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La résonance magnétique nucléaire (RMN) الرنين المغناطيسي النووي بحث جاهز

خط المقالة

 

           La chimie analytique est la branche de la chimie qui a pour but l'identification, la caractérisation et la quantification des substances chimiques ainsi que le développement des méthodes nécessaires à cette analyse. Elle s'intéresse également à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans les processus et les techniques d'analyse afin de pouvoir sans cesse les améliorer.

La chimie analytique joue un rôle essentiel dans le contrôle de la qualité des produits, qui est indispensable pour les industries chimiques, pharmaceutiques et alimentaires ; dans les problèmes d'environnement (contrôle du taux et de la nature des substances, polluantes ou non, contenues dans les fumées, les eaux usées, les déchets industriels ou autres, les résidus d'engrais, d'insecticides ou de défoliants dans les sols, dans les produits agricoles) ; dans le diagnostic médical (taux de glucose, d'urée, de fer, de calcium ou de potassium contenus dans le sang ou l'urine, pH, gaz du sang...)

Et des usages médicinaux de la chimie analytique nous devons apprendre à connaître quelle est la technique de résonance magnétique nucléaire

Fixation non destructive puissante de la structure moléculaire Surtout les sucres biologiques et traces.

Dépend de la propriété magnétique de certains atomes (ou noyaux) Y compris le proton (1H), le carbone (13C) ou le phosphore (31P).

  Dans cet exposé, nous discuterons brièvement d'une théorie Résonance en prenant le modèle vectoriel comme représentation du noyau. c'est le modèle, facilement accessible à un grand nombre d'utilisateurs, n'est pas conforme tout à fait réel, mais simplifie grandement représentation du principe RMN.

 

1-  Définition :

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique qui permet de déterminer la structure de molécules. Celles-ci mesurent en moyenne quelques nanomètres (un nanomètre valant 10-9 mètres) et sont trop petites pour être observées de manière directe par un microscope. La RMN permet de sonder la structure moléculaire en faisant interagir l'aimantation naturelle des noyaux avec un champ magnétique.

En RMN, l'interaction entre le noyau atomique et le champ magnétique est quantifiée et seule une fréquence particulière (appelée fréquence de Larmor) permet cette interaction. Cette fréquence dépend du type de noyau observé (protoncarboneazote, etc.), mais aussi de l'environnement chimique de ce noyau, c'est-à-dire des autres noyaux présents autour, et des électrons impliqués dans la liaison chimique, ce qui signifie par exemple qu'un proton porté par un groupement méthyle ne résonnera pas à la même fréquence qu'un proton d'aldéhyde. La fréquence de résonance permet donc de remonter à la structure de la molécule.

La RMN est maintenant utilisée en routine dans tous les laboratoires de synthèse, mais son potentiel dépasse largement la simple détermination structurale. On peut en effet l'utiliser pour mesurer des distances entre atomes, suivre « en direct » une réaction chimique, mesurer des constantes de diffusion, faire de l'imagerie médicale (IRM, ou imagerie par résonance magnétique), etc.

Ce exposé  vous propose de retracer l'histoire de la RMN, ainsi que les dernières avancées au niveau français. Enfin, vous aurez un aperçu des perspectives qu'offre cette technique dans un avenir proche avec l'augmentation des valeurs de champ magnétique. Bonne lecture.

Un dossier réalisé par L'actualité chimique et Alexandre Zagdoun, doctorant au Centre européen de RMN à Très Hauts Champs de Lyon, sous la direction de Lyndon Emsley. Son travail consiste à développer de nouvelles techniques RMN pour l'étude de matériaux et une partie de son temps est dédiée aux enseignements. 

2-  Historique :

Depuis sa découverte en 1945, la RMN a connu d'incroyables développements technologiques, motivés par la diversité de ses applications (qui vont de la physique à la médecine). Elle est par exemple l'unique méthode capable de déterminer la structure de protéines en solution. Cet exemple illustre bien son incroyable potentiel.

Les applications de la RMN ne sont cependant pas limitées à la biologie, puisque cette technique est aussi bien appliquée à la chimie des matériaux (zéolitespolymères, cristaux liquides) qu'à la recherche en cosmétique. Elle est aussi utilisée de manière standard comme outil de diagnostic médical, et trouve même des applications dans la recherche de nouvelles sources de pétrole.

 

De fate, les applications potentielles de la RMN ne sont limitées que par le défi et le coût du développement de la technologie capable de produire de très hauts champs magnétiques, et par l'imagination des chercheurs.

En effet, la RMN permet de sonder la structure et la dynamique des molécules en utilisant des transitions de spins nucléaires. En l'absence de champ magnétique, ces transitions sont dégénérées (de même énergie). Elles acquièrent une énergie différente en présence d'un champ magnétique (effet Zeeman). Le signal RMN est proportionnel à la différence d'énergie entre ces niveaux, qui est habituellement très faible (dans la gamme des radiofréquences). L'intensité et la résolution du signal augmentent donc avec le champ magnétique, motivant ainsi la recherche de champs toujours plus élevés.

Au fil des ans, elle est passée du stade de simple curiosité illustrant la théorie -- alors nouvelle -- de la mécanique quantique à celui d'une technique incontournable pour la caractérisation d'un grand nombre de matériaux.

La RMN est aujourd'hui un outil essentiel pour la caractérisation à l'échelle atomique ou moléculaire d'un vaste nombre de systèmes : surfaces métalliques, catalyseurs, polymères, supraconducteursverrescristaux liquides, intermédiaires de synthèse, assemblages supramoléculaires, produits naturels, médicaments, membranes et protéines, pour ne citer qu'eux. Elle est au centre des techniques d'analyse standard et a révolutionné notre approche de la chimie, que ce soit au niveau de la synthèse ou de l'étude de la dynamique moléculaire.

