Entre tous les techniques de l’imagerie, imagerie par résonance magnétique (IRM) offre plusieurs avantages en raison de sa faible invasivité, son innocuité et sa résolution spatiale en profondeur, mais souffre d'une mauvaise sensibilité. Pour résoudre ce problème, différentes stratégies ont été proposées, y compris l'utilisation de l’espèce hyperpolarisée comme ¹ ² ⁹ Xe.Le xénon est un gaz inerte avec un nuage d'électrons polarisable qui est très sensible à son environnement chimique. Sa capacité d'être hyperpolarisé permet d'obtenir un gain significatif de la sensibilité. Néanmoins, le xénon n'a aucune spécificité à une cible biologique, par conséquent, il a besoin d’être encapsulé et vectorisée. Des cages moléculaires différentes ont été proposées et nous sommes particulièrement intéressés à cryptophane qui est l'un des meilleurs candidats pour l’encapsulation du xénon.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de concevoir des nouveaux cryptophanes qui peuvent être utilisés comme les plates-formes moléculaires pour construire des nouvelles bio-sondes de ¹ ² ⁹ Xe IRM utilisables pour l'imagerie in vivo. Pour cette raison, ces cryptophanes devraient être hydrosoluble et mono-fonctionnalisable.Dans cette thèse, le polyéthylène glycol (PEG) est utilisé pour améliorer la faible solubilité de la cage moléculaire hydrophobe. Il y a également une discussion systématique des façons de casser la symétrie des cryptophanes et les stratégies différentes ont été tentées pour synthétiser cryptophanes mono-fonctionnalisé.En conséquence, plusieurs cryptophanes PEGylés et mono-fonctionnalisés ont été obtenus et leurs propriétés d'encapsulation du xénon ont été testées. / Among all the imaging techniques, magnetic resonance imaging (MRI) offers several advantages owing to its low invasiveness, its harmlessness and its spatial in-depth resolution but suffers from poor sensitivity. To address this issue, different strategies were proposed, including the utilization of hyperpolarizable species such as ¹ ² ⁹ Xe.Xenon is an inert gas with a polarizable electronic cloud which leads to an extreme sensitivity to its chemical environment. Its capacity of being hyperpolarized makes it possible to obtain a significant gain of sensitivity. Nevertheless, xenon has no specificity to any biological target therefore it needs to be encapsulated and vectorized. Different molecular cages were proposed and we are particularly interested in cryptophane which is one of the best candidates for xenon encapsulation.In this context, the objective of this thesis is to design new cryptophanes which can be used as molecular platforms to construct novel ¹ ² ⁹ Xe MRI biosensors usable for in vivo imaging. To meet this demand, these cryptophanes should be mono-functionalizable and enough soluble in water.In this thesis, the polyethylene glycol (PEG) group is used to improve the poor solubility of the hydrophobic molecular cage. And there is a systematic discussion of how to break the symmetry of cryptophanes and different strategies were attempted to synthesize mono-functionalized cryptophanes.As a result, several PEGylated mono-functionalized cryptophanes were obtained and their properties for encapsulating xenon were tested.

