Quelles sont les propriétés de résonance magnétique nucléaire?
Résonance magnétique nucléaire
La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une propriété de certains noyaux atomiques possédant un spin nucléaire (par exemple H, C, O, F, P, Xe…), placés dans un champ magnétique. Lorsqu'ils sont soumis à un rayonnement électromagnétique (radiofréquence), le plus souvent appliqué sous forme d'impulsions, les noyaux atomiques peuvent absorber l'énergie du rayonnement puis la relâcher lors de la relaxation. L'énergie mise en jeu lors de ce phénomène de résonance correspond à une fréquence très précise, dépendant du champ magnétique et d'autres facteurs moléculaires. Ce phénomène permet donc l'observation des propriétés quantiques magnétiques des noyaux dans les phases gaz, liquide ou solide. Seuls les atomes dont les noyaux possèdent un moment magnétique donnent lieu au phénomène de résonance. Imagerie par résonance magnétique
La résonance magnétique nucléaire exploite le fait que les noyaux de certains atomes (ou plutôt isotopes atomiques) possèdent un moment magnétique de spin. C'est en particulier le cas de l'atome d'hydrogène 1 que l'on retrouve en grande quantité dans les molécules qui composent les tissus biologiques comme l'eau (HO) et les molécules organiques. En RMN (tout comme en IRM), on place les atomes que l'on veut étudier dans un champ magnétique constant. On peut alors imaginer les spins des noyaux atomiques comme des toupies tournant sur elles-mêmes autour de leur axe et effectuant un mouvement rapide de précession autour de l’axe du champ magnétique (mouvement appelé précession de Larmor). Cette fréquence de précession est exactement proportionnelle à l’intensité du champ magnétique (qui est de quelques teslas pour les appareils d'IRM actuels). On applique alors à ces atomes une onde électromagnétique à une fréquence bien particulière dite fréquence de résonance ou fréquence de Larmor. En effet, pour que le champ oscillant de l’onde électromagnétique puisse avoir un effet notable sur les spins, il faut que sa fréquence soit ajustée au mouvement de précession de ces spins (phénomène de résonance). La fréquence de Larmor étant différente pour des isotopes atomiques différents (à cause d’un rapport gyromagnétique différent), un choix judicieux de cette fréquence permet de cibler quels atomes on va détecter. En IRM, on utilise principalement les atomes d'hydrogène dont la fréquence de résonance est autour de , ce qui correspond à la gamme des ondes radio. En effet, l'atome d'hydrogène qui est constitué d'un seul proton, est très abondant dans les tissus biologiques et en outre, son moment magnétique nucléaire est relativement fort, ce qui fait que la résonance magnétique de l'hydrogène donne lieu à un phénomène de résonance très net et facile à détecter.
Résonance magnétique nucléaire
formula_52 Magnetospheric Multiscale Mission
La reconnexion magnétique est un phénomène par lequel l'énergie se transfert de manière explosive entre le vent solaire et la magnétosphère de la Terre. C'est un des mécanismes à l'origine des aurores polaires. C'est un processus à l'œuvre au niveau du Soleil, autour d'autres planètes ainsi que partout dans l'Univers. Elle joue également un rôle important dans les études scientifiques sur la fusion nucléaire car c'est un phénomène qui fait obstacle à la fusion par confinement magnétique du combustible utilisé dans les prototypes de réacteurs. Enfin les phénomènes de reconnexions sont importants pour les prévisions de météorologie de l'espace qui permettent de préserver les satellites de télécommunications et de navigation lors des éruptions solaires. Anatole Abragam
Le CEA envoie alors ses jeunes physiciens se former à la physique contemporaine à l'étranger. Anatole Abragam part à Oxford faire un PhD. Lors d'un séjour de deux ans au Clarendon Laboratory, il découvre une science débutante, la résonance paramagnétique électronique (RPE), et formalise sous la direction de Maurice Pryce, professeur de physique théorique, la théorie de la RPE dans le groupe du fer lors d'une thèse toujours citée. Toute sa vie, Anatole Abragam gardera de nombreux contacts et amis à Oxford, dont Nicholas Kurti et Brebis Bleaney. Envoyé ensuite à l'université Harvard aux États-Unis, Anatole Abragam y découvre la résonance magnétique nucléaire dont il devient un spécialiste. Déplacement chimique
En résonance magnétique nucléaire (RMN), le déplacement chimique décrit la dépendance des niveaux d'énergie magnétique du noyau avec l'environnement électronique de la molécule. Résonance ferromagnétique
La résonance ferromagnétique, ou RFM (en anglais FMR), est une technique de spectroscopie permettant d'étudier l'aimantation de matériaux ferromagnétiques. C'est un outil standard pour sonder les ondes de spin et la dynamique de spin. Le phénomène de FMR a été découvert par V. K. Arkad'yev lorsqu'il a observé l'absorption de radiation UHF (ultra hautes fréquences) par des matériaux ferromagnétiques en 1911. Une explication qualitative du phénomène de RFM, accompagnée d'une explication des résultats de Arkad'yev a été donnée par Ya. G. Dorfman en 1923 lorsqu'il suggéra que des transitions optiques dues à l'éclatement Zeeman pouvaient fournir une voie d'étude à la structure ferromagnétique. La RFM est très similaire à la résonance magnétique nucléaire (RMN), excepté le fait que la RFM sonde les moments magnétiques des électrons alors que la RMN sonde les moments magnétiques des protons. Résonance magnétique nucléaire
Les applications concernent en particulier la détection des explosifs (contenant de l'azote). Physique de l'imagerie par résonance magnétique