Ces progrès phénoménaux peuvent être attribués à deux principaux facteurs. Tout d'abord, l'augmentation du champ magnétique des aimants RMN -- qui est passé des électroaimants générant un champ de 0,9 T, correspondant à une fréquence de résonance de 40 MHz pour les protons, à des aimants supraconducteurs créant un champ de 1 GHz aujourd'hui -- a permis l'analyse de systèmes de plus en plus complexes et a contribué à l'élargissement du domaine d'application de la RMN. Un autre facteur de ce développement fulgurant concerne les progrès faits au niveau des expériences de RMN par des groupes de recherche. À ce titre, on peut citer deux innovations majeures qui sont intrinsèquement liées. Dans les années 1970, Richard Ernst (Zurich) -- prix Nobel de chimie en 1991 -- introduisit la RMN par transformée de Fourier. En réalisant l'acquisition du signal dans le domaine temporel, puis en faisant la transformée de Fourier de ce signal au lieu du conventionnel balayage en fréquence, la sensibilité de l'expérience fut augmentée d'un facteur 100. Ce pas de géant pour la RMN en amena un autre : en 1971, lors d'une école d'été en Pologne, Jean Jeneer proposa une méthode qui pourrait conduire à l'acquisition de spectres de corrélation bidimensionnels en tirant parti de la transformée de Fourier. Ernst fit la démonstration expérimentale de cette proposition en 1975 et montra qu'il était possible d'établir des connectivités entre les atomes des molécules.

En quelques années, des dizaines de séquences RMN sont nées, capables de sonder les connectivités à travers les liaisons (COSY), à travers l'espace (NOESY), par échange chimique (EXSY) ou encore entre hétéroatomes (HSQC). Ceci fut la démonstration que la RMN ne se limitait pas à une méthode pour obtenir les déplacements chimiques des protons d'une molécule, mais qu'elle pouvait s'adapter à une grande diversité de problèmes, allant de la structure tridimensionnelle d'une protéine à la mesure de coefficients de diffusion. La RMN multidimensionnelle, en combinaison avec la capacité que l'on a à manipuler l'hamiltonien apparent de RMN (manipuler l'aimantation dans l'espace, ce qui se traduit au niveau quantique par des rotations de l'hamiltonien dans l'espace des spins) par des impulsions radiofréquence (notion introduite entre autres par Andrew, Waugh et Freeman) permet de créer des expériences RMN qui s'adaptent aux propriétés que l'on veut extraire, de l'affinité d'une enzyme pour un substrat à la dynamique moléculaire d'un catalyseur sur une surface.

L'un des aspects les plus excitants de la RMN est que bien que l'on soit absolument certain que de plus hauts champs vont ouvrir de nouvelles applications (comme cela a toujours été le cas dans le passé), il est impossible de savoir à l'avance dans quel domaine cette révolution aura le plus d'impact.

*Nous résumons l'histoire de RMN aux dates suivantes:

Figure 1: Petite histoire de la spectroscopie RMN

1. Principes de base

 1.1. Le moment magnétique:

 1.1.1. Définition:

 Le noyau d’un atome peut être considéré, en première approximation, comme une sphère chargée positivement et tournant sur elle-même. La charge du noyau en rotation, équivalente à un courant électrique, produit un champ magnétique. Le noyau peut donc être assimilé à un petit aimant ayant un pôle nord et un pôle sud. Le champ magnétique produit par le noyau est appelé moment magnétique et noté 𝜇⃗ (figure 1).

Figure 1: Le noyau possède un moment magnétique qui peut être assimilé en première approximation à un petit aimant.

 Le moment magnétique étant la conséquence de la rotation des charges du noyau, on peut écrire : 𝜇⃗ = 𝛾. 𝐿⃗⃗ ; où 𝐿⃗⃗ est le moment cinétique du noyau et g est le rapport gyromagnétique (constante caractéristique d’un noyau donné). Dans un échantillon macroscopique, un grand nombre de noyaux coexistent. En absence d’un champ magnétique externe, ils sont orientés de manière totalement statistique (figure 1-2a) et sont animés d’un mouvement aléatoire par l’agitation thermique. La mécanique quantique décrit le comportement de 𝜇⃗ à l’aide du nombre de spin I. Pour un nucléon (proton et neutron), I est égal à ½. Pour les noyaux, le nombre quantique de spin résulte de la combinaison de l’ensemble des contributions des nucléons qui le constituent. Lorsque le nombre de masse et le numéro atomique sont pairs (noyaux pairspairs), I = 0. Tous les autres noyaux ont un spin I ³ 1/2. I est un entier pour les noyaux impairs-impairs et un multiple impair de 1/2 pour les noyaux impairs-pairs et pairs-impairs (Annexe 1).

 Dans une expérience de RMN, l’échantillon est plongé dans un champ magnétique intense (plusieurs dizaines de milliers de fois le champ magnétique terrestre). Sous l’effet de ce champ intense (𝐵⃗⃗ 0), la composante de 𝜇⃗ suivant 𝐵⃗⃗ 0 vérifie :

 mz = g.h.m

où m est le nombre quantique magnétique pouvant prendre les valeurs m = I, I-1, I-2,… -I.

Le nombre de spin I détermine donc le nombre d’orientations possibles que la projection du moment magnétique d'un noyau peut adopter dans un champ magnétique externe.

 Par exemple, si l’on considère un proton (I = ½) placé dans un champ magnétique, deux états sont possibles :

 m = I = ½

 ou m = I -1 = - ½ = -I

Conventionnellement, ces deux états sont appelés : a pour m = +½ et b pour m = -½.

Figure 2 : Orientations et énergies des noyaux de spin ½ en fonction du module du champ magnétique externe 𝐵⃗⃗ 0 . (a) Pour B0 = 0, les noyaux sont orientés de manière aléatoire et ont tous la même énergie. (b) Pour B0 > 0, m peut prendre les valeurs +½ (état a) ou -½ (état b) ; les orientations, et donc les énergies de ces deux états sont différentes.

