisons instrumentales.
La largeur de ligne habituelle dans PMR est de 0,1 à 0,3 Hz, mais elle peut augmenter en raison du chevauchement de transitions adjacentes, qui ne coïncident pas exactement, mais ne sont pas résolues comme des lignes distinctes. L'élargissement est possible en présence de noyaux de spin supérieur à 1/2 et d'échange chimique.
1.2.2 Application des données RMN 1 H pour déterminer la structure des molécules organiques.
Lors de la résolution d'un certain nombre de problèmes d'analyse structurelle, en plus des tableaux de valeurs empiriques, Kh.S. Il peut être utile de quantifier les effets des substituants voisins sur Ch.S. selon la règle d'additivité des contributions de filtrage efficaces. Dans ce cas, les substituants qui ne sont pas distants de plus de 2-3 liaisons d'un proton donné sont généralement pris en compte et le calcul est effectué à l'aide de la formule :
δ=δ 0 +ε je *δ je (3)
où δ 0 est le déplacement chimique des protons du groupe étalon ;
δi est la contribution du filtrage par le substituant.
1.3 Spectroscopie RMN 13 C. Obtention et modes d'enregistrement des spectres.
Les premiers rapports d'observation de la RMN du 13 C sont apparus en 1957, mais la transformation de la spectroscopie RMN du 13 C en une méthode de recherche analytique utilisée dans la pratique a commencé beaucoup plus tard.
La résonance magnétique 13 C et 1 H ont beaucoup en commun, mais il existe également des différences significatives. L'isotope du carbone le plus courant, 12 C, a I = 0. L'isotope 13 C a I = 1/2, mais sa teneur naturelle est de 1,1 %. Cela s’ajoute au fait que le rapport gyromagnétique des noyaux 13 C est 1/4 du rapport gyromagnétique des protons. Ce qui réduit de 6 000 fois la sensibilité de la méthode dans les expériences d'observation de RMN 13 C par rapport aux noyaux 1 H.
a) sans supprimer l'interaction spin-spin avec les protons. Les spectres RMN du 13C obtenus en l'absence de suppression complète de la résonance spin-spin avec les protons étaient appelés spectres à haute résolution. Ces spectres contiennent des informations complètes sur les constantes 13 C - 1 H. Dans des molécules relativement simples, les deux types de constantes - directes et à longue portée - se trouvent assez simplement. Ainsi, 1 J (C-H) est compris entre 125 et 250 Hz. Cependant, une interaction spin-spin peut également se produire avec des protons plus éloignés avec des constantes inférieures à 20 Hz.
b) suppression complète de l'interaction spin-spin avec les protons. Le premier progrès majeur dans le domaine de la spectroscopie RMN du 13 C est associé à l'utilisation de la suppression complète de l'interaction spin-spin avec les protons. L'utilisation de la suppression complète de l'interaction spin-spin avec les protons conduit à la fusion de multiplets avec la formation de lignes singulet s'il n'y a pas d'autres noyaux magnétiques dans la molécule, tels que 19 F et 31 P.
c) suppression incomplète de l'interaction spin-spin avec les protons. Cependant, l’utilisation du mode de découplage complet des protons présente des inconvénients. Puisque tous les signaux du carbone sont désormais sous forme de singulets, toute l'information sur les constantes d'interaction spin-spin 13 C- 1 H est perdue. Une méthode est proposée qui permet de restaurer partiellement l'information sur les constantes d'interaction directe spin-spin 13 C- 1 H tout en conservant une plus grande partie des avantages du découplage du haut débit. Dans ce cas, des divisions apparaîtront dans les spectres en raison des constantes directes de l'interaction spin-spin 13 C - 1 H. Cette procédure permet de détecter les signaux provenant d'atomes de carbone non protonés, puisque ces derniers n'ont pas de protons directement associés à 13 C et apparaissent dans les spectres avec un découplage incomplet des protons sous forme de singulets.
d) modulation constante Interactions CH, spectre JMODCH. Un problème traditionnel en spectroscopie RMN 13C consiste à déterminer le nombre de protons associés à chaque atome de carbone, c'est-à-dire le degré de protonation de l'atome de carbone. La suppression partielle par les protons permet de résoudre le signal carbone à partir de la multiplicité provoquée par les constantes d'interaction spin-spin à longue portée et d'obtenir une division du signal due aux constantes de couplage directes 13 C-1 H. Cependant, dans le cas de systèmes de spin fortement couplés AB et le chevauchement des multiplets dans le mode OFFR rend difficile la résolution sans ambiguïté des signaux.
La méthode de spectroscopie RMN est basée sur les propriétés magnétiques des noyaux. Les noyaux des atomes portent charge positive et tournant autour de son axe. La rotation de la charge conduit à l'apparition d'un dipôle magnétique.
Le moment cinétique de rotation, qui peut être décrit par le nombre quantique de spin (I). La valeur numérique du nombre quantique de spin est égale à la somme des nombres quantiques de spin des protons et des neutrons inclus dans le noyau.
Le nombre quantique de spin peut prendre la valeur
Si le nombre de nucléons est pair, alors la valeur I = 0, ou un nombre entier. Ce sont les noyaux C 12, H 2, N 14 ; ces noyaux n'absorbent pas le rayonnement radiofréquence et ne produisent pas de signaux en spectroscopie RMN.
I = ± 1/2 H 1 , P 31 , F 19 - absorbe le rayonnement radiofréquence et produit un signal de spectre RMN.
I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - distribution de charge non symétrique sur la surface du noyau. Ce qui conduit à l’émergence d’un moment quadripolaire. De tels noyaux ne sont pas étudiés par spectroscopie RMN.
PMR - spectroscopie
La valeur numérique de I (I = ±1/2) détermine le nombre d'orientations possibles du noyau dans un champ magnétique externe selon la formule :
De cette formule, il ressort clairement que le nombre d’orientations est de 2.
