La diffusion nucléaire en résonance magnétique (RMN) est une technique puissante qui permet d’explorer la mobilité moléculaire dans les milieux biologiques et chimiques. Un aspect clé de cette technique est le coefficient de diffusion, qui mesure le mouvement aléatoire des molécules dans un espace donné. La diffusion nucléaire se produit lorsque des particules, telles que les molécules d’eau ou les ions, se déplacent aléatoirement en raison de leur énergie thermique. Ce mouvement aléatoire peut être caractérisé par le coefficient de diffusion, noté généralement sous le symbole « D ». Le coefficient de diffusion dépend de la viscosité, de la température, de la taille des particules et de l’interaction avec d’autres molécules présentes dans le milieu.
Il existe de nombreuses applications de la diffusion en RMN, notamment l’imagerie de diffusion, l’étude de la structure moléculaire ainsi que permettre le suivi de réaction chimiques en temps réels. En mesurant les variations du coefficient de diffusion au cours d’une réaction, les chercheurs peuvent obtenir des données cinétiques essentielles.
C’est à l’issue de ces expériences que l’on peut déterminer les coefficients de diffusion. Ce coefficient de diffusion (D) est un paramètre fondamental qui caractérise le mouvement aléatoire des particules dans un milieu donné. Cette grandeur est essentielle pour comprendre divers phénomènes, allant de la dispersion des gaz dans l’atmosphère à la mobilité moléculaire en résonance magnétique nucléaire (RMN).
La diffusion est gouvernée par l’équation de Stokes-Einstein, qui relie le coefficient de diffusion (D), la température (T), et la viscosité du milieu (η) par la formule :
\(D = \frac{k⋅T}{6π⋅ƞ⋅r} \)
où k est la constante de Boltzmann et r est le rayon des particules.
La formule de Stokes-Einstein énonce clairement que des particules plus petites et des températures plus élevées favorisent une diffusion plus rapide.
En RMN, la diffusion nucléaire peut être exploitée pour obtenir des informations sur la microstructure des échantillons. Le coefficient de diffusion est relié à la variation du signal RMN en fonction du temps, phénomène connu sous le nom de relaxation longitudinale et transversale. Lorsque les molécules se déplacent librement, le signal RMN se déphase plus rapidement, ce qui conduit à une diminution de l’intensité du signal.
L’équation de la diffusion en RMN peut être décrite par l’équation de Bloch-Torrey, qui relie le coefficient de diffusion, la constante de temps de diffusion et le vecteur d’onde du gradient de champ magnétique. Cette équation fournit une base théorique pour interpréter les expérimentations de diffusion en RMN.
\(S(b) = S_0*EXP(-b*D)\)
S(b) est l’intensité du signal en fonction du temps de diffusion (b), S0 est l’intensité du signal initial et D le coefficient de diffusion.
D = k-T
Plusieurs techniques sont utilisées pour mesurer le coefficient de diffusion. En RMN, la séquence de pulsed gradient spin echo (PGSE) est couramment utilisée, et la relation entre le signal RMN et le coefficient de diffusion est donnée par l’équation de Stejskal-Tanner :
\(S(b) = S_0 ⋅ exp \bigl(-b ⋅ D + \frac{b^2⋅𝛥^2⋅(𝛥-𝛅)}{3}\bigl)\)
où b est le facteur de sensibilisation, Δ est le temps entre les impulsions de gradient, et δ est la durée d’impulsion du gradient.
De nombreuses sondes RMN aussi bien liquides que solides sont munies de bobines gradient permettant l’utilisation de nombreuses expériences telles que l’excitation sélective dans un échantillon, ou bien la détermination du coefficient de diffusion avec la DOSY Diffusion Ordered SpectroscopY.
La première sonde de diffusion en Europe a été installée à l’IFPEN.