 L’équation 1-1 donne donc deux valeurs possibles 𝜇𝑧 pour le proton:

La figure 2-b illustre les deux orientations possibles pour un spin ½ dans un champ magnétique statique 𝐵⃗⃗ 0.

 

 

 

 

 1-1-2-Aspect énergétique:

 En absence de champ magnétique extérieur, tous les états de spin possèdent la même énergie. Ils sont dits dégénérés. En présence du champ magnétique 𝐵⃗⃗ 0, une interaction existe entre 𝐵⃗⃗ 0 et le moment nucléaire 𝜇⃗. L’énergie de cette interaction est :

𝐸𝑚 = −𝜇⃗. 𝐵⃗⃗ 0 = −𝜇𝑧 .𝐵0

Cette énergie dépend donc de l’orientation de m r par rapport à 𝐵⃗⃗ 0. Elle vaut :

Ainsi, en présence de 𝐵0 la dégénérescence est levée et il existe une différence d’énergie    DE = h.n0 entre deux niveaux d’énergie consécutifs (figure 2b).

 L’état de plus faible énergie, et donc le plus stable, correspond aux noyaux orientés dans la direction du champ magnétique. Le niveau de plus haute énergie correspond aux noyaux orientés dans la direction opposée. En présence d’un champ magnétique externe, les noyaux devraient donc tous être sur le premier niveau. Toutefois, l’agitation thermique contrarie cette organisation en fournissant à certains noyaux l’énergie nécessaire pour passer sur les niveaux supérieurs. L’équation de Boltzmann gouverne alors les populations sur les différents niveaux d’énergie. Pour un spin ½ :

Compte tenu des énergies mises en jeu en RMN, ∆𝐸 𝑘. 𝑇 et l’approximation suivante est parfaitement justifiée :

 avec N : nombre total de spins détectés,na = + D N / 2 (population du niveau a) et nb = - D N / 2 (population du niveau b).

 Le rapport ( ∆ /𝑁) est par conséquent proportionnel à 𝐵0et au rapport gyromagnétique g. Il est également inversement proportionnel à la température. Compte tenu des valeurs de 𝐵0 utilisées pour les appareils de RMN, ce rapport est de l’ordre de 10-5 . A l’équilibre, la population du niveau a est donc légèrement plus élevée que celle du niveau b.

1.2. Le modèle vectoriel:

 1.2.1 L’aimantation:

 Comme nous l’avons vu au paragraphe précédent, les moments magnétiques de spin ½ ne peuvent adopter que deux orientations en présence d’un champ magnétique externe : l’une sensiblement parallèle à 𝐵⃗⃗ 0 et l’autre sensiblement anti-parallèle (figure 3a).

 Le nombre de noyaux parallèles étant légèrement supérieur à celui des noyaux antiparallèles, la somme vectorielle de tous les moments magnétiques nucléaires est alors non-nulle et dirigée dans la direction du champ 𝐵⃗⃗ 0.

Cette somme est appelée l’aimantation nucléaire et notée 𝑀⃗⃗ (figure 3b).

 Le module de l’aimantation peut être calculé à partir de l’expression du moment magnétique µ ainsi que de la différence de population entre les niveaux a et b.

Figure 3 : Orientation des moments magnétiques nucléaires en présence d’un champ magnétique externe (a). 𝑀⃗⃗ est la somme vectorielle des moments magnétiques. En présence d’un champ magnétique, 𝑀⃗⃗ est non nulle et dirigée dans la direction de ce champ (b).

 Et en tenant compte de l’expression de D, on obtient :

1.2.2. La précession de Larmor:

           De plus, lorsqu’un champ magnétique tel que 𝜇⃗ est plongé dans un champ magnétique intense tel que 𝐵⃗⃗ 0, on peut montrer qu’il est animé d’un mouvement de précession, autour de 𝐵⃗⃗ 0, analogue au mouvement de l’axe d’une toupie autour de la verticale (figure4).

Figure 4 : Mouvement de précession : (a) d’une toupie autour de la verticale, (b) d’un moment magnétique autour du champ 𝐵⃗⃗ 0 .

La vitesse à laquelle ce mouvement de précession s’effectue est donnée par la relation de Larmor :

Ce mouvement de précession se fait autour de 𝐵⃗⃗ 0, il ne change donc rien à l’orientation ou au module de l’aimantation 𝑀⃗⃗.

L’origine de ce mouvement de précession réside dans le fait que, plongé dans un champ magnétique 𝐵⃗⃗, un moment magnétique µ⃗⃗ subit un couple :

En appliquant le théorème du moment cinétique :

 

 

 

 

 

La solution de ces équations est de la forme :

mz est constant et mxy tourne autour de 𝐵⃗⃗.

 Le vecteur µ⃗⃗ est donc bien animé dun mouvement de précession autour de 𝐵⃗⃗.

 1.3. La resonance:

 1.3.1. Modèle vectoriel:

 Comme nous l’avons vu, l’aimantation est proportionnelle au nombre de noyaux, et c’est elle qui est mesurée en RMN. Toutefois, 𝑀⃗⃗ n’est pas observable lorsqu’elle est parallèle à 𝐵⃗⃗ 0 (figure 1-5a), il faut donc la basculer de 90°.

 Pour faire tourner 𝑀⃗⃗, il suffit d’appliquer transitoirement un autre champ magnétique 𝐵⃗⃗ 1 dirigé à 90° de 𝐵⃗⃗ 0. Les moments magnétiques sont alors animés d’un mouvement de précession autour de 𝐵⃗⃗ 1. Dès qu’une rotation de 90° a été obtenue, le champ 𝐵⃗⃗ 1 est coupé (figure 5b).