Pour effectuer la transition d'un proton situé à un niveau inférieur vers un niveau supérieur, il faut lui donner une énergie égale à la différence d'énergie de ces niveaux, c'est-à-dire l'irradier avec un rayonnement d'une pureté strictement définie. La différence de niveaux d'énergie (ΔΕ) dépend de l'ampleur du champ magnétique imposé (H 0) et de la nature magnétique des noyaux, décrite par le moment magnétique (μ). Cette valeur est déterminée par rotation :
, Où
h – constante de Planck
Ampleur du champ magnétique externe
γ – le coefficient de proportionnalité, appelé rapport gyromagnétique, détermine la relation entre le nombre quantique de spin I et le moment magnétique μ.
– équation RMN de base, il relie l'ampleur du champ magnétique externe, la nature magnétique des noyaux et la pureté du rayonnement auquel l'absorption de l'énergie du rayonnement se produit et les noyaux se déplacent entre les niveaux.
D'après l'enregistrement ci-dessus, il ressort clairement que pour les mêmes noyaux, les protons, il existe une relation stricte entre la valeur de H 0 et μ.
Ainsi, par exemple, pour que les noyaux de protons dans un champ magnétique externe de 14 000 Gauss se déplacent vers un niveau magnétique plus élevé, ils doivent être irradiés avec une fréquence de 60 MHz ; s'ils atteignent 23 000 Gauss, alors un rayonnement avec une fréquence de 100 MHz seront nécessaires.
Ainsi, de ce qui précède, il s'ensuit que les principales parties d'un spectromètre RMN doivent être un aimant puissant et une source de rayonnement radiofréquence.
La substance à analyser est placée dans une ampoule constituée de verres spéciaux de 5 mm d'épaisseur. Nous plaçons l'ampoule dans l'espace d'un aimant, pour une répartition plus uniforme du champ magnétique à l'intérieur de l'ampoule, elle tourne autour de son axe, à l'aide d'une bobine le rayonnement est généré en continu par rayonnement radiofréquence. La fréquence de ce rayonnement varie sur une petite plage. À un moment donné, lorsque la fréquence correspond exactement à l'équation de spectroscopie RMN, une absorption de l'énergie du rayonnement est observée et les protons réorientent leur spin - cette absorption d'énergie est enregistrée par la bobine réceptrice sous la forme d'un pic étroit.
Dans certains modèles de spectromètre μ=const, et dans les petites allées, la valeur de H 0 change. Pour enregistrer le spectre, il faut 0,4 ml d'une substance ; si une substance solide est dissoute dans une solution appropriée, il est nécessaire de prélever 10 à 50 ml/g de substance.
Pour obtenir un spectre de haute qualité, il est nécessaire d'utiliser des solutions avec une concentration de 10 à 20 %. La limite de sensibilité RMN correspond à 5%.
Pour augmenter la sensibilité à l'aide d'un ordinateur, de nombreuses heures d'accumulation de signal sont utilisées, tandis que le signal utile augmente en intensité.
Dans le cadre de l'amélioration de la technique de spectrodistribution RMN, l'utilisation de la conversion du signal de Fourier a commencé. Dans ce cas, l'échantillon n'est pas irradié avec un rayonnement dont la fréquence varie lentement, mais avec un rayonnement reliant toutes les fréquences dans un seul paquet. Dans ce cas, le rayonnement d'une fréquence est absorbé et les protons se déplacent vers le niveau d'énergie supérieur, puis l'impulsion courte est désactivée et après cela, les protons excités commencent à perdre l'énergie absorbée et se déplacent vers le niveau inférieur. Ce phénomène énergétique est enregistré par le système sous la forme d’une série d’impulsions millisecondes qui décroissent avec le temps.
Le solvant idéal est une substance qui ne contient pas de protons, c'est-à-dire du tétrachlorure de carbone et du soufre de carbone, mais certaines substances ne se dissolvent pas dans ces solutions, donc tous les solvants dans les molécules dont les atomes de l'isotope léger H1 sont remplacés par des atomes. de l'isotope lourd deutérium sont utilisés. La fréquence isotopique doit correspondre à 99 %.
СDCl 3 – deutérium
Le deutérium ne produit pas de signal dans les spectres RMN. Un autre développement de la méthode a été l'utilisation d'un ordinateur à grande vitesse et une conversion ultérieure du signal. Dans ce cas, au lieu du dernier balayage de la fréquence du rayonnement, un rayonnement instantané contenant toutes les fréquences possibles est superposé à l'échantillon. Dans ce cas, une excitation instantanée de tous les noyaux et une réorientation de leurs spins se produisent. Une fois le rayonnement désactivé, les noyaux commencent à libérer de l’énergie et passent à un niveau d’énergie inférieur. Cette explosion d'énergie dure plusieurs secondes et consiste en une série d'impulsions de microsecondes, qui sont enregistrées par le système d'enregistrement sous la forme d'une fourchette.
Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, spectroscopie RMN- une méthode spectroscopique d'étude d'objets chimiques, utilisant le phénomène de résonance magnétique nucléaire. Le phénomène RMN a été découvert en 1946 par les physiciens américains F. Bloch et E. Purcell. Le plus important pour la chimie et Applications pratiques sont la spectroscopie de résonance magnétique du proton (spectroscopie PMR), ainsi que la spectroscopie RMN sur le carbone 13 (spectroscopie RMN 13 C), le fluor 19 (spectroscopie RMN 19 F), le phosphore 31 (spectroscopie RMN 31 P). un numéro atomique impair ou un isotope de tout élément (même pair) a un nombre de masse impair, le noyau d'un tel élément a un spin différent de zéro. D’un état excité à un état normal, les noyaux peuvent revenir, transférant l’énergie d’excitation au « réseau » environnant, ce qui signifie dans ce cas des électrons ou des atomes d’un type différent de ceux étudiés. Ce mécanisme de transfert d’énergie est appelé relaxation spin-réseau, et son efficacité peut être caractérisée par un T1 constant, appelé temps de relaxation spin-réseau.
Ces caractéristiques font de la spectroscopie RMN un outil pratique à la fois en chimie organique théorique et pour l'analyse d'objets biologiques.