Certains noyaux atomiques sont capables d'absorber et d'émettre de l'énergie radiofréquence lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique externe. En IRM clinique et de recherche, les atomes d'hydrogène sont le plus souvent utilisés pour générer un signal radiofréquence détectable qui est reçu par des antennes à proximité immédiate de la partie de l'organisme examiné. Les atomes d'hydrogène sont naturellement abondants chez l'homme et d'autres organismes biologiques, en particulier dans l'eau et les graisses. Pour cette raison, la plupart des IRM cartographient essentiellement l'emplacement de l'eau et des graisses dans le corps. Les impulsions des ondes radio excitent la transition d'énergie de spin nucléaire et les gradients de champ magnétique localisent le signal dans l'espace. En faisant varier les paramètres de la séquence d'impulsions, différents contrastes peuvent être générés entre les tissus sur la base des propriétés de relaxation des atomes d'hydrogène qui s'y trouvent. Nucléaire
Les armes nucléaires et l'énergie électronucléaire ne faisant pas l'unanimité pour diverses raisons, les industriels développant de nouvelles techniques ou utilisations nucléaires préfèrent éviter l'emploi du terme "nucléaire". Par exemple, le nom retenu pour l'utilisation dans les hôpitaux de la résonance magnétique nucléaire (le nom provient du fait que cette technologie exploite des propriétés des noyaux des atomes) est Imagerie par résonance magnétique (IRM), terme jugé moins connoté. Résonance magnétique nucléaire
Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, les moments magnétiques se mettent à tourner autour du champ magnétique, mais comme il n'y a aucun changement d'orientation lié à leur interaction avec le champ externe (section La précession de Larmor), il ne se passe rien de nouveau. En d'autres termes, le phénomène RMN ne devrait donc pas pouvoir être observé dans ces conditions (). Résonance magnétique nucléaire
Or seuls les isotopes atomiques qui ont un spin nucléaire (et donc un nombre quantique de spin non nul) sont sujets au phénomène de résonance magnétique nucléaire et pourront donc être étudiés en spectroscopie RMN. Par exemple, le noyau de l'hydrogène n'est composé que d'un seul proton, le spin nucléaire de l'hydrogène est donc celui du proton isolé. Comme l'hydrogène H (protium) est un élément très répandu, la résonance magnétique de l'hydrogène (dite aussi "RMN du proton") est une des plus utilisées. Le phosphore 31 (P) et le fluor 19 (F) sont des atomes dont l’abondance naturelle est grande (plus de 99,9 % comme pour l'hydrogène), ce qui permet d'avoir de meilleures données et ils sont régulièrement utilisés en RMN pour analyser des composés. On exploite aussi couramment la RMN du carbone 13 (C) ou celle du deutérium (H), isotopes caractérisés cependant par des abondances naturelles très faibles, mais il faut alors adapter la mesure pour compenser cette faible abondance (concentration, enrichissement en isotope, temps de mesure, appareils plus précis). Résonance paramagnétique électronique
formula_30 Afin de simplifier certains spectres, il peut être opportun d'ajouter un rayonnement radiofréquence du type de ceux utilisés en RMN. Il s'agit alors de résonance double électronique et nucléaire, ou "". Extrêmement basse fréquence
Une méta analyse suggère que les champs magnétiques de 100 μT ou plus interagissent avec d'autres substances cancérigènes ou d'autres agents physiques ou chimiques toxiques chimiques et physiques et renforce leurs toxicité. Le mécanisme des paires de radicaux (effets du champ magnétique sur la recombinaison des paires de radicaux) pourrait expliquer la dose-réponse biphasique observée. Résonance magnétique nucléaire
Le couplage dipolaire scalaire est un excellent indicateur de la présence de liaison chimique et une aide précieuse dans la détermination des structures de molécules organiques. Résonance magnétique nucléaire
Cependant, la RQN ne peut être mesurée que pour les solides, car pour les liquides les mouvements browniens moyennent l'interaction quadripolaire à zéro. Fusion nucléaire
Dans les , ces études montrent que les éléments produits dans une réaction de fusion sont beaucoup moins nombreux et ont une période radioactive nettement plus courte que les déchets générés par la fission nucléaire, sans compter que les ressources naturelles permettant la fusion sont disponibles en quantités gigantesques. La fusion créée dans les étoiles grâce à la très forte gravité est alors envisagée sur Terre à l'aide de champs magnétiques, procédé appelé "fusion magnétique". Nicolaas Bloembergen
Nicolaas Bloembergen quitta les Pays-Bas en 1945 à la suite de la dévastation de l'Europe lors de la Seconde Guerre mondiale pour poursuivre des études universitaires à l'université Harvard. Six semaines avant son arrivée, le professeur d'Harvard Edward Purcell (avec ses étudiants diplômés Torrey et Pound) avait découvert la résonance magnétique nucléaire (RMN). Bloembergen fut engagé pour développer la première machine RMN. Pendant ses études à Harvard, il apprécia les cours professés par Schwinger, Van Vleck et . Sa thèse "Relaxation magnétique nucléaire" fut soumise à la fois à Leyde, où elle remplit les critères de sélection, et à Harvard. Après un bref emploi postdoctoral avec C. J. Gorter aux Pays-Bas, il rejoignit Harvard comme membre junior de la Société des membres en 1949 et fut nommé professeur associé en 1951. Résonance magnétique nucléaire
où formula_72 est la perméabilité magnétique du vide. Résonance magnétique nucléaire
formula_11 Résonance magnétique nucléaire
Immédiatement après l'impulsion l'aimantation retourne progressivement vers l'état initial grâce à la relaxation. Cela donne lieu à une modification du signal mesuré correspondant à la variation de l"'induction libre" (souvent appelée "FID", c'est-à-dire «Free induction Decay» en anglais). Deux constantes de temps, formula_111 et formula_112, sont nécessaires qui caractérisent le retour à l'équilibre de l'aimantation : En pratique, cependant, la relaxation transverse est généralement décrite par un temps T*, inférieur à T, car la décroissance réelle de l'aimantation est amplifiée par les inhomogénéités du champ magnétique statique. Résonance magnétique nucléaire
L'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) est une technique d'imagerie médicale permettant d'avoir une vue 2D ou 3D d'une partie du corps. Cette technique est très utile pour l'observation du cerveau. 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. Liste des réacteurs à fusion nucléaire
