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Résonance magnétique nucléaire
Spectromètre.
Spectromètre.

La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.

C'est un phénomène par lequel un noyau de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) considéré absorbe les rayonnements électromagnétiques d'une fréquence spécifique en présence d'un fort champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. Isidor Isaac (ISAAC est un algorithme capable de générer des nombres pseudo-aléatoires, tombé dans le domaine public en 1996. Son auteur, Bob Jenkins, l'a...) Rabi a découvert ce phénomène en 1938. La résonance magnétique a été, par la suite, appliquée à la détection des atomes légers tel que l'hydrogène.

Ses applications concernent la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...), la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) et l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) médicale.

Principe

Dans cette méthode on utilise le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme...) des noyaux des atomes. Certains noyaux possèdent un spin nul (ceux dont le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protons et de neutrons sont tous les deux pairs) mais d'autres ont un spin nucléaire différent de zéro, ce qui implique que l'on peut leur associer un moment magnétique de spin qui se comporte comme un moment magnétique (i.e. une sorte de petit aimant). Les atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 12 et d'oxygène 16 sont très répandus mais leur spin nucléaire est nul. En revanche l'hydrogène n'a qu'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) et son moment magnétique nucléaire est ainsi non nul : la résonance magnétique de l'hydrogène (du proton) est la plus utilisée. Il est en particulier important de faire remarquer que l'adjectif nucléaire employé ici n'a aucun rapport avec les phénomènes de radioactivité, mais fait juste référence au noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau...).

La physique quantique nous apprend qu'un moment magnétique de spin 1/2 placé dans un champ magnétique extérieur peut avoir 2 énergies possibles (2 niveaux d'énergie). On peut par exemple le constater expérimentalement pour des électrons, c'est l'effet Zeeman (L'effet Zeeman est un phénomène physique, découvert par Pieter Zeeman, physicien néerlandais qui reçut le prix Nobel de physique en 1902.). La RMN consiste à modifier le moment magnétique nucléaire, autrement dit à faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) le noyau d'un niveau d'énergie à un autre, (ce qui revient à « retourner » le spin) par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome...) d'un photon : lorsque l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) (et partant la fréquence de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) électromagnétique) permet cette transition il y a résonance. Pour les champs usuels (de l'ordre du tesla) la résonance du proton a lieu dans le domaine des ondes radio (100 MHz environ) : 42 MHz dans un champ de 1,0 T et 63 MHz dans un champ de 1,5 T.

La relation mathématique existant entre le champ magnétique imposé de norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen...) B0 et la fréquence de résonance (retournement de spin) ν est très simple :

\nu_{0} = \gamma\times {B_{0} \over 2\pi}

γ est le rapport gyromagnétique caractéristique de chaque noyau étudié.

Ainsi le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) suivant donne les valeurs de γ pour les noyaux les plus courants :

Noyau Spin Net γ(MHz/T)
1H 1/2 42,58
31P 1/2 17,25
14N 1 3,08
13C 1/2 10,71
19F 1/2 40,08

On voit ainsi que la fréquence de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) électromagnétique nécessaire pour la résonance du proton est environ 4 fois plus élevée que celle nécessaire pour la résonance du 13C.

La transition du spin vers son retour à l'équilibre (la relaxation) entraîne l'émission d'une onde électromagnétique qui peut être détectée par un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...).

En imagerie par résonance magnétique (IRM), on mesure ainsi la réponse de chaque voxel (volume de base de l'échantillon examiné), déterminant la densité en protons et reconstituant une image.

Historique

  • En 1938, Isidor Isaac Rabi découvre le phénomène de résonance magnétique sur des jets moléculaires.
  • En 1946, Felix Bloch et Edward Mills Purcell précisent la notion de fréquence de résonance.
  • C'est sous le terme de zeugmatomographie (zeugma étant un terme grec signifiant « union ») qu'est apparue son application en imagerie, créée en 1973 par Paul Lauterbur, prix Nobel de physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle,...) et de médecine en 2003 pour cette invention.

Utilisations

Le caractère non destructif de cette technique analytique a conduit à divers développements de cette méthode qui est désormais employée en médecine pour étudier le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) (IRM), ou en chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de...) pour réaliser des analyses structurales.

C'est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action....) de biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont...) très utilisé en génomique structurale pour obtenir une 'image' en 3D des molécules du vivant.

La RMN en chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.)