Technique RMN de base
Un échantillon d'une substance pour RMN est placé dans un tube en verre à paroi mince (ampoule). Lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique, les noyaux actifs RMN (tels que 1 H ou 13 C) absorbent l'énergie électromagnétique. La fréquence de résonance, l'énergie d'absorption et l'intensité du signal émis sont proportionnelles à la force du champ magnétique. Ainsi, dans un champ de 21 Tesla, un proton résonne à une fréquence de 900 MHz.
Changement chimique
En fonction de l'environnement électronique local, différents protons d'une molécule résonnent à des fréquences légèrement différentes. Étant donné que ce décalage de fréquence et la fréquence de résonance fondamentale sont directement proportionnels à l’ampleur de l’induction du champ magnétique, ce déplacement est converti en une quantité sans dimension indépendante du champ magnétique, connue sous le nom de déplacement chimique. Le déplacement chimique est défini comme un changement relatif par rapport à certains échantillons de référence. Le décalage de fréquence est extrêmement faible par rapport à la fréquence RMN principale. Le décalage de fréquence typique est de 100 Hz, alors que la fréquence RMN de base est de l'ordre de 100 MHz. Ainsi, le déplacement chimique est souvent exprimé en parties par million (ppm). Afin de détecter une si petite différence de fréquence, le champ magnétique appliqué doit être constant à l’intérieur du volume de l’échantillon.
Puisqu’un déplacement chimique dépend de la structure chimique d’une substance, il est utilisé pour obtenir des informations structurelles sur les molécules d’un échantillon. Par exemple, le spectre de l'éthanol (CH 3 CH 2 OH) donne 3 signaux distinctifs, soit 3 déplacements chimiques : un pour le groupe CH 3, le deuxième pour le groupe CH 2 et le dernier pour OH. Le décalage typique pour un groupe CH 3 est d'environ 1 ppm, pour un groupe CH 2 attaché à OH est de 4 ppm et pour OH est d'environ 2 à 3 ppm.
En raison du mouvement moléculaire à température ambiante, les signaux des 3 protons méthyles sont moyennés au cours du processus RMN, qui ne dure que quelques millisecondes. Ces protons dégénèrent et forment des pics lors du même déplacement chimique. Le logiciel permet d'analyser la taille des pics afin de comprendre combien de protons contribuent à ces pics.
Interaction rotation-rotation
La plupart informations utiles déterminer la structure dans un spectre RMN unidimensionnel donne ce que l'on appelle l'interaction spin-spin entre les noyaux RMN actifs. Cette interaction résulte de transitions entre différents états de spin des noyaux dans des molécules chimiques, entraînant une division des signaux RMN. Cette division peut être simple ou complexe et, par conséquent, peut être soit facile à interpréter, soit déroutante pour l’expérimentateur.
Cette liaison fournit des informations détaillées sur les liaisons des atomes de la molécule.
Interaction de second ordre (forte)
Le couplage spin-spin simple suppose que la constante de couplage est petite par rapport à la différence de déplacements chimiques entre les signaux. Si la différence de décalage diminue (ou si la constante d'interaction augmente), l'intensité des multiplets d'échantillons se déforme et devient plus difficile à analyser (surtout si le système contient plus de 2 spins). Cependant, dans les spectromètres RMN de haute puissance, la distorsion est généralement modérée, ce qui permet d'interpréter facilement les pics associés.
Les effets de second ordre diminuent à mesure que la différence de fréquence entre les multiplets augmente, de sorte qu'un spectre RMN haute fréquence présente moins de distorsion qu'un spectre basse fréquence.
Application de la spectroscopie RMN à l'étude des protéines
La plupart des innovations récentes en spectroscopie RMN concernent ce que l'on appelle la spectroscopie RMN des protéines, qui est en train de devenir une technique très importante dans la biologie et la médecine modernes. Un objectif commun est d’obtenir des structures protéiques tridimensionnelles à haute résolution, similaires aux images obtenues en cristallographie aux rayons X. En raison de la présence plus atomes dans une molécule de protéine par rapport à un simple composé organique, le spectre 1H de base est encombré de signaux qui se chevauchent, ce qui rend impossible l'analyse directe du spectre. Des techniques multidimensionnelles ont donc été développées pour résoudre ce problème.
Pour améliorer les résultats de ces expériences, la méthode des atomes marqués est utilisée en utilisant 13 C ou 15 N. De cette manière, il devient possible d'obtenir un spectre 3D d'un échantillon de protéine, ce qui constitue une avancée majeure dans le domaine pharmaceutique moderne. DANS Dernièrement Les techniques (avec à la fois des avantages et des inconvénients) permettant d'obtenir des spectres 4D et des spectres de dimensions supérieures se généralisent, basées sur des méthodes d'échantillonnage non linéaires avec restauration ultérieure du signal de désintégration d'induction libre à l'aide de techniques mathématiques spéciales.
Analyse RMN quantitative
Dans l'analyse quantitative des solutions, l'aire du pic peut être utilisée comme mesure de concentration dans la méthode du tracé d'étalonnage ou la méthode d'addition. Il existe également des méthodes connues dans lesquelles un graphique gradué reflète la dépendance du déplacement chimique en fonction de la concentration. L'utilisation de la méthode RMN en analyse inorganique repose sur le fait qu'en présence de substances paramagnétiques, le temps de relaxation nucléaire s'accélère. La mesure du taux de relaxation peut être réalisée par plusieurs méthodes, une méthode fiable et universelle étant par exemple la version pulsée de la méthode RMN ou, comme on l'appelle habituellement, la méthode de l'écho de spin. Lors de la mesure à l'aide de cette méthode, des impulsions radiofréquence à court terme sont appliquées à l'échantillon étudié dans un champ magnétique à certains intervalles dans la région d'absorption résonante. Un signal d'écho de spin apparaît dans la bobine de réception, dont l'amplitude maximale est liée au temps de détente par une relation simple. Pour effectuer des déterminations analytiques conventionnelles, il n'est pas nécessaire de trouver les valeurs absolues des taux de relaxation. Dans ces cas, on peut se limiter à mesurer une certaine quantité qui leur est proportionnelle, par exemple l'amplitude du signal d'absorption résonant. Les mesures d'amplitude peuvent être effectuées à l'aide d'un équipement simple et plus accessible. Un avantage important de la méthode RMN est la large plage de valeurs du paramètre mesuré. À l’aide de la configuration d’écho de spin, le temps de relaxation peut être déterminé de 0,00001 à 100 s. avec une erreur de 3...5%. Cela permet de déterminer la concentration d'une solution dans une très large plage allant de 1...2 à 0,000001...0000001 mol/l. La technique analytique la plus couramment utilisée est la méthode du graphique d'étalonnage. Heberlen U., Mehring M. RMN haute résolution dans les solides. - M. : Mir. - 1980.
