Hyperpolarized زينون لNMR وتطبيقات التصوير بالرنين المغناطيسي
Summary
يوصف إنتاج مصابيح hyperpolarized عن طريق تبادل تدور البصرية ضخ (سيوب). هذه الطريقة تعطي ~ 10000-أضعاف تعزيز الاستقطاب تدور النووية من اكس-129 ولها تطبيقات في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي والتصوير. وهناك أمثلة من تجارب المرحلة الغاز وحل الدولة.
Abstract
الرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتصوير الطيفي (MRI) يعانون من انخفاض الحساسية المتأصلة بسبب قوية المجالات المغناطيسية الخارجية حتى من T 10 ~ توليد صغيرة فقط للكشف الصافية للمغنطة من العينة في درجة حرارة الغرفة 1. وبالتالي، فإن معظم NMR وتطبيقات تعتمد على التصوير بالرنين المغناطيسي الكشف عن الجزيئات في تركيز عال نسبيا (على سبيل المثال، الماء لتصوير الأنسجة البيولوجية) أو تتطلب اكتساب مرات المفرطة. وهذا يحد من قدرتنا على استغلال خصوصية مفيدة جدا للإشارات الجزيئية NMR للعديد من تطبيقات الكيمياء الحيوية والطبية. ومع ذلك، نهج جديدة ظهرت في السنوات القليلة الماضية: يمكن التلاعب من الأنواع تدور الكشف قبل الكشف داخل المغناطيس NMR / MRI زيادة كبيرة في مغنطة، وبالتالي يتيح الكشف عن الجزيئات عند تركيز أقل من ذلك بكثير 2.
هنا، نقدم طريقة لاستقطاب خليط الغاز زينون (XE 2-5٪، و 10٪N 2، والتوازن) في إعداد التعاقد مع كاليفورنيا. 16000 أضعاف تعزيز الإشارات. الليزر الصمام الثنائي الحديثة خط ضاقت تسمح الاستقطاب كفاءة استخدام الفوري 7 و خليط من الغاز حتى إذا لم يتم فصل الغازات النبيلة من المكونات الأخرى. وأوضح الجهاز سيوب ويتجلى تحديد الاستقطاب تدور للسيطرة تحقيق أداء الأسلوب.
يمكن استخدام الغاز hyperpolarized للتصوير الفضاء الفراغ، بما في ذلك التصوير تدفق الغاز أو نشرها في الدراسات واجهات مع غيرها من المواد 8،9. وعلاوة على ذلك، إشارة NMR اكس حساس للغاية لبيئتها الجزيئية 6. هذا الخيار يتيح لاستخدامها كعامل النقيض NMR / MRI عندما يذوب في محلول مائي مع المضيفين الجزيئية functionalized هذا الفخ مؤقتا الغاز 10،11. ويتجلى الكشف المباشر والكشف عن حساسية عالية غير المباشرة لمثل هذه التركيبات في وضع كل الطيفية والتصوير. </ P>
Introduction
وكلاء Hyperpolarized تكتسب اهتماما متزايدا لNMR / MRI التطبيقات نظرا لأنها يمكن أن تحل المشكلة حساسية في ظل ظروف معينة 2. وتستخدم حاليا ثلاثة مناهج رئيسية (الاستقطاب النووية الحيوية، DNP؛ شبه الهيدروجين الناجم عن الاستقطاب، PHIP، وتدور تبادل البصرية الضخ، سيوب) أن جميع السكان تعد تدور زيادة مصطنعة الفرق خارج المغناطيس NMR قبل الطيفي التجربة الفعلية أو التصوير . نحن هنا وصف وظيفة وتشغيل الإعداد سيوب الذي تم الأمثل لإنتاج 129 اكس المستخدمة في التجارب hyperpolarized حل الدولة.
