FR2968408A1

FR2968408A1 - Procede de caracterisation d'echantillon solide par spectrometrie rmn et appareil pour la mise en oeuvre du procede

Info

Publication number: FR2968408A1
Application number: FR1060142A
Authority: FR
Inventors: Denis Grenier; Herve Saint-Jalmes
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Rennes 1
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Rennes 1
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-08
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: WO2012076545A1; US20130328562A1; EP2649464A1; FR2968408B1; US9733325B2

Abstract

L'invention concerne un procédé de caractérisation d'un échantillon (2) au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire dans lequel un champ efficace (B ) ayant un vecteur efficace et résultant d'un champ magnétique statique (B ) et d'un champ magnétique radiofréquence (B ) est généré ; caractérisé en ce que le vecteur efficace ( ) est tournant par rapport à un référentiel terrestre. L'invention concerne également un appareil (1) pour la mise en œuvre du procédé.

Description

Domaine technique

L'invention concerne te domaine des procédés de caractérisation d'un objet (matériau, échantillon biologique ou système biologique entier in vivo ou in vitro) au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire. L'invention concerne également le domaine des appareils de spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire pour l'acquisition de l'aimantation d'un objet tel que défini ci-dessus. État de la technique

Afin de pouvoir étudier un objet en spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), il peut être nécessaire de supprimer ou limiter l'influence de certaines interactions se produisant entre les atomes composant l'objet à étudier, par exemple l'interaction dipolaire et/ou quadrupolaire entre les noyaux des atomes. La suppression de ces interactions entre noyaux est généralement effectuée par un moyennage.

Pour un liquide, tel que l'eau contenue dans la grande majorité des tissus biologiques, les molécules se meuvent et subissent des rotations aléatoirement suivant toutes les directions (ce que l'on appelle le mouvement brownien). Ce mouvement brownien est suffisamment rapide pour que, en moyenne, les interactions dipolaires subies par les atomes soient considérées comme nulles ou relativement faibles. C'est pourquoi la spectrométrie RMN est relativement simple à mettre en place pour l'étude d'objets liquides.

En revanche, la spectrométrie RMN pour l'étude d'un objet solide n'est possible qu'à la condition de placer cet objet dans des circonstances permettant de recréer artificiellement l'effet de moyennage des interactions pour que du point de vue de la RMN, l'objet puisse être assimilé à un liquide. En effet, dans un solide, le mouvement brownien n'est plus assez rapide pour que les interactions dipolaires et/ou quadrupolaires perçues par les noyaux soient nulles en moyenne. Notamment, l'interaction dipolaire non nulle va permettre aux noyaux des atomes constitutifs du solide d'interagir entre eux et de répartir leur spin dans toutes les directions. La somme vectorielle (aimantation) des spins est alors nulle. L'annulation de l'aimantation intervient d'autant plus rapidement que l'interaction dipolaire est forte. Souvent, l'interaction dipolaire est suffisamment forte pour que l'aimantation s'annule trop rapidement pour pouvoir être utilisée (mesurée). Les interactions dipolaires et quadrupolaires entre deux noyaux d'atome sont proportionnelles à 1-3.cos2(8), où 8 est un angle formé par un champ magnétique statique appliqué et un vecteur reliant les centres des deux noyaux. Ainsi, pour annuler les effets de ces interactions, il suffit que la moyenne de 1-3.cos2(8) puisse être considérée comme nulle. Si l'angle 8 est, en moyenne, égal à = arccos(3-1/2) ou rr-arccos(3"1/2) (soit approximativement 54,74° ) alors la moyenne de 1-3.cos2(8) est nulle. Cet angle On, est appelé angle magique (Magic Angle en anglais). Afin d'obtenir la moyenne 8,,, pour l'angle 8, le matériau solide est mis en rotation rapide autour d'un axe formant un angle 8m avec le vecteur du champ magnétique statique nécessaire à la spectrométrie RMN. Plus la rotation est rapide, plus l'effet de moyennage des interactions est efficace et plus on se rapproche du comportement d'un échantillon liquide et donc meilleure est la résolution des mesures. La mesure est réalisée dans un référentiel terrestre qui est celui du laboratoire. Cette technique de spectroscopie adaptée aux solides est appelée technique de « rotation à l'angle magique » et plus communément en anglais « Magic Angle Spinning » (MAS). Un inconvénient majeur de ce procédé est la nécessité de mettre l'objet en rotation. Dans le cadre de ta suppression de t'interaction dipolaire, afin d'obtenir une résolution suffisante, la rotation est réalisée à une fréquence comprise entre 1 Hz et 40 kHz. Il n'est donc pas possible d'utiliser ce procédé in vivo, pour étudier, par exemple, des sujets humains.