La spectroscopie RMN est une méthode d'analyse non destructive. Moderne La spectroscopie RMN Fourier pulsée permet une analyse à 80 mag. noyaux. La spectroscopie RMN est l'une des principales. Phys.-Chim. méthodes d'analyse, ses données sont utilisées pour une identification sans ambiguïté en tant qu'intervalles. produits chimiques r-tions, et éléments cibles. En plus des missions structurelles et des quantités. Analyse, la spectroscopie RMN apporte des informations sur les équilibres conformationnels, la diffusion des atomes et des molécules dans les solides, internes. mouvements, liaisons hydrogène et association dans les liquides, tautomérie céto-énol, métallo- et prototropie, ordre et répartition des unités dans les chaînes polymères, adsorption de substances, structure électronique des cristaux ioniques, cristaux liquides etc. La spectroscopie RMN est une source d'informations sur la structure des biopolymères, y compris les molécules de protéines dans les solutions, comparable en fiabilité aux données d'analyse par diffraction des rayons X. Dans les années 80 L'introduction rapide des méthodes de spectroscopie RMN et de tomographie en médecine a commencé pour le diagnostic de maladies complexes et pour l'examen médical de la population.
Le nombre et la position des raies dans les spectres RMN caractérisent sans ambiguïté toutes les fractions du pétrole brut synthétique. caoutchoucs, plastiques, schistes, charbon, médicaments, produits chimiques. et pharmaceutique bal de promo, etc.
L'intensité et la largeur de la ligne RMN de l'eau ou de l'huile permettent de mesurer avec précision la teneur en humidité et en huile des graines ainsi que la sécurité des grains. Lors du désaccord avec les signaux de l'eau, il est possible d'enregistrer la teneur en gluten de chaque grain, ce qui, comme l'analyse de la teneur en huile, permet une sélection agricole accélérée. cultures
L'utilisation d'aimants de plus en plus puissants. les champs (jusqu'à 14 T dans les appareils en série et jusqu'à 19 T dans les installations expérimentales) offrent la possibilité de déterminer complètement la structure des molécules de protéines dans les solutions, d'analyser express du biol. fluides (concentrations de métabolites endogènes dans le sang, l'urine, la lymphe, le liquide céphalo-rachidien), contrôle qualité des nouveaux matériaux polymères. Dans ce cas, de nombreuses variantes de spectroscopie spectroscopique de Fourier multiquantique et multidimensionnelle sont utilisées. techniques.
Le phénomène RMN a été découvert par F. Bloch et E. Purcell (1946), pour lequel ils ont reçu prix Nobel (1952).
Le phénomène de résonance magnétique nucléaire peut être utilisé non seulement en physique et en chimie, mais aussi en médecine : le corps humain est un ensemble des mêmes molécules organiques et inorganiques.
Pour observer ce phénomène, un objet est placé dans un champ magnétique constant et exposé à des champs magnétiques de radiofréquence et de gradient. Dans la bobine d'induction entourant l'objet étudié, une force électromotrice alternative (FEM) apparaît, dont le spectre amplitude-fréquence et les caractéristiques transitoires dans le temps contiennent des informations sur la densité spatiale des noyaux atomiques résonnants, ainsi que d'autres paramètres spécifiques uniquement à résonance magnétique nucléaire. Le traitement informatique de ces informations génère une image tridimensionnelle qui caractérise la densité de noyaux chimiquement équivalents, les temps de relaxation par résonance magnétique nucléaire, la répartition des débits de fluides, la diffusion des molécules et processus biochimiques métabolisme dans les tissus vivants.
L’essence de l’introscopie RMN (ou imagerie par résonance magnétique) réside en fait dans la mise en œuvre d’un type particulier d’analyse quantitative de l’amplitude du signal de résonance magnétique nucléaire. En spectroscopie RMN conventionnelle, on s'efforce d'obtenir la meilleure résolution possible des raies spectrales. Pour y parvenir, les systèmes magnétiques sont ajustés de manière à créer la meilleure uniformité de champ possible au sein de l'échantillon. Dans les méthodes d'introscopie RMN, au contraire, le champ magnétique créé est évidemment non uniforme. Il y a alors des raisons de s'attendre à ce que la fréquence de résonance magnétique nucléaire en chaque point de l'échantillon ait sa propre valeur, différente des valeurs des autres parties. En définissant n'importe quel code pour les gradations de l'amplitude des signaux RMN (luminosité ou couleur sur l'écran du moniteur), vous pouvez obtenir une image conditionnelle (tomogramme) des tranches structure interne objet.
L'introscopie RMN et la tomographie RMN ont été inventées pour la première fois dans le monde en 1960 par V. A. Ivanov. Un expert incompétent a rejeté la demande d'invention (méthode et dispositif) «... en raison de l'inutilité évidente de la solution proposée», de sorte que le certificat de droit d'auteur correspondant n'a été délivré que plus de 10 ans plus tard. Ainsi, il est officiellement reconnu que l'auteur de la tomographie RMN n'est pas l'équipe suivante lauréats du prix Nobel, mais un scientifique russe. Malgré ce fait juridique, le prix Nobel n'a pas été décerné à V. A. Ivanov pour la tomographie RMN.
Pour étudier avec précision les spectres, des appareils aussi simples que espace étroit, limitant le faisceau lumineux, et le prisme ne suffisent plus. Il faut des instruments qui fournissent un spectre clair, c'est-à-dire des instruments capables de bien séparer les ondes de différentes longueurs et qui ne permettent pas aux différentes parties du spectre de se chevaucher. De tels dispositifs sont appelés dispositifs spectraux. Le plus souvent, la partie principale de l'appareil spectral est un prisme ou un réseau de diffraction.