La RMN est l'outil d'analyse actuellement le plus utilisé en chimie organique. Elle permet d'obtenir des informations qualitatives ou quantitatives sur l'échantillon analysé, suivant la technique employée. Les noyaux les plus souvent étudiés sont le 1H, le 13C, le 31P et le 19F qui présentent tous un spin nucléaire non nul égal à 1/2. L' 14N quant à lui présente un spin nucléaire égal à 1.

L'échantillon à analyser est mis en solution dans un solvant deutérié (voir 2D, un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le...) de l'1H présentant un spin nucléaire égal à un). Ce solvant, généralement du chloroforme (Le chloroforme ou trichlorométhane est un composé chimique organochloré de formule brute : CHCl3.) deutérié, (CDCl3) est normalement invisible en RMN du proton, puisque le deutérium a une fréquence de résonance bien différente de celle de l'hydrogène (le rapport gyromagnétique vaut 6,54 MHz/T dans le cas du Deutérium).

Considérons la RMN au 1H : l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...) chimique des atomes d'hydrogène qui sont reliés chimiquement aux molécules de l'échantillon influent sur la fréquence de résonance de ceux-ci ; ainsi, l'hydrogène d'un groupement alcool (-OH) ν1 aura une fréquence de résonance supérieure à celle de l'hydrogène d'un groupement carboxyle (En chimie organique, un groupe carboxyle est un groupe fonctionnel composé d'un atome de carbone, lié par une double liaison à un premier atome d'oxygène, et par une liaison simple à un second atome...) (-COOH) ν2. Comme la différence entre ces deux fréquences est de quelques Herz, les chimistes ont défini une autre grandeur : le déplacement chimique (chemical shift), et se réfèrent à une fréquence de retournement de spin étalon, celle du tétraméthylsilane (TMS), que l'on introduit dans l'échantillon.

La relation entre la fréquence de résonance ν1 et le déplacement chimique correspondant δ1 est donnée par le calcul suivant :

 
 δ1 = 1000000 * (νTMS − ν1) / νTMS 
 

car νTMS est plus élevée que la fréquence de résonance de la plupart des types de protons.

Dans les cas cités, le déplacement chimique vaut environ 4 pour RO-H , et 11 pour R-COO-H.

La RMN du 1H peut être relativement rapide (ordre d'idée : 2 min) et permet une analyse quantitative aisée. Grâce à l'interprétation de la nature des massifs obtenus (multiplets) et à la connaissance empirique des déplacements chimiques des protons présents dans chaque groupement fonctionnel, il est possible de déterminer la structure développée de toutes les molécules organiques par application d'un raisonnement logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et...) simple.

La RMN du 13C permet de retrouver tous les carbones de la molécule, grâce là aussi à la connaissance empirique des déplacements chimiques des carbones faisant partie de divers groupements fonctionnels. Les appareils récents permettent d'obtenir rapidement les spectres RMN 1H et 13C, ceux-ci avec ou sans découplage du proton.

La RMN en imagerie médicale et biophysique

IRM encéphalique (coupe sagittale passant par la ligne médiane)
IRM encéphalique (coupe sagittale passant par la ligne médiane)

L'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) est une technique d'imagerie médicale permettant d'avoir une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) 2D ou 3D d'une partie du corps. Cette technique est très utile pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la...). Grâce aux différentes séquences (séquence IRM), on peut observer différents tissus avec des contrastes très élevés car la résolution en contraste est nettement meilleure que celle du scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de « parcourir une certaine...).

Voir l'article imagerie par résonance magnétique

La RMN en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire...) structurale

À côté de la radiocristallographie, la RMN est devenue une méthode d'étude des macromolécules biologiques en solution. Elle ne nécessite pas l'obtention de monocristaux et permet d'étudier des protéines, des acides nucléiques à des concentrations millimolaires. Les techniques de RMN multidimensionnelles conduisent à corréler les fréquences de plusieurs spins et de résoudre les ambiguïtés liées aux superpositions spectrales. Des protéines de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) moléculaire de 10 à 30 kDa peuvent être analysées ainsi que des oligonucléotides de plusieurs dizaines de paires de bases.

