The work in this thesis couples reactions with separations through the use of switchable and tunable solvents. Tunable solvents are mixed solvents which can be easily altered to afford conditions optimal for reaction or separation. Switchable solvents are solvents that can be switched when desired to alter their properties affording conditions suitable for separation. Other studies are of the reaction of CO2 with the amidine base DBU, and an NMR study of solvent-to-solute nuclear Overhauser effects. These examples constitute a marriage of reaction environment with separation environment, significantly, to the benefit of both.

Este trabalho apresenta os detalhes da construção de um espectrômetro para a realização de experimentos de transferência de polarização elétron-núcleo (Efeito Overhauser). São também mostrados: as implementações e modificações feitas no espectrômetro de RPE existente no Laboratório de Ressonância Magnética do DFCM, os circuitos para a construção de um equipamento de RMN para operar de forma pulsado na freqüência fixa de 14 MHz, os desenhos da cavidade de RPE construída para a banda-X (~ 9,2 GHz), os \"softwares\" modificados e desenvolvidos para aquisição de dados, tratamento e reconstrução de imagens. São apresentados os resultados do aumento do sinal de RMN e as imagens obtidas através da Tomografia de Ressonância Magnética, usando amostras menores do que 1 mm de diâmetro (volume ~10 ul), a uma concentração de 2,2 mM de TEMPOL dissolvido em água destilada. / This work describes in details the arrangements that must be accomplished for development of a spectrometer for Dynamic Nuclear Polarization - DNP (Overhauser Effect). Also, the construction project of a 14 MHz pulsed NMR spectrometer and drawings of a homemade EPR cavity for X-band (~ 9,2 GHz) are shown. The DNP probe built for the experiments and modifications done on the EPR spectrometer existing at Laboratory of Magnetic Resonance are discussed in detail. Results on the enhancement of the NMR signal due electron-proton dynamic interactions are presented. NMR imaging of very small objects, 1 mm diameter glass tube filled with 5 ~10 ul of 2,2 mM of free radicals (TEMPOL) solution, obtained through back projection reconstruction NMR tomography method, are presented

Ce travail expose deux stratégies pour le développement de nouveaux agents de contraste pour le diagnostic par IRM rehaussée par l’effet Overhauser.Le premier thème de ce travail est consacré au développement d’une sonde radicalaire, de type nitroxyde, capable de modifier sa signature RPE (Résonance Paramagnétique Electronique) en fonction d’une activité enzymatique. Cette modification, due à un changement conformationnel, a permis une irradiation microonde sélective de la sonde libérée par protéolyse. Cette particularité a pu être appliquée à l’IRM rehaussée par l’effet Overhauser et une amélioration du contraste de l’image de 1200% in vitro a été observée après hydrolyse enzymatique. Du fait de contraintes techniques, une amélioration du contraste de 600% a été obtenue in vivo alors que de nos jours,les agents de contraste les plus courants en clinique, basés sur des complexes de GdIII, améliorent le contraste de l’image d’environ 50 %. Le second thème aborde la synthèse et l’étude physico-chimique d’alcoxyamines, précurseurs de nitroxydes, pour le diagnostic par IRM rehaussée par l’effet Overhauser. Le point clé de cette approche repose sur l’activation de ces molécules afin de libérer rapidement le nitroxyde in situ. Les résultats de monoactivation chimique étant encourageants, la double activation chimique de ces nouvelles alcoxyamines a permis d’abaisser drastiquement le temps de demi-vie de l’une d’entre elles pour obtenir des valeurs compatibles avec des applications en diagnostic. Un pseudo-peptide sélectif de la chymotrypsine a également été greffé,ce qui a permis d’aboutir à une alcoxyamine modèle qui permettra de valider le concept de diagnostic recherché. / This work promotes two strategies for the development of new contrast agents for the diagnosis by Overhauser enhanced MRI. Two approaches have therefore been addressed.The first approach is devoted to the development of a nitroxide-type spin label, which is capable to change its EPR (Electron Paramagnetic Resonance) signature upon a non-radical enzymatic activity. This modification, due to a conformational change, allowed us to perform a selective microwave irradiation of the probe released by proteolysis. This feature was applied to Overhauser enhanced MRI and of the image after enzymatic hydrolysis of 1200% in vitro has been obtained. Due to technical hindrances, a contrast enhancement of 600% has been obtained in vivo, while nowadays, the most common clinical contrast agent, based on GdIII complex, improve image contrast around a value of 50%.The second topic deals with the synthesies and the physico-chemical study of alkoxyamines, as nitroxide precursors, for the diagnosis by MRI enhanced by the Overhauser effect. The key point of this approach is based on the activation of these molecules to quickly release the nitroxide in situ. Encouraged by the results of chemical monoactivation, we performed the double chemical activation of these new alkoxyamines to drastically reduce the half-life time of one of them to obtain values compatible with diagnostic applications. A selective pseudo-peptide of chymotrypsin has also been grafted, which allowed us to achieve an alkoxyamine model that will validate our concept of diagnosis.