RÉSONANCE PARAMAGNETIQUE ÉLECTRONIQUE
L'essence de la méthode
L'essence du phénomène de résonance paramagnétique électronique est l'absorption résonante du rayonnement électromagnétique par des électrons non appariés. Un électron possède un spin et un moment magnétique associé.
Si nous plaçons un radical libre avec un moment cinétique résultant J dans un champ magnétique d'intensité B 0 , alors pour J non nul, la dégénérescence du champ magnétique est supprimée et, du fait de l'interaction avec le champ magnétique, 2J+1 apparaissent des niveaux dont la position est décrite par l'expression : W = gβB 0 M, (où M = +J, +J-1, …-J) et est déterminée par l'interaction Zeeman du champ magnétique avec le moment magnétique J. La division des niveaux d’énergie des électrons est illustrée sur la figure.
Niveaux d'énergie et transitions autorisées pour un atome de spin nucléaire 1 dans un champ constant (A) et alternatif (B).
Si l’on applique maintenant au centre paramagnétique un champ électromagnétique de fréquence ν, polarisé dans un plan perpendiculaire au vecteur champ magnétique B0, alors cela provoquera des transitions dipolaires magnétiques qui obéissent à la règle de sélection ΔM = 1. Lorsque l’énergie de l’électronique la transition coïncide avec l'énergie de l'onde photonaélectromagnétique, absorption résonante Rayonnement micro-ondes. Ainsi, la condition de résonance est déterminée par la relation fondamentale de résonance magnétique
L'absorption de l'énergie du champ micro-onde est observée s'il existe une différence de population entre les niveaux.
À l'équilibre thermique, il existe une petite différence dans les populations des niveaux Zeeman, déterminée par la distribution de Boltzmann = exp(gβB 0 /kT). Dans un tel système, lorsque des transitions sont excitées, l’égalité des populations des sous-niveaux d’énergie devrait très rapidement se produire et l’absorption du champ micro-onde devrait disparaître. Cependant, en réalité, il existe de nombreux mécanismes d'interaction différents, à la suite desquels l'électron passe de manière non radiative dans son état d'origine. L'effet d'une intensité d'absorption constante avec une puissance croissante se produit en raison des électrons qui n'ont pas le temps de se détendre et est appelé saturation. La saturation apparaît à une puissance de rayonnement micro-ondes élevée et peut fausser considérablement les résultats de la mesure de la concentration des centres par la méthode EPR.
Valeur de la méthode
La méthode EPR fournit des informations uniques sur les centres paramagnétiques. Il distingue clairement les ions d'impuretés inclus de manière isomorphe dans le réseau des microinclusions. Dans ce cas, des informations complètes sont obtenues sur un ion donné dans le cristal : valence, coordination, symétrie locale, hybridation des électrons, combien et dans quoi dispositions structurelles les électrons entrent, l'orientation des axes du champ cristallin à l'emplacement de cet ion, une caractéristique complète du champ cristallin et des informations détaillées sur liaison chimique. Et, ce qui est très important, la méthode permet de déterminer la concentration de centres paramagnétiques dans des régions du cristal ayant des structures différentes.
Mais le spectre EPR n'est pas seulement une caractéristique d'un ion dans un cristal, mais aussi du cristal lui-même, des caractéristiques de la distribution de la densité électronique, du champ cristallin, de l'ionicité-covalence dans un cristal et, enfin, simplement une caractéristique diagnostique d'un cristal. minéral, puisque chaque ion dans chaque minéral a ses propres paramètres uniques. Dans ce cas, le centre paramagnétique est une sorte de sonde, fournissant les caractéristiques spectroscopiques et structurelles de son microenvironnement.
Cette propriété est utilisée dans ce qu'on appelle. la méthode des marqueurs de spin et des sondes, basée sur l'introduction d'un centre paramagnétique stable dans le système étudié. En tant que tel centre paramagnétique, on utilise généralement un radical nitroxyle, caractérisé par un caractère anisotrope g Et UN tenseurs.
1.L'essence du phénomène
Tout d’abord, il convient de noter que même si le nom de ce phénomène contient le mot « nucléaire », la RMN n’a rien à voir avec la physique nucléaire et n’a aucun rapport avec la radioactivité. Si nous parlons d'une description stricte, alors sans lois mécanique quantique il n'y a aucun moyen de contourner ce problème. Selon ces lois, l'énergie d'interaction du noyau magnétique avec un champ magnétique externe ne peut prendre que quelques valeurs discrètes. Si les noyaux magnétiques sont irradiés par un champ magnétique alternatif dont la fréquence correspond à la différence entre ces niveaux d'énergie discrets, exprimés en unités de fréquence, alors les noyaux magnétiques commencent à se déplacer d'un niveau à l'autre, tout en absorbant l'énergie du champ magnétique alternatif. champ. C'est le phénomène de résonance magnétique. Cette explication est formellement correcte, mais pas très claire. Il existe une autre explication, sans mécanique quantique. Le noyau magnétique peut être imaginé comme une boule chargée électriquement tournant autour de son axe (même si, à proprement parler, ce n’est pas le cas). Selon les lois de l'électrodynamique, la rotation d'une charge conduit à l'apparition d'un champ magnétique, c'est-à-dire le moment magnétique du noyau, dirigé le long de l'axe de rotation. Si ce moment magnétique est placé dans un champ externe constant, alors le vecteur de ce moment commence à précéder, c'est-à-dire à tourner autour de la direction du champ externe. De la même manière, l'axe du sommet précession (tourne) autour de la verticale s'il n'est pas détordu strictement verticalement, mais selon un certain angle. Dans ce cas, le rôle du champ magnétique est joué par la force de gravité.