De plus, ces vitesses de rotation même à une fréquence de 40 kHz sont parfois encore trop lentes pour que l'interaction quadrupolaire éventuellement présente dans l'objet puisse être considérée comme moyennée à zéro. Un deuxième procédé, connu du document US 2008/0 116 889, permet de s'affranchir de la nécessité de la rotation du matériau solide à étudier pour << supprimer » l'interaction dipolaire. Dans ce deuxième procédé, c'est le champ magnétique principal (normalement statique) dans lequel est placé le matériau (équivalent au champ magnétique statique du procédé précédent) qui subit une rotation. La rotation du champ magnétique principat est obtenue en mettant en rotation des aimants. La rotation du champ magnétique principal crée alors la condition nécessaire pour que la moyenne de 1-3.cos2(8) soit nulle.

L'inconvénient majeur de ce procédé est la nécessité de mettre en rotation des aimants de forte masse. En effet, dans un spectromètre RMN classique, l'aimant, qu'il soit supraconducteur ou résistif, permettant de générer le champ magnétique statique, est caractérisé par une masse de plusieurs centaines de kilogrammes voire de plusieurs tonnes. On comprend alors que, même à des fréquences de seulement quelques hertz, mettre en rotation des pièces de plusieurs tonnes implique une modification technologique très importante et coûteuse des spectromètres RMN actuels.

Une autre technique appelée technique des « sandwichs d'impulsion à écho magique » plus communément appelée en anglais « Magic Echo Pulse Sandwich » (MEPS) peut être utilisée sur des objets solides sans nécessiter l'utilisation de pièces mobiles. Cette dernière technique repose sur le fait que, lorsque, en plus du champ magnétique statique Bo, on applique un champ radiofréquence BI, le champ perçu par les atomes est un champ efficace Beff dont les caractéristiques géométriques sont données par l'équation : ' v Be _ B, + Bo - ÿ où vl est la fréquence du champ radiofréquence BI appliqué et y -est le rapport gyromagnétique du noyau étudié exprimé en Hz-T"l (y = 2,68.108 rad-Hz/T et f = Y ). 2-n

Lorsque la fréquence vi, à laquelle le champ BI est appliqué, est égale à J-7. Bo (fréquence de résonance des atomes considérés), le champ efficace Beff perçu par les atomes est égal au champ radiofréquence B,. Il peut être démontré que dans ces conditions, t'interaction dipolaire perçue par les atomes est -1 /2 fois l'interaction dipolaire qu'ils perçoivent en l'absence du champ radiofréquence B,. Le principe des MEPS permet d'annuler l'interaction dipolaire à un instant donné. Pour cela, pendant une partie de la mesure, on laisse les atomes en évolution libre pendant une durée r, durée pendant laquelle ils sont soumis à une interaction dipolaire de valeur Hd. On fait ensuite subir à ces atomes, pendant une durée 2r, un champ radiofréquence BI appliqué à la fréquence f - Bo pour qu'ils soient soumis pendant cette durée 2r à une interaction dipolaire de valeur -1 /2 Hd. Dans ces conditions, à l'instant 31, l'aimantation est totalement affranchie de l'interaction dipolaire (c'est-à-dire que sur l'ensemble des atomes, l'influence de l'interaction dipolaire est nulle, comme si l'aimantation n'avait subi aucune interaction dipolaire). C'est à cet instant 31 que te signal est acquis. Cette technique présente l'avantage de rendre « artificiellement » tournant le champ efficace vu par les atomes grâce au champ magnétique efficace Beff créé. Elle présente également l'avantage de recréer les conditions de mise à zéro de 20 l'interaction dipolaire et quadrupolaire. Par contre, cette condition n'est réalisée qu'au seul instant 3r ; un seul point du signal vérifie alors la condition d'interaction dipolaire nulle. Or, si les interactions dipolaires et quadrupolaires sont importantes, les mesures effectuées quelques microsecondes 25 autour de l'instant 3r peuvent déjà être trop entachées par les interactions dipolaires et/ou quadrupolaires pour être exploitables. Ainsi, avec cette technique, pour acquérir un signal totalement affranchi de l'interaction dipolaire, il faut effectuer une acquisition point par point de ce signal pour différentes valeurs de la durée r et en vérifiant que, pour chaque point acquis à l'instant 3r, la condition d'évolution, dans laquelle les atomes sont en évolution libre (Le. soumis à Hd) pendant une durée r et en évolution imposée par le champ statique Bo (Le. soumis à -1 /2 Hd) pendant une durée 2r, soit remplie. L'acquisition d'un signal pour un échantillon solide se fait donc point par point avec cette technique. Elle est donc beaucoup plus lente (d'un ordre cent à mille) que celle utilisant le MAS.

Présentation

Un but de l'invention est de permettre la spectrométrie RMN d'objets solides, ou comportant des parties solides, de manière rapide et non destructive.

