Hyperpolariseret xenon for NMR og MRI-anvendelser

Hyperpolariseret agenter får stigende opmærksomhed for NMR / MRI applikationer, da de kan løse følsomhed problem under visse omstændigheder ^2. Tre vigtige fremgangsmåder anvendes for tiden (dynamisk nuklear polarisering, DNP, para-hydrogen-inducerede polarisation, PHIP og spinudveksling optisk pumpning, Seop) at alle forberede en kunstigt forøget centrifugering population forskel uden et NMR magnet før den faktiske spektroskopi eller billeddannelse eksperiment . Her beskrives funktionen og driften af en Seop setup, der er optimeret til produktion af ^{hyperpolariseret} 129Xe, der anvendes i opløsningstilstand eksperimenter.

Et væsentligt element er en intens lyskilde udsender infrarøde fotoner ved 795 nm. Laserdiodeopstillingerne (LDA) er bekvemme enheder, der giver høj effekt> 100 W til en rimelig pris. I mange opstillinger, er LDA udsender til en optisk fiber, der mere eller mindre bevarer polarisering af the laserlys. At sikre en tilstrækkelig Seop proces denne elliptisk polarisation skal konverteres til cirkulær polarisation med høj renhed. Hovedkomponenter polarisering optik er vist i figur 1 og 2 og opsætning af systemet forklares skematisk i supplerende film 1.

Til cirkulært polarisere lyset vi først vedhæfte fiberenden til en primær stråle ekspansion optik (fx en fiber kollimator) til at reducere effekttæthed. Lyset passerer så gennem en polariserende stråledeler terning, genererer lineært polariseret lys. Ved at dreje denne terning kan vi bestemme den foretrukne akse af den resterende polarisering med en energimåler. Maksimal transmission svarer til den situation, hvor den hurtige akse i terningen er på linie med det primære lys polarisationsakse. Terninger med høje ekstinktionskoefficienter (100.000: 1 eller bedre) give en god separation af polarisationskomponenter. Dette kan testesved hjælp af en anden stråledeler terning som en analysator, som roteres, mens den første er alignes for maksimal transmission af det ekstraordinære strålebundt.

Når først den lineære polarisation af det transmitterede lys er blevet bekræftet, er et λ / 4 bølge plade udformet til 795 nm indføres i det ekstraordinære strålebundt at konvertere lineær til cirkulær polarisering. Til dette formål er den hurtige akse bølge plade drejes 45 ° i forhold til stråleseparatoren terningen hurtige akse. (Om ønsket kan cirkulære polarisation af det reflekterede almindelige stråle med lineær polarisering vinkelret på det ekstraordinære strålebundt opnås på lignende måde.)

Kvaliteten af ​​den cirkulære polarisation kan testes med en anden stråledeler kube, som skal give konstant transmission ved rotation. En sekundær beam ekspansion optik (fx to linser i en Galilæer teleskop-konfiguration), så øger strålediameteren helt illuminate glasset cellen til pumpning processen inde i en ovn boksen. Absorption af laserlyset fra Rb damp i cellen overvåges gennem en tap hul bag pumpecellen ved afslutningen af boksen: en kollimator indsamler en svækket infrarøde stråle, der skal analyseres med et optisk spektrometer (se figur 3 for pumpecelle setup ).

En varmemekanisme uden pumpecellen delvist fordamper en Rb dråbe sidder inde i cellen (figur 4a) og derfor fremkalder laserlys absorption. Densitet af dampen kan justeres via opvarmning setpunkt af den respektive PID-regulator. Høje temperaturer (ca. 190 ° C) er gode til kompakte opsætninger, hvor xenon har en begrænset tid til at opbygge polarisering. Den gasblanding, der indeholder Xe, _N2 og han strømmer gennem pumpecellen modsat laserstrålen retning (figur 3). Et ydre magnetfelt på linie med laserstrålen sikrer, at thE IR fotoner kun pumpe en Rb overgang. Afslapning af elektrontilstande er hurtig og skal være ikke-radiative at undgå emission af IR fotoner med "forkert" polarisering. Her _N2 kommer ind som en quench gas. Til sidst, Rb anlægget opbygges en overbefolkning af en af grundtilstanden underniveauer mens den anden kontinuerligt udtømmes af laseren (figur 5). Xenon komme i tæt kontakt til RB-atomer oplever spin-spin-interaktioner og elektron spin polarisering er overført til Xe kerner i flip-flop processer.

Den hyperpolariserede gas strømmer ud af pumpecellen indeholder spormængder af Rb damp at kondensat på rørvæggen indenfor få cm af udløbet som følge af den lave temperatur (svarende til figur 4b). In vivo anvendelser ville imidlertid kræve yderligere eliminering af alkalimetallet (fx gennem en kuldefælde) henviser til in vitro experiments kan udføres sikkert med gassen, når den forlader hyperpolarisatoren. Teflon-rør forbinder polarisator udløbet med indløbet af en glas-apparatur til at udføre NMR-forsøg på testopløsninger. Massestrømsstyreenheder anvendes til at justere mængden af ​​Xe strømmer ind i NMR-setup. De er udløst af kommandoer i NMR-pulssekvens. Efter at kontrollere opnået polarisering ekstraudstyret kan gassen anvendes som et NMR / MRI-kontrastmiddel i opløsningstilstand eksperimenter.

Xe har en vis opløselighed i vand (4,5 mM / atm) og andre opløsningsmidler. Det kan derfor allerede tjene alene som et kontrastmiddel for at vise fordelingen af ​​visse væsker. Det er imidlertid også muligt at forbinde NMR-aktive kerner til visse molekyler for at opnå molekylær-specifikke oplysninger via den ellers inert gas. Ved at tilvejebringe en molekylær vært for det opløste Xe, er det muligt at give molekylære specificitet til Xe NMR-signalet. Dette giver mulighed for atdesign funktionaliserede kontrastmidler – også kaldet biosensorer – når en sådan værtsstrukturen er koblet til et målsøgende enhed, der binder til specifikke analytter af biomedicinsk interesse (Figur 6).

Yderligere følsomhedsforstærkende er påkrævet, når biosensoren bør detekteres ved koncentrationer, der er lav for MR-kontrastmidler (<100 uM). Dette kan opnås ved kemisk udveksling mætning overførsel (CEST). Denne metode detekterer biosensoren indirekte ved at ødelægge magnetiseringen af ​​bur Xe og observere signalændring af fri Xe i opløsning. Da den hyperpolariserede kerner løbende udskiftning efter nogle 10 ms, mange fra 100 til 1000 kerner overføre oplysningerne på den detekterede pool og forstærke signalet ca. 10 ^3-fold (se film 2).