The ongoing effort to improve the sensitivity and information content of NMR spectroscopy and MRI has important implications in scientific research and medical diagnostics. In this dissertation, a variety of approaches have been investigated and expanded on in an effort to contribute to this field. First, cryptophanes are cage-shaped molecules that have previously been used to encapsulate molecules of interest for a number of potential applications--including gas sensing and biosensing. In one set of studies, encapsulation of molecular hydrogen gas (H2) has shown different behavior compared to other small organic molecules in C111 (up until now, the smallest cryptophane). The transient, non-covalent binding was studied by variable-temperature NMR at different fields up to 950 MHz. A mathematical model that considers multiple-H2 binding was developed to better understand the physics and binding process, with predictions compared to experimental data (and rationalized in light of quantum chemical calculations on possible H2@C111 complexes). To our knowledge, C111 is the only system to reversibly trap multiple H2 gas molecules non-covalently under mild conditions. In a second series of studies, the interaction of laser-polarized xenon and a water-soluble cryptophane was studied. Despite the low concentration of xenon in aqueous solution, it was possible to achieve polarization transfer from xenon to cryptophane spins via the SPINOE (spin-polarization induced nuclear Overhauser effect). The SPINOE enhancements, along with the 129Xe NMR spectra, provide information about the interaction of the Xe-cryptophane complex (variants of which are now used in so-called xenon biosensors). This was our first in-house successful application of hyperpolarized xenon as a signal source for the spins of other molecules, leading the way to a number of ongoing studies. Although the absolute NMR enhancements obtained via the SPINOE were small, much larger enhancements were studied in a technique that uses para-hydrogen (pH2)--a spin isomer of normal molecular hydrogen)--as the source of spin order. As with the xenon experiments (and the H2 binding experiments), pH2 must be delivered as a gas to a sealed sample prior to performing the NMR experiments. Parahydrogen-induced polarization (PHIP) is an emerging field in enhancing the sensitivity in NMR experiments and may play an important role in MRI studies. Within this field a very recent phenomena of signal amplification by reversible exchange (SABRE) was investigated. The reproducibility of this recent discovery has been examined and new conclusions about the mechanism of this technique are delineated. NMR signal enhancements of nearly ~400-fold are reported. Moreover, a new water soluble NHC-Iridium catalyst was synthesized and investigated in SABRE related studies. We also report the first studies of SABRE-enhancement in biologically tolerable solvents--opening a door to the development of SABRE-hyperpolarized metabolic contrast agents for subsecond molecular imaging in the body. Although much of the above work was motivated by the desire to improve NMR/MRI sensitivity enhancement, other efforts concerned the other side of the equation--improving NMR/MRI information content. The next section concerns our efforts to investigate use of Variable-Angle (VA) NMR to study composite liquid crystal (LC) media comprised of stretched polyacrylamide gels (SAG) and embedded bacteriophage Pf1 particles. This in situ combination exploited the apparent interference between the different solute-aligning properties of the two LC components--yielding composite media with alignment properties that can differ in a tunable manner from those obtained with each medium alone. Characterization of alignment of both large and small molecules provides more insight into the nature of solute alignment that those composite phases introduce--with the goal of developing this approach as a new technique for studying molecular structure and dynamics via the dipolar and quadrupolar couplings that are restored in liquid-crystalline media. Finally the use of SPIONS--superparamagnetic iron oxide nanoparticles--as contrast agents is a relatively new approach to enhance information content in MRI studies; this is particularly true for SPIONs that have been surface-functionalized to achieve an environment-sensitive MR response. Novel surface-functionalized SPIONs were investigated by examining their effect on nuclear spin relaxation in aqueous environments simulating bodily tissues. More specifically, the pH and ionic strength dependent properties of selected dendron-functionalized and polymer-functionalized SPIONs have been examined. Of particular interest to this dissertation is how environment-mediated transient clustering of the SPIONs gives rise to changes in so-called transverse (homogeneous) spin relaxation rates as measured by following the decay of MR signals detected after the application of a series of radio-frequency (RF) pulses. In order to better understand these effects in the context of the SPIONs' behavior, a mathematical model is under development whose predictions are compared with experimental data. Aspects of the model are also compared to transmission electron micrography (TEM) and dynamic light scattering (DLS).