Pour cela, l'invention propose un procédé de caractérisation d'un échantillon au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire comprenant une enceinte dans laquelle est placé l'échantillon, un générateur de champ magnétique statique, un générateur de champ magnétique radiofréquence, et au moins un capteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : - génération dans l'enceinte, par le générateur de champ magnétique statique, d'un champ magnétique statique suivant un vecteur statique; - génération dans l'enceinte et pendant une durée déterminée, par le générateur de champ magnétique radiofréquence, d'un champ magnétique radiofréquence suivant un vecteur radiofréquence ; caractérisé en ce que le procédé comprend en outre l'étape d'acquisition, par au moins un capteur, d'une aimantation de l'échantillon pendant la durée déterminée ; et en ce qu'un vecteur efficace, auquel l'aimantation de l'échantillon est soumise pendant la durée déterminée, est tournant par rapport à un référentiel terrestre pendant la durée déterminée, le vecteur efficace résultant des champs magnétiques statique et radiofréquence, et l'échantillon étant fixe par rapport au référentiel terrestre.

Un avantage de ce procédé est qu'if n'est nécessaire ni de mettre en rotation l'échantillon ni de mettre en rotation le champ magnétique statique (équivalent au champ magnétique principal). Ainsi, il est possible de faire des études in vivo des objets (par exemple des sujets animaux, voir humains) sans nécessiter la modification de l'enceinte abritant un ou plusieurs aimants qui génèrent le champ magnétique statique. Un autre avantage de ce procédé est que l'échantillon est placé dans des conditions pour lesqueltes l'interaction dipolaire est nulle pour chaque atome (et non uniquement son influence sur la totalité de l'échantillon) et ce pendant toute la durée de l'acquisition. D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont : - le champ magnétique radiofréquence est modulé de manière à ce que le champ efficace appliqué à l'échantillon aie son vecteur v~ efficace donné par Beff = B, + Bo - -' et définissant un angle (8m) Y ,

d'approximativement 54,74° avec le vecteur statique, vl étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor vo due au champ magnétique statique, cette fréquence vl étant due au champ magnétique radiofréquence ; - le vecteur efficace est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique ; - le vecteur efficace est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique à la fréquence de Larmor ; et - l'acquisition de l'aimantation de l'échantillon est effectuée par au moins deux capteurs ; un premier capteur placé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au vecteur statique, ayant une fréquence proche de la fréquence efficace, et au moins un deuxième capteur ptacé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au plan orthogonal au vecteur statique, ayant une fréquence proche de la fréquence de Larmor.

L'invention propose également un appareil de spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire pour l'acquisition d'une 15 aimantation d'un échantillon comprenant : - un support d'échantillon fixe par rapport à un référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil ; une enceinte dans laquelle est placé le support d'échantillon ; 20 - un générateur de champ magnétique statique pour ta génération d'un champ magnétique dans l'enceinte suivant un vecteur statique ; - un générateur de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ magnétique radiofréquence dans l'enceinte 25 suivant un vecteur radiofréquence pendant une durée déterminée ; caractérisé en ce que l'appareit comprend en outre au moins un capteur pour mesurer l'aimantation de l'échantillon pendant la durée déterminée D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont : - le générateur de champ magnétique radiofréquence comprend au moins deux aimants ou bobines générant chacun un champ magnétique radiofréquence de manière à ce que le champ magnétique efficace, résultant des deux champs magnétiques radiofréquences des aimants ou bobines et du champ magnétique statique, ait un vecteur efficace tournant par rapport au référentiel terrestre ; - un premier capteur est placé suivant le vecteur statique et réglé de manière à acquérir des signaux à des fréquences proches d'une fréquence efficace résultant d'un champ magnétique efficace appliqué à l'échantillon tel que : v~ Serf = B, + \Bo Y, vl étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor due au champ magnétique statique, la fréquence vl étant due au champ magnétique radiofréquence ; et d'un Veff - y ' Beff étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau atome étudié ; au - deux deuxièmes capteurs sont placés dans un plan orthogonal fréquence vecteur statique et adaptés pour acquérir un signal à une de Larmor due au champ magnétique statique avec : vo =ÿ-Bo, Y -étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau d'un atome étudié ; - le générateur de champ magnétique statique, le générateur de champ magnétique radiofréquence et te ou les capteurs sont fixes par rapport au référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil.

Présentation des dessins D'autres caractéristiques, buts et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif, parmi lesquels : les figures 1a à 1c sont des représentations détaillées des effets des champs magnétiques utilisés habituellement en spectrométrie RMN sur tes moments magnétiques de spin de noyau d'atome étudié ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une molécule de phénol prise comme exempte dans la partie « principe 15 de la spectrométrie RMN » de la description ; - la figure 3 est une représentation schématique d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation particulier de l'appareil de la figure 3 ; 20 la figure 5 présente schématiquement un exempte de mise en oeuvre du procédé de l'invention ; et - la figure b est un chronogramme montrant les champs magnétiques générés (en haut le champ magnétique radiofréquence et en bas le champ magnétique statique) ainsi que l'étape 25 d'acquisition pendant la mise en oeuvre du procédé de la figure 5.