عنصر أساسي هو مصدر انبعاث الضوء المكثف الفوتونات تحت الحمراء في 795 نانومتر. صفائف يزر ديود (LDA) هي الأجهزة التي توفر مريحة ارتفاع انتاج الطاقة> 100 W بتكلفة معقولة. في العديد من الاجهزة، ويتم انبعاث LDA إلى الألياف الضوئية التي يحتفظ أكثر أو أقل من ال الاستقطابه ضوء الليزر. يجب لضمان عملية سيوب كافية يمكن تحويل هذا الاستقطاب إلى بيضاوي الشكل الدائري الاستقطاب بدرجة نقاء عالية. وترد المكونات الرئيسية للبصريات الاستقطاب في أرقام 1 و 2 و إنشاء نظام ويفسر تخطيطي في الفيلم التكميلية 1.
لاستقطاب دائري ضوء نعلق أولا نهاية الألياف البصرية إلى توسيع شعاع الأساسية (على سبيل المثال، وهو تلسكوب الموازاة الألياف) للحد من كثافة الطاقة. ويمر الضوء من خلال المكعب ثم شعاع الاستقطاب الخائن، وتوليد الضوء المستقطب خطيا. عن طريق تناوب هذا المكعب يمكننا تحديد المحور المفضل للالاستقطاب المتبقية مع السلطة متر. الإرسال القصوى يتوافق مع الحالة التي تكون فيها محاذاة محور سريع من المكعب مع محور الاستقطاب ضوء الرئيسية. مكعبات مع معاملات الانقراض عالية (100،000: 1 أو أفضل) تسفر عن فصل مكونات جيدة من الاستقطاب. يمكن اختبار هذهباستخدام الحزمة الخائن 2 مكعب كما أن محلل يتم استدارة بينما يتم محاذاة أول واحد لنقل الحد الأقصى من الحزم غير عادية.
مرة واحدة وقد تم تأكيد الاستقطاب الخطي من الضوء المرسل، هو عرض لوحة الموجة λ / 4 المصممة ل795 نانومتر في شعاع غير عادية لتحويل خطي إلى الاستقطاب الدائري. لهذا الغرض، ومحور سريع من لوحة الموجة يتم استدارة بنسبة 45 ° نسبة إلى شعاع مكعب محور الخائن بسرعة. (إذا رغبت، يمكن أن يتحقق من شعاع الاستقطاب الدائري العادي ينعكس على خطي مع الاستقطاب عمودي إلى محور شعاع غير عادية بطريقة مماثلة.)
ويمكن اختبار نوعية الاستقطاب دائري مع مكعب شعاع الخائن الثانية التي ينبغي أن تسفر انتقال ثابت على التناوب. A توسيع شعاع الثانوية البصريات (على سبيل المثال اثنين من العدسات في تكوين تلسكوب الجليل) ثم يزيد قطرها إلى شعاع تماما طlluminate الخلية الزجاج لعملية الضخ داخل مربع الفرن. ويتم رصد امتصاص ضوء الليزر بواسطة بخار الروبيديوم في الخلية من خلال ثقب دبوس وراء الخلية ضخ في نهاية المربع: لتلسكوب الموازاة يجمع شعاع IR الموهن إلى تحليل الطيف الضوئي مع (انظر الشكل 3 للخلية ضخ الإعداد ).
