Image magnétique - 1 - Une histoire de spin

La résonance magnétique nucléaire (RMN)

Si la chimie du vivant a fait des progrès considérables ces dernières décennies, elle le doit à principalement aux progrès de la spectroscopie et à l'informatique. Cette dernière est elle-même à l'origine des développements prodigieux des méthodes spectroscopiques, comme la spectroscopie de masse et la résonance magnétique nucléaire.

 

J'ai déjà dit un mot des dernières applications de la spectrométrie de masse à propos des travaux sur le protéomeAvec les spectromètres de masse les plus récents, il devient  par exemple possible d’étudier des protéines entières, sans séquençage préalable. 

 

Exemple d'étude (2014) par RMN - Interaction ADN/protéine : la protéine MC1, une petite protéine architecturale de Methanosarcina qui courbe et compacte l’ADN de ces Archaea ( CNRS UPR 4301)
Exemple d'étude (2014) par RMN - Interaction ADN/protéine : la protéine MC1, une petite protéine architecturale de Methanosarcina qui courbe et compacte l’ADN de ces Archaea ( CNRS UPR 4301)

 La résonance magnétique nucléaire est l'outil indispensable du chimiste organicien dans son travail d'identification de structures de molécules, depuis un demi siècle.

 

Méthode à l'origine peu sensible, et donc limitée à l'étude de composés relativement simples, elle est aujourd'hui incontournable dans l'analyse de systèmes complexes, comme les protéines et bien d'autres macromolécules ; elle est à la pointe de l'imagerie médicale (IRM).

 

Depuis les années 40, les études par RMN ont donc évoluées de la physique de la matière condensée à l'imagerie médicale, en passant par l'analyse chimique et la biologie structurale.

 

 

Dans le cadre de mon feuilleton à propos de la chimie du vivant, je vais donner, en 3 épisodes, quelques éléments récents sur la technique et les applications de la RMN :

 

- 1 - Une histoire de spin

- 2 - Mais que vient faire le chimiste dans cette galère !

- 3 - De l'imagerie par résonance magnétique (IRM) au patient numérique

 


Un peu d'histoire

 

Le phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est mis en évidence en 1938 par le physicien américain Isidor Isaac Rabi, un des pères fondateurs du CERN à Genève (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), qui obtiendra le prix Nobel pour cette découverte en 1944.

 

A noter que Rabi fut contraint de participer au projet Manhattan à Los Alamos. Profondément pacifiste, il fut le plus virulent détracteur du boutefeu Edward Teller, un des pères de la bombe A. En 1967, il est lauréat du prix de l'Atoms for Peace Award.

 

En 60 ans, 5 prix Nobel salueront les découvertes de nouvelles techniques en RMN et leurs applications :

 

- en 1952, Felix Bloch et Edward Mills Purcell, reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur le magnétisme nucléaire par induction (1946),

 

- en 1991, Richard R. Ernst est couronné, en chimie, pour ses découvertes en RMN impulsionnelle (1966) et pour la mise au point des techniques multidimensionnelles qui en découlent,

 

- en 2002, Kurt Wüthrich reçoit le prix Nobel de chimie pour son utilisation de la RMN dans la détermination de la structure tridimensionnelle de macromolécules en solution,

 

- enfin, en 2003, Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield reçoivent le prix Nobel de physiologie et médecine pour leur contribution au développement de l'imagerie par résonance magnétique (IRM).

 

Le phénomène physique

Il est très difficile d'aborder la RMN sans parler physique, physique quantique ou même mathématiques, même si l'on se place du point de vue de l'utilisateur.

 

Ce que je vais dire sur le phénomène est donc plus que schématique, je vais simplement donner quelques repères.

 

1- La RMN est une forme de spectroscopie qui utilise l'interaction entre la matière et une onde électromagnétique (ici dans le domaine des radiofréquences).

 

2 - Le phénomène observé concerne le noyau de l'atome - ou tout du moins d'isotopes d'atomes dont le spin résultant n'est pas nul. C'est le cas du proton (noyau d'hydrogène), de l'isotope 13 du carbone, 15 de l'azote, 17 du fluor, 31 du phosphore...

La RMN du proton est la plus utilisée, notamment pour l'imagerie médicale (la molécule d'eau contient 2 atomes d'hydrogène). 

 

3 - Le noyau d'hydrogène est le plus simple puisqu'il comporte un seul nucléon : un proton.

Le spin de ce proton peut avoir deux valeurs possibles : +1/2 et -1/2.

Le spin est assimilable à un aimant ; à la rotation de la charge du proton (moment cinétique) est associée une propriété magnétique induite.

 

 

4 - Lorsque le noyau est soumis à une induction Bo, le moment magnétique de spin va s'aligner dans le sens de l'induction Bo ou en opposition à cette induction.

 

En fait, étant soumis à une rotation sur eux-mêmes (spin), les moments magnétiques de spins m des noyaux ne s'alignent pas exactement sur Bo, mais entament autour de la direction de Bo un mouvement de précession (ou de rotation) analogue à celui d'un gyroscope ou d'une toupie. 


La transition de l'état magnétique m=+1/2 vers l'état m=-1/2 correspond à un "basculement" du vecteur moment magnétique m.