La principale distinction se situe entre le confinement magnétique et le confinement inertiel. En confinement magnétique, la tendance du plasma chaud à se dilater est contrecarrée par la force de Lorentz entre les courants dans le plasma et les champs magnétiques produits par des bobines externes. Les densités de particules ont tendance à être de l'ordre de 10 à 10 m et les dimensions linéaires dans la plage de 0,1 à 10 m. Les temps de confinement des particules et de l'énergie peuvent aller de moins d'une milliseconde à plus d'une seconde, mais la configuration elle-même est souvent maintenue grâce à l'apport de particules, d'énergie et de courant pendant des centaines ou des milliers de fois plus longues. Certains concepts sont capables de maintenir indéfiniment un plasma. Résonance magnétique nucléaire
L'environnement électronique de chaque noyau est alors caractérisé par une constante d'écran pour chaque noyau qui contiendra des contributions des deux effets dia- et paramagnétique : formula_60 Résonance magnétique nucléaire de corrélation
La résonance magnétique nucléaire de corrélation (RMN de corrélation) est un ensemble de multiples procédés exploitant la corrélation, c'est-à-dire les interactions, entre plusieurs spins. Contrairement à ce que l'on pense habituellement, la RMN de corrélation n'est pas un synonyme de RMN en deux dimensions. En fait, le nombre de dimensions n'a aucun rapport avec la corrélation des spins. Il est cependant vrai que la plupart des RMN de corrélation se pratiquent en deux dimensions car c'est dans ce cas qu'elles livrent le plus d'informations. On a donc l'habitude de considérer qu'une expérience dont le nom ne porte pas d'indication particulière est, par défaut, une expérience en deux dimensions ; par exemple, une expérience COSY est une expérience bidimensionnelle alors qu'une COSY-1D est son équivalent en une seule dimension et qui peut être menée en haute résolution. Résonance magnétique nucléaire
Puisqu’en l'absence de champ magnétique et à l'équilibre thermodynamique, les moments magnétiques des noyaux peuvent prendre n'importe quelle orientation dans l'espace. La somme vectorielle des N moments magnétiques individuels est donc nulle en moyenne et il n'y a donc aucune polarisation ou aimantation macroscopique résultante: Résonance magnétique nucléaire
Le rapport gyromagnétique est une constante pour un isotope donné. Un résultat fondamental de la mécanique quantique est que le moment cinétique est une propriété quantifiée pour les particules quantiques, et il en est donc de même pour le moment magnétique. Le moment cinétique de spin d'un noyau de spin formula_6 (et donc le moment magnétique également) peut être dans formula_13 états quantiques (les "états propres") différents. Il s'ensuit en particulier que lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, il y a une levée de dégénérescence, c'est-à-dire une séparation en plusieurs niveaux d'énergie (cet effet est connu en Physique comme l'effet Zeeman). Dans le cas le plus simple, c'est-à-dire si le nombre quantique de spin est formula_6=½, par exemple pour l'hydrogène H, il y a ainsi deux états possibles (formula_15), qui sont généralement notés formula_16 et formula_17. Ils ont de plus une énergie différente, mais celle-ci est toujours proportionnelle au champ formula_18 appliqué. Histoire de l'imagerie par résonance magnétique
L'histoire de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) comprend les travaux de nombreux chercheurs qui ont contribué à la découverte de la résonance magnétique nucléaire (RMN) et décrit la physique sous-jacente de l'imagerie par résonance magnétique, dès le début du XXe siècle. L'imagerie par résonance magnétique a été inventée par Paul C. Lauterbur, qui a mis au point un mécanisme permettant d'encoder des informations spatiales dans un signal RMN à l'aide de gradients de champ magnétique en septembre 1971 ; il a publié la théorie qui le sous-tend en mars 1973. Les facteurs conduisant au contraste de l'image (différences entre les valeurs de temps de relaxation des tissus) avaient été décrits près de 20 ans plus tôt par le médecin et scientifique Erik Odeblad et Gunnar Lindström. Parmi les nombreux autres chercheurs de la fin des années 1970 et des années 1980, Peter Mansfield a perfectionné les techniques utilisées pour l'acquisition et le traitement des images par résonance magnétique. En 2003, Lauterbur et lui ont reçu le prix Nobel de physiologie ou de médecine pour leur contribution au développement de l'IRM. Les premiers scanners d'IRM cliniques ont été installés au début des années 1980 et d'importants développements de la technologie ont suivi au cours des décennies suivantes, conduisant à son utilisation généralisée en médecine aujourd'hui. Physique de l'imagerie par résonance magnétique
Le récepteur se compose de la bobine, du préamplificateur et du système de traitement du signal. Le rayonnement électromagnétique RF produit par la relaxation nucléaire à l'intérieur du sujet est un véritable rayonnement EM (dans les ondes radio), et ceux-ci laissent le sujet sous forme de rayonnement RF, mais ils sont d'une puissance si faible qu'ils ne provoquent pas non plus d'interférences RF pouvant être captées par postes de radio à proximité (en outre, les scanners IRM sont généralement situés dans des pièces recouvertes de treillis métallique qui agissent comme des cages de Faraday. ) Résonance magnétique nucléaire
À côté de la radiocristallographie, la RMN est devenue une méthode d'étude des macromolécules biologiques en biologie structurale. 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 ambigüités liées aux superpositions spectrales. Des protéines de masse moléculaire de 10 à 30 kDa peuvent être analysées ainsi que des oligonucléotides de plusieurs dizaines de paires de bases. Résonance magnétique nucléaire
La compréhension avancée de la résonance magnétique nucléaire fait nécessairement appel à la mécanique quantique, car le phénomène RMN concerne les spins nucléaires qui sont des objets purement quantiques et qui n'ont donc aucun équivalent en mécanique classique. Résonance magnétique nucléaire
formula_50. Résonance magnétique nucléaire
formula_64 Résonance
