19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2097" Chuanping Li. 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Because cells are machines, their structure determines their function (health). But their structure also determines cells’ mechanical properties. So if we can understand how cells’ mechanical properties are influenced by specific structures, then we can observe what’s happening inside of cells via mechanical measurements. The Atomic Force Microscope (AFM) has become a standard tool for investigating the mechanical properties of cells. In many experiments, an AFM is used to ‘poke’ adherent cells with nanonewton forces, and the resulting deformation observed via, e.g. Laser Scanning Confocal Microscopy. Results of such experiments are often interpreted in terms of continuum mechanical models which characterize the cell as a linear viscoelastic solid. This “top-down” approach of poking an intact cell —complete with cytoskeleton, organelles etc.— can be problematic when trying to measure the mechanical properties and response of a single cell component. Moreover, how are we to know the sensitivity of the cell’s mechanical properties to partial modification of a single component (e.g. reducing the degree of cross- linking in the actin cortex)? In contrast, the approach taken here —studying the deformation and relaxation of lipid bilayer vesicles— might be called a “bottom-up” approach to cell mechanics. Using Coarse- Grained Molecular Dynamics simulations, we study the deformation and relaxation of bilayer vesicles, when poked with constant force. The relaxation time, equilibrium area expansion, and surface tension of the vesicle membrane are studied over a range of applied forces. Interestingly, the relaxation time exhibits a strong force-dependence. Force-compression curves for our simulated vesicle show a strong similarity to recent experiments where giant unilamellar vesicles were compressed in a manner nearly identical to that of our simulations.

Tato práce popisuje historicky první multi-frekvenční rapid-scan EPR. Při zavedení mikrovlnného záření z oblasti 200 GHz a následnou sinusovou modulací bylo dosaženo rychlostí změn frekvence až 61 500 THz/s a zkreslení spekter, známé jako ”wiggles”, bylo pozorováno u obou studovaných vzorků organických radikálů – BDPA v polystyrenové matici a LiPc. Tato práce představuje flexibilní metodu provádění rapid-scan EPR experimentů za použití napětím ovládaného oscilátoru (Voltage Controlled Oscillator; VCO) jako zdroje a zero-bias detektoru (ZBD) pro detekci, čímž se otevírá možnost postupu dále do oblastí vyšších polí / vyšších frekvencí. Dále je popsán postup získání ustáleného spektra z rapid-scan výsledků, známý jako Fourierovská dekonvoluce, a dále je zjistěn spinový dekoherenční čas vzorků pomocí srovnání experimentálních spekter s výsledky numericky vyřešených Blochových rovnic. Výsledné hodnoty jsou 50 ns pro BDPA a 12 ns pro LiPc.

Techniques based on principle of nuclear magnetic resonance (NMR) belong to the most modern methods for studying physical, chemical and biological properties of materials [1]. Their universality predestinates them for application in a wide range of scientific disciplines, e.g. in medicine to study properties of tissues. Advantages of techniques utilizing principle of NMR consist in their noninvasiveness and thoughtfulness to human health or studied material. In addition, no undesirable effects of magnetic force field have been so far proved by research. Objectives of this Diploma Thesis are evaluation of MR images of tissue cultures and determination of protons amount included in them. Theoretic part of the Thesis is devoted to the bases of NMR and provides basic overview of MR methods. The spin echo method (SE) is described in more details, including the process of assessment of technique’s parameters, e.g. general magnetization. Practical part of Diploma Thesis is focused on determination of integral of image intensity of clusters of early somatic embryos. Intensity integrals characterizing number of protons in growing cluster were calculated from MR images of spruce embryos contaminated by lead. The intensity of an image weighted by spin density is proportionate to the number of proton nuclei in the chosen slice. The Thesis describes further evaluation of relaxation time T2 from MR images weighted by spin density. Following part is dealing with determination of diffusion from MR images with application of compensation methods, three-measurement arrangement and presentation of obtained results. Images were processed by use of MATLAB and MAREVISI programs.

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.