Ce travail porte sur le développement de sondes peptidiques pour le suivi de la protéolyse par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) et pour l'imagerie in vivo par résonance magnétique rehaussée de l’effet Overhauser (OMRI). Plus précisément, ce travail étudie pour la première fois une famille d’agents d’imagerie appelée « nitroxyde à déplacement de raies spectrales » spécifique d’activités enzymatiques. L'activité protéolytique, entraînant un décalage de 5 G dans les constantes de couplages hyperfins, permet une quantification individuelle des espèces substrat et produit par RPE et une excitation sélective par OMRI. Trois substrats ont été élaborés, montrant une spécificité enzymatique pour l’élastase du neutrophile (NE) (MeO-Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxyde & Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxyde), et pour la chymotrypsine et la cathepsine G (Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-Nitroxyde). Les constantes enzymatiques ont montré de bonnes valeurs avec globalement, Km = 28 ± 25 µM et kcat = 19 ± 3 s-1. Ex vivo, l’utilisation des substrats NE en OMRI a révélé un contraste élevé dans les lavages broncho-alvéolaires de souris sous stimulus inflammatoire. Les rehaussements de signaux IRM sont en corrélation avec la sévérité de l’inflammation. L'irradiation à la fréquence RPE de 5425,6 MHz a permis d'accéder à la bio-distribution des substrats in vivo et pourrait ainsi servir d’outil diagnostic. Les perspectives à moyen terme de ce travail reposent sur le développement de l’OMRI à très faibles champs magnétiques en vue d’une application chez l’homme. / This work focuses on substrate-based probes for proteolysis monitoring by Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy (EPR) and for in vivo imaging by Overhauser-enhanced Magnetic Resonance (OMRI). More precisely, this work investigates for the first time a family of MRI agents named “line-shifting nitroxide” specific for proteolytic activities. Proteolytic action results in a shift of 5 G in EPR hyperfine coupling constants allowing individual quantification of substrate and product species by EPR and selective excitation by OMRI. Three substrates were worked out, showing enzymatic specificity for neutrophil elastase (MeO-Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxide & Suc-Ala-Ala-Pro-Val-Nitroxide), and for Chymotrypsin/Cathepsin G (Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-Nitroxide). Enzymatic constants were remarkably good with globally Km = 28 ± 25 µM and kcat = 19 ± 3 s-1. Ex vivo, the use of NE substrates in OMRI revealed a high contrast in bronchoalveolar lavages of mice under inflammatory stimulus. MRI signal enhancements correlate with the severity of inflammation. Irradiation at the RPE frequency of 5425.6 MHz provided access to the bio-distribution of substrates in vivo and could thus serve as a diagnostic tool. The medium-term perspectives of this work are based on the development of OMRI with very low magnetic fields for human application

Nous avons effectué dans ce mémoire des études de magnéto-luminescence sur des boîtes quantiques individuelles de GaAs insérées dans une matrice de GaAlAs, boîtes qui se distinguent de la plupart des systèmes étudiés par l’absence des contraintes. Nous avons pu mesurer l’impact de l’orientation cristalline du substrat sur lequel s’effectue la croissance de ces boîtes sur les propriétés magnéto-optiques.Nous avons pu présenter les premières expériences pratiquées sur des structures à boîtes quantique GaAs « gouttelettes » à charge ajustable, élaborées sur substrat orienté (001). La structure fine des excitons a été étudiée en détail et analysée au moyen d’un modèle analytique y compris en champ transverse permettant d’établir les états et énergies propres. Nous avons