RMN, tout sur la résonance magnétique nucléaire

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 (proton, carbone, azote, 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.

Deux très grandes infrastructures pour la résonance magnétique en France, qui sont uniques au monde. À gauche, le spectromètre RMN à 1 GHz (aimant de 23,5 T), déjà installé à Lyon, est utilisé par la communauté française et internationale. Avec un aimant de 12 tonnes et haut de 4,5 mètres pour étudier des échantillons millimétriques à l’aide de détecteurs cryogéniques, l’instrumentation est spectaculaire, mais les enjeux aussi. À droite, une maquette de l’aimant IRM Iseult qui sera installé en 2015 à Neurospin (plateau de Saclay, au sud de Paris), pour des études fonctionnelles du cerveau humain. Avec son accès libre de 90 cm, ses 4 m de diamètre et longueur, ses 1.000 ampères de courant, une cryogénie refroidie à 1,8 K, un liquéfacteur d’hélium dédié et ses 150 t, cet aimant est un exploit en instrumentation qui se porte à la hauteur de la tâche : explorer le cerveau humain [a]. © CRMN, CEA 

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 dossier 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. 

Note

Les références (indiquées entre crochets) dans les légendes et dans le texte de ce dossier sont regroupées dans la dernière page.