Magnetic nanoparticles have received extensive attention in the biomedical research, e.g. as prospective contrast agents for T2-weighted magnetic resonance imaging. The ability of a contrast agent to enhance the relaxation rate of 1 H in its vicinity is quantified by relaxivity. The main aim of this thesis is to evaluate the transversal re- laxivity of ε-Fe2−x Alx O3 nanoparticles coated with amorphous silica or citrate - its dependence on external magnetic field, temperature and thickness of silica coating - by means of nuclear magnetic resonance. The aluminium content x = 0.23(1) was determined from XRF, the material was further characterised by XRPD, Möss- bauer spectroscopy, DLS, TEM and magnetic measurements. The size of magnetic cores was ∼ 21 nm, the thickness of silica coating ∼ 6,10,17 and 21 nm. Magne- tization of the ε-Fe2−x Alx O3 nanoparticles increased by ∼ 30 % when compared to ε-Fe2O3. The saturating dependence of relaxivity on external magnetic field and on the linear decrease with increase of thickness of silica coating contravene the theo- retical model of motional averaging regime (MAR); nevertheless, the temperature dependence acquired in 0.47 T and 11.75 T may be explained by MAR. In compari- son to ε-Fe2O3 nanoparticles, the relaxivity of examined samples was higher for par-...

<p dir="ltr">Manganese (Mn) is an essential trace element for humans that functions primarily as a coenzyme in several biological processes such as nerve and brain development, energy metabolism, bone growth and development, as well as cognitive functioning. However, overexposure to environmental Mn via occupational settings or contaminated drinking water can lead to toxic effects on the central nervous systems and cause a Parkinsonian disorder that features symptoms such as fine motor control deficits, dystonia rigidity, speech and mood disturbances, and cognitive deficits summarized under the term “manganism”. Over time, Mn exposure has shifted from acute, high-level instances leading to manganism, to low-level chronic exposure. Considering that Mn exposure is significantly lower than in the past, it is unlikely to expect manganism from chronic Mn exposure under current working conditions. Therefore, there is a need to develop sensitive methods to aid in updating the clinical diagnostic standards for manganism and Mn neurotoxicity as chronic exposure to Mn leads to more subtle symptoms.</p><p><br></p><p dir="ltr">Historically, magnetic resonance imaging (MRI) has been used as a non-invasive tool for detecting excess brain Mn accumulation. Specifically, T1-weighted images show bilateral hyperintensities of the globus pallidus (GP) due to the paramagnetic properties of Mn which increases the MR relaxation rate R1. Although the GP is considered the hallmark of excess brain Mn, this brain area is not necessarily associated with symptoms, exposure, or neuropsychological outcomes. Thus, the focus should not be on the GP only but on the entire brain. With recent advances in quantitative MRI (qMRI), whole brain mapping techniques allow for the direct measurement of relaxation rate changes due to Mn accumulation. The work in this dissertation uses such quantitative techniques and network science to establish novel computational in vivo imaging methods to a) visualize and quantify excess Mn deposition at the group and individual level, and b) characterize the toxicokinetics of excess brain Mn accumulation and the role of different brain regions in the development of neurotoxicity effects.</p><p><br></p><p dir="ltr">First, we developed a novel method for depicting excess Mn accumulation at the group level using high-resolution R1 relaxation maps to identify regional differences using voxel-based quantification (VBQ) and statistical parametric mapping. Second, we departed from a group analysis and developed subject-specific maps of excess brain Mn to gain a better understanding of the relationship between the spatial distribution of Mn and exposure settings. Third, we developed a novel method that combines network science with MRI relaxometry to characterize the storage and propagation of Mn and Fe in the human brain and the role of different brain regions in the development of neurotoxic effects. Lastly, we explore the application of ultra-short echo (UTE) imaging to map Fe content in the brain and compare it against R2* and quantitative susceptibility mapping (QSM).</p><p><br></p><p dir="ltr">Overall, this dissertation is a successful step towards establishing sensitive neuroimaging screening methods to study the effects of occupational Mn exposure. The individual Mn maps offer great potential for evaluating personal risk assessment for Mn neurotoxicity and allow monitoring of temporal changes in an individual, offering valuable information about the toxicokinetics of Mn. The integration of network science provides a holistic analysis to identify subtle changes in the brain’s mediation mechanisms of excess metal depositions and their associations with health outcomes.</p>

