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Comptes Rendus Chimie
Sous presse. Epreuves corrigées par l'auteur. Disponible en ligne depuis le jeudi 5 septembre 2019
Doi : 10.1016/j.crci.2019.07.001
Received : 8 April 2019 ;  accepted : 1 July 2019
Designing and building a low-cost portable FT-NMR spectrometer in 2019: A modern challenge
Concevoir et construire un spectromètre FT-RMN portable à bas coût en 2019 : un défi moderne
 

Alain Louis-Joseph a, c, , Philippe Lesot b, c
a Département de physique, École polytechnique, Laboratoire de physique de la matière condensée (PMC), École polytechnique, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), IP Paris, 91128 Palaiseau cedex, France 
b Équipe de RMN en milieu orienté, Université de Paris-Sud/Paris-Saclay, Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (ICMMO), UMR CNRS 8182, Bât. 410, 91405 Orsay cedex, France 
c Centre national de la recherche scientifique (CNRS), 3, rue Michel-Ange, 75016, Paris, France 

Corresponding author. Departement de physique, École polytechnique, Laboratoire de physique de la matière condensée (PMC), École polytechnique, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), IP Paris, 91128 Palaiseau cedex, France.Departement de physiqueÉcole polytechniqueLaboratoire de physique de la matière condensée (PMC)École polytechniqueCentre national de la recherche scientifique (CNRS)IP ParisPalaiseau cedex91128France
Abstract

High-field Fourier-Transform Nuclear Magnetic Resonance (FT-NMR) spectroscopy is a high performance spectroscopic technique that is essential in many analytical fields. The non-destructive nature of NMR makes it a preferred means of analyzing chemical and biological environments. Compact benchtop NMR spectrometers are low-cost alternatives to conventional high-field and high-resolution spectrometers. A research laboratory may want to develop its own compact FT-NMR spectrometer ("home-built benchtop NMR") with a very low financial cost (∼10 k€). But why? First of all, to use it punctually as an additional channel (nucleus X) to a high-resolution spectrometer, and also to be able to couple it with complementary physics instruments such as an optical microscope to study spin diffusion in semiconductors, for instance. In addition, a "home-built" NMR spectrometer can be used with a low-field permanent magnet for the quantification of species that does not necessarily require high-resolution, avoiding the need for weekly and expensive cryogenic services. Outside the research laboratory, this portable NMR can be used for the in situ analysis of outdoor natural environments. Finally, this compact spectrometer is naturally dedicated to the teaching of NMR technique and is open to the study of the basic electronic functions that constitute an NMR spectrometer. The main question then arises: how to build a robust "Home-Built” NMR? In this article, we describe the realization of an NMR instrument based on electronic components and boards (LNA, ADC, FPGA, ARM, DDS…) easily commercially available, allowing one to obtain a benchtop NMR instrument presenting both a high acquisition dynamics and a good signal-to-noise ratio.

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Résumé

La RMN à transformée de Fourier (RMN FT) et à hauts champs est une technique spectroscopique très performante et incontournable dans de nombreux domaines analytiques. Le caractère non destructif de la RMN en fait un moyen privilégié pour analyser les milieux en chimie et en biologie. Les spectromètres RMN à TF compacts, dits aussi de paillasse, sont des alternatives, à bas coût, aux spectromètres classiques hauts champs et haute résolution. Un laboratoire de recherche peut vouloir développer son propre spectromètre RMN compact (home-built benchtop NMR ) à un coût très réduit (∼10 k€). Mais pourquoi ? Tout d'abord, pour l'utiliser de façon ponctuelle comme canal supplémentaire (noyau X) à un spectromètre haute résolution, mais aussi pour pouvoir le coupler à d'autres instruments de physique, comme par exemple à un microscope optique, pour l’étude de la diffusion de spin dans les semi-conducteurs. Par ailleurs, une RMN h ome- b uilt peut être utilisée avec un aimant permanent bas champ pour la quantification d'espèces qui ne nécessitent pas nécessairement une haute résolution, évitant le recours à des services cryogéniques hebdomadaires et coûteux. Hors laboratoires de recherche, cette RMN portable peut être utilisée pour l'analyse in situ de milieux naturels en extérieur. Enfin, ce spectromètre compact est naturellement dédié à l'enseignement de la spectroscopie RMN, en étant ouvert à l’étude des fonctions électroniques de base constituant l'instrument. La question principale qui se pose alors est : comment construire aujourd'hui un spectromètre « maison »? Nous décrivons dans cet article la réalisation d'un spectromètre RMN basé sur des composants et des cartes électroniques (LNA, ADC, FPGA, ARM, DDS…) accessibles commercialement et permettant d'obtenir une RMN de paillasse présentant à la fois une grande dynamique d'acquisition et de bons rapports signal/bruit.

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Keywords : FT-NMR, Home-built, Benchtop, Low cost, Electronics

Mots clés : RMN à TF, Benchtop , Bas coût, Électronique




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