 5 - A l'échelle d'une collection de molécules (aspect macroscopique), en présence d'un champ Bo, les moments magnétiques de spin m des différents noyaux vont statistiquement être distribués entre deux niveaux d'énergie, les noyaux les plus stables (pour m=+1/2) étant les plus nombreux.

 

L'équation de Boltzmann permet d'évaluer la différence de population entre ces deux états d'énergie ; elle est essentiellement dépendante de la différence d'énergie - qui est très faible- et de la température.

 

 

 Les populations sont donc  très voisines. A titre d'exemple, pour le noyau d'hydrogène étudié à une fréquence de 60 MHz, pour un champ Bo de 14000 gauss (1,4 Tesla), le rapport de la population m=+1/2 sur la population m=-1/2 est de 1,000006.

 

Cet excès de magnétisation s'appelle la magnétisation macroscopique Mo. Ce sont les échanges entre le niveau m=+1/2 et le niveau m=-1/2 qui constituent le phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire. Compte tenu de la faible valeur de cet excès de population à l'état m=+1/2, la technologie de RMN nécessitera une extrême sensibilité. C'est ce qui fait la difficulté de la méthode.

 

En RMN ce sont donc de très faibles énergies qui sont mises en jeu. Les fréquences utilisées pour la résonance sont dans le domaine des ondes radio de la bande FM ! Le schéma ci-dessus montre qu'il conviendra d'utiliser les champs magnétiques les plus intenses possibles pour augmenter la différence d'énergie entre les deux niveaux et observer un signal de résonance correctement résolu.


6 - Pour observer le signal de résonance, c'est à dire la transition entre les deux niveaux d'énergie, il faut provoquer le basculement des vecteurs moments magnétiques.

Pour cela on applique un champ B1, tournant à la même fréquence que la fréquence de rotation des moments magnétique, c'est à dire à la fréquence de Larmor.

 

A l'échelle macroscopique, ce n'est pas un spin que l'on observe mais une collection de spins.

 Si l'on regroupe en un point l'ensemble de ces moments magnétiques on observe deux cônes de moments magnétiques de spin m qui précessionnent à la fréquence de Larmor, et qui, sous l'action du champ B1  basculent sans discontinuer entre les deux états m=+1/2 et m=-1/2. 

 

La magnétisation macroscopique Mo résultante est fonction de la différence de population des états quantiques magnétiques. Elle dépend de la différence d'énergie entre les états m=-1/2 et m=+1/2 qui est proportionnelle à l'induction Bo appliquée et au rapport gyromagnétique (rapport entre le moment magnétique et le moment cinétique) qui est une caractéristique de chaque noyau.

 

La différence d'énergie entre les deux niveaux s'exprime selon l'équation (la seule que je donnerai !) :

 

DE = (h/2p).g.Bo   avec h : constante de Planck, g : rapport gyromagnétique et Bo induction appliquée 

 

A noter que le rapport gyromagnétique du proton est le plus élevé, ce qui est un facteur favorable puisque la sensibilité de la RMN est fonction de DE.

 

Le dispositif expérimental au laboratoire

A partir de la description du phénomène, que je viens de donner, on comprendra que ce dispositif doit être pourvu :

 

- d'un aimant à l'origine du champ Bo. Aujourd'hui pour obtenir les champs magnétiques requis on a recours à des cryoaimants qui utilisent des bobines supraconductrices refroidies à l'hélium liquide. 

- d'un émetteur-récepteur de radiofréquences RF. Cet émetteur est constitué d'une bobine alimentée par un courant alternatif (de fréquence égale à la fréquence de Larmor). Après l'impulsion, cette bobine est utilisée en récepteur pour capter le signal.

- d'un ordinateur couplé à l'émetteur-récepteur et aux différents éléments constitutifs de l'appareillage RMN. Il permet à la fois de piloter le spectromètre, de stocker les signaux, de les transformer en spectre exploitable (voir transformation de Fourier) et de piloter l'enregistreur qui va conduire à la réalisation du spectre papier.


Les progrès constants de la RMN sont dus au développement des technologies dans ces trois domaines avec :

 

- l'utilisation de champ magnétique de plus en plus intense (pouvant dépasser 20 telsa !) grâce à la construction d'aimants supraconducteurs qui doivent être refroidi par un système de dewars (un dewar contenant de l'hélium liquide à -269 deg.C, lui-même entouré d'un second dewar contenant de l'azote liquide à -196 deg.C),

 

- la mise au point de techniques de RMN dite impulsionnelle pour les radio fréquences qui servent à exciter les noyaux avec des durée d'impulsions de l'ordre de la microseconde,

 

- la croissance exponentielle des puissances de calcul des ordinateurs.

 

L'installation d'un appareil de RMN de haute fréquence (on utilise aujourd'hui couramment des fréquences de 400 MHz et plus) requiert donc des salles adéquates de surface respectable (ci-contre)... et un budget global très conséquent qui peut largement dépasser le million d'euros !

 

La compagnie Bruker propose aujourd'hui avec un aimant supraconducteur persistant de 23,5 tesla le premier spectromètre RMN au monde atteignant 1 gigahertz.


J'ai commencé ma carrière en utilisant un appareil Varian A60... à 60 MHz !!!