observé la polarisation dynamique des noyaux à champ nul dans les boîtes quantiques sans contraintes élaborées sur substrat (111)A. Les décalages Overhauser mesurés s’élèvent à 15 – 16 μeV, correspondant à un champ nucléaire de 0.25 T environ. En champ magnétique transverse, nous avons observé des déviations significatives par rapport àl’effet Hanle normal dans le domaine des faibles champs / In this thesis the magneto-optical properties of single GaAs semiconductor quantum dots in AlGaAs barriers are presented. The strain free dots are grown by original Volmer-Weber ("droplet") epitaxy techniques in a molecular beam epitaxy system at the National Institute for Material Science NIMS, Tsukuba, Japan. We showed the first optical investigation of symmetric GaAs quantum dots grown on (111)A substrates. The inherently small neutral exciton fine structure splitting makes this a promising systemfor the generation of polarisation entangled photons via the exciton-biexciton radiative cascade. In photoluminescence spectra in longitudinal magnetic fields applied along the growth axis, we observe in addition to the expected bright states also nominally dark transitions for both charged and neutral excitons. We uncover a strongly non monotonic, sign-changing field dependence of the bright neutral exciton splitting resulting from the interplay between exchange and Zeeman effects. We present a microscopic theory developed in close collaboration with the A. F. Ioffe Institute (St. Petersburg,Russia) of the magnetic field induced mixing of heavy-hole states with angular momentum projections 3/2 in GaAs droplet dots grown on (111)A substrates.Chapter 4 of this thesis is focused on the charge tuneable structures grown on n+-(100) GaAs substrate. In non-intentionally doped samples, due to charge fluctuations, the neutral X0 exciton and the positively (negatively) charged exciton X+(X-) are observed simultaneously in time integrated spectra. We present here deterministic charging of droplet dots with single electrons. Detailed studies in transverse magnetic fields allowed unambiguously identifying the charge states and determining the exciton fine structure. The neutral exciton fine structure was tuned to zero in finite transverse fields, a crucial property for achieving efficient polarization entangled two photon sources. In chapter 5, we focus on the nuclear spin effects in [111] grown quantum dots under optical pumping conditions. An optically oriented electron spin can transfer its polarization to a nucleus (Overhauser effect). In the well-studied strained InGaAs dots in GaAs, dynamic nuclear polarization (DNP) at zero applied magnetic field is possible due to screening of the nuclear dipole-dipole interaction by strong nuclear quadrupole effects. Here we present the first observation of DNP in strain free dots, i.e. in theabsence of nuclear quadrupole effects. We investigated in detail the role of the strong effective magnetic field acting on the nuclei due to the presence of a well-oriented electron spin (Knight field). This Knight field in the order of 15 mT for most dots is an important ingredient for the observed DNP at zero field. The intricate interplay between the Knight field and the Overhauser field is studied in a transverse magnetic field. These Hanle measurements performed on single dots allow us to determine the sign of the confined electron g-factor and spin relaxation time

