Le marquage, la détection et l’étude de protéines in cellulo sont essentiels pour la compréhension au niveau moléculaire des mécanismes biologiques. Des techniques sensibles et qui engendrent peu de perturbations sur le système étudié sont indispensables. Hélas les techniques de pointe historiquement utilisées telles que l’optique font déplorer une forte perturbation du système en raison de la taille imposante des fluorophores utilisés. L’IRM quant à elle possède une sensibilité de détection très faible. Ce projet propose une méthode innovante de détection de protéines en combinant ces deux techniques prometteuses et hautement complémentaires pour une étude moléculaire de processus intracellulaires. Les deux avancées techniques permettant l’élaboration d’un tel projet sont l’utilisation d’un fluorophore activable de très petite taille et l’exploitation de la grande sensibilité d’un gaz non toxique, le xénon, dont le spin nucléaire est hyperpolarisé. Combiner ces deux techniques d’imagerie novatrices permet d’obtenir des informations au niveau moléculaire. Ce projet sera une percée dans le suivi de protéines recombinantes et l’étude des mécanismes intracellulaires associés. In fine, le but est de créer le premier traceur capable de détecter sa cible et de s’activer à la fois en fluorescence et en IRM. / Full understanding of intracellular phenomena involves sensitive and non-invasive detection. A less disruptive method than labeling with fluorescent proteins uses binding between a tag of only six natural amino acids that can be genetically incorporated into the protein of interest and a small molecule called FlAsH. This molecule has the ability to fluoresce only when it binds to its tetracysteine target. Another technique based on 129Xe NMR has emerged. Xenon is hyperpolarized to enhance the NMR signal by orders of magnitude and its reversible encapsulation in functionalized host systems gives it a specific spectral signature. Capability of the noble gas to cross cell membranes without losing its polarization enables in cellulo investigations.This doubly smart probe is highly promising for monitoring, studying, detecting recombinant proteins. Structural, chemical and lateral resolutions are combined by the bimodality of this new concept, which can be extended to in cellulo detection.

Les zéolites sont des «tamis moléculaires» connus pour leurs nombreuses applications en adsorption, échange d'ions et catalyse. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur l'étude de quelques questions liées à la synthèse et à la post-synthèse de la zéolithe, qui ne sont pas encore résolues par d'autres techniques.La RMN a été l'outil principal dans ce travail, donnant accès à des informations structurales locales sur les nanocristaux même lorsque les techniques de diffraction trouvent leurs limites. Elle peut également être utilisée pour étudier la porosité en utilisant l'adsorption de molécules sondes, et en particulier, le xénon est connu comme une bonne molécule pour cet objectif. En effet, l'isotope 129Xe peut être hyperpolarisé pour augmenter la sensibilité de détection, et il présente une large plage de déplacement chimique en fonction du confinement et donc de la porosité du matériau étudié.(I) Dans la première étude, les étapes initiales de la cristallisation de nano-faujasite (FAU) ont été étudiées en utilisant la RMN classique (principalement par 29Si et 23Na MAS RMN) et la RMN avancée (129Xe). RMN HP). Il a été montré que la cristallisation commence à des stades de synthèse bien antérieurs à ceux observés par d'autres techniques classiques (XRD, SEM, adsorption de N2 ...). La première SBU semble être les prismes hexagonaux, avant les cages sodalite, qui forment rapidement un environnement confiné puis des supercages. De plus, il a été démontré par RMN 129Xe HP et 2D EXSY que la zéolithe nano-faujasite présente des cages sodalite ouvertes et une structure plus souple que dans la zéolite de type micro-faujasite.(ii) La seconde étude est une recherche sur les phénomènes de recristallisation survenant au cours du processus de hiérarchisation de la zéolithe et qui pourrait expliquer la distribution homogène des tailles de mésopores. Comme résultat remarquable, il a été montré dans ce travail que lors de la hiérarchisation de la zéolithe bêta avec le TPAOH, la recristallisation conduisait à la formation de minuscules particules de MFI, formées à la surface des mésopores (RMN 1H MAS, RMN 129Xe HP et 2D EXSY). / The zeolites are ‘molecular sieves’ known for their numerous applications in adsorption, ion exchange, and catalysis. In this thesis, we focused on the study of some questions related to zeolite synthesis and post-synthesis, which are not yet resolved by other techniques. NMR was the primary tool in this work, as it gives access to local structural information on nanocrystals even when diffraction techniques found their limits. NMR can also be used to study porosity using probe molecules adsorption, and in particular, xenon is known as a good molecule for this purpose. Indeed, the isotope 129Xe can be hyperpolarized to increase the detection sensitivity, and interestingly it presents a wide chemical shift range depending on its confinement and thus the porosity of studied material. Two studies are reported in this manuscript: (i) In the first study, the initial steps during the crystallization of nano-faujasite (FAU) type materials were investigated using classical NMR (mainly by 29Si and 23Na MAS NMR) and advanced NMR (129Xe HP NMR). It was shown that crystallization starts at much earlier synthesis stages than those observed by other classical techniques (XRD, SEM, N2 adsorption…). The first SBU seems to be the hexagonal prisms, prior to the sodalite cages, which rapidly form confined environment and then supercages. Moreover, it has been proved by 129Xe HP NMR and 2D EXSY that nano-faujasite zeolite presents opened sodalite cages and a more flexible structure than in micro-faujasite zeolite. (ii) The second study is an investigation on the recrystallization phenomena occurring during hierarchization process of zeolite and which could explain the homogenous distribution of the mesopore sizes. As a remarkable result, it has been shown in this work that during the hierarchization of beta zeolite with TPAOH, the recrystallization lead to the formation of tiny MFI particles, formed at the surface of the mesopores (1H MAS NMR, 129Xe HP NMR and 2D EXSY).

