Local Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy with Giant Magnetoresistive Sensors

par Pierre-André Guitard

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Claude Fermon.

Soutenue le 04-12-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Henri Alloul.

Le jury était composé de Claude Fermon, Henri Alloul, John F Gregg, François Montaigne, Marie Poirier-Quinot, Jacques-François Jacquinot.

Les rapporteurs étaient John F Gregg, François Montaigne.

  • Titre traduit

    Spectroscopie locale par résonance magnétique nucléaire à l’aide de capteur à magnétorésistance géante


  • Résumé

    La Spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (NMRS) est une technique largement connue pour l'analyse de molécules chimique et biologiques. Cependant, en raison de la faible intensité des signaux de RMN, il est très difficile de travailler sur des volumes inférieurs à un mm³. Cette limitation a conduit à la mise au point de capteurs miniaturisés tels que les microbobines, les centres NV et des magnétomètres atomiques. Au cours de cette thèse nous avons développé une approche basée sur l'utilisation de capteurs à MagnétoRésistance Géante (GMR), capteurs magnétiques à large de la bande, capable de détecter localement le signal RMN. Les capteurs GMR, sur différents substrats tels que le silicium, le verre et l’alumine, ainsi que la configuration du montage RMN ont été spécifiquement conçus pour avoir une détectivité dans la gamme de 20pt/sqrt(Hz) et capable de travailler avec un champ magnétique externe jusqu'à 1 Tesla. Nous allons d’abord présenter les résultats obtenus à 0.3T sur de l’eau, dans la configuration où la RMN locale est effectuée dans un grand volume, mettant en évidence le caractère fonctionnel du montage. Puis les résultats obtenus, également à 0.3T, de la spectroscopie RMN de liquides modèle comme l'éthanol où le volume sondé estimé est de l’ordre de 20x20x20μm³. Finalement un résultat à un champ magnétique plus élevé, 0.6T, a également été montré sur de l’eau.


  • Résumé

    Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMRS) is a widely known technique for chemical and biological molecule analysis. However due to the weakness of the NMR signals, it is very difficult to work on volumes lower than a mm³. That limitation has led to the development of miniaturized sensors such as microcoils, NV centers and atomic magnetometers. We will present our approach based on the use of Giant Magnetoresistive sensors (GMR) as wide band magnetic sensors to detect locally the NMR signal. GMR sensors and NMR set up have been specifically designed to have a detectivity in the range of 20pt/sqrt(Hz) and able to work with external magnetic field up to 1T. We will first present the results obtained at 0.3T on water, in the configuration where the local NMR is done on a high volume, highlighting the functionality of the set-up. Then we will show the results obtained also at 0.3T, of NMR spectroscopy of model liquids like Ethanol on a volume of the order of 20x20x20μm³. Finally, a result at a higher magnetic field, 0.6T, has also been obtained on water.


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