En 1946, les deux américains Félix Bloch et Edward Mills Purcell découvrent indépendamment le phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire également appelé RMN (ce qui leur valut un prix Nobel de Physique). En plaçant un objet dans un champ magnétique et en l'excitant avec une onde radiofréquence de fréquence (de résonance) adéquate, on peut connaître, grâce à un signal qu’émet cet objet en retour, des détails sur sa composition chimique. Par la suite, en 1971, Richard Ernst sera primé pour son travail "spectroscopie à haute résolution par RMN" suivi du suisse Kurt Wüthrich en 2002 pour la "détermination structurale en 3D des macromolécules en solution". Résonance magnétique nucléaire
Le phénomène RMN qui consiste, comme il a été décrit plus haut, en l'absorption d'une onde électromagnétique de fréquence égale ou très proche de la fréquence de Larmor, formula_35, permet de mesurer ce paramagnétisme. Pratiquement, c'est la spectroscopie RMN qui est la technique la plus employée pour réaliser cette mesure. Résonance magnétique nucléaire
La méthode précédente nécessite de modifier progressivement le champ magnétique, assez lentement pour ne pas manquer la résonance. Ceci est un procédé long. La méthode impulsionnelle utilisée sur les spectromètres modernes est beaucoup plus efficace. Dans cette méthode, l'onde électromagnétique radiofréquence est délivrée sous forme d'une brève impulsion (généralement de l'ordre de quelques µs). Plus l'excitation est brève, plus le spectre de fréquences de résonance touchées est large (inversement proportionnel à la durée de l'impulsion). Le signal obtenu après l'impulsion, c'est-à-dire lors de la relaxation, peut être alors analysé par transformée de Fourier. Paul Lauterbur
Le prix Nobel de physique en 1952, qui est allé à Felix Bloch et à Edward Mills Purcell, était pour le développement de la résonance magnétique nucléaire (RMN), le principe scientifique de l'IRM. Cependant, la résonance magnétique a été employée principalement pour étudier la structure chimique des substances. Lauterbur a repris l'idée de Robert Gabillard (Sujet de thèse de doctorat, 1952) qui consistait à créer des gradients dans le champ magnétique pour permettre de déterminer l'origine des ondes radio émises par les noyaux de l'objet étudié. Cette information spatiale permet de construire des images bidimensionnelles. Sa machine IRM originale est située au bâtiment de chimie sur le campus de l'université de l'État de New York. Nano-alliage métallique
À cela s’ajoute les effets d’alliages spécifiques aux nanoparticules. En effet selon la composition et les proportions en éléments d’alliages dans la nanoparticule, les propriétés peuvent varier significativement et l’étude de leurs propriétés magnétiques nécessitent des études expérimentales propres à chaque type d’alliage. De par la rapidité du phénomène de renversement d’aimantation, les nanoparticules d’alliages métalliques sont largement étudiées dans le cadre du stockage magnétique haute densité et pourraient être l’objet d’applications prometteuses dans le domaine des disques dur. L’utilisation de ces nanoparticules en médecine est un sujet pertinent dans le cadre de la recherche contre le cancer. En effet les propriétés d’hyperthermie magnétique (échauffement des nanoparticules dans un champ magnétique) de certaines nanoparticules peuvent permettre de cibler des cellules cancéreuses et améliorer l’efficacité de la chimiothérapie. Propriétés du potentiel newtonien
et que Résonance magnétique nucléaire
L’hamiltonien formula_153 qui concerne l'interaction des spins avec le champ radiofréquence, de fréquence formula_83, appliqué dans la direction "x" perpendiculaire au champ formula_18 pour provoquer des transitions entre niveaux Zeeman (Oscillations de Rabi), formula_156, avec formula_157 (voir Référentiel tournant ↑), peut s'écrire : Résonance magnétique nucléaire
formula_5 Résonance magnétique nucléaire
ou, pour un spin quelconque formula_6, par Résonance magnétique nucléaire
Ainsi pour le proton, les deux états formula_16 (pour formula_19=½) et formula_17 (pour formula_19=-½) auront les énergies suivantes: Perméabilité de la barrière hémato-encéphalique
La SRM est basé sur la résonance magnétique nucléaire, qui permet au travers d'un tomographe à résonance magnétique la spectroscopie en résonance magnétique. Ceci permet de prouver la présence de certaines substances dans le cerveau, ainsi que de leurs produits de réaction, de façon quantitative. Par rapport à l’IRM qui se base sur les spins des protons de l’eau, on s'y intéresse à d'autres noyaux atomiques, notamment F, C, P, ainsi que des protons dans des matières autres que l'eau. Par comparaison avec les protons de l'eau présents en bien plus grandes quantités, les noyaux étudiés, parfois présents uniquement en traces, donnent des signaux bien plus faibles. La résolution spatiale correspond à un voxel (élément de volume séparé) de l’ordre de . On combine facilement la SRM et l'IRM : l'IRM précise la structure anatomique, et la SRM la composition corrélative. On peut par exemple étudier avec la SRM qualitativement et quantitativement la pharmacocinétique des composés fluorés, comme les neuroleptiques trifluopérazine ou fluphénazine, dans le cerveau humain. La spectroscopie par résonance magnétique permet de distinguer quantitativement entre le médicament et ses métabolites. De même, on peut faire la différence entre les états libres et liés de la substance. Magnétisme
L'avènement de la mécanique quantique, et particulièrement la découverte du spin de l'électron en 1925 par George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit, eurent une importance fondamentale. En effet, cela permit d'expliquer l'origine des champs moléculaires gigantesques observés dans les substances fortement magnétiques, dont l'existence ne pouvait être démontrée par la seule interaction dipolaire magnétique entre moments magnétiques atomiques. Werner Heisenberg montra ainsi en 1929 que ces champs étaient d'origine électrostatique et de nature quantique, et qu'ils pouvaient s'interpréter en termes de couplage entre deux spins voisins. Le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), basé sur le couplage entre le moment magnétique du noyau des atomes et le champ magnétique externe, est découvert par Felix Bloch et Edward Purcell en 1946, ce qui leur vaudra un prix Nobel en 1972. Dès les années 1960, des scientifiques comprennent que la RMN peut avoir des applications dans le domaine de la médecine, et c'est ainsi que la première image obtenue par résonance magnétique (IRM) est réalisée par l'américain Paul Lauterbur en 1973. Günther Laukien
