Résonance magnétique nucléaire Travaux de Physique 3 ème année Henning Heggen, Nick Ryckx La spectroscopie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire), développée au cours du XX e siècle, notamment par Isidor Rabi, Felix Bloch et Edward M. Purcell, est une technique spectroscopique d'investigation de la structure de la matière basée sur l'observation du spin de certains éléments au niveau local atomique. Cette technique permet d'observer le positionnement des atomes en analysant leur réponse à une impulsion magnétique, donnant ainsi des informations précises quant à leur couplage avec le milieu environnant. Les applications de la RMN sont multiples : en biophysique, elle permet d'analyser la structure tridimensionnelle des protéines par analyse de proximité des atomes dans la chaîne peptidique. En médecine, elle constitue une technique d'imagerie non-invasive destinée à diagnostiquer des problèmes aux organes internes. Nous effectuons la RMN du noyau d'hydrogène ( 1 H). Le montage expérimental est divisible en trois parties : deux bobines de Helmholtz pour le champ statique (intensité : env. 1T=10 5 G), une cavité résonnante pour l'excitation des protons et un ordinateur pour l'analyse du signal. Photo du montage expérimental : en rouge, les bobines de Helmholtz. Entre deux, la cavité résonnante servant à exciter l'échantillon donné à étudier. Un pulse magnétique B 1 est brièvement appliqué transversalement, orientant les spins perpendiculairement à B 0. Les noyaux reviennent vers B 0 en effectuant de la précession. Le temps T 1 que met le spin à se réaligner sur le champ B 0 est appelé « temps de relaxation ». Le spectre RMN est l'histogramme des noyaux qui résonnent à une fréquence donnée. Le signal observé est la transformée de Fourrier de cet histogramme. Nous avons donc une idée de la distribution en fréquence de notre échantillon. Le phénomène à la base de la RMN est l'effet Zeeman nucléaire. Soit un noyau à spin non-nul I. Si ce noyau est plongé dans un champ magnétique statique B 0, il s'ensuit l'apparition de 2I+1 niveaux énergétiques de valeur m = -I, -I+1,..., I-1, I. m désigne ici le moment magnétique du noyau. A chaque valeur de B 0 correspond une fréquence de résonance de l'atome considéré. Nous analysons ici le comportement d'un échantillon d'eau du robinet : les molécules d'eau étant plongées dans un champ homogène, les atomes d'hydrogène sont – théoriquement – sujets à un hamiltonien identique. Nous devrions donc observer un pic de résonance calculé théoriquement à  MHz pour B 0 =9815G avec la formule : La fréquence observée étant légèrement différente, nous en déduisons une manière d'observer le champ magnétique local créé par les atomes d'hydrogène (H) eux-mêmes en remplaçant B 0 par B(bobines) + B(H). Le champ local ainsi déduit vaut approximativement 98G. En comparaison, le champ magnétique terrestre vaut 0.58G à la latitude 50°N (grosso modo au Danemark). Objectifs : -familiarisation avec les concepts de la RMN -RMN 1 H dans les liquides -RMN 1 H dans les solides -recomposition de l'image d'un objet par IRM Niveaux Zeeman pour un spin I = 1/2. Ceci est donc le schéma de la levée de dégénérescence pour un noyau d'hydrogène plongé dans un champ magnétique statique d'intensité B 0. h est la constante de Planck et  la constante de couplage gyromagnétique de l'atome considéré. 4. RMN du proton dans le gypse (CaSO 4. 5H 2 O)‏ Cristal de gypse : les quatre sites différents dans la maille de base du gypse devraient donner une signature RMN à quatre pics caractéristiques. Ci-contre un spectre réellement observé. Nous constatons que seuls deux voire trois pics sont présents simultanément pour une orientation donnée du cristal. A gauche, la signature RMN de la poudre de gypse. A cause de l'orientation aléatoire des cristaux, la FFT résultante est la superposition de toutes les orientations possibles du cristal. 3. RMN du proton dans l'eau du robinet 2. Principes de base Moment magnétique Signal RMN 1. Introduction 5. Solution de sulfate de cuivre Comportement du temps de relaxation des atomes d'hydrogène de l'eau en fonction de la concentration de sulfate de cuivre (CuSO 4 ). Nous constatons que le temps de relaxation diminue pour des concentrations plus élevées. Ceci peut classiquement être interprété comme un frottement plus intense. En quantique, nous parlons de couplage plus ou moins marqué avec le milieu. 6. Image d'une croix en téflon par IRM Le téflon étant une matière libre de toute signature RMN observable, nous entourons notre croix d'un milieu de sulfate de cuivre 0.2M qui, lui, sera détecté. En appliquant un gradient de champ, chaque point aura une fréquence résonnante différente. En observant l'échan- tillon sous différents angles, l'image est construite par rétroprojection. La netteté est obtenue en jouant avec les paramètres de la FFT. Le halo flou est dû à la remontée du milieu par capillarité, formant une couronne aqueuse au sommet de la croix. Image d'un cerveau humain obtenue par IRM (Imagerie par Résonance Nucléaire)‏