RMN homonucléaire sans marquage isotopique

Historiquement, les protéines ont été étudiées par la RMN du proton (isotope 1H) présent en abondance. Une première étape consiste à attribuer les résonances, c'est-à-dire à établir une corrélation entre les signaux du spectre et les atomes d'hydrogène de la molécule. Deux expériences clefs sont utilisées, l'expérience de corrélation par les couplages scalaires (HOHAHA ou TOCSY) et l'expérience de corrélation à travers l'espace par effet Overhauser (NOESY). Cette attribution est dite séquentielle, car elle opère par positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position...) relatif d'un noyau par rapport à ses voisins en utilisant l'information de la séquence peptidique. Ce processus d'attribution (semblable à un puzzle) devient de plus en plus complexe à mesure que la taille de la protéine augmente; de plus, l'effet Overhauser se transmet à travers l'espace et ne permet pas de distinguer des noyaux proches dans la séquence peptidique et ceux proches dans l'espace. Des erreurs sont donc possibles qui ne se détectent qu'à la fin du processus, lorsque certaines pièces du puzzle restent sur le tapis.

Une fois les spectres attribués, les informations sont alors utilisées de manière quantitative: les couplages scalaires renseignent sur les angles dièdres et les effets Overhauser sur des distances interatomiques (jusqu'à 4-6 Angstroms). Ces informations sont introduites dans des programmes de modélisation moléculaire pour rechercher une ou plusieurs conformations de la molécules compatibles avec les données. La stratégie est comparable à celle du géomètre qui mesure des distances et des angles entre bâtiments et recalcule un plan de ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations...). Sauf que la portée des distances mesurées en RMN est faible par rapport aux objets évalués; l'accumulation des erreurs expérimentales et/ou le faible nombre de données conduit à des structures localement mal définies.

Deux difficultés limitent la taille des macromolécules étudiables: la complexité des spectres et la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la...) individuelle de chaque signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. ...). Si la taille de la protéine double, le nombre de résonances dans le spectre va doubler sans que la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se...) (c'est-à-dire la largeur spectrale) n'augmente. Une solution consiste à recourir à un spectromètre RMN à plus haut champ… et donc beaucoup plus coûteux. Si la taille double, la masse moléculaire augmente et la protéine tourne plus lentement sur elle-même par mouvement diffusif. Cela conduit à des signaux plus larges, car la relaxation transversale devient plus performante. L'augmentation du champ magnétique est sans effet… et il faut trouver une autre parade au problème (réduction de la viscosité, réduction du nombre de protons voisins…).

RMN hétéronucléaire avec marquage isotopique

Afin de résoudre les superpositions spectrales dans les grosses molécules, il s'avérait nécessaire de passer de la RMN 2D à la RMN 3D. Des essais peu fructueux ont été faits au début des années 90 pour combiner les séquences HOHAHA et NOESY dans une expérience tridimensionnelle. Si on dispose d'une protéine entièrement enrichie en 15N et en 13C, on peut concevoir des expériences de corrélation entre spins, uniquement basées sur des couplages scalaires et permettant de relier tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage sélectif conséquent suite au besoin d'un organisme...) peptidique ainsi que les chaînes latérales. Les isotopes naturellement abondants sont respectivement le 14N (noyau quadrupolaire) et le 12C (noyau invisible en RMN), mais la plupart des protéines étant obtenues par surexpression bactérienne, il est possible de faire des cultures sur des milieux enrichis isotopiquement.

Cette nouvelle stratégie fait appel à une série d'expériences 3D triple résonance: 3D car un spectre tridimensionnel est obtenu, triple résonance car les fréquences de trois noyaux différents sont détectées. Pour des raisons de sensibilité, toutes ces séquences partent du 1H (noyau au rapport gyromagnétique élevé) et se terminent par la détection du même noyau. Dans l'expérience HNCO, on établit donc une corrélation entre le proton amide (HN), son azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant...) (N) et le carbonyle (La fonction carbonyle, C=O, où un atome de carbone est relié à un atome d'oxygène par une double liaison, est une fonction de chimie organique.) (CO) de l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) aminé précédent. Les couplages scalaires utilisés pour les transferts de cohérence sont des couplages 1J (à une liaison) et donc relativement importants (1JNH = 90 Hz et 1JNCO=15Hz). Cela assure donc une grande efficacité de transfert même dans le cas de protéines de masse élevées (largeur de raie). À noter que cette expérience HNCO permet de relier par couplage scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut dépendre de la base.) des acides aminés, ce que la stratégie homonucléaire ne permettait pas (absence de couplage scalaire 3J à travers la liaison peptidique)

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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