The hyperfine interaction between carrier spins and nuclear spins is an important component in exploring spin-dependent properties in materials with strong spin orbit interaction.However hyperfine interaction has been less studied in bismuth (Bi), a heavy element exhibiting a strong Rashba-like spin-orbit interaction in its two-dimensional surface states due to the broken spatial inversion symmetry. In this dissertation we experimentally explore the carrier spin polarization due to transport under strong spin-orbit interaction and the nuclear polarization resulting from the relatively unexplored hyperfine interaction on Bi(111) films.The carrier and nuclear spin polarizations are expected to dynamically interact, a topic with ramifications to other materials where surface states with noteworthy properties play a role.To achieve this goal, an optimized van der Waals epitaxy growth technique for Bi(111) on mica substrates was developed and used, resulting in flat Bi surfaces with large grain sizes and a layered step height of 0.39±0.015 nm, corresponding to one Bi(111) bilayer height. A comparison between Bi(111) films grown on three different substrates (mica, InSb(111)B, and Si(111)) is discussed, for which scanning electron microscopy and atomic force microscopy are applied to obtain the structural and morphological characteristics on the film surface. Magnetotransport measurements are carried out to extract the transport properties of theBi(111) films. Using the high quality Bi(111) film deposited on mica, we develop quantum magnetotransport techniques as delicate tools to study hyperfine interaction. The approach is based on measuring quantum corrections to the conductivity due to weak antilocalization, which depend on the coherence of the spin state of the carriers. The carrier spin polarization is generated by a strong DC current in the Bi(111) surface states (here called the Edelstein effect), which then induces dynamic nuclear polarization by hyperfine interaction. Quantum transport antilocalization measurements in the Bi(111) thin-films grown on mica indicate a suppression of antilocalization by the in-plane Overhauser field from the nuclear polarization, and allow for the quantification of the Overhauser field, which is shown to depend on both polarization duration and the DC current magnitude. Various delay times between the polarization and the measurement result in an exponential decay of the Overhauser field, driven by relaxation time T1. We observe that in the Bi surface states, the appreciable electron density and strong spin-orbit interaction allow for dynamic nuclear polarization in the absence of an external magnetic field. / Doctor of Philosophy / This dissertation focuses on the heavy element bismuth (Bi), a semimetal with strong spin-orbit interaction at its two-dimensional surface. Given the challenge to grow high qualityBi(111) films, we present an optimized van der Waals epitaxy technique to grow Bi(111)films on mica substrates, which show a flat surface with large grain sizes and a layered step height of 0.391±0.015 nm, corresponding to one Bi(111) bilayer height. To demonstrate the high quality of the Bi(111) surface, a comparison of surface morphology was conducted among Bi(111) films deposited on three different substrates (mica, Si(111), and InSb(111)B),along with a comparison between their electronic transport properties. By applying a DC current on the high quality Bi(111) film on mica, a carrier spin polarization is established via mainly what we here call the Edelstein effect, which then induces dynamic nuclear polarization by hyperfine interaction and generates a non-equilibrium nuclear spin polarization without externally applied magnetic field. We quantified the Overhauser field from the nuclear polarization all-electrically by conducting quantum transport antilocalization experiments, which showed a suppression of antilocalization by the in-plane Overhauser field.Comparative measurements indicated that the magnitude of the Overhauser field depends onthe spin-polarizing DC current magnitude and the polarization duration. The experiments also show that antilocalization forms a sensitive probe for hyperfine interaction and nuclear polarization.

