Instrumentation
Schéma de principe d’un spectromètre par impulsions
Au cours d’une expérience RMN, l’échantillon est d’abord introduit au cœur de la sonde de mesure, elle-même installée dans le canon de shims de l’aimant supraconducteur. L’expérimentateur au poste de pilotage (ordinateur) commande une séquence d’impulsions radiofréquences transmise par la chaine d’émission à l’échantillon installé dans la console du spectromètre. La séquence d’impulsions transmise excite l’échantillon via le circuit RLC dont la bobine d’émission-réception est l’élément principal. Une fois excité, l’ensemble du schéma d’impulsions étant complété, l’échantillon relaxe en fournissant ainsi le signal RMN de précession libre ou FID. Ce signal analogique induit une variation du flux magnétique dans la bobine d’émission-réception qui est pré-amplifiée, détectée et convertie numériquement dans la chaîne de réception. La console du spectromètre est constituée de tous les éléments électroniques utiles au signal RMN à l’exception du pré-amplificateur (PA).
Chaîne d’émission : source, modulateur (M1), pont de diodes tête-bêche, bobine en selle de cheval d’émission-réception
Chaîne de réception : bobine en selle de cheval d’émission-réception, pré-amplificateur (PA), démodulateur (M2), amplificateur, convertisseur analogique-numérique (CAN)
Le « canon de shims » ou Room Temperature Shim Coil System
Le « canon de shims » est constitué de deux parties complémentaires fixées l’une à l’autre au centre de l’aimant. La partie inferieure reçoit la tête de mesure dans laquelle est introduite la partie inférieure du tube RMN ayant voyagé à partir de la partie supérieure du « canon de shims ». Un système d’ascenseur à air comprimé permet d’introduire et de retirer l’échantillon supporté dans un rotor sans casse.
Les bobines du « canon de shims » sont constituées de plusieurs enroulements de fil de cuivre, dont les géométries permettent de contrôler localement la géométrie des petits champs magnétiques générés.
Sondes ou têtes de mesures RMN
La sonde ou tête de mesure RMN est un élément central d’une expérience RMN. Précisément elle est constituée d’une bobine d’émission-réception d’inductance L. En mode émission, la bobine transfère l’excitation radiofréquence à la fréquence νr à l’échantillon. L’ échantillon perturbé retourne à son état d’équilibre à ses fréquences de résonance propres, proches de ν0, ce qui génère une modification du flux magnétique détectée par la bobine dans son rôle de capteur et transmise au reste de la chaîne de détection. La bobine n’est pas un solénoïde : elle a une géométrie optimisée en selle de cheval.
En IRM une sonde de mesure est encore usuellement appelée antenne RMN. Comme toutes antennes, l’émission et la réception du signal doit être la plus parfaite possible, et adaptée au signal étudié. Ainsi, la bobine est accompagnée de deux condensateurs de capacités C1 et C2 qui doivent être optimisées à chaque expérience pour chaque noyau. L’ensemble {L, C1, C2} constitue un circuit oscillant à ν0 adaptable.
Il existe différents types de sondes. Leur choix est crucial pour optimiser la qualité du signal acquis. Ce choix dépend essentiellement du type de noyaux excités et donnant lieu au signal acquis, de l’échantillonnage, des expériences mises en place, de la température.
On distingue ainsi :
- Les sondes « Directes ou Observe » des sondes « Inverses » : lorsque l’acquisition d’un noyau sensible comme le 1H est réalisée, les sondes inverses sont privilégiées. Exemple : les sondes BBI ou TBI sont des sondes inverses tandis que les sondes QXO ou BBO sont des sondes Observe ou directes
- Les sondes multinucléaires des sondes sélectives. Les sondes multinucléaires possèdent un canal unique (X « broadband ») pour exciter tous les hétéronoyaux tandis que les sondes sélectives possèdent autant de canaux sélectifs à un noyau donné que de noyaux excitables. Exemple : les sondes BBI ou BBO sont des sondes multinucléaires tandis que les sondes Dual 13C – 1H ou QXO 1H-15N-13C—19F sont des sondes sélectives sur certains noyaux
- Les sondes de diamètres variés : diamètre standard (tubes o. d. 5 mm), sondes optimisées pour des échantillons de diamètres plus faibles (RMN métabolomique et protéïnomique) ou plus élevés (manque de sensibilité)
- Les sondes pour des applications à hautes températures (> 450 °C) ou basses températures
- Les sondes solides, HRMAS qui permettent la rotation très rapide de l’échantillon à l’angle magique pour éliminer les contributions anisotropes des interactions RMN, des sondes liquides
L’aimant
Il existe essentiellement deux types d’aimants : les électroaimants et les aimants supraconducteurs. En RMN, les aimants actuellement utilisés sont presque exclusivement supraconducteurs.
- Electroaimant : B0 max ≈ 100 MHz pour le 1H (2,4 Tesla)
- Aimant supraconducteur : B0 max ≈ 900 MHz pour le 1H (21,1 Tesla)
- Alliage Nb/Sn,
- dans un bain d’hélium à 4 K,
- immergé dans un bain de diazote à 77 K