Figure 5 : 𝑀⃗⃗ est la somme vectorielle des moments magnétiques. En présence de 𝐵⃗⃗ 0 , 𝑀⃗⃗ est non nulle et dirigée suivant z (a). L’application d’un champ 𝐵⃗⃗ 1 perpendiculaire à 𝐵⃗⃗ 0 provoque la rotation de 90° de tous les moments magnétiques (b). Dès que 𝐵⃗⃗ 1 n’est plus appliqué, les moments magnétiques reprennent une polarisation et une précession uniquement gouvernées par 𝐵⃗⃗ 0 mais 𝑀⃗⃗ est alors dans le plan transversal.

La figure 5c montre qu’après l’application du champ 𝐵⃗⃗ 1, les populations des états a et b sont identiques. Ce qui explique la disparition d’une aimantation suivant l’axe z.

Par ailleurs, les composantes des moments magnétiques perpendiculaires à 𝐵⃗⃗ 0 sont distribuées de manière parfaitement statistique avant l’application de 𝐵⃗⃗ 1 (figure 1-5a).

En revanche, après l’application du champ 𝐵⃗⃗ 1 (figure 1-5c), un léger excès est observé dans la direction perpendiculaire à 𝐵⃗⃗ 1 et à 𝐵⃗⃗ 0. Une « cohérence » est apparue entre les composantes transversales (perpendiculaires 𝐵⃗⃗ 0) des moments magnétiques. L’aimantation 𝑀⃗⃗ étant la somme de tous les moments magnétiques nucléaires, elle est alors orientée à 90° de 𝐵⃗⃗ 0 et peut être mesurée.

Toutefois, le champ magnétique 𝐵⃗⃗ 0 est présent en permanence au cours d’une expérience de RMN. Pendant l’application de 𝐵⃗⃗ 1 l’aimantation est donc animée d’un mouvement qui est la composition de la précession autour de 𝐵⃗⃗ 0 à la vitesse w0 = g.B0 et de la précession autour de 𝐵⃗⃗ 1 à la vitesse w1 = g.B1. Ce mouvement est en fait une précession autour du champ 𝐵⃗⃗ = 𝐵⃗⃗ 0 + 𝐵⃗⃗ 1 .

Par ailleurs, 𝐵⃗⃗ 1 doit pouvoir être activé et supprimé rapidement afin de provoquer une bascule contrôlée de l’aimantation. De ce fait, 𝐵⃗⃗ 1 est beaucoup moins intense que 𝐵⃗⃗ 0, qui est un champ statique (en pratique 𝐵⃗⃗ 1 est environ mille fois moins intense que 𝐵⃗⃗ 0.

Figure 6 : Action sur l’aimantation 𝑀⃗⃗ d’un champ 𝐵⃗⃗ 1 fixe en présence de 𝐵⃗⃗ 0 . Les flèches indiquent le sens de précession autour de 𝐵⃗⃗ 1 . Au début de l’application de 𝐵⃗⃗ 1 , la précession écarte effectivement l’aimantation 𝑀⃗⃗ de la direction de 𝐵⃗⃗ 0 (a). Mais dès que la précession autour de 𝐵⃗⃗ 0 a provoqué une rotation de plus d’un quart de tour, l’action de 𝐵⃗⃗ 1 ramène l’aimantation suivant 𝐵⃗⃗ 0 (b).

 

 Si 𝐵⃗⃗ 1 est fixe pendant la durée de son application, le mouvement de 𝑀⃗⃗ autour de 𝐵⃗⃗ (représenté sur la figure 6), ne permet pas d’amener 𝑀⃗⃗ à 90° de 𝐵⃗⃗ 0. Au début de l’application de 𝐵⃗⃗ 1, la précession autour de ce champ écarte effectivement l’aimantation 𝑀⃗⃗ de la direction de 𝐵⃗⃗ 0 (Fig. 1-6a). Mais dès que la précession autour de 𝐵⃗⃗ 0 a provoqué une rotation de plus d’un quart de tour, l’action de 𝐵⃗⃗ 1 ramène l’aimantation suivant 𝐵⃗⃗ 0 (Fig. 6b). Sur cette figure, le référentiel utilisé, dit référentiel du laboratoire, est constitué de trois axes (x, y et z) orthogonaux et fixes par rapport au laboratoire. Par convention, l’axe z est parallèle à 𝐵⃗⃗ 0.

 Pour que son action éloigne continument 𝑀⃗⃗ de 𝐵⃗⃗ 0, il faut que 𝐵⃗⃗ 1 tourne lui-même autour de 𝐵⃗⃗ 0 à la vitesse w0, c’est-à-dire à la même vitesse que 𝑀⃗⃗. Ainsi, à tout instant, 𝐵⃗⃗ 1 est placé de telle manière que la précession autour de ce champ éloigne 𝑀⃗⃗ de 𝐵⃗⃗ 0 (Fig. 7).

Cette condition peut être illustrée de la manière suivante. Imaginons un enfant sur un manège et son père à côté désirant l'aider à descendre. Si le manège est à l'arrêt cela ne pose bien entendu aucun problème, mais l'opération devient plus délicate si le manège est en marche. En fait le père doit alors courir autour du manège à la même vitesse que celui-ci de manière à avoir le même mouvement que l'enfant. Le père peut alors rester en face de l'enfant le temps nécessaire pour l'aider à descendre.

Figure 7 : Action sur l’aimantation 𝑀⃗⃗ d’un champ 𝐵⃗⃗ 1 tournant autour de 𝐵⃗⃗ 0 à la vitesse w0. Les flèches jaunes indiquent le sens de précession autour de 𝐵⃗⃗ 1 .A tout instant, la précession autour de 𝐵⃗⃗ 1 écarte l’aimantation 𝑀⃗⃗ de la direction de 𝐵⃗⃗ 0 .