Description détaillée

Principe de la spectrométrie RMN Ci-après est décrite la méthode classique d'acquisition de signaux en spectrométrie RMN. De manière générale, la spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire (spectrométrie RMN) consiste à acquérir un signal proportionnel à la somme des moments magnétiques de spin des atomes d'un élément contenu dans un objet placé dans un champ magnétique, par exemple les atomes d'hydrogène 1H (cette spectrométrie est alors dite RMN du proton), de deutérium (2H), de carbone 13 (13C), etc. On représente classiquement un moment magnétique de spin comme un vecteur ayant une direction, un sens et une norme. Chaque atome considéré possède un moment magnétique de spin. La somme vectorielle des moments magnétiques de spin d'un matériau est appelée son aimantation.

En l'absence de champ magnétique appliqué, les moments magnétiques de spin des atomes étudiés sont orientés aléatoirement dans l'espace. L'aimantation est alors nulle en moyenne. Le champ magnétique dans lequel est placé le matériau est constitué d'un champ magnétique statique par rapport à un référentiel terrestre qui est celui du laboratoire, et d'un champ magnétique radiofréquence. Le champ magnétique statique est appliqué sur l'échantillon en permanence tout au long de l'expérience. Le champ magnétique radiofréquence est appliqué de manière impulsionnelle (c'est-à-dire de manière brève pendant une durée déterminée). L'aimantation de l'objet est mesurée en l'absence de champ radiofréquence. Les figures la à l c illustrent la technique connue de ta RMN qui consiste à générer un champ magnétique statique Bo suivant un vecteur statique Bo de manière continue dans une enceinte 11 dans laquelle est placé un objet 2 du matériau étudié, à générer un champ magnétique radiofréquence BI sous ta forme d'une impulsion radiofréquence suivant un vecteur radiofréquence B, pendant une 5 durée déterminée T dans l'enceinte A2, et acquérir l'aimantation M de l'échantillon Al après une durée d'évolution prédéterminée. La figure 1a montre l'influence du champ magnétique statique Bo sur les moments magnétiques de spin des atomes (représentés par des vecteurs S ayant pour origine un point commun dans l'espace). 10 Sous l'action du champ magnétique statique Bo, l'angle que fait chacun des moments magnétiques de spin S des atomes avec le vecteur statique Bo se fixe et ces moments magnétiques de spin S effectuent un mouvement de précession autour du vecteur statique Bo . Le lien entre l'intensité du champ statique Bo et la fréquence 15 de rotation vo des aimantations est donné par la relation : vo =ÿ-Bo; étant appelé le rapport gyromagnétique du noyau considéré exprimé en Hz-T-1. Il peut être démontré que dans ces conditions la somme 20 vectorielle de tous les moments magnétiques de spin S n'est alors plus nulle en moyenne. Cette somme de moments magnétiques de spin :S- donne l'aimantation M du matériau qui est en moyenne non nulle et suivant la direction et le sens du vecteur statique Bo . La figure 1 b montre l'influence du champ magnétique 25 radiofréquence BI (représenté par le vecteur radiofréquence B-1, habituellement choisi orthogonal au vecteur statique Bo ).

Sous l'action du champ magnétique radiofréquence B,, l'aimantation M du matériau effectue une rotation autour du vecteur radiofréquence 81 dont l'angle est proportionnel à t'intensité et à la durée déterminée T de génération du champ magnétique radiofréquence Bi. De manière habituelle, la durée T est choisie pour que l'angle de rotation soit de 90°(rr/2) ou 180° (TF). De manière illustrative, a été représentée sur ta figure 1 b une rotation de 90°. L'aimantation M effectue, en fait, un mouvement de précession 10 autour du vecteur statique ào pendant ta rotation de 90° ou de 180°. La figure 1c montre l'évolution de l'aimantation Mdu matériau après la durée déterminée T, alors que te champ magnétique statique Bo continue à être généré et alors que le champ 15 magnétique radiofréquence BI ne l'est plus. Dès que le champ magnétique radiofréquence BI n'est plus appliqué dans l'enceinte 11, l'aimantation M va revenir à l'état d'équilibre par perte d'énergie. Ce retour à l'état d'équilibre se fait suivant un mouvement de précession (voir flèche F sur la figure 20 1c) à une fréquence propre à chacun des moments magnétiques de spin S composant l'objet. La fréquence du signal magnétique engendré par le retour à t'état d'équilibre d'un atome n'est pas ta même pour le même élément si celui-ci peut se trouver dans des environnements 25 électroniques différents. Par exemple, le phénol comprend six atomes d'hydrogène Ha, Hb, Hc, Hd, mais les moments magnétiques de spin S de chacun des atomes ne vont pas tous revenir à l'état d'équilibre à la même fréquence. Il y a quatre groupes d'atomes d'hydrogène (voir figure 2) : l'atome hydrogène Ha relié à l'atome d'oxygène 0, les atomes d'hydrogène Hb en position dite « ortho », les atomes d'hydrogène Ht en position dite « méta » et l'atome d'hydrogène Hd en position dite « para ». Chacun des groupes voit son moment magnétique de spin 5 revenir à l'état d'équilibre à une fréquence différente de celle des autres groupes car leurs environnements électroniques sont différents. Néanmoins, ces différences sont minimes. Elles peuvent malgré tout être distinctement détectées.