Günther Laukien, né le à Eschringen et mort le à Karlsruhe, est un physicien allemand qui participa au développement de la résonance magnétique nucléaire. Résonance magnétique nucléaire
Pratiquement, un gradient de champ formula_118 est ajouté au champ principal dans trois directions orthogonales afin de pouvoir localiser les spins dans l'espace. La résolution spatiale est principalement déterminée par l'intensité du gradient, c'est-à-dire l'amplitude de la variation du champ magnétique en fonction de la distance. En effet, la variation de fréquence entre deux points est directement proportionnelle à ce gradient: Résonance magnétique nucléaire
Il y a donc formula_131 vecteurs propres, c'est-à-dire par exemple deux états quantiques pour un spin formula_132 comme celui du proton. Résonance magnétique nucléaire
L"'hyperpolarisation" est la polarisation du spin nucléaire bien au-delà des conditions d'équilibre thermique. Elle est généralement appliquée aux gaz tels que Xe et He qui sont ensuite utilisés, par exemple, en imagerie par résonance magnétique (IRM) des poumons ou pour l'étude des matériaux poreux. Résonance magnétique nucléaire
La spectroscopie RMN des solides est une technique en plein essor qui bénéficie en particulier de l'augmentation grandissante des performances des spectromètres. Résonance magnétique nucléaire
La principale caractéristique qui les distingue des noyaux de spin 1/2 comme l'hydrogène (H) ou le carbone (C), c'est la présence d'un moment quadripolaire électrique en plus du moment magnétique nucléaire. Ce moment est dû à une distribution anisotrope des charges dans le noyau. Ce moment quadripolaire électrique est susceptible d'interagir avec tous gradients de champ électrique non nul au niveau du noyau. Cette interaction quadripolaire est susceptible de modifier très fortement l'énergie des états quantiques et donc influence la fréquence de résonance et la relaxation. Résonance magnétique nucléaire
Cette technique nécessite un balayage très lent pour que l'aimantation suive en permanence le champ effectif. Résonance magnétique nucléaire
Les signaux RMN peuvent être détectés par des techniques alternatives à la mesure d'une induction magnétique. Ainsi il est possible d'utiliser une détection optique, par exemple, en observant la rotation du plan de polarisation d’un faisceau laser induite par l’aimantation nucléaire. Cette rotation est corrélée à la fréquence de résonance des spins nucléaires. Baptisée « NSOR » (pour Nuclear Spin Optical Rotation), la technique a été testée sur de l'eau et du xénon liquide. Résonance magnétique nucléaire
Que ce soit dans la représentation classique ou quantique de la mesure RMN, il est fait appel à la notion de référentiel tournant. Ceci est lié au fait que, en spectroscopie RMN, la composante magnétique du rayonnement électromagnétique radiofréquence (notée formula_56) est généralement orientée dans le plan perpendiculaire à formula_18. On suppose le champ formula_18 orienté selon l'axe formula_88 du "référentiel du laboratoire" (ou référentiel terrestre); Le champ formula_89 d'amplitude formula_90 oscille alors dans une direction perpendiculaire à formula_88 (par exemple le long de l'axe formula_92) avec une pulsation formula_83 à la résonance égale à la pulsation de Larmor formula_94. Il est cependant difficile de se faire une image correcte de ce qui se passe lors de l'interaction de ce champ oscillant dans la direction formula_92 avec les spins qui précessent à la fréquence de Larmor autour de formula_88. Physique de l'imagerie par résonance magnétique
La première partie de la séquence d'impulsions, SS (pour "Slice Selection" en anglais), réalise une "sélection de tranche". Une impulsion façonnée (représentée ici avec une modulation sinc) provoque une nutation à 90° de la magnétisation nucléaire longitudinale à l'intérieur d'une dalle, ou tranche, créant une magnétisation transversale. La deuxième partie de la séquence d'impulsions, PE, confère un déphasage à la magnétisation nucléaire sélectionnée par tranche, variant avec son emplacement dans l'axe Y. La troisième partie de la séquence d'impulsions, une autre sélection de tranche (de la même tranche) utilise une autre impulsion façonnée pour provoquer une rotation de 180 ° de la magnétisation nucléaire transversale à l'intérieur de la tranche. Cette aimantation transversale se recentre pour former un écho de spin à un instant "T" Pendant l'écho de spin, un encodage de fréquence (FE, pour "Frequency-Encoding" en anglais) ou gradient de lecture est appliqué, faisant varier la fréquence de résonance de la magnétisation nucléaire avec son emplacement dans l'axe X. Le signal est échantillonné "n" fois par l'ADC pendant cette période, comme représenté par les lignes verticales. En général, "n" est compris entre 128 et 512 échantillons prélevés. Résonance magnétique nucléaire
Cependant, les noyaux atomiques ne sont pas isolés, mais ils « baignent » dans un ensemble d'électrons et d'autre part les noyaux se déplacent les uns par rapport aux autres en permanence, car ils sont sujets aux vibrations et rotations moléculaires. Toute cette agitation crée des champs magnétiques internes à la molécule fluctuants en permanence. Ces fluctuations locales vont modifier de manière aléatoire l'orientation et l'intensité des champs ressentis par les noyaux. Ce sont ces fluctuations qui permettent de changer légèrement l'orientation des moments magnétiques de spins dans des échelles de temps de l'ordre de la seconde. Microscopie à force de résonance magnétique