آلية التسخين خارج الخلية ضخ يبخر جزئيا قطرة الروبيديوم يجلس داخل الخلية (الشكل 4A) وبالتالي يسبب الليزر امتصاص الضوء. ويمكن تعديل كثافة بخار عن طريق تسخين نقطة مجموعة من وحدة تحكم PID منها. درجات حرارة عالية (حوالي 190 درجة مئوية) جيدة للالاجهزة المدمجة حيث زينون لديه كمية محدودة من الوقت لبناء الاستقطاب. تحتوي على خليط الغاز XE، N 2 وكان يتدفق عبر الخلية ضخ المعاكس لاتجاه الشعاع ليزر (الشكل 3). حقل مغناطيسي خارجي تتماشى مع شعاع الليزر يضمن أن اله الفوتونات IR يتم ضخ واحد فقط الانتقال الروبيديوم. تخفيف الولايات الإلكترون بسرعة ويجب أن تكون غير الإشعاعي لتجنب انبعاث الفوتونات IR مع الاستقطاب "خاطئة". هنا، 2 N يأتي دور كغاز إخماد. في نهاية المطاف، ونظام الروبيديوم يتراكم على الزيادة السكانية واحد من مستويات ثانوية الحالة الأرضية بينما يتم استنفاد باستمرار الآخر بواسطة الليزر (الشكل 5). زينون الحصول على اتصال وثيق إلى ذرات الروبيديوم الخبرات تدور تدور التفاعلات ويتم نقل الاستقطاب تدور الإلكترونات على النوى اكس في الوجه بالتخبط العمليات.
الغاز hyperpolarized المتدفقة من الخلية ضخ يحتوي على كميات ضئيلة من بخار الروبيديوم أن المكثفات على الحائط داخل أنابيب الطول قليل من منفذ نظرا لدرجة حرارة منخفضة (على غرار الشكل 4B). في التطبيقات الجسم الحي، ومع ذلك، يتطلب القضاء إضافية من الفلزات القلوية (مثل من خلال فخ بارد) في حين أنه في المختبر experimeلا يمكن أن يؤديها اليلة بسلام مع الغاز كما أنها تترك hyperpolarizer. تفلون أنابيب يربط منفذ المستقطب مع مدخل جهاز الزجاج لإجراء تجارب على NMR حلول الاختبار. وتستخدم وحدات تحكم تدفق الشامل لضبط كمية اكس التي تصب في الإعداد NMR. يتم تشغيلها من قبل الأوامر في تسلسل نبض NMR. بعد التحقق من تعزيز الاستقطاب تحقيق ذلك، يمكن استخدام الغاز كعامل النقيض NMR / MRI في التجارب حل الدولة.
XE لديها القابلية للذوبان في الماء بعض (4.5 مم / ATM) وغيرها من المذيبات. ولذلك يمكن أن تكون بالفعل من تلقاء نفسها كعامل النقيض لعرض توزيع بعض السوائل. ومع ذلك، فمن الممكن أيضا ربط نوى NMR-نشطة لجزيئات معينة من أجل الحصول على معلومات محددة الجزيئية من خلال غاز خامل غير ذلك. من خلال توفير مجموعة الجزيئية لاكس المنحل، أنه من الممكن أن يضفي خصوصية الجزيئية للإشارة NMR XE. هذا يتيح الفرصة لوكلاء تصميم النقيض functionalized – وتسمى أيضا أجهزة استشعار العوامل البيولوجية – عندما يقترن هذا الهيكل المضيف إلى وحدة استهداف التي تربط لanalytes محددة من الفائدة الطبية الحيوية (الشكل 6).
مطلوب مزيد من تعزيز الحساسية عند يجب أن يتم الكشف عن و biosensor بتركيزات منخفضة للأن عوامل التباين MR (<100 ميكرومتر). ويمكن تحقيق هذا عن طريق التحويل الكيميائية التشبع الصرف (CEST). هذا الأسلوب يكشف بشكل غير مباشر و biosensor من خلال تدمير مغنطة من زي قفص ومراقبة تغير إشارة اكس الحرة في الحل. منذ يتم استبدال باستمرار نواة hyperpolarized بعد نحو 10 مللي، وكثير النوى نقل 100 حتي 1000 المعلومات على الكشف عن تجمع وتضخيم إشارة كاليفورنيا. 10 3 أضعاف (انظر فيلم 2).