Le signal total acquis est alors une somme des signaux magnétiques à diverses fréquences. Une transformée de Fourrier permet de mettre en évidence ces différentes fréquences, formant ainsi un spectre RMN de l'échantillon. Ci-après, à des fins d'illustrations uniquement, la spectrométrie RMN du proton (c'est-à-dire de l'hydrogène 'H) sera prise comme exemple. Ceci ne limite pas l'invention à la seule spectrométrie RMN du proton, mais l'homme du métier saura aisément adapter la description qui suit à la spectrométrie RMN d'autres atomes. Pour les champs magnétiques, î3' représente te vecteur du champ 20 magnétique et B représente l'amplitude du vecteur associé et réfère également au champ magnétique.

Appareil

25 En référence aux figures 3 et 4, un appareil 1 de spectrométrie RMN pour l'acquisition d'une aimantation d'un échantillon est ci-après décrit. L'appareil 1 de spectrométrie RMN comprend un support 12 d'échantillon pour recevoir l'échantillon 2. Le support 12 est destiné à rester fixe par rapport à un référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil 1. L'appareil 1 comprend également une enceinte 11 dans lequel est placé le support 12 d'échantillon. Cette enceinte 11 forme un volume dans lequel des champs magnétiques seront générés. L'appareil 1 comprend encore un générateur 13 de champ magnétique statique pour la génération d'un champ magnétique statique Bo dans l'enceinte 11 de vecteur statique Bo . Ce champ magnétique statique Bo permet de rendre ta somme vectorielle des moments magnétiques de spin 5 des atomes d'hydrogène non nulle suivant la direction du vecteur statique Bo sans pour autant rendre les moments magnétiques de spin 5 individuellement colinéaires au vecteur statique Bo . La somme des moments magnétiques de spin S est l'aimantation macroscopique M, celle ci est colinéaire au vecteur statique Bo et de même sens. Les moments magnétiques de spin 5 forment avec ce vecteur statique i3-0 des angles fixes et effectuent un mouvement de précession autour du vecteur statique Bo à la fréquence de rotation vo. L'appareil comprend également un générateur 14 de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ magnétique radiofréquence BI dans l'enceinte 11 de vecteur radiofréquence 81 . Le champ magnétique radiofréquence BI est généré, pendant une durée déterminée T, sous forme d'une impulsion appliquée à la fréquence radiofréquence v,. Le champ radiofréquence BI est modulé de manière à ce que la résultante des champs magnétiques statique Bo et radiofréquence BI vue par les atomes tourne. Cette résultante est appelée champ efficace Beff de vecteur efficace Beff et définie par : Beff - B, + i v~ 80 - 1 \ Y/ avec y- le rapport gyromagnétique du noyau étudié et le vecteur 5 fréquence v, colinéaire au vecteur statique 80 . Le champ magnétique radiofréquence B1 permet ainsi de faire tourner l'aimantation M autour du vecteur efficace Beff . L'appareil 1 comprend au moins un capteur 15, 16 pour acquérir l'aimantation M de l'échantillon pendant la génération du champ 10 magnétique radiofréquence B1. Cette acquisition est effectuée pendant la durée déterminée T. L'appareil 1 comprend en outre un actionneur 17 pour commander la génération du champ radiofréquence B1 de manière sinusoïdale. 15 Lorsque l'amplitude du champ radiofréquence B1 ainsi que sa fréquence d'application v1 vérifient la relation : arctan =en,i v l B, = B0 -1- tan(em ). \ Y,

8m étant l'angle magique, Les interactions dipolaires et 20 quadrupolaires perçues par l'objet sont nulles en moyenne et l'acquisition du signal pendant l'application du champ radiofréquence B1 d'amplitude et de fréquence ci-dessus définis permet de s'affranchir de ta nécessité de mettre en rotation l'échantillon 2 ou le générateur 13 de champ magnétique statique. Ainsi, il est possible d'étudier des échantillons quel que soit leur état (notamment solide, mais aussi liquide, gazeux, voire un mélange de ceux-ci), voire d'étudier les tissus d'un animal ou d'un être humain in vivo. La fréquence de rotation de l'aimantation M (due au champ efficace tournant Beff) peut être portée à une valeur élevée (supérieure à la centaine de kilohertz et éventuellement atteindre le mégahertz) par rapport à la technique antérieure de MAS qui se cantonne à quelques dizaines de kilohertz. Dans un mode de réalisation, le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence est composé d'un seul aimant ou bobine. L'actionneur 17 commande alors le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ radiofréquence BI modulé sinusoïdalement afin de faire tourner le champ efficace Beff. Dans un autre mode de réalisation, le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence peut comprendre au moins deux aimants ou bobines 141, 142 (voir figure 4) générant chacun un champ magnétique radiofréquence partiel. Ceci permet d'obtenir un champ radiofréquence BI dont l'amplitude est plus intense. L'actionneur 17 commande alors la génération des champs magnétiques radiofréquences partiels par les deux bobines 141, 142, de manière à ce que le champ efficace Beff résultant des deux champs magnétiques radiofréquences partiels des bobines 141, 142 et du champ magnétique statique Bo aie un vecteur efficace Éte tournant autour du vecteur statique ào pendant la durée déterminée T. Les champs magnétiques radiofréquences partiels sont par exemple modulés sinusoïdalement et en quadrature de phase l'un par rapport à l'autre (ce qui revient à avoir un champ magnétique radiofréquence partiel modulé par une fonction sinus et l'autre par une fonction cosinus).

