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Fête de la Science

NEUROSPIN

12-14 Octobre 2007

Principes de la

Résonance Magnétique Nucléaire

Patrick Berthault et Hervé Desvaux

Laboratoire Structure et Dynamique par Résonance Magnétique

URA 331 CEA/CNRS Claude Fréjacques,

DSM/DRECAM/Service de Chimie Moléculaire

CEA/Saclay

Fête de la Science

NEUROSPIN

12-14 Octobre 2007

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12-14 Octobre 2007Fête de la Science, NEUROSPIN

Les prix Nobel du domaine

1943Otto STERN(physique)

Découverte du moment magnétique du proton

1944Isidor RABI(physique)

Mesure de rapports gyromagnétiques nucléaires

1952Felix BLOCH et Edward PURCELL (physique)

Mesure de RMN en phase condensée

1991Richard ERNST (chimie)

Contributions aux développements méthodologiques en RMN à haute résolution

2002Kurt WÜTHRICH(chimie)

Développements de la RMN en vue de la détermination de structures tridimensionnelles de macromolécules biologiques

2003Paul LAUTERBUR et Peter MANSFIELD (médecine)

Découvertes décisives en IRM

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"La ou les découvertes»

1946Stanford

(Bloch, Hansen, Packard)

Spectroscopie: absorption

MIT (Purcell, Pound, Torrey) oscillant transversal Nouvelle spectroscopie utilisant une excitation cohérente 5

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1950 : Hahn: échos de spins

1950 : Yu, Proctor (Stanford), Dickinson (MIT):découverte du déplacement chimique

1951 : Gutowski, McCall et Hahn, Maxwell :découverte du couplage scalaire

1953 :les mêmes:

1955 : Solomon:découverte de la relaxation croisée

1959 : Andrew, Bradbury, Eades :

1966 : Ernst, Anderson :RMN à transformation de Fourier

1971 :Jeener:RMN à 2 dimensions

1973 :

Lauterbur

première image d'imagerie par résonance magnétique

1989 :

Kay, Torchia, Bax:

accès aux mouvements moléculaires par la relaxation

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NEUROSPIN

12-14 Octobre 2007

Les grands principes

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Spectroscopie RMN

Electrons

internes

Electrons

externes

Modes de

vibration

Moments

magnétiques 8

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Champ statique B0

Echantillon

Bobine

Radiofréquence

B1

Console

Le champ B0oriente les micro-

boussoles que sont les moments magnétiques nucléaires. Il y a création

Un champ magnétique

oscillant modifie les populations de ces

Après perturbation, on

tourne autour de B0par la précession de Larmor 9

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Perturbation des niveaux d'énergie

Champ radiofréquence B1

de manière cohérente 10

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Loi de Larmor

0, tout

tourner autour de la direction de B0avec la fréquence :

0= B0/ 2rapport gyromagnétique

(dépend du noyau) 11

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Le moment magnétique nucléaire

Quantification:

Pz = mȲ

z=m Ȳ

Nombre quantique magnétique : m = I, I-1, I--I

Pz= projection du moment cinétique sur z

Z m = +1/2 m = -1/2

Exemple pour un spin ½

Au spin nucléaire est associé un moment magnétique nucléaire. On ne peut connaître que sa projection suivant la direction du champ magnétique Selon la mécanique quantique, il ne peut prendre que quelques valeurs discrètes 12

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Aimant supra-conducteur

Tête de mesure

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Quench ou perte de la supraconductivité

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t f.i.d.spectre B0

Transformée

de Fourier Principes de la RMN à transformée de Fourier Après basculement de xy perpendiculaire à B0 par une impulsion radiofréquence z x y -ci tourne autour de B0, créant un courant dans une bobine. Le signal détecté est une sinusoïde.Une opération mathématique permet de passer du domaine des temps au domaine des fréquences (vitesse de rotation). On obtient ainsi le spectre. 15

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Transformée

de Fourier t f.i.d.spectre B0 Principes de la RMN à transformée de Fourier x y (1 type de noyau) 16