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d’imagerie très utilisée de nos jours, notamment pour le diagnostic médical. L’utilisation d’agents de contraste lors d’un examen IRM permet d’obtenir des images de bonne qualité. Cependant, le manque de sensibilité de cette technique d’imagerie a conduit à l’utilisation d’espèces hyperpolarisées (3He, 13C, 129Xe) en IRM. Le xénon (Xe) apparait aujourd’hui comme un composé très prometteur pour de telles applications mais son manque de sélectivité rend l’imagerie moléculaire impossible. Le développement et l’utilisation de molécules cages capable d’encapsuler le xénon et de l’amener vers la cible à imager est donc indispensable. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse à l’élaboration de telles molécules, et plus précisément, à l’obtention de nouveaux cryptophanes qui présentent la plus forte affinité pour le xénon afin de pouvoir utiliser ces molécules en tant qu’outils pour l’IRM Xe. Une nouvelle voie de synthèse du cryptophane ayant la plus grande affinité pour le xénon a été mise au point ; ce composé a été fonctionnalisé pour la première fois au laboratoire et ceci dans le but d’obtenir les premières biosondes dérivées de composé. Le greffage d’antenne de reconnaissance sur ces biosondes permettrait alors de faire de l’imagerie ciblée. Une sonde pour la détection du peroxyde d’hydrogène (H2O2) a été synthétisée. Le peroxyde d’hydrogène est impliqué dans le développement de stress oxydant cellulaire et présent en ces de maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer). La sonde obtenue a permis d’imager H2O2 par IRM Xe pour la première fois. Un hybride composé de nanotube de carbone et de cryptophanes a aussi été synthétisé en vue de disposer d’outil présentant une forte concentration de cryptophanes et d’améliorer la sensibilité de la technique d’imagerie utilisant du xénon. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is widely used today for early medical diagnosis. During the MRI examination, the use of contrast agent allows the obtention of well resolved images. However the lack of sensibility of this technic lead to the utilization of hyperpolarized species (3He, 13C, 129Xe) in MRI. The xenon (Xe) is the more promising but due to its weak selectivity, it cannot be used in molecular imaging. So, the development and utilization of host molecules able to encapsulate the xenon and bring it to a targeted biological tissue or organ is necessary. In these conditions, during this thesis, we worked on the elaboration of such molecules, and particularly, in cryptophanes since these compounds have strong affinity for xenon and could be used as tools for MRI by hyperpolarized xenon (Hp Xe). A new route synthesis of cryptophane-111, that has the highest affinity for xenon, was developed; first functionalized derivatives of this compound have been also obtained in order to obtain the first biosensors based on cryptophane-111. The coating of specific ligand on these functionalized compounds could allow targeted MRI. A probe for hydrogen peroxide (H2O2) detection was synthesized. Hydrogen peroxide is implicated in cellular oxidative stress and present in case of neurodegeneratives diseases (Parkinson, Alzheimer). The probe obtained allowed the imaging of H2O2 by MRI Xe for the first time. Nanotubes functionalized with strong concentration of cryptophane have been synthesized in order to increase the sensitivity of the imaging technic that uses xenon.

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n’étant spécifique d’aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d’être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d’applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d’étudier et d’affiner les propriétés d’encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d’intérêt biologique. D’une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l’IRM xénon hyperpolarisé. D’autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d’imagerie médicale. / Today, Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful clinically used imaging method which provides three-dimensional images with excellent resolution. However, conventional molecular MRI techniques that rely on the observation of water protons still suffer from reduced sensitivity and often lack selectivity. The use of hyperpolarized xenon can improve both the selectivity and sensitivity of the MRI method. As xenon has no specificity for any biological receptor, it needs to be vectorized. For this purpose, authors have proposed to encapsulate xenon inside molecular cages functionalized to recognize specific biological targets. The best candidates so far as biosensors are cryptophanes.The aim of this work is to design and synthesize new cryptophanes that are better suited for 129Xe MRI applications and relevant biosensors for future in vivo applications. In a first part, new cages were developed in order to study the encapsulation properties of xenon inside different cryptophanes. Then, biosensors were synthesized by functionnalization of known water-soluble cryptophanes for different applications of biological interest. We have therefore assessed the possibility of detecting metal ions specifically in a very sensitive way thanks to 129Xe MRI. New bimodal sensors were also designed and tested.

