Développement et caractérisation d’une sonde RMN portable appliquée au suivi de la qualité de l’eau et à l’étude de la cinétique des réactions chimiques

Development and characterization of a portable NMR probe for the monitoring of water quality and for the study of the kinetics of chemical reactions

• Auteur / Autrice : Guilherme Baumgarten
• Direction : Morgan Madec, Luc Hebrard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Circuits et systèmes
• Date : Soutenance le 17/07/2024
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Weber
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bertani, Joris Pascal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Deltimple, Sylvain Feruglio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants de l'eau

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Résonance magnétique nucléaire

RMN portable

Spectromètre RMN

Détection de polluants

Pesticides

Eau potable

Suivi de réactions chimiques

Cinétique chimique

Simulation

Radio logicielle

Prototypage

Nuclear magnetic resonance

Portable NMR

NMR spectrometer

Pollutants detection

Pesticides

Drinking water

Chemical reactions monitoring

Chemical kinetics

Simulation

Software-defined radio

Prototyping

Résumé

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique amplement utilisée pour la détection et la quantification de composés chimiques avec un spectre d’application très large. Dans ce manuscrit, deux d’entre eux sont traités : la détection de polluants dans l'eau potable et la surveillance des réactions chimiques. Alors que les équipements de RMN de laboratoire présentent des résultats d'analyse très fiables, la RMN portable est un domaine de recherche en évolution avec de multiples défis technologiques et d’autres liés aux applications ciblées. Les dispositifs RMN portables émergents présentent cependant comme avantage évidente par rapport aux dispositifs classiques leur utilisation directe sur le terrain. Cela permet ainsi d’avoir des résultats d’analyses plus rapidement et de limiter les coûts de personnel et de consommables. Afin de concevoir des spectromètres RMN portables, on doit faire des compromis de conception, tout en étant capable de comprendre les enjeux liés à ces choix, afin que le produit final puisse toujours répondre aux exigences des applications concernées. Pour cela, nous proposons une chaîne d'outils de simulation RMN complète, capable de générer divers aboutissements correspondant à un spectromètre RMN réel. En outre, nous développons une preuve de concept de l’électronique de contrôle et d’acquisition basée sur des composants commerciaux disponibles et nous la validons sur notre prototype de spectromètre RMN portable. Finalement, ce prototype est utilisé pour évaluer le potentiel de la RMN portable pour les applications citées ci-dessus. Cette étude nous a permis d’identifier les limites du dispositif actuel et de proposer un cahier des charges visant son amélioration continue.

Nuclear Magnetic Reaction (NMR) spectroscopy is a widely employed technique in the detection and quantification of chemical compounds, with a wide range of applications. In this manuscript, the focus is put on two of them: the detection of pollutants in drinking water and the monitoring of chemical reactions. While laboratory NMR equipment presents highly reliable analysis results, portable miniaturized NMR is an evolving research field with multiple technological and application-related challenges. Such emerging devices present however a clear advantage when compared to the classic, stablished ones: it can be used in the field, therefore saving time and limiting staff and consumables costs. In order to design NMR spectrometers to attain the desired portability and miniaturization, one has to compromise, however being able to understand what is at stake, so that the final product still meets the demands. For that, we propose a complete NMR simulation toolchain capable of generating diverse outcomes corresponding to a real NMR spectrometer. Furthermore, we develop a proof of concept for an electronic control and acquisition unit based on commercial-off-the-shelf components and validate it on a portable NMR spectrometer prototype. Finally, we use this prototype to assess the potential of portable miniaturized NMR for the targeted applications cited above. This study allowed us to identify the limits of our current prototypical device and to provide directions for its further improvement.