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TF t B0 Principes de la RMN à transformée de Fourier

2 pics

(2 types de noyau)

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Spectroscopie

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Fonction chimique : le déplacement chimique

Ecart entre les fréquences de résonance est proportionnel à B0On exprime le déplacement chimique en partie par million (ppm)

Structure chimique

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Connectivité chimique : le couplage scalaire

modifie la forme et la multiplicité des pics de résonance 0 20

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La RMN liquide en chimie

Déplacements chimiques :

Les différentes fonctions chimiques présentes dans la molécule

Couplages scalaires :

Enchaînement de ces fonctions chimiques

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La dynamique des molécules

Largeurs de raies

Vitesses de retour à

Fonction des mouvements

moléculaires

Fonction des distances

entre les noyaux dynamique interne des biomolécules Temps s

10-1510-1210-910-610-31103

Phénomènes

électroniques

Vibrations

RotationsRéactions chimiques

Mouvements moléculaires lents

Gamme de mouvements étudiables par RMN

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Complexité chimique croissante

Quand la complexité de la molécule croît

Le nombre de raies augmente

Le recouvrement entre les raies augmente

Solution :"Etaler»

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Spectroscopie RMN à plusieurs dimensions

t1, Elle tourne pendant ce tempst1à la vitesse de rotation 1 t1un angle= t1 1

Le spectre acquis pendant t2dépendde cet angle

On obtient ainsi une série de spectresqui dépendent tous de la vitesse de rotation 1temps t1 Du fait du mélange, les aimantations peuvent tourner à des vitesses

1et 2différentes pendant t1et t2

Excitation de MélangeAcquisition du spectre, temps t2

Temps incrémenté t1

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Illustration du principe

Excitation de MélangeAcquisition du spectre pendant le temps t2

Temps incrémenté t1

1= 01erspectre

t1= 0 1= 0

1= 12èmespectre

t1=

1= 2 13èmespectre

t1= 2 25

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Spectroscopie RMN

à deux dimensions

Les spectres sont représentés

comme des cartes géographiques

à base de courbes de niveaux

utilisé, la tâche renseigne sur le fait que les noyaux résonnant aux fréquences Aet Bsont proches spatialement ou via les liaisons chimiques B A 26

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Structures par RMN en phase liquide

En combinant

Déplacements chimiques

(fonction chimique)

Couplages scalaires

(connectivités à travers les liaisons)

Proximités géométriques

On détermine la structure

de biomoléculesen phase liquide

Structure de la protéine

de prion humain 27

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Structures par RMN en phase liquide

En combinant

Déplacements chimiques

(fonction chimique)

Couplages scalaires

(connectivités à travers les liaisons)

Proximités géométriques

On détermine la structure

de biomoléculesen phase liquide

Structure de la protéine

de prion humain 28

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La RMN solide

Interactions dépendent de

par rapport au champ B0

Raies larges

Solution :

0B 29

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Structures par RMN en phase solide

En combinant

Déplacements chimiques

(fonction chimique)

Proximités géométriques

Marquages isotopiques

spécifiques

On détermine la structure de

biomoléculesen phase solide

Structure de films -amyloïde

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Imagerie de Résonance Magnétique

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Gradients de champ

En IRM, on utilise des gradients de

champ magnétique pour coder chaque

La valeur du champ magnétique étant

différente en chaque point, la vitesse de rotation varie. A une vitesse on associe ainsi une position. 32

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Imagerie de Résonance Magnétique

utilisation de gradients de champ dans les trois directions intensité du signal prop. à la densité de spins (Ex: protons de contraste : , T1, T2 33

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Contraste T1TE= 14 ms

TR= 400 ms

Contraste T2TE= 100 ms

TR= 1500 ms

Densité de Proton

TE= 14 ms

TR= 1500 ms

IRM: imagerie multiparamétrique

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Spectroscopie localisée

fréquence sélection de tranche/régionquotesdbs_dbs50.pdfusesText_50

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