Les catalyseurs supportés sur alumine ont un intérêt crucial pour un large domaine de procédés de raffinage. La connaissance des propriétés de texture du support catalytique est un paramètre clé pour l'optimisation des propriétés de transport des réactifs et des produits. Basée sur la grande sensibilité du nuage électronique fortement polarisable de l'atome de xénon à son environnement, la RMN 129Xe s’est avérée être une technique très utile pour étudier la porosité des solides microporeux et mésoporeux comme les zéolithes et les silices. L’objectif de cette thèse est alors de caractériser des matériaux non organisés telles que les alumines-γ grâce à cette technique. Les travaux présentés dans ce manuscrit combinent les résultats des différentes mesures de RMN permettant de caractériser les propriétés de texture et de transport des alumines: - Après avoir déterminé les conditions expérimentales permettant de minimiser l’effet des sites d’adsorption forte sur le déplacement chimique du xénon adsorbé, une corrélation a pu être établie entre le déplacement chimique et la taille de pores déterminée par adsorption d’azote à 77 K (Chapitre 4).- Afin de décrire la diffusion de différents adsorbats (Xe, n-hexane), les décrire les coefficients d’autodiffusion ont été déterminées par RMN à gradients de champ pulsé (129Xe et 1H) permettant ainsi de caractériser les phénomènes de diffusion et d’évaluer la tortuosité (Chapitre 5).- Pour compléter la description de la porosité des alumines–γ, la connectivité des pores, l’échange des atomes de Xe entre divers environnements, a été quantifié par des expériences RMN 2D-Echange réalisées à différentes températures (Chapitre 6). / Alumina-based catalysts have a crucial importance for a wide range of refining processes. The knowledge of the textural properties of catalyst supports is decisive for the optimization of transport properties of reactants and products. Based on the sensitivity of the highly polarizable electron cloud of xenon atom to its environment, 129Xe NMR has proved to be a very useful technique to study the porosity of microporous and mesoporous solids such as zeolites and silicas. The objective of this PhD thesis is to characterize disorganized materials such as γ-aluminas with this technique. The work presented in this manuscript combine the results of different NMR measurements to characterize the texture and transport properties of aluminas:- After identifying the experimental conditions that minimize the effect of strong adsorption sites on the chemical shift of xenon adsorbed, a correlation has been established between the chemical shift and the pore size determined by nitrogen adsorption at 77 K (Chapter 4).- In order to describe the diffusion coefficients of different adsorbates (Xe, n-hexane) were determined by pulsed field gradient NMR (129Xe and 1H) to characterize diffusion phenomena and to assess pore tortuosities (Chapter 5).- For completing the description of γ-aluminas porosity, pore connectivities, exchange of Xe atoms between different environments has been quantified using 2D-Exchange NMR experiments performed at different temperatures (Chapter 6).

Ce travail a concerné l'étude de la fonctionnalisation métallique et du contrôle morphologique de nanoparticules de silice mésoporeuse appelées MSN. La voie de fonctionnalisation par synthèse directe a été privilégiée et a consisté en une encapsulation des précurseurs métalliques dans la phase porogène. L'insertion de cuivre, palladium, platine, argent or et de bimétalliques Cu/Pd et Pd/Pt a été réalisée. Il résulte de cette approche une localisation des nanoparticules métalliques dans les pores et d'une grande accessibilité des fonctionnalités à l'origine des excellentes performances catalytiques mesurées. Ces performances et le recyclage du catalyseur Cu@MSN ont été démontrés pour des réactions de Huisgen et de Sonogashira. Il a également été étudié l'adsorption de l'iode moléculaire en phase gaz sur des MSN fonctionnalisées par des nanoparticules d'argent avec d'excellentes capacités de rétention. / The objective of this thesis was to develop efficient synthesis routes to prepare mesoporous silica-based nano-sized particles, designated as MSN, with controllable morphology and derivatised with selected transition metals. One-pot preparation and surface functionalisation procedures based on the insertion of the metal-phase precursor into the porogen aggregates were thoroughly optimised leading to silica particles containing such single metals as copper, palladium, platinum, silver or gold, as well as a two-metal phase of copper and palladium or that of palladium and platinum. It was demonstrated that the highly dispersed metal phase was localised on the pore surface and therefore it was readily accessible to the target chemicals on which to base the catalytic performance of the resulting materials. Among others, the remarkable catalytic performance of the Cu@MSN material in Huisgen and Sonogashira reactions and its propensity to undergo efficient recycling were proven through laboratory-scale testing. Experimental study of the selective adsorption of iodine vapour onto MSN supports functionalised with silver nanoparticles indicated an excellent retention capacity of such materials.