Pendant l'application du champ radiofréquence B,, dont la fréquence vl et l'amplitude BI répondent à la condition : i v1 B0 \ Y/

les moments magnétiques de spin- et donc l'aimantation résultante M sont animés d'un mouvement de précession autour du 10 vecteur efficace Beff défini par : Beff = + rotation autour du vecteur statique Bo à la fréquence de Larmor 15 vo =ÿ- Bo. Lorsque la fréquence de précession autour du champ efficace Beff est suffisamment grande (Le. du même ordre que les fréquences utilisées dans tes techniques MAS, supérieures à quelques hertz) un moyennage de l'interaction dipolaire et éventuellement 20 quadrupolaire présente dans l'objet est obtenu. La fréquence de rotation virtuelle veff responsable du moyennage des interactions dipolaires et quadrupolaires étant réglée simplement par l'intensité du champ radiofréquence B, appliqué ce n'est plus ni l'échantillon ni le champ statique Bo qui doivent être B1 arctan = 8n, , B 0 \ Yi Ce mouvement de précession a lieu à la fréquence veff = Beff . Le vecteur efficace Beff du champ efficace Beff est lui-même en mis en rotation et inclinés à l'angle magique 8m mais seulement le champ efficace Beff, cette dernière opération étant effectuée en choisissant de manière adéquate la fréquence vl et l'amplitude du champ radiofréquence Bi.

Ainsi, toutes les parties de l'appareil 1 restent fixes pendant son fonctionnement. Cela n'induit donc aucune usure mécanique de l'appareil 1 et limite énormément les risques de pannes ou de mauvaise manipulation. Un premier capteur 15 peut être placé suivant le vecteur statique ào et être réglé de manière à détecter des fréquences autour de la fréquence effective Veff. La fréquence effective veff est due au champ magnétique efficace Beff vu par l'échantillon 2. Le champ magnétique efficace Beff résulte de la combinaison des champs magnétiques statique Bo, et radiofréquence BI (sans prendre en compte l'environnement électronique de l'atome d'hydrogène), et a pour formule, la relation suivante : v-, Beff - B~ + Bo - - Y, La fréquence vl est la fréquence d'application du champ BI, c'est une fréquence proche de la fréquence de Larmor du noyau étudié vo = Y ' Bo

La relation suivante donne la fréquence effective veff : veff = Y ' Beff Ainsi, le premier capteur 15 permet d'acquérir des signaux ayant des fréquences proches de la fréquence efficace Veff qui correspondent aux signaux résultant du mouvement de précession des moments magnétiques de spin 5 des atomes d'hydrogène de l'échantillon 2 autour du champ efficace Beff.

Deux deuxièmes capteurs 16 peuvent être placés dans un plan orthogonal au vecteur statique Bo et adaptés pour acquérir des signaux à la fréquence de Larmor vo. Le ou les capteurs 15, 16 sont découplés du ou des générateurs 5 14 ; 141, 142 de champ magnétique radiofréquence Bi. Ce découplage peut être effectué géométriquement ou électroniquement. L'utilisation des premiers et deuxièmes capteurs 15, 16 permet d'acquérir les variations de l'aimantation M suivant les trois 10 dimensions de l'espace dans le repère du laboratoire. De manière générale, la configuration des capteurs peut être choisie parmi les suivantes un seul capteur pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor vo; 15 - deux capteurs orthogonaux pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor vo; - deux capteurs, dont un pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor vo et un pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la 20 fréquence efficace veff ; - trois capteurs, dont deux pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor vo et un pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence efficace veff. 25 21 Procédé