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Ce travail fait l’objet d’une avancée scientifique dans le développement de la technique d’IRM rehaussée par l’effet Overhauser dans la souris à 0,2 T. Cette dernière repose sur le transfert de polarisation des spins électroniques saturés d’un radical libre vers les spins des protons (généralement de l’eau) voisins pour rehausser le signal RMN du proton. Notre équipe a développé cette technique pour détecter une activité protéolytique au travers de deux stratégies. La première partie de la thèse a été de détecter pour la première fois une activité protéolytique in situ dans des souris saines et in vitro sur cellules vivantes. L’efficacité du rehaussement par effet Overhauser repose sur le temps de corrélation des spins des électrons non-appariés. Un radical nitroxyde greffé à l’élastine a été utilisé comme substrat. La protéolyse de ce dernier par des élastases pancréatiques a conduit l’observation en 3D d’un rehaussement du signal RMN de plus de 10 fois dans le tube digestif de souris vivantes. De plus, des développements méthodologiques, tels que l’implémentation de la séquence TrueFISP, le sous-échantillonnage par la méthode “Keyhole”, et la reconstruction des données en 3D ont été faits. La deuxième stratégie repose sur des molécules de nitroxyde ayant l’unique propriété de pouvoir décaler leurs pics de résonance après hydrolyse. Un nitroxyde phosphorylé en position Béta pouvant être détecté à deux fréquences spécifiques différentes avant et après hydrolyse d’un groupement chimique a été synthétisé par des chimistes à Marseille. L’hydrolyse de cette macromolécule a été observée in vivo dans l’estomac de souris saines avec des rehaussements de plus de 400% et imagée en 3D avec une bonne résolution spatio-temporelle. Ainsi, une prochaine étape serait de poursuivre ce travail sur un modèle pathologique et développer cette technique à un champ magnétique plus bas. / This work relates the continuity and advances in the implementation of the Overhauser-enhanced Magnetic Resonance Imaging technique on a 0.2 T scanner. Briefly, OMRI technique is based on polarization transfer of saturated electronic spins from free nitroxide radicals to proton spins of surrounding water molecules in the aim to drastically enhance proton NMR signal. To this technique, our research team has merged specific strategies for proteolytic activity detection. The first strategy relies on a 3D visualization of proteolytic activity happening in intact living cells or in vivo in healthy mice. With an Overhauser switch based upon changes in molecular tumbling time, high Overhauser enhancements of 10-fold were observed in the intestinal tract of mice after that elastolytic activity of our probe: the nitroxide-labeled elastin macromolecule took place. In addition, MRI developments - TrueFISP sequence implementation, undersampling Keyhole method and data reconstruction were carried out for imaging these rapid biological processes. A second exquisite strategy is also described using nitroxides with shifting resonant peaks. Here, a Beta-phosphorylated nitroxide molecule was specifically detected at two distinct frequencies: one for its substrate and the other for its product once hydrolysis took place. This hydrolysis was imaged in 3D in the stomach of living mice with Overhauser enhancements of more than 400% and with a good spatiotemporal resolution. The perspectives of this work lie on a future detection of a pathological proteolytic activity in vivo and eventually and development of very low magnetic field OMRI.

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La RMN multidimensionnelle (RMN-nD) est la méthode de choix pour l'étude structurale et dynamique des protéines en solution avec une résolution atomique. Une limitation de la RMN-nD est la longue durée de l'acquisition: le temps d'acquisition du jeu de données nécessaire pour une étude structurale est souvent de l'ordre de plusieurs semaines. De plus des processus cinétiques, qui se passent à l'échelle de la seconde, ne sont pas accessibles aux études en temps réel par RMN-nD en utilisant les méthodes standards. Ce travail présente des développements méthodologiques qui visent à accélérer la RMN-nD en optimisant la relaxation longitudinale des protons amides. Les méthodes proposées permettent d'acquérir des spectres de corrélation 2D 1H-15N (3D 1H-15N-13C) en quelques secondes (quelques minutes). En plus, en combinaison avec des méthodes existantes (encodage spatial, encodage Hadamard), le temps d'acquisition pour des spectres 2D peut être réduit à une seconde. Des applications à l'étude de phenomène cinétiques des protéines sont montrées.<br />Cette thèse présente aussi une nouvelle expérience RMN qui permet d'évaluer rapidement la qualité d'un échantillon de protéine, et une nouvelle méthode pour mesurer des couplages dipolaires résiduels entre protons amides avec une meilleure sensibilité que les méthodes existantes.