Qu’est-ce qu’un spectromètre RMN ?
Le spectromètre RMN est un appareil qui identifie la structure d’un composé à mesurer en révélant l’environnement chimique des atomes.
Les résultats obtenus avec un spectromètre RMN sont représentés sur l’axe horizontal par le déplacement chimique, il s’agit de la différence de fréquence entre le signal RMN de la substance de référence et celui de la substance mesurée. Sur l’axe vertical, il s’agit de l’intensité.
En spécifiant les espèces élémentaires à évaluer au moment de la mesure, les informations peuvent être collectées élément par élément, même pour des composés de structure complexe. De plus, une large gamme d’échantillons peut être analysée, y compris des liquides, des solides et des substances gélatineuses.
Parmi les autres instruments utilisés pour l’analyse structurelle figurent les spectrophotomètres Raman et les microscopes électroniques. Les spectromètres RMN permettent une analyse simple et non destructive. Ils sont largement utilisés parce qu’ils fournissent des informations structurelles sur l’ensemble du composé, y compris les espèces atomiques voisines, plutôt que des informations partielles.
Utilisations des spectromètres RMN
Les spectromètres RMN sont utilisés non seulement pour l’analyse des matériaux, mais aussi dans le domaine clinique. Les utilisations typiques sont les suivantes :
1. Analyse des matériaux
La RMN est très efficace pour analyser les matériaux organiques, tels que les résines, les biomatériaux et les électrolytes de batterie. Elle est utile pour l’analyse structurelle des matériaux organiques et pour l’analyse des causes de dégradation des matériaux dégradés.
Par exemple, le spectromètre peut être utilisé pour clarifier la structure des substances obtenues par synthèse chimique, extraction ou purification, ou pour déterminer si la substance en question est un composant de poids moléculaire élevé ou faible. Il peut également être utilisé pour déterminer la pureté d’une substance, identifier les impuretés et effectuer une analyse quantitative par comparaison avec des signaux standard dans une base de données.
2. Clinique
En pratique clinique, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) repose sur le même principe que la RMN : l’IRM analyse et visualise la distribution spatiale de l’eau dans le corps et fournit ainsi une image précise de l’état des tissus de l’organisme.
L’IRM a un aspect similaire à celui du scanner, mais n’utilise pas de rayons X comme le scanner. Cela évite tout risque d’exposition aux radiations. Elle a également une haute résolution et peut détecter des changements qui ne sont pas visibles au scanner.
Principe du spectromètre RMN
1. Moment magnétique nucléaire d’un atome
Le noyau atomique a une charge positive et tourne sur son propre axe. Cette rotation génère un champ magnétique, de sorte que chaque atome peut être considéré comme un petit aimant. La magnitude de ce champ magnétique est exprimée sous la forme d’une quantité vectorielle appelée moment magnétique nucléaire.
2. Phénomènes de fission et de résonance Zeeman
Lorsque le composé testé est soumis à un champ magnétique intense, les noyaux des atomes entrent dans un état excité. Dans cet état d’excitation, le noyau se divise en deux unités d’énergie. Ce phénomène est appelé division Zeeman.
Lorsqu’une onde électromagnétique égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux est envoyée au noyau, une résonance se produit avec les atomes dans un environnement particulier. La résonance se réfère ici à l’excitation d’un moment magnétique nucléaire d’un niveau inférieur à un niveau supérieur. L’environnement de l’atome cible peut être identifié en observant quelle fréquence de rayonnement électromagnétique provoque la résonance.
Dans la division Zeeman, l’on peut observer des atomes avec différents nombres de noyaux constituant chaque niveau d’énergie. Les atomes dont le nombre de masse et le numéro atomique sont pairs (nombre quantique de spin 0), comme le 12C et le 16O, ne peuvent en revanche pas être analysés car ils n’ont pas de moment magnétique nucléaire.
3. Déplacement chimique
Les fréquences de résonance changent légèrement pour un même noyau, en fonction du milieu environnant. L’importance de ce changement est appelée déplacement chimique. Elle est exprimée en unités de ppm comme étant l’importance du changement par rapport à la fréquence de résonance du matériau de référence.
Autres informations sur le spectromètre RMN
Points à noter concernant les appareils de résonance magnétique nucléaire
Les appareils de résonance magnétique nucléaire génèrent en permanence un champ magnétique puissant qui attire les objets métalliques environnants. Les stimulateurs cardiaques, les cartes de crédit et les téléphones intelligents risquent également d’être endommagés.
Les aimants qui génèrent le champ magnétique sont chauffés et donc refroidis par du gaz cryogénique liquéfié (hélium liquide). Si, par exemple, un tremblement de terre provoque l’échappement de la chaleur du champ magnétique et la vaporisation simultanée du gaz liquéfié, l’espace devient asphyxiant et doit être correctement géré.