En référence aux figures 5 et 6 est ci-après décrit un procédé de caractérisation d'un échantillon au moyen d'un appareil de 5 spectrométrie RMN décrit ci-dessus. Préalablement au procédé, un échantillon 2 est placé sur le support 12 de l'appareil 1 RMN à l'intérieur de l'enceinte 11. Le procédé comprend une étape de génération E1 dans l'enceinte 11 de l'appareil 1, par le générateur 13 de champ 10 magnétique statique, d'un champ magnétique statique Bo de vecteur statique Bo . Le procédé comprend également une étape E2 de génération dans l'enceinte 11, par le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence, d'un champ magnétique radiofréquence BI de 15 vecteur radiofréquence B1. Le champ magnétique radiofréquence B1 est généré, pendant une durée déterminée T, sous forme d'une impulsion I. L'amplitude B1 du champ magnétique radiofréquence B~ de fréquence vl est donnée par la relation : l 20 arctan 81 en, 8n, étant l'angle magique. Le champ magnétique radiofréquence BI est, pendant ta durée déterminée T, modulé de manière à ce qu'un champ efficace Beffvu par les atomes de l'objet résulte des champs magnétiques statique 25 Bo et radiofréquence BI, et de vecteur efficace Beff tournant par rapport à un référentiel terrestre, tel que : Beff - B, + Le vecteur efficace Beff du champ efficace Beff est animé d'un mouvement de précession autour du vecteur statique 8o à ta fréquence vo, Le champ radiofréquence B, a été choisi pour que le vecteur efficace Beff forme un angle magique de 0n, de 54,74° avec le vecteur statique Bo . Le champ magnétique radiofréquence Bf peut ne comprendre qu'une seule composante modulée sinusoïdalement. Dans ce cas, seul le vecteur efficace Beff tourne par rapport à un référentiel terrestre. Le champ magnétique radiofréquence BI peut également comprendre deux composantes modulées sinusoïdalement et en quadrature de phase. Dans ce deuxième cas, les vecteurs radiofréquence B, et efficace Beff tournent par rapport à un référentiel terrestre.

L'application du champ efficace Beff, formant l'angle magique 0m avec le champ statique Bo, permet de s'affranchir de la nécessité de mettre en rotation physique l'échantillon 2 ou te générateur 13 de champ magnétique statique. Ainsi, il est possible d'étudier des échantillons quel que soit leur état (notamment solide, mais aussi liquide, gazeux, voire un mélange de ceux-ci), voire étudier les tissus d'un animal ou d'un être humain vivant. De plus, la fréquence de rotation de l'aimantation hi (due au champ efficace Beff tournant et proportionnelte à la fréquence effective veff) peut être portée à une valeur élevée, pouvant dépasser le mégahertz, par rapport à la technique antérieure qui se limite à quelques dizaines de kitohertz.

L'expérimentateur choisit ta vitesse de rotation virtuelle, proportionnelle à la fréquence efficace veff, qu'il veut imposer à l'échantillon. Une fois cette vitesse de rotation effective choisie (entre quelques hertz et le mégahertz), l'amplitude du champ radiofréquence BI ainsi que sa fréquence résolvant te système d'équation : \2 2 V1 2 B1 + Bo - _ = B2 eff avec Bo, Beff et y connus. 10 Le procédé comprend encore une étape d'acquisition E3, par au moins un capteur 15, 16, d'une aimantation M de l'échantillon 2. Cette étape d'acquisition E3 est réalisée pendant la durée déterminée T et dure une durée d'acquisition Ta comprise dans la 15 durée déterminée T. Ainsi, grâce à ce procédé, on peut s'affranchir de ta nécessité d'effectuer des mesures point à point imposée dans la technique MEPS. L'étape d'acquisition E3 peut comprendre la sous-étape 20 d'acquisition E31 de signaux magnétiques ayant une fréquence proche de la fréquence efficace Veff- Ce signal basse-fréquence renseigne sur l'évolution au cours du temps des aimantations suivant l'axe du champ statique Bo. L'étape d'acquisition E3 peut également comprendre ta sous- 25 étape d'acquisition E32 de signaux magnétiques ayant une fréquence proche de la fréquence de Larmor vo. Cette étape v, sont trouvées en permet de suivre l'évolution du signal au cours du temps dans le plan perpendiculaire au vecteur statique Bo . Les signaux recueillis par les capteurs 15, 16 peuvent ensuite être filtrés E4 pour éliminer des signaux parasites provenant des générateurs 13, 14 ; 13, 141, 142 de champs magnétiques. Les signaux recueillis sont ensuite traités E5 pour reconstruire un signal tridimensionnel décrivant au cours du temps l'évolution de l'aimantation M de l'échantillon 2. Le signal tridimensionnel peut être mis sous la forme d'un signal quaternionique c'est-à-dire sous la forme d'un signal dont chaque point est mis sous ta forme a+ib+jc+kd avec a,b,c,d réels et i2=j2=k2=ijk=-1. A chaque instant t de l'acquisition, le signal tridimensionnel peut être décrit en coordonnées sphériques par trois paramètres (p, c)) correspondants à l'amplitude, la latitude et colatitude du signal.