Protocol
Discussion
الجوانب الهامة في إعداد زينون hyperpolarized هي الشوائب الأكسجين في مشعب الغاز بما في ذلك الخلية الضخ والإضاءة الكافية للخلية مع الضوء المستقطب دائريا. المصباح الكهربائي المذكورة أعلاه الاختبار هو طريقة بسيطة للكشف عن تركيزات الأكسجين الضارة أثناء نقل الروبيديوم. قد تفقد…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تلقى هذا المشروع البحثي بتمويل من مجلس البحوث الأوروبي في إطار برنامج الجماعة الأوروبية الإطاري السابع (FP7/2007-2013) / ERC اتفاقية المنحة رقم 242710 وبالإضافة إلى ذلك كان مدعوما من قبل برنامج العلوم الحدودي الإنسان وبرنامج Noether ايمى من الألمانية مؤسسة أبحاث (995/2-1 الدائمة المعنية بحقوق الإنسان).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Rb ingot | Sigma-Aldrich | 276332-1G | |
| P4O10 | Sigma-Aldrich | 79610-500G | |
| Ar | Praxair | ||
| Xe | Sigma-Aldrich | 00472-1EA | |
| O2 | Sigma-Aldrich | 00476-1EA | |
| Laser system | QPC Lasers/Laser Operations | Brightlock 50 | |
| Vacuum system | Pfeiffer | HiCube | |
| Thermocouples | Newport Omega | SA2F-KI-3M | |
| Silicon heater | Newport Omega | FMA5514 | |
| Pressure transducer | Newport Omega | PR 33X-V-10 | |
| Process meter | Newport Omega | INFCP-100B | |
| Mass flow controllers | Newport Omega | MFC | |
| PID regulators | Newport Omega | CN7800 | |
| Control Software | Newport Omega | DasyLab | |
| Data acquisition | Newport Omega | Daqboard 3000 | |
| Vacuum sensor | Oerlikon | TTR91 | |
| Vacuum controller | Vacom | MVC-3 | |
| Beam collimator | Thorlabs | F810SMA-780 | |
| Polarizing beam splitter cube | Thorlabs | GL15-B | |
| λ/4 wave plate | Thorlabs | WPQ10M-780 | |
| Beam expansion lenses | Thorlabs | ||
| Optical spectrometer | Ocean Optics | HR4000 | |
| Optical fiber | Ocean Optics | ||
| Low pressure NMR tube | Wilmad | 513-7LPV-7 | |
| 5mm NMR tube | Sigma-Aldrich | HX58.1 | |
| Helmholtz coils | Phywe | 06960-00 | |
| Fused silica capillaries | Polymicro | TSG 250350 |
References
- Schröder, L. Xenon for NMR biosensing – Inert but alert. Phys Med. , (2011).
- Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations. Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).
- Walker, T. G., Happer, W. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei. Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).
- Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S., Wishnia, A. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370, 199-201 (1994).
- Cherubini, A., Bifone, A. Hyperpolarised xenon in biology. Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).
- Goodson, B. M. Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms. J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).
- Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings. J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).
- Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC). Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).
- Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).
- Spence, M. M., Rubin, S. M., Dimitrov, I. E., Ruiz, E. J., Wemmer, D. E., Pines, A., Yao, S. Q., Tian, F., Schultz, P. G. Functionalized xenon as a biosensor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).
- Schröder, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor. Science. 314, 446-449 (2006).
- Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer. Phys. Rev. A. 80, 063424 (2009).
- Levron, D., Walter, D. K., Appelt, S., Fitzgerald, R. J., Kahn, D., Korbly, S. E., Sauer, K. E., Happer, W., Earles, T. L., Mawst, L. J., Botez, D., Harvey, M., DiMarco, L., Connolly, J. C., Möller, H. E., Chen, X. J., Cofer, G. P., Johnson, G. A. Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs. Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).
- Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System. Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).
- Zhou, X. Hyperpolarized noble gases as contrast agents. Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).
- Seltzer, S. J., Michalak, D. J., Donaldson, M. H., Balabas, M. V., Barber, S. K., Bernasek, S. L., Bouchiat, M. A., Hexemer, A., Hibberd, A. M., Kimball, D. F., Jaye, C., Karaulanov, T. Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques. J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).