La trajectoire de l’aimantation durant l’application d’un champ 𝐵⃗⃗ 1 tournant est représentée sur la figure 1-8 ; d’une part, dans le référentiel du laboratoire (Fig. 8a), et d’autre part, dans le référentiel tournant (Fig. 1-8b). Ce dernier est constitué de trois axes (x’, y’ et z’) orthogonaux, mais x’ et y’ tournent autour de z’ à la même vitesse angulaire que le champ radiofréquence 𝐵⃗⃗ 1. Celui-ci est donc immobile dans le référentiel tournant. Par ailleurs, z’ est confondu avec z et est donc parallèle à 𝐵⃗⃗ 0.

 L’axe z (ou z’) est appelé axe longitudinal et le plan (xy) ou (x’y’) est appelé plan transversal. A un instant quelconque d’une expérience de RMN, l’aimantation a une composante parallèle à 𝐵⃗⃗ 0 dite aimantation longitudinale (notée Mz) et une composante perpendiculaire 𝐵⃗⃗ 0 dite aimantation transversale (notée Mxy).

Figure 8 : Trajectoire de l’aimantation 𝑀⃗⃗ durant l’application de 𝐵⃗⃗ 1 ;

ý  dans le référentiel du laboratoire (trois axes (x, y et z) orthogonaux et fixes par rapport au laboratoire ; z est parallèle à 𝐵⃗⃗ 0 )

ý  (b) dans le référentiel tournant (trois axes (x’, y’ et z’) ; x’ et y’ tournent autour de z’ à la même vitesse angulaire que 𝐵⃗⃗ 1 et z’ est confondu avec z).

En pratique le champ B1 est la composante magnétique d’une onde électromagnétique qui doit avoir la fréquence n0 = w0/2p  = g.B0  (avec g = g/2p). La fréquence n0 se situe dans la gamme des ondes radio (quelques centaines de MHz) compte tenu des valeurs de B0 utilisées (de l’ordre de 10 Tesla).

 1.3.2. Aspect énergétique:

 Des photons de fréquence n0 ont une énergie h.n0 = DE . Lorsqu’un ensemble de spins à l’équilibre (figure 1-9a) est irradié avec cette fréquence, l’absorption des photons permet le passage de quelques noyaux de l’état a à l’état b, ce qui modifie les populations des différents niveaux d’énergie du système (figure 9b).

Figure 9 : Aspect énergétique de la résonance. Les spins sont irradiés avec une onde radio de fréquence n0 telle que hn0 = DE (a). Ceci permet le passage de quelques noyaux de l'état a à l'état b (b).

1.4 Relations entre les deux modèles:

 Les deux modèles utilisés dans ce chapitre, vectoriel et énergétique, décrivent la même réalité physique et il est essentiel, à ce stade, de les mettre en correspondance.

En présence du champ magnétique 𝐵⃗⃗ 0, les noyaux sont polarisés suivant l’axe longitudinal (axe z, parallèle à 𝐵⃗⃗ 0) et la composante de l’aimantation nucléaire suivant cet axe est la somme des composantes µz des moments magnétiques. A l’équilibre, la population du niveau a est légèrement plus élevée que celle du niveau b,  ce qui conduit à une composante longitudinale dans le même sens que 𝐵⃗⃗ 0.

Figure 10 : Comparaison du modèle vectoriel et du modèle énergétique.

 

ý  A l’équilibre, la population du niveau a est légèrement plus élevée que celle du niveau b ; cela conduit à une aimantation nucléaire de même direction et de même sens que 𝐵⃗⃗ 0 .

ý  (b) Après une impulsion RF correctement calibrée, les populations des deux niveaux sont égalisées, l’aimantation est alors perpendiculaire à 𝐵⃗⃗ 0 , la composante de cette aimantation suivant 𝐵⃗⃗ 0 est donc nulle.

ý  (c) Si la quantité d’énergie (fournie au système par l’impulsion RF) est doublée, les populations sont inversées par rapport à l’état d’équilibre et l’aimantation a la même direction mais un sens opposé à celui de 𝐵⃗⃗ 0 .

Par ailleurs, la somme des composantes transversales des moments magnétiques est nulle car il n’y a aucune polarisation suivant les axes perpendiculaires à 𝐵⃗⃗ 0. L’aimantation est donc de même direction et de même sens que 𝐵⃗⃗ 0 (figure 10a).

 Après une impulsion RF correctement calibrée, les populations des deux niveaux sont égalisées, l’aimantation longitudinale est donc nulle. En revanche, la somme des composantes transversales des moments magnétiques ne l’est plus, l’aimantation transversale a alors une valeur égale à celle de l’aimantation longitudinale à l’équilibre. L’aimantation est alors perpendiculaire à 𝐵⃗⃗ 0 (figure 10b).

 Si l’impulsion RF utilisée est deux fois plus longue que la précédente (ou de même durée mais deux fois plus intense), deux fois plus de photons d’énergie hn0 sont absorbés par le système. Les populations des états a et b sont alors inversées par rapport à l’état d’équilibre. La population du niveau b est légèrement plus élevée que celle du niveau a,  ce qui conduit à une composante longitudinale de sens opposé à celui de 𝐵⃗⃗ 0.

 La somme des composantes transversales des moments magnétiques est nulle puisqu’il n’y a pas de polarisation suivant les axes perpendiculaires à 𝐵⃗⃗ 0. L’aimantation est donc de même direction et de sens opposé à celui de 𝐵⃗⃗ 0 (figure 10c).

1.5. La Relaxation:

 Après avoir été basculée dans le plan transversal, l’aimantation va progressivement retourner à sa position d’équilibre, parallèle à 𝐵⃗⃗ 0. Les composantes longitudinale et transversale sont affectées différemment par ce phénomène de relaxation. (annexe 02)

1.5.1. La relaxation longitudinale:

 Le retour de l’aimantation longitudinale (𝑀𝑧 ) vers sa valeur d’équilibre se passe, en règle générale, selon un processus monoexponentiel. On appelle le temps caractéristique de la croissance de l’aimantation longitudinale le « temps de relaxation longitudinale ». On le représente par la grandeur « T1 ».