<p>Since the inception of hyperpolarized 129Xe MRI, the field has yearned for more efficient production of more highly polarized 129Xe. For nearly all polarizers built to date, both peak 129Xe polarization and production rate fall far below theoretical predictions. This thesis sought to develop a fundamental understanding of why the observed performance of large-scale 129Xe hyperpolarization lagged so badly behind theoretical predictions.</p><p> This is done by thoroughly characterizing a high-volume, continuous-flow polarizer using optical cells having three different internal volumes, and employing two different laser sources. For each of these 6 combinations, 129Xe polarization was carefully measured as a function of production rate across a range of laser absorption levels. The resultant peak polarizations were consistently a factor of 2-3 lower than predicted across a range of absorption levels, and scaling of production rates deviated badly from predictions based on spin exchange efficiency.</p><p> To bridge this gap, we propose that paramagnetic, activated Rb clusters form during spin exchange optical pumping (SEOP), and depolarize Rb and 129Xe, while unproductively scattering optical pumping light. When a model was built that incorporated the effects of clusters, its predictions matched observations for both polarization and production rate for all 6 systems studied. This permits us to place a limit on cluster number density of <2 × 109 cm-3.</p><p> The work culminates with deploying this framework to identify methods to improve polarization to above 50%, leaving the SEOP cell. Combined with additional methods of preserving polarization, the polarization of a 300-mL batch of 129Xe increased from an average of 9%, before this work began, to a recent value of 34%.</p><p> We anticipate that these developments will lay the groundwork for continued advancement and scaling up of SEOP-based hyperpolarization methods that may one day permit real-time, on-demand 129Xe MRI to become a reality.</p> / Dissertation

Produkce hyperpolarizovaných plynů, především helia (3He) nebo xenonu (129Xe), nachází stále rostoucí rozsah aplikací v zobrazování magnetickou rezonancí (MRI). Helium ani xenon nejsou obyčejně obsaženy v těle a experimenty tedy nejsou ovlivněny nechtěným signálem z okolních tkání. Ukázalo se, že několika hyperpolarizačními technikami může být magnetická polarizace (magnetizace) jader vzácných plynů zvýšena na hladinu, se kterou jsou praktické aplikace proveditelné. Hyperpolarizované plyny mohou tedy být užitečným nástrojem pro neinvazivní zkoumání lidského dýchání, dovolující statické zobrazování během zadržení dechu nebo zkoumání dynamiky výdechu nebo nádechu, nebo funkčního zobrazování. V neživé přírodě, mohou být hyperpolarizovaný plyny využity jako kontrastní látka při studiu mikroporézních materiálů, jako jsou zeolity, stavební látky a hmoty, atd. V této doktorské práci je popsán vývoj a konstrukce aparatury pro hyperpolarizaci xenonu (izotopu 129Xe). Nákup hyperpolarizovaného xenonu od jiných výzkumných center v zahraničí a jeho dovážení by ovšem nebylo efektivní a to zejména z důvodu náročnosti zajištění potřebných fyzikálních podmínek pro přepravu hyperpolarizovaného plynu. Toto bylo hlavní motivací k vývoji vlastní technologie pro přípravu hyperpolarizovaného xenonu. Se zvládnutou technologií by bylo možné navázat spolupráci s medicínskými zařízeními, nebo s týmy zabývající se živou nebo neživou přírodou (např. při studiu mikroporézních materiálů, gelů, v zemědělských aplikacích nebo při výzkumu využívajících zvířat, atd.). Cílem této práce je studium teorie hyperpolarizovaných vzácných plynů se zaměřením na 129Xe a experimentální ověření a změření relaxačních časů pomocí jaderné magnetické rezonance. Vzhledem k tomu, že je možné hyperpolarizované vzácné plyny skladovat pro pozdější využití, se tato práce také zabývá možnostmi zásobníku hyperpolarizovaného vzácného plynu a jeho teoretickým a experimentálním řešením. V této práci jsou popsány především dva základní typy experimentů přípravy hyperpolarizovaného xenonu. V obou jsou využity zatavené válcové skleněné vzorky naplněné xenonem a doplňujícím plynem – dusíkem, heliem. První z experimentů se zabývá měřením vlastností termálně polarizovaného xenonu a druhý měřením vlastností hyperpolarizovaného xenonu. Pro hyperpolarizaci 129Xe bylo použito výkonového laseru a experimentálně byla zkoumána jednak míra polarizace na základě změny spektrální hustoty čerpacího laserového svazku a dále pak optimální doba optického čerpání 129Xe a relaxační časy xenonu.