Spectroscopie 13CRMN

Pour répondre à la perte de sensibilité, il a fallu trouver une alternative à la RMN par simple balayage, la RMN pulsée.

Le problème n'est pas spécifique au \(\textrm{}^{13}\textrm C\), il caractérise les dilutions fortes, soit isotopiques (de nombreux noyaux observables par RMN sont ceux d'isotopes rares), soit par faible sensibilité du noyau étudié (rapport gyromagnétique), soit par un manque d'échantillon en RMN de noyau sensible (tel le proton dans l'étude de traces).

Malgré des systèmes d'amplification du signal de plus en plus performants, la faiblesse de la magnétisation longitudinale ne permet pas, lors d'un balayage unique, d'obtenir un signal suffisant, c'est à dire qui émerge du bruit de fond, important puisque l'amplification est alors maximum. Dans ces conditions, il se pose un problème d'amélioration du rapport signal / bruit ou S/B. La réponse technique à cette demande d'amélioration du signal réside dans l'accumulation des données. En s'assurant de la stabilité des valeurs stockées (nécessité de veiller sur la stabilité du champ, système de verrouillage par un « lock » technique), on va accumuler le signal et, avec lui, le bruit en application du Théorème de Nyquist : pour N accumulations, le signal est multiplié par N alors que le bruit aléatoire ne l'est que par \(\textrm N^{\frac{1}{2}}\) .

Ainsi pour N accumulations, le rapport signal / bruit sera multiplié par \(\textrm N^{\frac{1}{2}}\) , pour 10 000 accumulations le signal est multiplié par 100 relativement à un bruit maintenu identique. Le principe va donc consister à stocker les informations, spectre après spectre, pour in fine, en améliorer la lecture.

Initialement, des spectres classiques obtenus par balayages et nécessitant des temps importants liés à ce seul temps de balayage (de champ ou de fréquence) furent accumulés. Dépassant plusieurs minutes par balayage, on constate que le temps d'accumulation devient vite très (trop) long à la fois pour un rendement scientifique acceptable mais aussi pour espérer une stabilité suffisante des données et donc la pérennité des accumulations.

La RMN pulsée a brillamment répondu à cette difficulté avec deux révolutions techniques :

• l'excitation simultanée de tous les noyaux par une impulsion de courte durée de la radiofréquence \(\textrm B_1\) (durée de l'impulsion domaine de la milliseconde) réduisant fortement les inconvénients du temps de balayage évoqués ci-dessus (connue sous le nom d'avantage de Felgett, mesure simultanée pour toutes les fréquences) ;

• une accumulation des signaux, non pas dépendants des fréquences, mais dépendant du temps, reposant sur la double capacité des ordinateurs à stocker des informations dépendant du temps avec une grande efficacité et un canal temps très étroit (« fréquence du processeur ») d'une part, et d'autre part la capacité de calcul permettant en fin d'accumulation de faire la transformée de Fourrier de cette information dépendant du temps pour la transformer en signal classique dépendant des fréquences.

Comme nous l'avons vu dans l'étude du signal en RMN du \(\textrm{}^1\textrm H\), la population des noyaux concernés par la résonance est définie par la magnétisation macroscopique M. Vous pouvez parcourir à nouveau la théorie du signal développée dans le cours de RMN du \(\textrm{}^1\textrm H\). Le rappel ci-dessous vous résume cette partie.

Globalement :

La projection de M dans le plan xy, Mxy, se décompose en deux magnétisations sur les axes y et x. Comme M est en précession (fréquence de Larmor), Mx et My vont chacun décrire sur leur axe respectif un mouvement rectiligne sinusoïdal, induisant dans une bobine portée par l'axe un courant de réaction (opposé à la magnétisation). Ce courant induit décrit en fonction du temps une sinusoïde de fréquence égale à la fréquence de précession. Cette sinusoïde est amortie par la relaxation transverse (cinétique du 1er ordre accompagnant l'épuisement ou la disparition de Mxy et caractérisée par une constante de temps T₂, le temps de relaxation transverse, dont l'inverse est associé à la largeur de raie). On obtient un courant induit dans la bobine de détection dont la dépendance au temps est décrite par une sinusoïde amortie. C'est le FID , Free Induction Decay, symbolisant le signal dépendant du temps. L'animation suivante illustre le phénomène :

En RMN pulsée, l'accumulation est faite sur le FID. Une fois menée à terme (FID suffisant, on dit « triangulaire », on peut faire la transformée de Fourier et obtenir le spectre classique.