Dans les liquides, les temps de relaxation longitudinale T1 des protons sont typiquement de l’ordre de quelques centaines de millisecondes à quelques secondes.

Figure 11 : Relaxation. Après avoir été basculée dans le plan transversal, l’aimantation va progressivement retourner à sa position d’équilibre, parallèle à 𝐵⃗⃗ 0 . (a) L’aimantation longitudinale Mz retourne exponentiellement vers la valeur d’équilibre (M0). (b) L’aimantation transversale Mxy retourne exponentiellement vers 0.

 1.5.2. La relaxation transversal:

 Le plus souvent, l’aimantation transversale décroît mono-exponentiellement. On appelle alors le temps caractéristique de la décroissance mono-exponentielle le « temps de relaxation transversale ». On représente ce temps caractéristique par la grandeur « T2 ».

 Les temps de relaxation transversale T2 couvrent une gamme de valeurs extrêmement large. Dans les solides, ils peuvent être plus courts que la milliseconde, alors que, dans les liquides, ils sont proches des T1 et sont donc de l’ordre de quelques centaines de millisecondes à quelques seconds.

1.5.3. Influence de l’inhomogénéité de B0

En réalité, dans le cas des systèmes de spins caractérisés par un temps de relaxation transversale long (par exemple dans les liquides), la décroissance de 𝑀𝑥𝑦 est rarement uniquement due à la relaxation transversale. Elle a généralement une double origine, l’une liée à la relaxation transversale du système de spins, l’autre liée à l’inhomogénéité du champ magnétique statique sur le volume observé. L’inhomogénéité du champ magnétique cause en effet une dispersion des fréquences de résonance. La fréquence de précession varie alors un peu d’un point à l’autre de l’échantillon et il apparaît très rapidement un décalage entre les moments magnétiques. Ils tournent dans le plan (xoy) en pointant des directions de plus en plus différentes, les plus rapides prennent de l’avance sur les plus lents. L’aimantation, qui est la somme vectorielle des moments magnétiques, est donc réduite. Par similitude avec le concept de temps de relaxation transversale T2, un temps de relaxation T2* a été introduit qui décrit la vitesse de la décroissance du signal nucléaire en présence d’inhomogénéité du champ magnétique :

 Ici, ∆𝐵𝑜 caractérise l’inhomogénéité du champ magnétique statique.

Il y a une distinction importante entre ces deux contributions à la décroissance du signal de précession libre. La relaxation transversale, liée aux fluctuations du champ magnétique local, est un phénomène irréversible. En revanche, l’effet de l’inhomogénéité de 𝐵𝑜 est en principe réversible, les spins restant soumis au même champ magnétique statique tout au long d’une expérience, pour autant qu’il n’y ait pas de déplacement significatif des spins pendant le temps équivalent au temps de relaxation T2 (par exemple suite à la diffusion moléculaire).

 1.6. L’expérience de RMN:

 Compte tenu des principes énoncés précédemment, l’expérience RMN de base peut être décomposée comme suit :

 · Une période d’excitation constituée par une impulsion radiofréquence dont la fréquence nr est proche des fréquences de résonance de l’échantillon et dont l’amplitude et la durée sont calibrées de manière à produire une bascule de l’aimantation dans le plan transversal (rotation de 90° de l’aimantation).

· Une période de détection du signal RMN.

Figure 12 : Séquence de base pour la spectroscopie RMN ; après une impulsion RF de durée PW, le signal est détecté pendant la durée AQ.

 L’origine du signal RMN peut être appréhendée soit à partir du modèle énergétique, soit à partir du modèle vectoriel.

 1.6.1. Le signal RMN dans le modèle énergétique

 L’impulsion RF perturbe le système, et lorsque l’irradiation cesse, le système retourne vers son état d’équilibre (par la relaxation). Pour cela, des noyaux repassent de l’état b à l’état a, et ce faisant, émettent des photons d’énergie DE et donc de fréquence n0 qui sont détectés (figure 1-13a). Le nombre de photons émis est égal au nombre de noyaux qui retournent de b vers a, il est donc égal à DN. L’amplitude du signal est donc directement proportionnelle à DN.

1.6.2. Le signal RMN dans le modèle vectoriel :

Après avoir été basculée à 90° de 𝐵⃗⃗ 0, l’aimantation tourne autour de celui-ci à la vitesse w0 (car 𝐵0 est toujours présent). Afin de mesurer la valeur de 𝑀 il suffit alors de placer, perpendiculairement à l’un des axes du plan transversal, une bobine conductrice.

Les principes de base de l’électromagnétisme permettent de montrer que la tension aux bornes de la bobine est alors proportionnelle à la variation du flux de 𝑀⃗⃗ à travers cette même bobine. Le flux est lui-même proportionnel à la projection de 𝑀⃗⃗ sur l’axe de la bobine. Si au début de la détection du signal (t = 0), l’axe de la bobine est perpendiculaire à l’aimantation 𝑀⃗⃗ (figure 13), la projection de 𝑀⃗⃗ sur cet axe évoluera de manière sinusoïdale . Le flux suivra la même loi et sa variation évoluera comme la dérivée d’un sinus, c’est-à-dire en cosinus. La rotation de 𝑀⃗⃗ fait donc naître dans la bobine un signal électrique de fréquence n0 et dont l’amplitude initiale est directement proportionnelle à M, et donc à DN.

On appelle ce signal le « signal de précession libre » ou FID pour « Free Induction Decay ».