La fréquence de précession est déterminée à la fois par les propriétés du noyau et par la force du champ magnétique : plus le champ est fort, plus la fréquence est élevée. Ensuite, si, en plus d'un champ magnétique externe constant, le noyau est affecté par un champ magnétique alternatif, alors le noyau commence à interagir avec ce champ - il semble faire osciller le noyau plus fortement, l'amplitude de précession augmente et le noyau absorbe l'énergie du champ alternatif. Cependant, cela ne se produira que dans des conditions de résonance, c’est-à-dire la coïncidence de la fréquence de précession et de la fréquence du champ alternatif externe. Ceci est similaire à l'exemple classique de physique scolaire- des soldats traversant le pont. Si la fréquence du pas coïncide avec la fréquence naturelle du pont, alors le pont oscille de plus en plus. Expérimentalement, ce phénomène se manifeste par la dépendance de l'absorption d'un champ alternatif à sa fréquence. Au moment de la résonance, l'absorption augmente fortement et le spectre de résonance magnétique le plus simple ressemble à ceci :
2. Spectroscopie de Fourier
Les premiers spectromètres RMN fonctionnaient exactement comme décrit ci-dessus : l'échantillon était placé dans un champ magnétique constant et un rayonnement radiofréquence lui était appliqué en continu. Ensuite, soit la fréquence du champ alternatif, soit l’intensité du champ magnétique constant variait progressivement. L'absorption de l'énergie du champ alternatif a été enregistrée par un pont radiofréquence, dont le signal était transmis à un enregistreur ou un oscilloscope. Mais cette méthode d'enregistrement du signal n'a plus été utilisée depuis longtemps. Dans les spectromètres RMN modernes, le spectre est enregistré à l'aide d'impulsions. Les moments magnétiques des noyaux sont excités par une impulsion courte et puissante, après quoi le signal induit dans la bobine RF par les moments magnétiques en libre circulation est enregistré. Ce signal diminue progressivement jusqu'à zéro à mesure que les moments magnétiques reviennent à l'équilibre (ce processus est appelé relaxation magnétique). Le spectre RMN est obtenu à partir de ce signal par transformée de Fourier. Il s'agit d'une procédure mathématique standard qui permet de décomposer n'importe quel signal en harmoniques de fréquence et ainsi d'obtenir le spectre de fréquence de ce signal. Cette méthode d'enregistrement du spectre permet de réduire considérablement le niveau de bruit et de réaliser des expériences beaucoup plus rapidement.
Une impulsion d’excitation pour enregistrer un spectre est l’expérience RMN la plus simple. Cependant, il peut y avoir de nombreuses impulsions de ce type, de durées et d'amplitudes différentes, avec des délais différents entre elles, etc., dans une expérience, en fonction du type de manipulations que le chercheur doit effectuer avec le système de moments magnétiques nucléaires. Cependant, presque toutes ces séquences d'impulsions se terminent par la même chose : un enregistrement d'un signal de précession libre suivi d'une transformée de Fourier.
3. Interactions magnétiques dans la matière
La résonance magnétique elle-même ne resterait qu'un phénomène physique intéressant sans les interactions magnétiques des noyaux entre eux et avec la couche électronique de la molécule. Ces interactions affectent les paramètres de résonance et, avec leur aide, la méthode RMN peut obtenir diverses informations sur les propriétés des molécules - leur orientation, structure spatiale(conformations), interactions intermoléculaires, échanges chimiques, dynamiques de rotation et de translation. Grâce à cela, la RMN est devenue un outil très puissant pour étudier les substances au niveau moléculaire, largement utilisé non seulement en physique, mais principalement en chimie et en biologie moléculaire. Un exemple d’une telle interaction est ce que l’on appelle le déplacement chimique. Son essence est la suivante : la couche électronique d'une molécule réagit à un champ magnétique externe et tente de le filtrer - un filtrage partiel du champ magnétique se produit dans toutes les substances diamagnétiques. Cela signifie que le champ magnétique dans la molécule différera du champ magnétique externe d’une très petite quantité, ce qu’on appelle un déplacement chimique. Cependant, les propriétés de la couche électronique dans Différents composants les molécules sont différentes et le déplacement chimique est également différent. En conséquence, les conditions de résonance des noyaux dans différentes parties de la molécule seront également différentes. Cela permet de distinguer des noyaux chimiquement non équivalents dans le spectre. Par exemple, si nous prenons le spectre des noyaux d'hydrogène (protons) de l'eau pure, il n'y aura qu'une seule raie, puisque les deux protons de la molécule H 2 O sont exactement les mêmes. Mais pour l'alcool méthylique CH 3 OH, il y aura déjà deux raies dans le spectre (si l'on néglige les autres interactions magnétiques), puisqu'il existe deux types de protons - les protons du groupe méthyle CH 3 et le proton associé à l'atome d'oxygène. À mesure que les molécules deviennent plus complexes, le nombre de raies augmentera, et si nous prenons une molécule aussi grande et complexe qu'une protéine, alors dans ce cas, le spectre ressemblera à ceci :
4. Noyaux magnétiques
La RMN peut être observée sur différents noyaux, mais il faut dire que tous les noyaux ne possèdent pas un moment magnétique. Il arrive souvent que certains isotopes aient un moment magnétique, mais pas d’autres isotopes du même noyau. Il existe plus d'une centaine d'isotopes différents éléments chimiques, ayant des noyaux magnétiques, mais dans la recherche, on n'utilise généralement pas plus de 1520 noyaux magnétiques, tout le reste est exotique. Chaque noyau possède son propre rapport caractéristique entre le champ magnétique et la fréquence de précession, appelé rapport gyromagnétique. Pour tous les noyaux, ces relations sont connues. En les utilisant, vous pouvez sélectionner la fréquence à laquelle, sous un champ magnétique donné, un signal provenant des noyaux dont le chercheur a besoin sera observé.