Reconnaître une utilité à placer l'échantillon dans un champ inhomogène est un concept assez contre-intuitif pour un spectroscopiste de la résonance magnétique. La première détection mécanique de la résonance magnétique nucléaire (RMN) fut obtenue par D.F. Evans en 1955 et a longtemps été perçue comme une simple prouesse technique faute d'avoir su exploiter cet intérêt du codage spatial. Résonance magnétique nucléaire
formula_21, avec formula_22 et où formula_23 est la constante de Planck formula_24 divisée par formula_25. Résonance magnétique nucléaire
Il en résulte l'apparition d'une polarisation nette (aimantation macroscopique) non nulle : Imagerie par résonance magnétique
L'imagerie par résonance magnétique a l'avantage d'apporter une bonne visualisation de la graisse, de l'eau, donc de l'œdème et de l'inflammation avec une bonne résolution et un bon contraste. Résonance magnétique nucléaire
formula_40 Résonance magnétique nucléaire
La spectroscopie de résonance quadripolaire nucléaire ou RQN est une technique analytique liée à la RMN. Résonance magnétique nucléaire
Comme cela a été utilisé implicitement dans les sections précédentes (cf. Quantification du moment magnétique ↑), un noyau de spin nucléaire formula_6 est régi par deux équations aux valeurs propres fondamentales, qui concernent formula_121, le carré de l'opérateur moment angulaire de spin formula_122, et formula_123, l'opérateur de projection du spin sur l'axe "z" selon lequel est appliqué le champ magnétique formula_18 externe (voir spin): Les vecteurs propres, solutions de ces deux équations, c'est-à-dire les états quantiques propres du spin, dépendent donc de deux nombres quantiques, formula_6 et formula_19. On les écrira de manière générale formula_129 avec formula_130. Structure nucléaire
Expérimentalement, on observe que les noyaux atomiques émettent, dans certaines conditions, d'intenses rayonnements gamma. Il est connu depuis les premiers développements de la mécanique quantique que ces rayonnements gamma correspondent à des transitions, de nature électromagnétique, entre des états du noyau. On peut se figurer cette suite d'états comme les barreaux d'une échelle : l'émission de rayonnements gamma fait descendre l'échelle, de barreau en barreau, jusqu'à ce qu'on ne puisse plus descendre (on dit alors qu'on a atteint l'état fondamental, l'état de plus basse énergie du système). On parle de rotation collective nucléaire lorsque les énergies de cette séquence d'états se répartissent sur une parabole. On parle de vibration collective lorsque les énergies de la séquence se répartissent sur une droite, et que plusieurs états ont la même énergie mais des moments angulaires différents. Microscopie à force de résonance magnétique
Le procédé s'appuie premièrement sur le phénomène de résonance magnétique, déjà mis en œuvre par l'IRM : un champ magnétique radiofréquence bascule hors d'équilibre les spins s'il est à la fréquence de Larmor. Un gradient de champ magnétique code spatialement cette fréquence de résonance avec une résolution spatiale proportionnelle à son amplitude. Il s'appuie deuxièmement sur la technique de microscopie à force atomique. Le nanodétecteur détecte la résonance des spins grâce à un levier mécanique, capable de vibrer à partir de l'absorption d'une quantité d'énergie très faible. Sa vibration est détectée par un interféromètre laser. Applications du magnétisme
La RMN est associée à une propriété de certains atomes lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique. Cet effet est essentiellement utilisé comme une méthode spectroscopique d’analyse de la matière. La RMN met en jeu des rayonnements électromagnétiques de très faible énergie, elle permet ainsi un examen extrêmement détaillé et non destructif pour l’échantillon. Les atomes dont le noyau présente un nombre impair de protons et de neutrons, possèdent un spin nucléaire, c'est-à-dire un nombre quantique de spin non nul. Placés sous un champ magnétique, ces isotopes atomiques peuvent avoir deux états distincts. En appliquant un rayonnement adapté, un photon pulsé va faire osciller le noyau d’un état d’énergie à l’autre : on parle de résonance. En retournant à son niveau d’équilibre, le noyau émet un photon. Ce rayonnement, en plus d'indiquer la présence du noyau, peut également donner des informations sur l'environnement de la molécule. Dans le cas de l'IRM, on utilise l'atome d'hydrogène présent dans l'eau (formula_8) des cellules organiques. Résonance magnétique nucléaire
Dans les solides, la mesure de l'interaction dipolaire est un moyen puissant d'obtenir les distances interatomiques. Résonance magnétique nucléaire
Dans le champ magnétique de la Terre, les fréquences RMN sont dans la gamme de fréquences audio, ou de la bande de fréquence très basse du spectre des fréquences radio. La RMN en champ terrestre est exploitée dans certains types de magnétomètres, en spectroscopie RMN en champ terrestre (EFNMR) et imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM). Leur caractère portable et peu onéreux rend ces instruments précieux pour utilisation sur le terrain (par exemple, pour l'étude de la glace en Antarctique) et pour l'enseignement des principes de la RMN et l'IRM. Résonance magnétique nucléaire
Le nombre quantique formula_6 caractérisant l'amplitude du moment cinétique de spin nucléaire formula_1 dépend donc lui aussi de la composition nucléaire. Résonance magnétique nucléaire
Le paramagnétisme nucléaire ne peut pas être mesuré directement, car l'aimantation qui en résulte a la même direction que le champ appliqué formula_18, mais avec une intensité souvent négligeable surtout dans les champs magnétiques intenses utilisés en RMN, c'est-à-dire plusieurs teslas dans la plupart des cas. Champ magnétique
La résonance magnétique est un phénomène qui apparaît lorsque certains atomes sont placés dans un champ magnétique et reçoivent un rayonnement radio adapté. Résonance magnétique nucléaire
En effet, la différence d'énergie entre deux états du moment cinétique de spin pour un spin ½ est donnée par Résonance magnétique nucléaire
formula_62 Résonance magnétique nucléaire
formula_119 Résonance magnétique nucléaire
L'apparition de cette aimantation est donc responsable d'un paramagnétisme nucléaire, certes faible, mais mesurable. Résonance magnétique nucléaire
