Xenon hiperpolarizada para RMN e Aplicações de ressonância magnética

Hiperpolarizados agentes estão ganhando cada vez mais atenção por RMN / RM aplicações, uma vez que pode resolver o problema de sensibilidade em certas circunstâncias ^2. Três principais abordagens são usados ​​atualmente (polarização nuclear dinâmica, DNP, para-hidrogênio polarização induzida, PHIP e troca de spin bombeamento óptico, Seop) que todas as preparar uma diferença de população aumentada artificialmente rodada fora de um ímã RMN antes da espectroscopia real ou experiência de imagem . Aqui descreve-se a função e operação de uma instalação de Seop que foi optimizada para a produção de ^129Xe hiperpolarizado utilizado em experiências de estado de solução.

Um componente essencial é uma intensa fonte de luz que emite fótons infravermelhos em 795 nm. Matrizes laser de diodo (LDA) são dispositivos que fornecem convenientes alta potência> W 100 a um custo razoável. Em muitas configurações, o LDA é emissor para uma fibra óptica, que mais ou menos mantém a polarização do the luz laser. Para garantir um processo de Seop suficiente dessa polarização elíptica deve ser convertido em polarização circular de alta pureza. Os principais componentes do sistema óptico de polarização são mostrados nas Figuras 1 e 2 e a configuração do sistema é explicada esquematicamente em filme suplementar 1.

Para circularmente polarizar a luz que primeiro fixe a extremidade da fibra óptica para um feixe primário de expansão (por exemplo, um colimador da fibra) para reduzir a densidade de potência. A luz passa através de um divisor de feixe polarizador cubo, a geração de luz polarizada linearmente. Rodando este cubo, podemos determinar o eixo preferencial da polarização remanescente com um medidor de potência. Máximo de transmissão corresponde à situação em que o eixo rápido de o cubo está alinhado com o eixo principal de luz de polarização. Cubos com coeficientes de extinção elevados (100000: 1 ou superior) produzir uma boa separação de componentes de polarização. Isto pode ser testadoutilizando um divisor de cubo segundo feixe como um analisador que é rodado enquanto a primeira está alinhada para a transmissão máxima do feixe de extra-ordinária.

Uma vez que a polarização linear da luz transmitida tenha sido confirmada, uma placa de onda λ / 4 concebido para 795 nm introduz-se o feixe de extraordinária para converter linear em polarização circular. Para este efeito, o eixo rápido da placa de onda é girado em 45 ° em relação ao eixo do cubo separador de feixes rápido. (Se desejado, a polarização circular do feixe reflectido comum com o seu eixo perpendicular a polarização linear do feixe de extra-ordinária pode ser conseguida de uma maneira semelhante.)

A qualidade da polarização circular pode ser testado com um segundo cubo separador de feixes, que deve produzir transmissão constante durante a rotação. A óptica de feixe secundário de expansão (por exemplo, duas lentes em uma configuração telescópio Galileu), em seguida, aumenta o diâmetro do feixe de completamente illuminate a célula de vidro para o processo de bombeamento dentro de uma caixa de forno. A absorção da luz do laser por Rb vapor na célula é monitorada por meio de um furo de fixação atrás da célula de bombagem na extremidade da caixa: um colimador recolhe um feixe de luz infravermelha atenuado a ser analisado, com um espectrómetro de óptica (ver Figura 3 para o bombeamento de configuração celular ).

Um mecanismo de aquecimento para fora da célula de bombagem parcialmente vaporiza uma gotícula Rb sentado no interior da célula (Figura 4-A) e, portanto, faz com que a absorção de luz laser. Densidade do vapor pode ser ajustado por meio do ponto de regulação de aquecimento do controlador PID correspondente. As altas temperaturas (cerca de 190 ° C) são boas para configurações compactas, onde o xenon tem uma quantidade limitada de tempo para construir polarização. A mistura de gás contendo Xe, _N2 e ele flui através da célula de bombagem oposta à direcção do feixe laser (Figura 3). Um campo magnético externo alinhada com o feixe de laser que garante thfotões E IR só são bombeando uma transição Rb. Relaxamento dos estados de elétrons é rápido e devem ser não-radiativos para evitar a emissão de fótons com polarização IR "errado". Aqui, a ₂ N entra em jogo na forma de gás de têmpera. Eventualmente, o sistema Rb constrói uma superpopulação de um dos sub-níveis de estado de terra, enquanto o outro é continuamente descarregada pelo laser (Figura 5). Xenon ficando em contacto estreito com os átomos de Rb experimenta interacções spin-spin e a polarização do spin electrónico é transferido para Xe núcleos em flip-flop processos.

O gás hiperpolarizado fluir para fora da célula de bombagem contém traços de vapor de Rb que o condensado sobre a parede de tubo dentro de alguns cm de saída, devido à temperatura baixa (semelhante à Figura 4b). As aplicações in vivo, no entanto, exigiria eliminação adicional do de metal alcalino (por exemplo, através de uma câmara de frio), enquanto in vitro experiments pode ser realizada de forma segura com o gás que sai do hiperpolarizadora. Tubagem de Teflon liga a saída polarizador com a entrada de um aparelho de vidro para realizar experiências de RMN em soluções de teste. Os controladores de fluxo de massa são usados ​​para ajustar a quantidade de Xe fluir para a instalação de RMN. Eles são acionados por comandos na seqüência de pulsos de RMN. Depois de verificar o aumento de polarização atingida, o gás pode ser usado como um agente de contraste de RMN / RM em experimentos de estado de solução.

Xe tem uma solubilidade em água de certo (4,5 mM / atm) e outros solventes. É, por conseguinte, podem servir já por si só como um agente de contraste para obter a distribuição de alguns líquidos. No entanto, é também possível ligar o núcleo de RMN-activo a certas moléculas, a fim de adquirir molecular informações específicas através do gás de outra forma inerte. Ao proporcionar um hospedeiro molecular para o Xe dissolvido, é possível conferir especificidade molecular para o sinal de RMN de XE. Isto oferece a oportunidade deOs agentes de contraste de design funcionalizadas – também chamado de biossensores – quando a estrutura de um tal hospedeiro é acoplado a uma unidade de direccionamento que se liga a analitos específicos de interesse biomédico (Figura 6).

Aumento de sensibilidade adicional é necessária quando o biossensor deve ser detectado em concentrações que são de baixo para os agentes de contraste para RM (<100 | iM). Isto pode ser conseguido por transferência de produtos químicos de saturação de câmbio (CET). Este método detecta a biossensor indirectamente através da destruição da magnetização do Xe enjaulado e observando a alteração de sinais de Xe livre em solução. Uma vez que os núcleos são continuamente substituídos hiperpolarizado, após cerca de 10 ms de transferência de núcleo, muitas 100-1000 a informação para a piscina detectado e amplificar o sinal ca. 10 ³ vezes (ver o filme 2).