Etudes par résonance magnétique nucléaire de l'augmentation de la contribution paramagnétique de la relaxation dans les champs magnétiques intenses : méthodes et applications

Nuclear magnetic resonance studies of paramagnetic relaxation enhancement at high magnetic fields : methods and applications

• Auteur / Autrice : Rami Nasser Din
• Direction : Mladen Horvatić, Steffen Krämer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national des champs magnétiques intenses (Grenoble ; Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Balestro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gisela Guthausen, Masooma Ibrahim, Hannes Kuhne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Goze-Bac, Alessandro Lascialfari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques intenses

Spectroscopie de résonance paramagnétique électronique

Résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Résonance magnétique nucléaire

Relaxation paramagnétique

Champs magnétiques intenses

Nuclear magnetic resonance

Paramagnetic relaxation enhancement

High magnetic fields

Résumé

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique analytique largement utilisée dans des domaines de recherche tels que la chimie, la physique et la biomédecine. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est l’une de ses applications les plus importantes, tant pour les investigations médicales que techniques. Dans ce contexte, l’augmentation de la contribution paramagnétique à la relaxation (PRE en anglais) constitue un domaine de recherche important, notamment avec l’utilisation croissante de champs magnétiques élevés dans l’IRM. La PRE change le contraste de l'image IRM en accélérant la relaxation du spin nucléaire des protons dans l’eau via leurs interactions magnétiques avec les spins électroniques des composés paramagnétiques ajoutés. Par conséquent, les composés présentant une PRE sont utilisés comme agents de contraste en IRM. La PRE dépend de la concentration des composés paramagnétiques dans le solvant. La PRE d'un composé à un champ donné est mesurée par sa relaxivité, définie comme l'augmentation du taux de relaxation du proton de l'eau normalisé par sa concentration. Malgré de nombreuses années de recherche sur la PRE, des questions intéressantes subsistent concernant ses mécanismes microscopiques.Dans ce contexte, il est important de mesurer la dépendance au champ de la PRE jusqu'au champ magnétique le plus élevé possible. Pour autant, la plupart des études de PRE ont été faîtes à des fréquences inférieures à 800 MHz (18,8 T). Cette gamme de fréquences peut être étendue au-delà de la limite actuelle des aimants supraconducteurs de 28,2 T en utilisant des aimants résistifs.La disponibilité des aimants résistifs au LNCMI de Grenoble permet des études de PRE jusqu'à 33 T (1,4 GHz) et au-delà. Cependant, les expériences de RMN dans les aimants résistifs est un défi technique en raison de la faible homogénéité du champ et de ses fortes fluctuations. Pour cette raison, au cours de cette thèse, nous avons travaillé de manière approfondie sur le développement d'instruments et de méthodes RMN pour surmonter l'inconvénient des aimants résistifs, notamment une canne RMN à large bande jusqu'à 1,4 GHz pour un volume d'échantillon de microlitres, des mesures RMN à scan unique et des programmes d'analyse de données personnalisés.La validité de ces méthodes a été confirmée par la réalisation d'études de PRE sur des échantillons de lanthanides en solution aquatique. Le comportement de leur PRE est connu, ce qui en fait des échantillons de référence idéaux pour la comparaison avec les études de PRE réalisées sur des aimants supraconducteurs et résistifs. Ces études de PRE fournissent des informations sur la qualité des données sur aimants résistifs et l'identification d'erreurs systématiques potentielles. De plus, l’extension de la gamme de champs dans les études de PRE jusqu’à 1,4 GHz de ces composés relativement simples devrait fournir des informations importantes pour l’analyse de systèmes plus complexes.De plus, la perspective de futures applications d’IRM à haut champ nous pousse à développer de nouveaux agents de contraste plus efficaces en champ fort que les composés conventionnels à base de Gd (III) (relaxivité et PRE limitées). L'une des stratégies consiste à étudier d'autres complexes à base de lanthanides. Par conséquent, de nouveaux complexes à base de lanthanides tels que les polyoxométalates paramagnétiques (PM-POM) ont été synthétisés et étudiés sur une large gamme de fréquences allant de 20 MHz à 1,4 GHz en utilisant des aimants permanents et supraconducteurs commerciaux et une RMN non standard dans les aimants résistifs pour les fréquences supérieures à 800 MHz. Les résultats indiquent que ces composés sont des bons candidats potentiels comme agents de contraste, notamment dans les champs magnétiques élevés.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is an analytical technique widely used in research fields such as chemistry, physics, and biomedicine. One of its most prominent applications is Magnetic Resonance Imaging (MRI) for both, medical and technical investigations. In this context, Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE) is an important research area, particularly with the increasing use of high magnetic fields in MRI. PRE changes the MRI image contrast by speeding up the nuclear spin relaxation of typically proton spins of water via their magnetic interactions with electron spins of added paramagnetic compounds. Therefore, compounds exhibiting PRE are used as contrast agents in MRI. PRE depends on the concentration of the paramagnetic compounds in the solvent. The PRE of a compound at a given field is measured by its relaxivity, defined as the enhancement of the relaxation rate of the water proton normalized by its concentration. Despite many years of research on PRE, there are still interesting questions about the microscopic mechanisms.In this context, it is important to measure the field dependence of PRE up to the highest possible magnetic field. However, most PRE studies end up at frequencies below 800 MHz (18.8 T). This frequency range can be extended beyond the current superconducting magnet limit of 28.2 T by employing resistive magnets.The availability of resistive magnets at the LNCMI laboratory in Grenoble opens the way for PRE studies up to 33 T (1.4 GHz) and beyond. However, the limited field quality of resistive magnets, field inhomogeneity and fluctuations make NMR experiments a technical challenge. For this reason, during this thesis, we extensively worked on the development of NMR instrumentation and methods to overcome the disadvantage of resistive magnets including a wideband NMR setup up to 1.4 GHz for microliter sample volume, single scan NMR, and tailored data analysis routines.The validity of these methods was confirmed by performing PRE studies on aqua-solutions of lanthanides that have been extensively investigated since the early days of NMR. Much of their PRE behavior is known, which makes them ideal benchmark samples for the comparison between PRE studies performed on superconducting and resistive magnets. They provide information on the quality of the resistive magnet data and the identification of potential systematic errors. In addition, the extension of the PRE field range up to 1.4 GHz of these relatively simple lanthanide complexes is expected to provide important information for the analysis of more complex compounds.Moreover, the trend towards future high-field MRI applications requires the development of new, effective contrast agents due to the reduced relaxivity of conventional PRE compounds based on Gd(III) at high fields. One of the strategies is to investigate other lanthanide-based complexes. Therefore, new lanthanide-based complexes like paramagnetic polyoxometalates (PM-POMs) have been synthesized, and investigated over a wide range of frequencies from 20 MHz up to 1.4 GHz using commercial permanent and superconducting magnets, and non-standard NMR in the resistive magnets for frequencies above 800 MHz. They indicate that these compounds are potential candidates for contrast agents, especially at high magnetic fields.