Les noyaux les plus importants pour la RMN sont les protons. Ce sont les plus abondants dans la nature et ils ont une très grande sensibilité. Les noyaux de carbone, d'azote et d'oxygène sont très importants pour la chimie et la biologie, mais les scientifiques n'ont pas eu beaucoup de chance avec eux : les isotopes les plus courants du carbone et de l'oxygène, 12 C et 16 O, n'ont pas de moment magnétique, le moment naturel L'isotope de l'azote 14N a un moment, mais c'est pour un certain nombre de raisons qu'il est très gênant pour les expériences. Il existe des isotopes 13 C, 15 N et 17 O qui conviennent aux expériences RMN, mais leur abondance naturelle est très faible et leur sensibilité est très faible par rapport aux protons. Par conséquent, des échantillons spéciaux enrichis en isotopes sont souvent préparés pour les études RMN, dans lesquelles l'isotope naturel d'un noyau particulier est remplacé par celui nécessaire aux expériences. Dans la plupart des cas, cette procédure est très difficile et coûteuse, mais c'est parfois la seule possibilité d'obtenir les informations nécessaires.
5. Résonance paramagnétique et quadripolaire électronique
En parlant de RMN, on ne peut manquer de mentionner deux autres phénomènes physiques- électronique résonance paramagnétique(EPR) et résonance quadripolaire nucléaire (NQR). L'EPR est essentiellement similaire à la RMN, la différence est que la résonance est observée aux moments magnétiques non pas des noyaux atomiques, mais de la couche électronique de l'atome. L'EPR ne peut être observée que dans les molécules ou les groupes chimiques dont la couche électronique contient un électron dit non apparié, alors la couche a un moment magnétique non nul. Ces substances sont appelées para-aimants. La RPE, comme la RMN, est également utilisée pour étudier diverses propriétés structurelles et dynamiques de substances au niveau moléculaire, mais son champ d'application est nettement plus restreint. Cela est principalement dû au fait que la plupart des molécules, notamment dans la nature vivante, ne contiennent pas d’électrons non appariés. Dans certains cas, vous pouvez utiliser une sonde dite paramagnétique, c'est-à-dire un groupe chimique avec un électron non apparié qui se lie à la molécule étudiée. Mais cette approche présente des inconvénients évidents qui limitent les capacités de cette méthode. De plus, l’EPR n’a pas une résolution spectrale aussi élevée (c’est-à-dire la capacité de distinguer une raie d’une autre dans le spectre) qu’en RMN.
Il est très difficile d'expliquer la nature du NQR « sur les doigts ». Certains noyaux ont ce qu’on appelle un moment quadripolaire électrique. Ce moment caractérise la déviation de la distribution de la charge électrique du noyau par rapport à la symétrie sphérique. L'interaction de ce moment avec le dégradé champ électrique, créé par la structure cristalline de la substance, conduit à la division des niveaux d'énergie du noyau. Dans ce cas, on peut observer une résonance à une fréquence correspondant aux transitions entre ces niveaux. Contrairement à la RMN et à l'EPR, la NQR ne nécessite pas de champ magnétique externe, puisque la division de niveau se produit sans celui-ci. La NQR est également utilisée pour étudier des substances, mais son champ d’application est encore plus restreint que celui de la REP.
6. Avantages et inconvénients de la RMN
La RMN est la méthode la plus puissante et la plus informative pour étudier les molécules. À proprement parler, il ne s’agit pas d’une seule méthode, mais d’un grand nombre de types différents d’expériences, c’est-à-dire de séquences d’impulsions. Bien qu'elles soient toutes basées sur le phénomène de RMN, chacune de ces expériences est conçue pour obtenir des informations spécifiques et spécifiques. Le nombre de ces expériences se mesure en dizaines, voire en centaines. Théoriquement, la RMN peut, sinon tout, du moins presque tout ce que toutes les autres méthodes expérimentales d'étude de la structure et de la dynamique des molécules peuvent faire, bien qu'en pratique cela soit réalisable, bien sûr, pas toujours. L'un des principaux avantages de la RMN est que, d'une part, ses sondes naturelles, c'est-à-dire les noyaux magnétiques, sont réparties dans toute la molécule, et d'autre part, elle permet de distinguer ces noyaux les uns des autres et d'obtenir des données spatialement sélectives. sur les propriétés de la molécule. Presque toutes les autres méthodes fournissent des informations soit en moyenne sur la molécule entière, soit sur une partie seulement de celle-ci.
La RMN présente deux inconvénients principaux. Premièrement, sa sensibilité est faible par rapport à la plupart des autres méthodes expérimentales(spectroscopie optique, fluorescence, ESR, etc.). Cela conduit au fait que pour moyenner le bruit, le signal doit être accumulé pendant longtemps. Dans certains cas, une expérience RMN peut être réalisée même pendant plusieurs semaines. Deuxièmement, c'est cher. Les spectromètres RMN font partie des instruments scientifiques les plus chers, coûtant au moins des centaines de milliers de dollars, les spectromètres les plus chers coûtant plusieurs millions. Tous les laboratoires, notamment en Russie, ne peuvent pas se permettre de disposer d’un tel équipement scientifique.
7. Aimants pour spectromètres RMN
L’un des éléments les plus importants et les plus coûteux du spectromètre est l’aimant, qui crée un champ magnétique constant. Plus le champ est fort, plus la sensibilité et la résolution spectrale sont élevées, c'est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs tentent constamment d'obtenir des champs aussi élevés que possible. Un champ magnétique est créé choc électrique dans un solénoïde - plus le courant est fort, plus le champ est grand. Cependant, il est impossible d'augmenter le courant indéfiniment : à un courant très élevé, le fil du solénoïde commencera simplement à fondre. Ainsi, depuis très longtemps, les spectromètres RMN à haut champ utilisent des aimants supraconducteurs, c'est-à-dire des aimants dans lesquels le fil du solénoïde est dans un état supraconducteur. Dans ce cas, la résistance électrique du fil est nulle et aucune énergie n’est libérée quelle que soit la valeur du courant. L'état supraconducteur ne peut être atteint qu'avec de très basses températures, quelques degrés Kelvin seulement, est la température de l’hélium liquide. (La supraconductivité à haute température est encore le domaine des seuls Recherche basique.) C'est précisément au maintien d'une température aussi basse que sont liées toutes les difficultés techniques de conception et de fabrication des aimants, qui les rendent coûteux. Un aimant supraconducteur est construit sur le principe d'une thermos-matriochka. Le solénoïde est situé au centre, dans la chambre à vide. Il est entouré d'une coque contenant de l'hélium liquide. Cette coque est entourée d'une coque d'azote liquide à travers une couche sous vide. La température de l'azote liquide est de moins 196 degrés Celsius ; l'azote est nécessaire pour garantir que l'hélium s'évapore le plus lentement possible. Enfin, l'enveloppe d'azote est isolée de la température ambiante par une couche de vide externe. Un tel système est capable de maintenir très longtemps la température souhaitée d'un aimant supraconducteur, même si cela nécessite d'ajouter régulièrement de l'azote liquide et de l'hélium à l'aimant. L'avantage de tels aimants, outre la possibilité d'obtenir des champs magnétiques élevés, est également qu'ils ne consomment pas d'énergie : après le démarrage de l'aimant, le courant traverse les fils supraconducteurs sans pratiquement aucune perte pendant de nombreuses années.