L'interaction quadripolaire ne concerne que les isotopes atomiques de spin égal ou supérieur à 1. Ceux-ci représentent environ les 3/4 des isotopes observables en RMN, parmi lesquels des atomes très importants en chimie comme l'oxygène (O), l'azote (N), le chlore (Cl, Cl)… Analyse isotopique par résonance magnétique nucléaire
Les travaux de E. Tenailleau et S. Akoka ont montré que l’optimisation des paramètres de la technique permet d’atteindre une grande précision pour les mesures de RMN C quantitatives. Physique de l'imagerie par résonance magnétique
La physique de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) concerne les considérations physiques fondamentales des techniques d'IRM et les aspects technologiques des appareils d'IRM. L'IRM est une technique d'imagerie médicale principalement utilisée en radiologie et en médecine nucléaire afin d'étudier l'anatomie et la physiologie du corps et de détecter des pathologies telles que les tumeurs, l'inflammation, les affections neurologiques telles que les accidents vasculaires cérébraux (AVC), les troubles des muscles, des articulations et les anomalies du cœur et vaisseaux sanguins, entre autres. Des agents de contraste peuvent être injectés par voie intraveineuse ou dans une articulation pour améliorer l'image et faciliter le diagnostic. Contrairement à la tomodensitométrie et aux rayons X, l'IRM n'utilise aucun rayonnement ionisant et constitue donc une procédure sûre adaptée au diagnostic chez les enfants et aux analyses répétées. Les patients avec des implants métalliques non ferromagnétiques spécifiques, des implants cochléaires et des stimulateurs cardiaques de nos jours peuvent également avoir une IRM malgré les effets des champs magnétiques puissants. Cela ne s'applique pas aux appareils plus anciens, les détails destinés aux professionnels de la santé sont fournis par le fabricant de l'appareil. Médecine nucléaire
En effet, ses propriétés physiques sont moins optimales : l'énergie de ses photons gamma est faible et la période un peu longue. Les images obtenues sont donc sujettes à la dégradation causée par l'atténuation et la diffusion. Résonance magnétique nucléaire
Dans la méthode continue, le champ radiofréquence étant appliqué en permanence la polarisation est alignée avec le champ effectif. Dans la méthode impulsionnelle, l'application du champ radiofréquence est brève, ce qui fait que chaque moment magnétique (et donc l'aimantation résultant) tourne autour de la direction du champ effectif formula_101 avec une vitesse angulaire Résonance magnétique nucléaire
La méthode de détection inductive des signaux RMN s'applique à des échantillons macroscopiques. Dans un champ homogène d'intensité formula_18, tous les spins nucléaires placés dans un même environnement résonnent à la même fréquence de Larmor, quelle que soit leur localisation spatiale dans l'échantillon. Pour pouvoir réaliser une image, c'est-à-dire localiser les noyaux résonants dans un échantillon, il faut donc placer l'échantillon non pas dans un champ homogène, mais dans un champ inhomogène, de sorte que chaque noyau puisse résonner à une fréquence dépendant de sa position dans l'échantillon. Résonance magnétique nucléaire
Les effets sur la fréquence de résonance disparaissent dans les liquides à cause des réorientations rapides des molécules. L'interaction quadripolaire devient nulle également si le noyau dans un solide est localisé dans un environnement très symétrique (symétrie sphérique du gradient de champ électrique). Imagerie par résonance magnétique
Le principe de l'IRM repose sur le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), c'est-à-dire portant sur le couplage entre le moment magnétique du noyau des atomes et le champ magnétique externe, décrit par Felix Bloch et Edward Mills Purcell en 1946. Au début des années 1970, les nombreux développements qu'a connus la RMN, notamment en spectroscopie, laissent entrevoir de nouvelles applications de cette technique. Ainsi, Raymond Vahan Damadian propose dès 1969 d'utiliser la RMN dans un but médical et appuie sa proposition avec la démonstration que la spectroscopie RMN permet la détection de tumeurs. Résonance magnétique nucléaire
Le couplage dipolaire direct dépend de la distance formula_66 entre deux noyaux formula_67 et formula_68 en interaction et de leurs rapports gyromagnétiques, formula_69 et formula_70. Imagerie par résonance magnétique
Même s'il s'agit en réalité de phénomènes quantiques, on peut se représenter, de façon imagée, que sous l'effet du champ magnétique statique, les moments magnétiques de spin vont progressivement s'aligner dans une direction initialement parallèle à celui-ci et donner lieu à une aimantation globale dans la direction du champ formula_2, dite "direction longitudinale". Par habitude, on note cette direction de la lettre formula_3. et on note l'aimantation longitudinale résultant de l'addition de tous ces moments magnétiques, formula_4. En fait, seule une très faible proportion (environ 0,001 %) des moments magnétiques nucléaires s'aligne dans la direction formula_3, la très grande majorité ne possède pas une orientation stable en raison de l'agitation thermique, néanmoins cette petite proportion de spins qui « s'alignent » est suffisante pour être détectée, c'est pourquoi on néglige le reste des moments magnétiques des 99,999 % restant qui statistiquement se compensent les uns les autres. Résonance magnétique nucléaire
Voir Imagerie par résonance magnétique
Au fur et à mesure que les moments magnétiques retrouvent la direction du champ statique formula_3, le signal oscillant qu'ils émettent va en diminuant, jusqu'à disparaître quand tous les moments magnétiques sont de nouveau alignés longitudinalement, c'est-à-dire dans la direction formula_3. Le temps que mettent les moments magnétiques nucléaires à retrouver leur alignement longitudinal (c'est-à-dire sur la direction formula_3) est baptisé "temps de relaxation longitudinal" et est noté T1. Champ magnétique
