La spectroscopie de R.M.N à deux dimensions

L'exemple étudié est le saccharose (Fig 29). Cette séquence a pour objet de corréler les signaux de noyaux de même nature couplés scalairement. Pour un noyau isolé, elle est composée de deux impulsions encadrant la période d'évolution t₁ (Fig.13). La préparation débute par un délai de relaxation permettant le retour à l'équilibre de l'aimantation, puis la période t₁ correspond au moment où la valeur du temps t₁ est augmentée à pas régulier et enfin la période t₂est le temps d'acquisition^[1].

Fig 13 : L'expérience COSY.

Après la double Transformée de Fourier, le spectre que nous obtenons est en déplacement chimique sur les deux axes. De plus, les pics d'intersection indiquent les noyaux qui sont couplés entre eux et permettent donc une attribution directe des protons voisins.

On peut comprendre la formation des signaux diagonaux et d'intersection du spectre COSY à l'aide de simple considération qualitative^[1]. En fait, si nous considérons un signal singulet A sans couplage spin-spin scalaire, la préparation permet de mettre le maximum de noyaux à leur place et la première impulsion engendre une magnétisation A transversale M(A) qui tourne autour de l'axe y (Fig 14).

Fig 14 : Après la première impulsion (π/2)x

Au cours de la période d'évolution l'aimantation M(A) précesse à la fréquence de résonance du noyau correspondant dans le référentiel tournant ; il y a donc une répartition des spins entre l'axe x et l'axe y (Fig.15).

Fig 15 : Évolution de la magnétisation durant le temps t1.

Les composantes Mx et My de l'aimantation transversale à la fin de la période d'évolution selon les axes Ox et Oy de référentiel tournant sont alors :

où M₀ représente le module de l'aimantation présente avant l'exécution de la première impulsion et T₂* le temps de relaxation transversale apparent du noyaux correspondant.

La deuxième impulsion permet de basculer la portion qui y demeure dans le plan xy, dans la direction z négative (-z). Celle-ci ne sera pas détectée (Fig . 16). En revanche, la portion x, qui demeure dans le plan xy, sera repérée.

Fig 16 : Après la deuxième impulsion (π/2)x

La magnétisation qui va être détectée est de la forme :

En revanche, la magnétisation qui est située sur l'axe des -z est de la forme : .

L'intensité du signal qui va être enregistrée, dépend alors de la position momentanée du vecteur M(A) à la fin du temps d'évolution. Cette même intensité est déterminée par la fréquence de Larmor du noyau A. L'amplitude est modulée en t₁ par rapport à cette fréquence et la Transformée de Fourier fournit dans les deux dimensions la fréquence et ensuite un signal diagonal. En cas de couplage spin-spin, la deuxième impulsion n'induit pas seulement une modification de la magnétisation de A transversale, mais encore des changements de populations pour d'autres transitions dans le système de spins en question.

Ainsi, il y a échange de magnétisation entre tous les noyaux qui sont couplés entre eux. Leurs signaux, dans une série d'expérience t₁, sont également modulés par rapport aux fréquences des noyaux voisins. Cela aboutit aux pics d'intersections du spectre 2D en et et nous permet d'obtenir un spectre où les corrélations homonucléaires de couplage scalaire sont représentées par les taches qui sont hors de la diagonale. Par exemple, on peut voir le couplage entre le proton f3 et f4 à l'intersection de 4.05 et 4.18 ppm (Spectre 3).

Spectre 3 : COSY 90°, les deux impulsions sont de 90°.