Chimactiv - Ressources pédagogiques numériques interactives dans l'analyse chimique de milieux complexes

Principes RMN

Très schématiquement, un noyau peut être modélisé comme une sphère chargée positivement et tournant sur elle-même. Cette rotation conduit à un petit champ magnétique qui est caractérisé par un moment magnétique : μ.

En solution, l’orientation des moments magnétiques des noyaux d’un échantillon est totalement aléatoire et dépend de l’agitation thermique.

En revanche, sous l’effet d’un champ magnétique intense B₀ (de plusieurs Teslas) les noyaux s’orientent en fonction de la direction du champ. C’est le nombre de spin I qui décrit le comportement des moments magnétique sous l’action de ce champ magnétique, et notamment le nombre d’orientations possibles des moments magnétiques. Ainsi un noyau possédant un nombre de spin I = ½ peut prendre deux orientations quand il est soumis à un champ B₀ : m = I = + ½ et m = I – 1 = - ½ = - I (avec m : nombre quantique magnétique).
L’état de plus basse énergie (m = - I) est en général noté α, et l’état de plus haute énergie noté β dans le cas d’un spin I = ½ .

Les noyaux (μ) soumis à un champ magnétique B₀ sont orientés suivant la direction de B₀ le long de l’axe longitudinal (axe z). A l’équilibre, la population des noyaux sur le niveau de plus faible énergie (α) est plus importante que celle du niveau d’énergie le plus haut (β). La somme de tous les moments magnétiques conduit à une aimantation nucléaire macroscopique M, non nulle, parallèle et de même direction que le champ B₀ le long de l’axe z. De plus, les moments magnétiques μ sont animés d’un mouvement de précession, autour de B₀ => Précession de Larmor.
Le mouvement de précession s’effectue à la fréquence : V0 = gamma / 2 pi * B0 (relation de Larmor, avec γ rapport gyromagnétique du noyau considéré).
Le signal RMN, qui correspond à l’évolution au cours du temps de l’aimantation nucléaire après excitation, est réalisé dans le plan transversal (bobine de détection). A l’équilibre le signal RMN détecté est donc nul.

Acquisition du signal => période d’excitation et période de détection

Schéma présentant les phases d'excitation (PW) et de détection FID (AQ).

Dans la représentation du modèle vectoriel, l’application d’un champ magnétique B₁ perpendiculairement à B₀ (le long de l’axe x, par exemple) et correspondant à un angle de basculement de θ_x = 90° permet d’égaliser les populations des niveaux α et β le long de l’axe z, ce qui rend l’aimantation nucléaire longitudinale M nulle le long de l’axe z et maximum dans le plan transversal (le long de l’axe y). L’aimantation est donc perpendiculaire à B₀. Pour des raisons de clarté et simplification, seule l’aimantation nucléaire M est représentée après l’impulsion θ_x. Dans le cas général, l’aimantation détectée égale M₀ sin θ_x

Après l’excitation, le champ B₁ n’est plus appliqué, l’aimantation qui a été basculée dans le plan transversal va évoluer pour revenir à son état d’équilibre, parallèle à B₀. C’est le phénomène de relaxation dû aux différentes interactions auxquelles fait face chaque noyau (déplacement chimique et couplages). Les données RMN sont enregistrées pendant cette étape. Deux composantes indépendantes sont impliquées dans le phénomène de relaxation: la relaxation longitudinale (T₁) qui rend compte de l’évolution de l’aimantation le long de l’axe longitudinal z, et la relaxation transversale (T₂) qui rend compte de l’évolution de l’aimantation dans le plan transversal.

Cliquer sur « Excitation » ou « Détection FID » pour avoir des explications.

Une fois l’aimantation M revenue à son équilibre le long de l’axe z, l’enchainement excitation puis détection peut de nouveau être réalisé pour augmenter le rapport signal/bruit sur le spectre ⇒ NS accumulations du signal. Le rapport signal/bruit augmente en fonction de √NS