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil de choix pour la caractérisation tissulaire in vivo. Il est démontré que la mesure d’un temps caractéristique en IRM, appelé « T1 », est corrélée à la composition du tissu. Justesse et reproductibilité sont requises dans la mesure du T1 pour : i) discriminer les valeurs de T1 des tissus sains et fibrosés dont la gamme de valeurs est assez restreinte, ii) permettre la mesure avant et après injection d’agent de contraste et iii) comparer les valeurs de T1 entre sites et constructeurs. A ce jour, aucune des techniques publiées n’est en mesure de fournir une mesure de T1 « idéale ». L’objectif principal de cette thèse est d’optimiser et de valider une technique de mesure du T1 sur le myocarde, qui se propose d’allier ces deux qualités. Pour atteindre cet objectif, nous avons travaillé la séquence appelée « SMART1Map » basée sur le principe d’échantillonnage d’une courbe de saturation-récupération. Des essais sur objets tests et sur volontaires à 1,5T et 3T ont d’abord été réalisés. Bien que les valeurs moyennes de T1 mesurées chez 7 sujets étaient justes et correspondaient à la littérature (1150 ± 84 ms à 1,5T), les résultats ont montré une faible reproductibilité imputable en partie à un manque de robustesse de la séquence vis-à-vis des inhomogénéités de champ magnétique particulièrement importantes à 3T. L’optimisation (simulation, implémentation et tests) de l’impulsion radiofréquence de saturation constitutive de la séquence a été mise en œuvre à 3T, sur objets fantômes, puis sur volontaires sains. Ces travaux ouvrent la voie à la mise en place de mesure de biomarqueur IRM de la fibrose / Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) has experienced growing interest due to its great potential in myocardial tissue characterization. Myocardium T1 values can be considered a useful imaging biomarker. Although many different T1 mapping techniques already exist, accurate and precise myocardial T1 quantification remains a desired yet challenging goal. Cardiac T1 mapping necessitates high precision to: i) discriminate values within the relatively short range of T1 values in healthy and diseased tissues, ii) allow both pre and post contrast agent injection T1 assessment, which is mandatory to compute the ECV and iii) allow comparison across platforms and hospitals. It should also provide a T1 value independent of heart rate. Among published methods, not any of them offer an “ideal” T1 quantification method. The main aim of this work is to optimize and to validate a precise and accurate quantitative T1 mapping technique. In order to achieve this goal, the sequence called « SMART1Map » based on the saturation recovery curve sampling was used. The first step consisted in performing T1 measurements on phantoms and healthy volunteers at 1,5T and 3T. Although this study allowed to assess accurate myocardium T1 values close to literature ones (1150 ± 84 ms), the sequence showed a poor precision likely due to a lack of robustness to magnetic field inhomogeneties and frequency offsets. Optimization (including simulation, implementation and tests) of the saturation RF pulse used in the sequence was carried out in phantoms then on healthy subjects at 3T. From this development, fibrosis detection through T1 measurements in clinical studies can now be started at 1.5T and 3T

Μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου παρασκευάσθηκαν μέσω της αλκαλικής συμπύκνωσης και ελεγχόμενης καταβύθισης συμπλόκων ιόντων FeII, υπό την παρουσία τυχαίου συμπολυμερούς PAA-co-MA. Οι παράμετροι της σύνθεσης μεταβλήθηκαν με σκοπό την απομόνωση προϊόντων που να εμφανίζουν τις καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες. Όλα τα προϊόντα εμφάνισαν υψηλή κολλοειδή σταθερότητα σε υδατικά μέσα χαμηλής ιοντικής ισχύος, ενώ ο σιδηρομαγνητικός τους χαρακτήρας έδειξε να ποικίλει από ασθενής μέχρι αρκετά ισχυρός, όπως προέκυψε μετά τον χαρακτηρισμό τους με μαγνητοφόρηση και μαγνητική υπερθερμία με εναλλασόμενο μαγνητικό πεδίο. Το μέσο μέγεθος των νανοκρυσταλλιτών ήταν διαφορετικό σε κάθε προϊόν κυμαινόμενο από περίπου 3 έως 14 nm, όπως προσδιορίστηκε μέσω XRD. Η ανάλυση με ΤΕΜ έδειξε ότι στο προϊόν που εμφανίζει τις καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες σχηματίζονται πλειάδες νανοσωματιδίων πυκνής διάταξης, και στις οποίες αποδίδεται η βελτιωμένη απόκριση σε μαγνητικά πεδία. Τα άλλα προϊόντα εμφάνισαν μικρότερα μεγέθη κρυσταλλιτών και διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά. Τα κολλοειδή καταβυθίζονταν κατόπιν αύξησης της ιοντικής ισχύος του διαλύτη. Για τον λόγο αυτό αποφασίστηκε η μελέτη της αντίδρασης σύζευξης των εξωτερικών καρβοξυλικών ομάδων του πολυμερικού φλοιού με mPEG-NH2, δεδομένου ότι η PEG αυξάνει σημαντικά τη σταθερότητα των κολλοειδών. Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκαν κοινά αντιδραστήρια σύζευξης, μόνο υπό πολύ ειδικές συνθήκες η απόδοση της αντίδρασης ήταν ικανοποιητική, οπότε και προέκυψαν σταθερά κολλοειδή σε συνθήκες υψηλής ιοντικής ισχύος. Τέλος, τα προϊόντα αξιολογήθηκαν για την ικανότητά τους να επάγουν υπερθερμία και μελετήθηκε ο χρόνος χαλάρωσης Τ2, ο οποίος σχετίζεται άμεσα με την ενίσχυση της αντίθεσης στην απεικόνιση μέσω μαγνητικού συντονισμού. Τέλος, ένα από τα προϊόντα, μελετήθηκε in vitro και in νίνο, προκειμένου να αξιολογηθεί η βιοσυμβατότητα του. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες ώστε να τροποποιηθούν και να μελετηθούν περεταίρω ως θεραπευτικά ή/και διαγνωστικά νανοϋλικά. / Μagnetic nanoparticles of iron oxides were synthesized through condensation and controlled precipitation of a FeII complex, in alkaline environment, in the presence of a random copolymer PAA-co-MA, as polymeric corona. The synthetic parameters were varied with the aim of isolating products exhibiting the best magnetic properties. All products displayed high colloidal stability in low ionic strength aqueous media, while their ferromagnetic properties varied from weak to quite strong, as deduced after the characterization with magnetophoresis and magnetic hyperthermia with alternating magnetic field. The average crystallite size, as determined through XRD, varied from 8 to 14 nm depending on the product. TEM analysis showed that the product displaying the best magnetic properties formed clusters of densely packed nanocrystallites, leading to interesting superstructural motifs. All the other products displayed smaller crystallite sizes and different structural characteristics. The colloids precipitated upon increase of the ionic strength of the solvent (H2O) with NaCl. Therefore, it was decided to study the conjugation of the outer carboxyl groups of the polymeric corona with mPEG-NH2, since PEG is known to increase significantly the stability of colloids. Despite the fact that common conjugation reagents were used, only under specific conditions the yied of the reaction was appropriately high in order the resultant colloids to be stable in a high ionic strength (isotonic) medium. Finally the products were evaluated for their performance in magnetic hyperthermia and for contrast enhancement in magnetic resonance imaging, by studying the T2 relaxation time. One of the products was furthermore studied by in vitro and in vivo systems, in order to evaluate its biocompatibility. These colloidal systems exhibit very interesting properties in order to be further modified and studied as therapeutic and / or diagnostic (theragnostic) nanomaterials.

Στην παρούσα εργασία μελετούμε την διέγερση ενός ατομικού συστήματος καλίου (Κ) από 2 παλμούς λέιζερ, έναν άντλησης και έναν σύζευξης, οι οποίοι έχουν μεταξύ τους κάποια χρονική καθυστέρηση, καθώς και την επίδραση που έχουν οι χρόνοι κρούσεων των ατόμων καλίου με τα άτομα ενός αδρανούς αερίου (buffer gas – Argon), στους χρόνους αποκατάστασης ηρεμίας των ατομικών συμφωνιών (coherence relaxation times – CRT). Συγκεκριμένα γίνεται θεωρητική μελέτη του παραπάνω συστήματος σε V-τύπου σχήμα διέγερσης 3 επιπέδων, με σκοπό την προσέγγιση πειραματικών τιμών που βρέθηκαν σε προηγούμενη εργασία. Ένας ισχυρός παλμός άντλησης διεγείρει διφωτονικά την μετάβαση |4S_1/2>↔|6S_1/2> και εσωτερικά παραγόμενες ακτινοβολίες γεννώνται στην ατομική