8. Tomographie
Dans les spectromètres RMN conventionnels, ils essaient de rendre le champ magnétique aussi uniforme que possible, ce qui est nécessaire pour améliorer la résolution spectrale. Mais si, au contraire, le champ magnétique à l'intérieur de l'échantillon devient très inhomogène, cela ouvre des possibilités fondamentalement nouvelles pour l'utilisation de la RMN. L'inhomogénéité du champ est créée par des bobines dites à gradient, qui fonctionnent en tandem avec l'aimant principal. Dans ce cas, l'amplitude du champ magnétique dans différentes parties de l'échantillon sera différente, ce qui signifie que le signal RMN peut être observé non pas à partir de l'ensemble de l'échantillon, comme dans un spectromètre conventionnel, mais uniquement à partir de sa couche étroite, pour laquelle les conditions de résonance sont remplies, c'est-à-dire la relation souhaitée entre le champ magnétique et la fréquence. En modifiant l'amplitude du champ magnétique (ou, ce qui revient essentiellement à la même chose, la fréquence d'observation du signal), vous pouvez modifier la couche qui produira le signal. De cette manière, il est possible de « scanner » l’échantillon dans tout son volume et de « voir » sa structure tridimensionnelle interne sans détruire l’échantillon de quelque manière mécanique que ce soit. A ce jour, un grand nombre de techniques ont été développées permettant de mesurer divers paramètres RMN (caractéristiques spectrales, temps de relaxation magnétique, taux d'autodiffusion et quelques autres) avec une résolution spatiale à l'intérieur de l'échantillon. L’application la plus intéressante et la plus importante, d’un point de vue pratique, de la tomographie RMN a été trouvée en médecine. Dans ce cas, le « spécimen » étudié est le corps humain. L’imagerie RMN est l’un des outils de diagnostic les plus efficaces et les plus sûrs (mais aussi les plus coûteux) divers domaines médecine, de l'oncologie à l'obstétrique. Il est intéressant de noter que les médecins n’utilisent pas le mot « nucléaire » dans le nom de cette méthode, car certains patients l’associent aux réactions nucléaires et à la bombe atomique.
9. Histoire de la découverte
L'année de la découverte de la RMN est considérée comme 1945, lorsque les Américains Felix Bloch de Stanford et, indépendamment de lui, Edward Purcell et Robert Pound de Harvard ont observé pour la première fois le signal RMN sur les protons. À cette époque, on en savait déjà beaucoup sur la nature du magnétisme nucléaire, l’effet RMN lui-même avait été prédit théoriquement et plusieurs tentatives avaient été faites pour l’observer expérimentalement. Il est important de noter qu’un an plus tôt en Union soviétique, à Kazan, le phénomène EPR avait été découvert par Evgeniy Zavoisky. Il est désormais bien connu que Zavoisky a également observé le signal RMN, c'était avant la guerre, en 1941. Cependant, il disposait d'un aimant de mauvaise qualité avec une mauvaise uniformité de champ ; les résultats étaient peu reproductibles et restaient donc inédits. Pour être juste, il convient de noter que Zavoisky n’était pas le seul à avoir observé la RMN avant sa découverte « officielle ». En particulier, le physicien américain Isidor Rabi (prix Nobel en 1944 pour son étude des propriétés magnétiques des noyaux dans les faisceaux atomiques et moléculaires) a également observé la RMN à la fin des années 30, mais la considérait comme un artefact instrumental. D'une manière ou d'une autre, notre pays reste prioritaire dans la détection expérimentale de la résonance magnétique. Bien que Zavoisky lui-même ait commencé à s'attaquer à d'autres problèmes peu après la guerre, sa découverte a joué un rôle énorme dans le développement de la science à Kazan. Kazan reste toujours l'un des principaux centres scientifiques mondiaux en matière de spectroscopie EPR.
10. Prix Nobel de résonance magnétique
Dans la première moitié du XXe siècle, plusieurs prix Nobel ont été décernés à des scientifiques sans lesquels la découverte de la RMN n'aurait pas pu avoir lieu. Parmi eux figurent Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi et Wolfgang Pauli. Mais il y a eu quatre prix Nobel directement liés à la RMN. En 1952, le prix fut décerné à Félix Bloch et Edward Purcell pour la découverte de la résonance magnétique nucléaire. Il s’agit du seul prix Nobel de physique « RMN ». En 1991, le Suisse Richard Ernst, qui a travaillé au célèbre ETH de Zurich, a reçu le prix de chimie. Il l'a reçu pour le développement de méthodes de spectroscopie RMN multidimensionnelle, qui ont permis d'augmenter radicalement le contenu informatif des expériences RMN. En 2002, le lauréat du prix, également en chimie, était Kurt Wüthrich, qui travaillait avec Ernst dans des bâtiments voisins de la même école technique. Il a reçu le prix pour avoir développé des méthodes permettant de déterminer la structure tridimensionnelle des protéines en solution. Auparavant, la seule méthode permettant de déterminer la conformation spatiale des grandes biomacromolécules était l’analyse par diffraction des rayons X. Enfin, en 2003, l'Américain Paul Lauterbur et l'Anglais Peter Mansfield reçoivent le prix médical pour l'invention de la tomographie RMN. Le découvreur soviétique de l'EPR, E.K. Zavoisky, n'a hélas pas reçu le prix Nobel.