Il décroît dans le temps (figure 13c) car M retourne progressivement vers sa position d’équilibre parallèle à 𝐵⃗⃗ 0 (Cf. § 1.5).

 Pour des raisons purement techniques, ce signal est démodulé avant d’être numérisé par l’informatique du spectromètre. La démodulation consiste à mélanger au signal détecté la fréquence du référentiel tournant (nr) afin d’obtenir un nouveau signal dont la pulsation est

    (qui correspond en fait à la pulsation apparente dans le référentiel tournant).

Figure 13 : Détection du signal RMN. Dans le modèle énergétique, lors du phénomène de relaxation des noyaux repassent de l’état b à l’état a, et ce faisant, émettent des photons d’énergie DE (et donc de fréquence n0) qui sont détectés (a). Dans le modèle vectoriel, le flux magnétique à travers la bobine (proportionnel à la composante de M suivant l’axe de la bobine) varie périodiquement (b), ce qui induit dans la bobine un signal électrique de fréquence n0 (c).

1.6.3. Du signal au spectre RMN:

le signal RMN ne contient que très rarement une seule fréquence. En pratique, il est constitué d’un grand nombre de fréquences différentes toutes détectées simultanément. Pour la plupart des applications de la RMN, il est indispensable de séparer ces fréquences afin de déterminer leurs intensités respectives, c’est ce que réalise la transformation de Fourier (Figure 14).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 14 : Le signal RMN détecté (a) et le spectre obtenu après transformation de Fourier

Les utilisations de la résonance dans la vie pratique sont très nombreuses, notamment dans les domaines médical et pharmacologique.

Dans ce chapitre, nous examinerons, par exemple, ses applications dans l'analyse de médicaments et de compléments alimentaires.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est un outil puissant, non destructif, qui a trouvé des applications diversifiées en chimie, biochimie, biologie ou médecine. Pour le chimiste, la RMN est surtout connue comme un outil privilégié pour la détermination structurale sur un produit purifié ; mais cette technique peut également permettre d'obtenir des informations précieuses pour l'analyse de mélanges. Les médicaments pouvant être considérés comme des mélanges complexes (composés de plusieurs substances différentes avec des constituants pouvant être simultanément présents en grandes et très faibles quantités), la RMN est donc un excellent outil pour l'étude de telles formulations. Malheureusement, elle est traditionnellement considérée comme ayant une sensibilité limitée par rapport à celle d’autres techniques d'analyse. Néanmoins, les avancées technologiques ont permis une amélioration des niveaux de sensibilité, en particulier grâce aux progrès dans l'instrumentation (cryosonde) et au développement de séquences d'impulsions.

Généralement, les méthodes de prédilection pour l'analyse de mélanges ainsi que la détection de traces sont les méthodes chromatographiques, couplées à des méthodes spectroscopiques telles que la spectroscopie UV-Visible, la spectrométrie de masse , ou plus rarement la RMN.

La méthode de RMN DOSY (Diffusion Ordered SpectroscopY) est, elle, basée uniquement sur la RMN ; elle permet l'analyse précise d'un mélange complexe sans séparation préalable des différentes composantes. La méthode permet de mesurer les coefficients d'autodiffusion translationnelle des molécules dans une solution. Les spectres des différents composants du mélange peuvent être séparés en fonction de la valeur de leurs coefficients de diffusion apparents. De plus, cette méthode non destructive peut facilement être automatisée et standardisée.

Cet article décrit l'utilisation de la méthode DOSY appliquée à l'analyse de faux médicaments ou de compléments alimentaires dits "naturels".

 

 

 

 

 

2. Principe de la RMN DOSY:

La RMN DOSY est une expérience de RMN à deux dimensions . Une dimension correspond classiquement aux déplacements chimiques RMN et l'autre dimension aux coefficients de diffusion. L'utilisation de la RMN pour mesurer les coefficients d'auto-diffusion (ou diffusion translationnelle) des molécules dans des solutions est basée sur un gradient de champ pulsé (PFG) et une expérience d'écho de spin stimulé (STE).

 

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Figure. 1 : Représentation schématique du principe de l'expérience DOSY enregistrée sur une formulation de faux médicament antimalarien .

 

En règle générale, une série d'expériences à une dimension PFG-STE est acquise avec variations systématiques de l'amplitude des impulsions de gradient (Figure 1-A). Le taux de décroissance du signal est directement lié au coefficient de diffusion D, qui dépend de la masse molaire et d'autres propriétés hydrodynamiques (taille, forme, charge) ainsi que de son environnement (température, état d'agrégation). Le coefficient de diffusion (D) peut donc être estimé par l'analyse de la décroissance exponentielle du signal. Les signaux de petites molécules (D élevé) diminuent plus rapidement que ceux des grosses molécules (D faible) lorsque le gradient de champ pulsé est incrémenté (Figure 1-A, B). La transformée de Fourier du signal de RMN et la transformée de Laplace inverse de la décroissance des signaux (Figure 1-C) conduisent au spectre DOSY sur lequel les déplacements chimiques (δ en ppm) sont situés sur l'axe horizontal tandis que les coefficients de diffusion sont sur l'axe vertical (D en μm2.s) (Figure 1-D). Toutes les taches appartenant à la même espèce sont alignées et les coefficients de diffusion peuvent être mesurés.

Les expériences de RMN DOSY décrites dans cet article ont été mises en œuvre après avoir extrait le médicament réduit en poudre (contenu d'une gélule ou comprimé broyé) dans un solvant deutéré par agitation mécanique et sonication.