Ce manuscrit détaille l’ensemble des travaux de recherches effectués au cours de mes trois années de thèse. Après un chapitre général portant sur les principes de la chimie supramoléculaire, et quelques unes de ces applications, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation des propriétés de molécules cages (cryptophanes et hémicryptophanes) pour aller vers la conception de sondes en imagerie médicale. Nous évoquons successivement le cheminement vers la synthèse d’un hémicryptophane apte à complexer le Gadolinium(III), pour une utilisation en tant qu’agent de contraste en IRM du proton, puis à l’élaboration de cryptophanes hydrosolubles adaptés à la RMN et l’IRM du 129Xe. Cette thèse s’achève sur la synthèse d’un nouvel hémicryptophane fonctionnalisé pour former des complexes avec le Terbium(III) et l’Europium(III) dont les propriétés de fluorescence sont prometteuses. / This book details all the research work that has been done during three years of Ph-D. After a chapter dedicated to the general principles of supramolecular chemistry, and some of its applications, we focalise on the use of cage-shapes molecules (cryptophanes and hemicrypto-phanes) in order to build probes for biological imaging. We successively mention the way toward the synthesis of a hemicryptophane able to complex Gadolinium(III), to use it it as a proton-MRI contrast agent, then toward the elaboration of hydrosoluble cryptophanes adapted to 129Xe NMR and MRI. This PhD manuscript ends with the synthesis of a new hemicryptophane functionnalized to form complexes with Terbium(III) and Europium(III), whose fluorescence properties are promising.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l’IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont des molécules cages constituées de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes. / Non-invasive proton magnetic resonance imaging (1H MRI) is a powerful clinical tool for the detection of numerous diseases. Although MRI contrast agents are often used to improve diagnostic specificity, this technique has limited applications in molecular imaging because of its inherently low sensitivity when compared to nuclear medicine or fluorescence imaging. Laser-polarized 129Xe NMR spectroscopy is a promising tool to circumvent sensitivity limitations. Indeed, optical pumping increases the nuclear spin polarization of xenon by several orders of magnitude (104 to 105), thus small amounts of gas dissolved in biological tissues (blood, lungs…) can be rapidly detected with an excellent signal-to-noise ratio. In addition, the high polarizability of the xenon electron cloud, which induces a very high sensitivity to its environment, makes this nucleus very attractive for molecular imaging. Detection of biomolecules can be achieved by biosensors, which encapsulate xenon atoms in molecular cages that have been functionalized to bind the desired biological target. Cage molecules such as cryptophanes have high affinity for xenon and thus appear as ideal candidates for its encapsulation. During this PhD thesis we worked on the synthesis and the functionalization of new cryptophanes.

La mesure de l'indice de réfraction a été étudiée depuis qu'Ernest Abbé aie initialement conçu un réfractomètre en 1869, appelé le réfractomètre d'Abbé. Depuis lors, de nombreux réfractomètres ont été développés tels que le réfractomètre à prisme optique ainsi que le réfractomètre à fibre optique, en raison de leurs applications étendues pour la détection de divers paramètres physiques, biologiques et chimiques. Récemment, un grand nombre de chercheurs ont mis au point des réfractomètres basés sur des fibres optiques, exploitant des mécanismes tels que la résonance des plasmons de surface (SPR), les interférences multimodes, les fibres à réseaux de Bragg (FBG), les fibres à réseaux à longues périodes (LPG), les fibres optiques coniques et la fibre multimode à gaine dénudée. Les capteurs fibrés sont avantageux grâce à leur immunité contre les interférences électromagnétiques, passivité électrique au niveau de la sonde de détection et potentiel de mesure in situ à long terme. Cette thèse concerne le développement de modèles complets fonctionnels et précis pour les réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité optique, en particulier la réfractométrie à fibre multimode à gaine dénudée ainsi que les systèmes hybrides associant fibres monomode et multimode, et un réfractomètre hybride tout fibré utilisant des fibres à cristaux photoniques. L'objectif clé de ce travail est de caractériser les performances de ces réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité en termes de réponse en puissance, de sensibilité, de résolution et de dynamique de mesure. Les résultats de simulation qui sont corroborés expérimentalement démontrent que la très grande sensibilité obtenue dans la zone II (c'est-à-dire le régime de détection typiquement utilisé pour mesurer l'indice du milieu supérieur à l'indice de gaine mais inférieur ou égal à l'indice du coeur) pour tous les trois réfractomètres. Cependant, la sensibilité dans la Zone (c’est-à-dire le régime de détection pour lequel l’indice du milieu à mesurer est supérieur à celui du coeur) est très faible. Ainsi, un refractomètre fibré hybride monomode-multimode est utilisé pour améliorer la sensibilité dans la Zone III. D'autre part, la sensibilité pour la zone I (c'est-à-dire le régime de détection pour mesurer l’indice du milieu inférieur à l'indice de la gaine) a été améliorée en augmentant l'absorption des ondes évanescentes à l'aide du réfractomètre hybride tout fibré à base de fibres à cristaux photoniques à coeur solide. En termes d'application réelle du réfractomètre à fibre pour la détection biochimique, une preuve de concept pour un capteur du gaz méthane a été démontrée en utilisant les supramolécules de cryptophane-A qui permettent de piéger les molécules du méthane. Le cryptophane-A incorporé dans un film hôte à base de styrène acrylonitrile (SAN) est appliqué sur la zone dénudée du capteur comme une région