Enfin, une étape de démodulation E6 peut être effectuée sur le signal tridimensionnel pour le représenter dans le référentiel terrestre selon un repère fixe.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation d'un échantillon (2) au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire comprenant une enceinte (11) dans laquelle est placé l'échantillon (2), un générateur (13) de champ magnétique statique (Bo), un générateur (14) de champ magnétique radiofréquence(BI), et au moins un capteur (15, 16), le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) génération (E1) dans l'enceinte (11), par le générateur (13) de champ magnétique statique, d'un champ magnétique statique (Bo) suivant un vecteur statique (Bo ), (b) génération (E2) dans l'enceinte (11) et pendant une durée déterminée (T), par le générateur (14) de champ magnétique radiofréquence, d'un champ magnétique radiofréquence (BI) suivant un vecteur radiofréquence (B, ) ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape (c) d'acquisition (E3), par au moins un capteur (15, 16), d'une aimantation (M ) de l'échantillon (2) pendant tout ou partie de la durée déterminée (T) ; et en ce qu'un vecteur efficace ( Beff ), auquel l'aimantation (M ) de l'échantillon (2) est soumise pendant la durée déterminée (T), est tournant par rapport à un référentiel terrestre pendant la durée déterminée (T), le vecteur efficace ( Beff ) résultant des champs magnétiques statique (Bo) et radiofréquence (B,), et l'échantillon 25 (2) étant fixe par rapport au référentiel terrestre.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le champ magnétique radiofréquence (B,) est choisi de manière à ce que lechamp efficace (Beff) appliqué à l'échantillon aie son vecteur 1 efficace (Beff ), donné par Beff = B, + \80 - v - efficace et définissant un angle (0m) d'approximativement 54,74° avec le vecteur statique (Bo ), vl étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor vo due au champ magnétique statique (Bo), cette fréquence vl étant due au champ magnétique radiofréquence (BI).
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le 10 vecteur efficace (Beff ) est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique (Bo ).
4. Procédé selon les revendications 2 et 3, dans lequel le vecteur efficace (81) est tournant dans un plan orthogonal au 15 vecteur statique (Bo) à la fréquence de Larmor (vo).
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'acquisition (E3) de l'aimantation (M ) de l'échantillon (2) est effectuée par au moins deux capteurs (15, 16) ; un premier capteur (15) placé de 20 manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au vecteur statique (BD ), ayant une fréquence proche de ta fréquence efficace (veff), et au moins un deuxième capteur (16) placé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au plan orthogonal au vecteur statique (Bo ), ayant une fréquence proche de la fréquence 25 de Larmor (vo).
6. Appareil (1) de spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire pour l'acquisition d'une aimantation (M) d'un échantillon (2) comprenant : - un support (12) d'échantillon fixe par rapport à un 5 référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil (1) ; - une enceinte (11) dans lequel est placé le support (12) d'échantillon ; - un générateur (13) de champ magnétique statique pour la génération d'un champ magnétique statique (Bo) dans l'enceinte 10 (11) suivant un vecteur statique (ào ) ;-un générateur (14) de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ magnétique radiofréquence (BI) dans l'enceinte suivant un vecteur radiofréquence (8, ) pendant une durée déterminée (T) ; caractérisé en ce que l'appareil (1) comprend en outre au moins 15 un capteur (15, 16) pour mesurer l'aimantation (M ) de l'échantillon (2) pendant la durée déterminée (T).
7. Appareil (1) selon la revendication 6, dans lequel le générateur (14) de champ magnétique radiofréquence comprend au 20 moins deux bobines (141, 142) générant chacun un champ magnétique radiofréquence de manière à ce que le champ magnétique efficace (Beff) total résultant des deux champs magnétiques radiofréquences des bobines (141, 142) et du champ magnétique statique (Bo) ait un vecteur efficace (Beff ) tournant par 25 rapport au référentiel terrestre.
8. Appareil (1) selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel un premier capteur (15) est placé suivant le vecteur statique(Bo ) et réglé de manière à acquérir des signaux à des fréquences proches d'une fréquence efficace (Veff) résultant d'un champ magnétique efficace (Beff) appliqué à l'échantillon (2) tel que : Beff B, + Bo - \ Yi vl étant une fréquence proche de ta fréquence de Larmor (vo) due au champ magnétique statique (Bo), ta fréquence vl étant due au champ magnétique radiofréquence (BI) ; et veff = Y ' Beff étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau 10 d'un atome étudié.
9. Appareil (1) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel deux deuxièmes capteurs (16) sont placés dans un plan orthogonal au vecteur statique (Bo ) et adaptés pour acquérir un signal à une 15 fréquence de Larmor (vo) due au champ magnétique statique (Bo) avec : va =ÿ-Bo, f étant te rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau d'un atome étudié. 20
10. Appareil (1) selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le générateur (13) de champ magnétique statique, te générateur (14) de champ magnétique radiofréquence et le ou tes capteurs (15, 16) sont fixes par rapport au référentiel terrestre lors du 25 fonctionnement de l'appareil (1).