 

3. Intérêt de cette méthode pour l'analyse de médicaments

Cette technique qui n’est pas encore utilisée en routine pour le contrôle des médicaments, a l'avantage d'être une méthode globale d'analyse permettant de travailler sans a priori sur un mélange, car l’échantillon est caractérisé par une empreinte spectrale qui lui est spécifique. Les médicaments sont des mélanges complexes, composés non seulement de principe(s) actif(s) mais également de différents excipients. Les excipients les plus couramment observés par RMN dans les médicaments peuvent être de diverse nature: agents liants, diluants, plastifiants ou conservateurs. En RMN du proton, tous les composés contenant des protons seront détectables dans la solution analysée, que leur présence soit attendue ou non. L'avantage des techniques de RMN par rapport aux méthodes chromatographiques conventionnelles est leur non-sélectivité qui permet d'avoir une information sur l'ensemble de la formulation. Notre équipe a montré l'intérêt de cette méthode dans la caractérisation de différents médicaments.

 

3.1 Analyse de faux médicaments

De nombreux médicaments ont été analysés par cette méthode (ciprofloxacine, Prozac, Cialis, antipaludiques, Viagra). Les médicaments ont été achetés soit sur internet, soit directement dans divers pays. Parmi les différents médicaments analysés, nous avons trouvé des formulations surdosées ou d'autres contenant des composés chimiques frauduleusement ajoutés dont certains pour lesquels aucune donnée pharmacologique ou toxicologique n'était connue.

 

 

Figure. 2 : Spectres RMN DOSY de formulations de Viagra. A gauche, la formulation originale Viagra® (Laboratoires Pfizer) et à droite une contrefaçon en provenance de Syrie.

 

Une illustration est présentée dans la Figure 2 ; il s'agit de deux formulations de Viagra. La première est la formulation originale commercialisée par les laboratoires Pfizer, la seconde est une copie commercialisée en Syrie. Même si dans les deux cas le principe actif, (sildénafil) est présent, il apparaît clairement les différences de composition. En effet deux des excipients observés dans la formulation originale, le lactose et la triacétine, sont absents de la formulation syrienne dans laquelle on trouve par contre la présence de polyethylène glycol (PEG). La technique peut presque être considérée comme une technique de déformulation dans la mesure où elle permet d'avoir une information sur l'ensemble des constituants présents dans un médicament, excepté s’ils ne contiennent pas de proton (un excipient comme le talc par exemple ne sera pas détecté) où s’ils sont à l'état de trace.

 

3.2  Analyse de compléments alimentaires

Les compléments alimentaires sont des produits intermédiaires entre les médicaments et les aliments traditionnels dont la consommation est en hausse, en particulier dans les pays industrialisés. Les compléments alimentaires que nous avons analysés étaient censés contenir des extraits de plantes et, pour certains seulement des vitamines, des acides aminés et des composés minéraux.

Nous nous sommes intéressés à deux types de compléments alimentaires : d'une part des compléments amaigrissants et d'autre part des compléments pour traiter le dysfonctionnement érectile. Dans ces derniers, nous avons trouvé des formulations qui avaient été frauduleusement contaminées par des composés synthétiques potentiellement dangereux. Il s'agit de composés analogues de principes actifs connus tels que le sildénafil, mais sur lesquels des modifications chimiques mineures ont été introduites, probablement dans le but de passer au travers de possibles contrôles qualités effectués par screenings ciblés.

Dans le cas des compléments alimentaires amaigrissants, plusieurs formulations analysées contenaient un principe actif anorexigène, la sibutramine. Pour illustration, la Figure 3 montre le spectre d'une formulation chinoise censée contenir des extraits de produits naturels à base de pommes. On repère très facilement dans le spectre DOSY non seulement la présence de sibutramine frauduleusement rajoutée, mais également celle de phénolphtaléine, un agent laxatif cancérigène.

 

 

 

Fig. 3 : Spectre RMN DOSY d'un amaigrissant dit « naturel » mais contenant pourtant deux composés actifs synthétiques, la sibutramine (un coupe-faim) et la phénolphtaléine (un laxative).

 

 

 

 

 

4. Conclusion

L'avantage de la RMN DOSY est de donner une signature spectrale de la globalité du médicament. Suivant la formulation du médicament, son empreinte spectrale sera différente. Il est donc possible, à partir d'un spectre DOSY, de voir si un médicament contient bien le principe actif annoncé, s’il s’agit d’une copie parfaite ou approximative de la spécialité pharmaceutique, comment il a été fabriqué… En permettant une analyse rapide des "images" des différentes matrices (similitudes et/ou différences), la RMN DOSY est un outil potentiel de traçabilité.

Comme la RMN DOSY peut s'appliquer à l'analyse de divers mélanges complexes, il pourrait être intéressant, tout en restant dans une application aux fraudes de composition, d'étudier ses potentialités dans la lutte contre la contrefaçon de la parfumerie et des cosmétiques.

 

Conclusion générale:

 

       Les domaines d'application de la RMN  sont très variés et concernent l'analyse structurale des substances organiques en solution, la caractérisation des matériaux organiques et inorganiques à l'état solide et l'imagerie par résonance magnétique (IRM).

La RMN des liquides est un outil de base pour l'étude des petites molécules organiques en solution, substances naturelles ou synthétiques, et l'étude des macromolécules solubles (protéines, acides nucléiques, polysaccharides, polymères synthétiques).

La RMN des solides permet d'étudier des substances amorphes ou faiblement cristallines telles que les verres et les polymères naturels ou synthétiques insolubles ; c'est une technique très complémentaire de cristallographie par rayons X. Une technique similaire est destinée à l'étude d'échantillons hétérogènes très variés tels que les supports solides pour la synthèse organiques ou les sols pour une caractérisation environnementale.

L'IRM, telle qu'elle est pratiquée dans le cadre d'un laboratoire de RMN conventionnel, peut être qualifiée de micro-IRM car elle est adaptée à l'étude d'échantillons de la taille du centimètre avec une résolution de quelques dizaines de micromètres. Elle est applicable à l'étude des matériaux et des tissus biologiques, en particulier pour le suivi au niveau tissulaire des stratégies thérapeutiques.

 

 


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