Dynamique de systèmes de spins hyperpolarisés : Optimisation des techniques de polarisation induite par para hydrogène (PHIP) et mélange thermique entre spins nucléaires (''cross-talk'') dans des expériences de polarisation nucléaire dynamique (DNP)

Spin dynamics of hyperpolarized systems: PHIP optimization and DNP cross-talk experiments

• Auteur / Autrice : Bogdan Rodin
• Direction : Daniel Abergel, Alexandra Yurkovskaya
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/07/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Novosibirsk State University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des biomolécules (Paris ; 2009-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Sami Jannin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Abergel, Alexandra Yurkovskaya, Benno Meier, Edward Fel'dman, Michal Leskes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edward Fel'dman

Mots clés

Mots clés libres

Simulation

Pdn

Rmn

Phip

Nmr

Dnp

Simulation

Phip

Résumé

La résonance magnétique nucléaire (RMN) souffre d'un problème de sensibilité bien connu et dû à la faible énergie d’interaction du spin nucléaire avec le champ magnétique. Il en résulte une faible aimantation, ce qui rend sa détection peu sensible. C’est cette difficulté que les techniques d'hyperpolarisation permettent de surmonter. L'objectif principal de ce travail était d'étudier deux de ces méthodes, l'hyperpolarisation induite par le parahydrogène (PHIP) et la polarisation nucléaire dynamique (DNP). Le principe de base de la méthode PHIP est la fixation irréversible des molécules de para-hydrogène sur un substrat, dont les spins des noyaux sont dans un état singulet. L'ordre singulet est alors transféré à des hétéronoyaux liés aux hydrogènes afin de tirer parti de temps de relaxation plus longs et d'un moindre bruit de fond. De nouvelles méthodes ont été développées pour des spins en quasi-équivalence magnétique, en exploitant les concepts d'anti-croisement de niveaux et de modulation adiabatique. Nous avons développé le concept de profil d'adiabaticité généralisé permettant d'effectuer une transformation adiabatique beaucoup plus rapide que pour une variation linéaire d’un paramètre externe. Ce concept a d'abord été utilisé pour améliorer les méthodes adiabatiques de génération d'un ordre singulet à longue durée de vie pour une paire de spins nucléaires, permettant de générer un ordre de singulet proche du maximum théorique dans le cas difficile de l'équivalence quasi magnétique. Cette approche a été ensuite utilisée pour transférer l'ordre singulet vers le fumarate, une molécule en régime de quasi-équivalence magnétique tant en champ élevé que bas. La Polarisation Nucléaire Dynamique (DNP) est une méthode puissante qui permet de polariser pratiquement tout noyau porteur de spin en transférant la polarisation électronique par irradiation micro-onde des transitions Zeeman électroniques. Sous certaines conditions, le processus de DNP peut être décrit en termes thermodynamiques suivant le modèle de mélange thermique (TM, Thermal Mixing). Différentes espèces nucléaires peuvent échanger de l'énergie indirectement par le biais de leurs interactions avec les spins électroniques et ainsi atteindre une température de spin commune. De tels effets de ''communication'' peuvent se produire entre les noyaux proton (H) et deutérium (D) lors d'expériences de dépolarisation et de repolarisation. Nous présentons une étude expérimentale de ces effets, en utilisant comme agent de polarisation le TEMPOL protoné ou deutéré. Nous avons constaté que le deutérium joue un rôle essentiel dans le transfert de polarisation et doit être inclus dans une description correcte des effets observés, ce qui n'était pas le cas dans divers travaux précédents basés sur le mélange thermique. Une analyse de ces expériences basée sur les équations de Provotorov permet d'extraire divers paramètres cinétiques tels que les taux de transfert d'énergie entre les différents réservoirs ou la capacité thermique du réservoir d'électrons non-Zeeman (NZ). En revanche, les capacités thermiques des réservoirs de protons et de deutérium peuvent être estimées sur la base de leurs expressions habituelles. Il est surprenant de constater que D joue un rôle essentiel dans le transfert de polarisation et qu'il doit être inclus dans le modèle pour décrire correctement les effets observés, ce qui n’a pas été pris en compte dans divers travaux antérieurs. Ces paramètres permettent de prédire le comportement de noyaux tels que le 13C ou le 31P, à condition que leurs capacités thermiques soient négligeables. Enfin, la dépendance des paramètres cinétiques des équations de Provotorov a été étudiée en fonction de la concentration de TEMPOL et du rapport H/D afin de mieux comprendre la nature des spins ''cachés'' car non directement observables en raison de leur proximité avec les radicaux, un rôle assuré par les protons sur H-TEMPOL.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) suffers from the notorious sensitivity problem due to a weak interaction of nuclear magnetic moment with an external magnetic field. This results in the small values of macroscopic magnetization which is hard to register. Hyperpolarization techniques are the way to overcome these, which are the methods of transferring spin-order to the nuclei which is much larger than is possible to achieve at thermodynamic equilibrium. The main goal of this work was to investigate two of these methods, ParaHydrogen Induced Hyperpolarization (PHIP) and Dynamic Nuclear Polarization (DNP). The main idea of the PHIP method is the irreversible attachment to a substrate the para-hydrogen molecules, which nuclei spins are in the singlet state, also called singlet order. It is common to transfer the obtained singlet order into the attached heteronuclei for the reason of a longer relaxation and lesser background. Several new methods were developed recently for the molecule in the near-magnetic equivalence regime exploiting the concept of level-anti crossings and adiabatic variation of the outer parameter. In this work, we developed the concept of general adiabaticity profiles that allow performing adiabatic transformation much faster than the outer parameter is varied linearly. The concept was first used to improve the adiabatic methods for generating long-lived singlet order for a pair of nuclear spins. Then this approach was used to transfer singlet order for 13C fumarate molecule, metabolite in the near-magnetic equivalence regime, in both low and high fields, with the substantial improvement of adiabatic ramp in both cases. Dynamical Nuclear Polarization (DNP) is a powerful method that allows one to polarize virtually any spin-bearing nucleus by transferring electron polarization by microwave irradiation of the electron Zeeman transitions. Under certain conditions, the DNP process can be described in thermodynamical terms using the thermal mixing (TM) model. Different nuclear species can exchange energy indirectly through their interactions with the electron spins and reach a common spin temperature. Such ''cross-talk'' effects can occur between proton (H) and deuterium (D) nuclei in de- and re-polarization experiments. In this work, we investigate such effects experimentally, using either protonated or deuterated TEMPOL radicals as polarizing agents. An analysis of these experiments based on Provotorov's equations allows one to extract the relevant kinetic parameters, such as the rates of energy transfer between the different reservoirs, and the heat capacity of the non-Zeeman (NZ) electron reservoir. In contrast, the heat capacities of the proton and deuterium reservoirs can be estimated based on their usual expressions. Surprisingly, it was found that D plays an essential role in polarization transfer, and it has to be included in the model to describe the visible effects correctly, which was avoided in the previous works exploiting the TM approach. These parameters allow one to make predictions of the behavior of heteronuclei such as carbon-13 or phosphorous-31, provided that their heat capacities are negligible. Finally, we present an experimental study of the dependence of Provotorov's kinetic parameters on the TEMPOL concentration and on the H/D ratio, thus providing insight into the nature of ''hidden'' spins that are not observable directly because of their proximity to the radicals, where protons on H-TEMPOL seems to suite perfectly on this role.