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Gradient de champ électrique et moment quadripolaire nucléaire : comment ces deux éléments déterminent-ils les propriétés de la matière ?
La spectroscopie de résonance quadripolaire nucléaire (RQN) est une technique d'analyse chimique étroitement liée à la résonance magnétique nucléaire (RMN). Contrairement à la RMN, la résonance nucléaire de la RQN peut être détectée sans champ magnétique externe, c'est pourquoi la spectroscopie RQN est également appelée « RMN à champ nul ». La résonance du NQR est médiatisée par l'interaction entre le gradient du champ électrique (EFG) et le moment quadripolaire de la distribution de charge nucléaire. Contrairement à la RMN, la RQN s'applique uniquement aux solides et non aux liquides, car dans les liquides, le gradient de champ électrique à proximité des noyaux est en moyenne nul et le tenseur EFG a une trace nulle. Étant donné que l'EFG de l'emplacement d'un noyau particulier dans une substance est déterminé principalement par les électrons de valence qui participent à des liaisons spécifiques avec d'autres noyaux proches, la fréquence NQR de la transition est unique dans cette substance.
La fréquence de la NQR dans un composé ou un cristal particulier est proportionnelle au produit du moment quadrupolaire nucléaire (une propriété du noyau) et de l'EFG près du noyau.
Un phénomène similaire, mais pas identique, en RMN est la constante de couplage, également résultat d'interactions internucléaires dans l'analyte. Tout noyau contenant plus d’une particule nucléaire non appariée (proton ou neutron) aura une distribution de charge qui résulte en un moment quadripolaire électrique. Les niveaux d’énergie nucléaire autorisés se déplacent de manière inégale en raison de l’interaction de la charge nucléaire avec le gradient de champ électrique fourni par la distribution inégale de la densité électronique.
L'énergie dirigée vers le noyau via le rayonnement électromagnétique peut amener le noyau à absorber une partie de l'énergie, ce qui peut être considéré comme une perturbation des niveaux d'énergie quadripolaires. Contrairement au cas de la RMN, l’absorption en RQN se produit en l’absence de champ magnétique externe. L'application d'un champ statique externe aux noyaux quadripolaires divisera les niveaux d'énergie quadripolaires en fonction de l'interaction Zeeman.
La technologie NQR est très sensible à la nature et à la symétrie des liaisons autour du noyau et peut caractériser les changements de phase dans les solides à différentes températures.
En raison de la symétrie, ces décalages sont en moyenne nuls dans la phase liquide, de sorte que les spectres NQR ne peuvent être mesurés qu'en phase solide. Dans le cas de la RMN, les noyaux de spin ≥ 1/2 possèdent un moment dipolaire magnétique, de sorte que leur énergie peut être répartie par le champ magnétique, ce qui entraîne une absorption résonante d'énergie liée à la fréquence de Larmor. Dans le cas de la RQN, les noyaux avec un spin ≥ 1, tels que 14N, 17O, 35Cl et 63Cu, ont également des moments quadrupolaires électriques. Le moment quadripolaire nucléaire est lié à la distribution de charge nucléaire non sphérique, qui indique le degré auquel la distribution de charge nucléaire s'écarte d'une forme sphérique, c'est-à-dire de la forme ellipsoïde ou en disque du noyau.
La NQR est une observation directe de l'interaction entre le moment quadripolaire et le gradient de champ électrique local (EFG) de son environnement. La fréquence de transition NQR est proportionnelle au moment quadrupolaire électrique du noyau et à la force de l'EFG local. Cependant, dans les solides, la force de l'EFG atteint plusieurs kilovolts par mètre carré, il n'est donc pas possible d'effectuer des expériences NQR avec un EFG spécifique, comme en RMN, en sélectionnant le champ magnétique externe.
Les spectres NQR sont spécifiques à une substance et sont donc appelés « empreintes chimiques ».
En raison de la forte dépendance de la fréquence NQR à la température, le NQR peut être utilisé comme un capteur de température précis avec une résolution allant jusqu'à 10^−4 °C. L’application du spectre NQR a également de vastes perspectives et a un grand potentiel pour jouer un rôle dans l’industrie pharmaceutique. En particulier, l'application du 14N-NQR permet la discrimination de composés énantiomères dans des mélanges racémiques, tels que la D-sérine et la L-sérine. Bien que ces deux composés aient des compositions similaires, ils ont des propriétés complètement différentes. La D-sérine pourrait devenir un biomarqueur de la maladie d'Alzheimer et un médicament pour le traitement de la schizophrénie, tandis que la L-sérine est un médicament qui fait l'objet d'essais cliniques de la FDA sur des humains. connu pour son potentiel dans le traitement de la sclérose latérale amyotrophique.
NQR a également la capacité de distinguer les polymorphes cristallins. Par exemple, les composés contenant des médicaments à base de sulfamides ont montré une sensibilité au polymorphisme. La différence de fréquence NQR, ainsi que les différences dans les constantes de couplage quadripolaire et les paramètres d’asymétrie, permettent la différenciation des polymorphes, une capacité qui fait du NQR un outil puissant pour l’authentification des médicaments et la lutte contre la contrefaçon.
Plusieurs équipes de recherche à travers le monde travaillent au développement de la technologie NQR pour détecter les explosifs. Un équipement conçu pour détecter les mines et les explosifs cachés dans les bagages a été testé. Un tel système de détection se compose d'une source d'alimentation radiofréquence (RF), d'une bobine qui génère un champ d'excitation magnétique et d'un circuit de détection qui surveille la réponse RF NQR de l'explosif . . Même un faux appareil appelé ADE 651 prétend utiliser la technologie NQR pour détecter les explosifs, mais il ne peut pas réellement le faire.
Néanmoins, l'appareil a été vendu avec succès pour des millions de dollars à des dizaines de pays, y compris au gouvernement irakien.
La principale limitation de la NQR vient de l’abondance des isotopes. La RQN nécessite la présence d'un moment quadrupolaire non nul, qui n'est observé que dans les noyaux dont le spin est supérieur ou égal à un et dont la distribution de charge locale s'écarte de la symétrie sphérique. Bien que les techniques NQR existantes présentent une faible intensité de signal en raison de la faible abondance isotopique de la plupart des noyaux NQR actifs, la spectroscopie NQR montre toujours son utilité dans de nombreux scénarios pratiques.
Face aux possibilités infinies de la RQN, pouvons-nous à l’avenir dépasser les limites technologiques existantes et permettre à cette technologie de jouer un rôle plus important dans davantage de domaines ?