διαδρομή |6S_1/2>↔|5P_3/2>↔|4S_1/2> (διαδρομή 1), ενώ ένας πολύ ασθενής παλμός σύζευξης επιδρά στην μετάβαση |4S_1/2>↔|5P_3/2>. Εδώ δείχνουμε την επίδραση διαφόρων παραμέτρων του συστήματος στη δυναμική του, και κυρίως την επίδραση της χρονικής καθυστέρησης (μεταξύ των εξωτερικών παλμών άντλησης – σύζευξης) και του χρόνου των κρούσεων. Ακόμη διακρίνουμε μεταξύ τους τις 2 διαφορετικές διαδικασίες με τις οποίες δημιουργούνται οι εσωτερικά παραγόμενες ακτινοβολίες, μια παραμετρικής φύσεως που δεν περιλαμβάνει μεταφορές πληθυσμών και είναι σύμφωνη, και μια ASE (amplified spontaneous emission) φύσεως που είναι μερικώς σύμφωνη, και περιλαμβάνει μεταφορές πληθυσμών. Επιπλέον διερευνάται πειραματικά ένα σύστημα σε Λ-τύπου σχήμα διέγερσης το οποίο είναι πολυεπίπεδο. Το ισχυρό λέιζερ άντλησης διεγείρει διφωτονικά την μετάβαση |4S_1/2>↔|6S_1/2>. Στο Λ σχήμα διέγερσης όμως δεν μας ενδιαφέρουν ανώτερες καταστάσεις από την |6S_1/2>, καθώς η αποδιέγερση γίνεται μέσω κατώτερων από αυτήν καταστάσεων, οπότε η μελέτη απλοποιείται και τελικά γίνεται για σύστημα 4ων επιπέδων. Εσωτερικά παραγόμενες ακτινοβολίες γεννώνται στην ατομική διαδρομή 1 που αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο καθώς και στην ατομική διαδρομή |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2> (διαδρομή 2), ενώ ένας λίγο ασθενέστερος παλμός σύζευξης επιδρά στην μετάβαση |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>. Στην μελέτη αυτή επικεντρωνόμαστε στην συνολική συμπεριφορά των εκπομπών του καλίου (γραμμές D1 και D2 της μετάβασης |4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2>), και παρατηρούμε μια ενίσχυση των εσωτερικά παραγόμενων ακτινοβολιών. Τέλος υπολογίζουμε τους χρόνους αποκατάστασης ηρεμίας της συμφωνίας (Coherence Relaxation Times – CRT) για το συγκεκριμένο σύστημα και τους συγκρίνουμε με αυτούς που υπολογίστηκαν πειραματικά σε προηγούμενη εργασία για V-τύπου σύστημα 3 επιπέδων. / In the present work we study the excitation of an atomic system (potassium vapors – K) by 2 laser pulses, one pumping the system and another establishing a coupling between certain atomic states. These 2 pulses (pump – coupling) have a temporal delay. The influence of collision times (between potassium and buffer gas atoms) on the coherence relaxation times (CRT) is also investigated. More specifically a theoretical approach of the aforementioned system in a 3-level V-type excitation scheme is being done, for the purpose of approximating some experimental values of a previous study. A strong pumping pulse excites the two-photon transition |4S_1/2>↔|6S_1/2> and internally generated radiations are produced in atomic path |6S_1/2>↔|5P_3/2>↔|4S_1/2> (path 1), while a very weak coupling pulse is introduced in transition |4S_1/2>↔|5P_3/2>. We show in this part the influence of different system parameters on the system’s dynamics, and especially the influence of the temporal delay (between the pump and coupling pulses) and collision times. Also we separate the 2 different mechanisms that cause the internally generated radiations. A parametric mechanism which is coherent and doesn’t include population transfer, and an ASE (Amplified Spontaneous Emission) or SHRS (Stimulated Hyper-Raman Scattering) mechanism which is partially coherent and includes population transfer. Furthermore the behavior of a 4-level Λ-type excitation scheme is being investigated experimentally. A strong pumping pulse excites the two-photon transition |4S_1/2>↔|6S_1/2>. In a Λ type excitation scheme the atomic states that lie higher than state |6S_1/2> are not of interest, because de-excitation occurs through lower-laying atomic states. So we focus our study on a simpler 4 level system. Internally generated radiations are produced in atomic path 1, which was mentioned in the last paragraph, and also in atomic path |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2> (path 2). A weaker coupling laser as introduced in transition |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>. In this part of the study we focus on the overall behavior of the D1 and D2 emission lines of potassium (occurring from the transition |4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2>) and we observe an amplification of the internal radiations. Finally we calculate the CRT times for this specific system and we compare them with those values that were calculated experimentally in a previous work for a V-type system.