fonctionnalisée. L'indice de réfraction de cette couche sensible augmente proportionnellement avec l'augmentation de la concentration du méthane, ce qui induit une variation de la puissance optique transmise dans le capteur fibré. / Refractive index measurement has been studied since Ernest Abbé initially designed a refractometer in 1869, which is named the Abbé refractometer. Since then, numerous types of refractometers have been developed by employing either the optical prism-based refractometer or the optical fiber-based refractometer, due to their wide-ranging applications such as for sensingvarious physical, biological and chemical parameters. Recently, a large number of researchers have been developing refractometers based on optical fibers, exploiting mechanisms such as surface plasmon resonance (SPR), multimode interference, fiber Bragg gratings (FBG), long period gratings (LPG), tapered optical fibers, and striped-cladding multimode fibers (MMF), for their advantages in immunity against electromagnetic interference, electrical passivity at the sensing probe, and capability to long term in-situ measurement. This thesis concerns the development of comprehensively functional and accurate models for optical fiber refractometers based on optical intensity modulation, in particular for stripped-cladding MMF refractometry as well as hybrid systems involving a combination of single-mode-multimode fiber refractometery and the all-fiber hybrid refractometer using photonic crystal fibers. A key objective of this work is to characterize the performance of these intensity-based optical fiber refractometers in terms of their power response, sensitivity, resolution, and dynamic range. The simulation results which are corroborated experimentally demonstrate very high sensitivity being obtained in Zone II (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index higher than the cladding index but less than or equal to the core index) for all three types of refractometers. However, the sensitivity in Zone III (i.e. the sensing regime for which the sensing medium index is higher than the core index) is very low. A hybrid single-mode fiber - multimode fiber configuration is used to improve the sensitivity in Zone III. On other hand, the sensitivity for Zone I (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index lower than the cladding index) has been improved by increasing evanescent wave absorption using the all-fiber hybrid refractometer based on solid-core photonic crystal fibers. As a further potential of the fiber refractometer for applications in biochemical sensing, the proof-of-concept for a methane gas sensor has been demonstrated using supramolecular cryptophane-A which enables to trap the methane molecules. Cryptophane-A incorporated into a functionalized film of StyreneAcrylonitrile (SAN) host is applied to a de-cladded region of the sensor as the sensitive region. The refractive index of this functionalized layer increases proportionally with increasing methane concentration, subsequently inducing variations in the transmitted optical power along the fiber sensor.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l'IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont constitués de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n'étant spécifique d'aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d'être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d'applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d'étudier et d'affiner les propriétés d'encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d'intérêt biologique. D'une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l'IRM xénon hyperpolarisé. D'autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d'imagerie médicale.

NMR is a powerful analytical spectroscopic tool used to perform detailed studies of structure and dynamics of molecules in solution. However, despite NMR's excellent spectral sensitivity, most NMR methods suffer from low detection sensitivity. This low detection sensitivity results largely from extremely small (Boltzmann) nuclear spin polarization at thermal equilibrium--in even the strongest of magnets. This dissertation focuses on selected research areas that maybe used to combat the limitations presented by NMR and measure weak spectral responses with atomic-scale precision. In particular, these methods involve the use of laser-polarized xenon, liquid crystals, and polarization transfer (cross-polarization) techniques to enhance NMR sensitivity and/or measure weak interactions. The potential use of these tools to study host-guest interactions is of particular interest. In certain systems the sensitivity problem of conventional NMR/MRI can be overcome by applying optical pumping (OP) methods to enhance nuclear spin polarization. For instance, OP of noble gases (such as xenon) is employed to dramatically increase their nuclear spin polarization by transferring angular momentum of laser light to electronic and then nuclear spins. Next, cryptophane complexes are ideal choices for fundamental studies of prototypical host-guest interactions. Of general interest when studying host-guest interactions is how (1) physical confinement at the nanoscale and (2) interactions between guest and host may affect the properties, dynamics, interactions, and/or reactivity of a trapped molecule and the host/guest complex as a whole. As a more specific example, we are interested in probing host-guest dynamic coupling, which refers to the relative motion of the guest within the host, determined by the relative sizes and geometries--as well as the interactions involved. With the development of new NMR methods and techniques, we hope to gain insight into mechanisms that underlie complex formation by probing the structures, dynamics and energetic contributions involved in ligand binding, where molecular contributions such as: orientational and motional freedom of the guest; and structure, dynamics, and ordering of the host can influence the behavior of inclusion complexes.