Composition d’un spectromètre RMN

Bonsoir à tous,

Un petit mot concernant l’appareillage utilisé en RMN.

Le spectromètre RMN est un instrument complexe et coûteux, tant à l’achat qu’à l’entretien. C’est pourquoi il fait souvent partie des services communs d’un laboratoire : plusieurs équipes de recherche se partagent son utilisation.

Une belle photo d’une coupe de spectromètre est disponible à l’adresse suivante.

La RMN du proton se base sur la transition qui peut se produire entre deux niveaux d’énergie nucléaires, par absorption de l’énergie d’une onde électromagnétique. Ces deux niveaux possèdent la même énergie en absence de champ magnétique (on dit qu’ils sont dégénérés), et sont donc peuplés de la même manière (c’est-à-dire qu’il y a autant de spins nucléaires dont la projection sur un axe Oz est positive, que de spins nucléaires pour lesquels cette projection est négative). En présence d’un champ magnétique, on observe une levée de la dégénérescence, qui s’accompagne d’une variation de population (selon une distribution de Boltzmann). Mais l’écart d’énergie reste très faible, et est proportionnel à la norme du champ magnétique appliqué. C’est pourquoi on utilise des champs magnétiques extrêmement intenses (plus de 100 000 fois le champ magnétique terrestre) (et même avec ceci l’écart d’énergie est toujours très faible).

Pour produire ces champs magnétiques on utilise des aimants de forte puissance. Pour ne pas subir l’effet Joule qui s’accompagnerait l’utilisation de tels aimants, ils sont fabriqués dans un matériau supraconducteur. Celui-ci n’est supraconducteur que pour des températures très faibles, c’est pourquoi il faut refroidir l’aimant. On utilise à cet effet de l’helium liquide (température d’ébullition : 4 K), lui-même étant « encapsulé » dans du diazote liquide (température d’ébullition : 77 K).

Sur l’image en lien sont donc visibles :
– la chambre à helium liquide (9)
– la chambre à diazote liquide (4)
La chambre à diazote est entouré d’un matériau très isolant (2) afin de limiter les échanges thermiques avec la pièce.

L’échantillon à analyser est introduit par le dessus de l’appareil, à travers le tube (13).
La bobine principale pour générer le champ magnétique est visible en (10) et (11) (il faut un champ homogène pour obtenir des signaux exploitables, des bobines annexes visibles en (12) et (14) permettent d’ajuster l’homogénéité).

Le champ magnétique extérieur appliqué est donc homogène, mais ensuite l’effet de blindage par les électrons et les couplages avec les spins nucléaires voisins font qu’un noyau ressent un champ différent, donc résonne à une fréquence différente de celle prévue par la valeur de la norme du champ magnétique appliqué. C’est cet écart qui est exploité pour l’identification de composés en chimie, à travers la notion de déplacement chimique.

Tristan Ribeyre

Cet article appartient à la catégorie Niveau 6 // Bac + 3 : L3, Spectroscopie et a pour mots-clés , , , , , , , , . Ajouter aux favoris le permalien.

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