En effet, les atomes dont le noyau est composé d'un nombre impair de constituants — en particulier l'hydrogène, dont le noyau se résume à un proton — présentent une sorte de moment magnétique, appelé moment magnétique de spin. Lorsqu'un noyau est placé dans un champ magnétique statique — mécanique quantique oblige — il ne peut être observé que dans deux états distincts. On peut toutefois faire basculer un noyau d'un état à l'autre en appliquant brièvement un champ magnétique oscillant de pulsation adaptée : on parle de résonance. Ce phénomène affectant le noyau d'un atome, on parle de résonance magnétique nucléaire. Résonance magnétique nucléaire
Si le moment cinétique de spin formula_1 est non nul, alors il existe aussi un moment magnétique, formula_9, qui lui est colinéaire. L'amplitude du moment magnétique est proportionnelle à celle du moment cinétique. Le rapport de proportionnalité est appelé rapport gyromagnétique, et il est noté formula_10. Résonance magnétique nucléaire
D'autres effets peuvent intervenir qui sont également susceptibles de modifier le champ local, comme le paramagnétisme électronique, lorsqu’il y a des électrons délocalisés (noyaux aromatiques, liaisons chimiques fortement polarisées, électrons non appariés…) ou non appariés qui vont au contraire augmenter le champ ressenti par les noyaux. C'est alors un effet paramagnétique (appelé parfois « "déblindage" » dans le cas de la RMN). Résonance magnétique nucléaire
Le concept à la base de la technique MRFM combine les idées de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la microscopie à force atomique (AFM). L'IRM conventionnelle utilise une bobine d'induction et un gradient de champ magnétique comme décrit précédemment. La technique MRFM utilise une petite pointe ferromagnétiques (fer/cobalt) pour détecter directement la force magnétique entre l'échantillon et la pointe, lorsqu'elle se rapproche de l'échantillon.Le déplacement est mesuré avec un interféromètre (faisceau laser) pour créer une série d'images 2-D de l'échantillon, qui sont éventuellement combinées pour produire une image 3-D. Maurice Goldman
Ingénieur diplômé de l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (), il rejoint le Commissariat à l'énergie atomique où il occupe les fonctions de physicien puis directeur scientifique de 1955 à 1993. De 1969 à 1983, il dirige le laboratoire de magnétisme nucléaire au Collège de France. Il a été conseiller scientifique au CEA de 1993 à 2004. Maurice Goldman est à l'origine de travaux importants en résonance magnétique nucléaire notamment sur la thermodynamique statistique des systèmes de spins, la relaxation et la polarisation dynamique nucléaires, et la théorie de la RMN de haute résolution dans les liquides. Résonance magnétique nucléaire
Les noyaux les plus souvent étudiés sont l'H, le C, le P et le F de spin nucléaire égal à 1/2. Sont étudiés également l'O de spin 5/2 et l'N de spin 1. Résonance magnétique nucléaire
Les interactions dipolaires magnétiques entre deux spins couplés donnent lieu à une variation d'énergie de leurs états quantiques respectifs, et par conséquent modifient leurs résonances. Résonance magnétique nucléaire
En utilisant les équations de Bloch dans le référentiel tournant, il apparaît que l'on peut définir le champ effectif formula_101 agissant sur les spins de la manière suivante : Polarisation dynamique nucléaire
Cet effet nécessite la présence de deux électrons célibataires comme source de haute polarisation. L'efficacité de la polarisation peut être améliorée en utilisant un écart de fréquence RPE optimisé (proche de la fréquence de Larmor nucléaire). Par conséquent, on utilise une intensité de rayonnement micro-onde moins importante que pour l'effet solide. En pratique on atteint la bonne différence de fréquence par l'intermédiaire d'espèces paramagnétiques orientés aléatoirement possédant un facteur de Landé anisotrope. Ceci dépend de la probabilité de trouver la différence de fréquence recherchée débutant par une raie RPE élargie dont la largeur est plus grande que la fréquence de Larmor nucléaire. Comme la largeur de raie est proportionnelle au champ magnétique B, l'efficacité PDN (ou l'amélioration PDN) est proportionnelle à B. Résonance magnétique nucléaire
Ces interactions peuvent être magnétiques comme c'est le cas pour le déplacement chimique et les couplages dipolaires ou électriques, ce qui est le cas de l'interaction quadripolaire. Résonance magnétique nucléaire
Le phénomène de résonance magnétique nucléaire dépend de l'existence d'une propriété quantique du noyau, le moment cinétique de spin nucléaire, formula_1. En effet, les particules composites (protons et neutrons) entrant dans la composition d'un noyau atomique possèdent un moment cinétique intrinsèque, formula_2, dont l'amplitude est caractérisée par un nombre quantique (le nombre quantique de spin ou plus simplement le "spin") dont la valeur est formula_3=½ pour les protons et neutrons (exactement comme dans le cas de l'électron). Les noyaux atomiques ont un moment cinétique de spin résultant de la composition vectorielle des moments des particules individuelles formula_2 et qui dépend alors du nombre de protons et de neutrons et de leurs orientations relatives à l'état fondamental nucléaire. Domaine de Weiss
Les neutrons interagissent avec la matière par deux mécanismes principaux. Ils subissent d'une part la diffusion nucléaire en raison de l'interaction forte avec les noyaux. D'autre part, ayant un moment magnétique associé à leur moment cinétique intrinsèque, ils ressentent le champ magnétique créé par les moments magnétiques atomiques à l'échelle microscopique. Ce mécanisme de diffusion magnétique des neutrons constitue la source de la plupart des informations dont on dispose sur les structures magnétiques. Résonance magnétique nucléaire
De manière générale, l'énergie est donnée pour les états formula_19 d'un moment cinétique de spin formula_6 par Résonance magnétique nucléaire
Ainsi par exemple, deux protons séparés de 20 Å présentent une constante dipolaire de -. Résonance magnétique nucléaire
Pour le calcul des effets des impulsions radiofréquence, la contribution des interactions internes est généralement négligée et l’hamiltonien est alors le seul hamiltonien effectif pendant les impulsions.