Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen

Hypergepolariseerde agents steeds meer aandacht voor NMR / MRI toepassingen omdat ze de gevoeligheid oplossen onder bepaalde omstandigheden ^2. Drie belangrijke benaderingen worden momenteel gebruikt (dynamische nucleaire polarisatie, DNP, para-waterstof geïnduceerde polarisatie PhIP en spinuitwisseling optisch pompen, SEOP) dat een kunstmatig toegenomen spin Verschil populatie buiten een NMR magneet bereiden voorafgaand aan de eigenlijke spectroscopie of imagingexperiment . Hier beschrijven we de functie en werking van een SEOP setup dat is geoptimaliseerd voor de productie van hypergepolariseerd ¹²⁹ Xe gebruikt in oplossing staat experimenten.

Een essentieel onderdeel is een intense lichtbron infrarode fotonen op 795 nm. Laserdiodestelsels (LDA) zijn eenvoudige apparaten die hoog vermogen> 100 W tegen redelijke kostprijs. In vele opstellingen wordt de LDA uitzendt in een optische vezel die min of meer de polarisatie van e behoudte laserlicht. Voldoende SEOP proces garanderen elliptische polarisatie worden omgezet in circulaire polarisatie van hoge zuiverheid. Hoofdbestanddelen van de polarisatie optiek figuren 1 en 2 en het opzetten van het systeem schematisch toegelicht in aanvullende film 1.

Om circulair polariseren het licht dat we eerst de juiste vezel einde aan een primaire bundel uitbreiding optiek (bijvoorbeeld een vezel collimator) voor het verminderen van vermogensdichtheid. Het licht gaat vervolgens door een polariserende bundelsplitser kubus genereren lineair gepolariseerd licht. Door het roteren deze kubus kunnen we de voorkeur as van de resterende polarisatie met een vermogensmeter. Maximum Transmission overeen met de situatie waarin de snelle as van de kubus is uitgelijnd met de polarisatieas hoofdlichtstraal. Kubussen met hoge extinctiecoëfficiënten (100.000: 1 of beter) geven een goede scheiding van polarisatiecomponenten. Dit kan getestgebruik van een tweede bundelsplitser kubus als een analyzer die wordt gedraaid, terwijl de eerste in lijn voor een maximale overdracht van de buitengewone bundel.

Zodra de lineaire polarisatie van het uitgezonden licht is bevestigd, is een λ / 4 golfplaat Geschikt voor 795 nm ingebracht in de buitengewone straal om te zetten in lineair circulaire polarisatie. Hiertoe de snelle as van de golf plaat geroteerd met 45 ° ten opzichte van de bundeldeler kubus snelle as. (Desgewenst kan circulaire polarisatie van de gereflecteerde bundel met gewone lineaire polarisatie loodrecht op de buitengewone bundel worden gerealiseerd op soortgelijke wijze.)

De kwaliteit van de circulaire polarisatie kan worden getest met een tweede bundelsplitser kubus constant transmissie moet opleveren bij rotatie. Een secundaire bundel uitbreiding optiek (bv twee lenzen in een Galilese telescoop configuratie) neemt dan de bundeldiameter volledig illuminate het glas cel voor het pompen in een oven box. Absorptie van het laserlicht door Rb damp in de cel wordt gecontroleerd door een pengat achter de pompcel eind van de doos: een collimator verzamelt een verzwakt infraroodstraal te analyseren met een optische spectrometer (zie figuur 3 voor pompcel setup ).

Een verwarmingsmechanisme buiten de pompcel verdampt gedeeltelijk een druppeltje Rb zitten in de cel (figuur 4a) en veroorzaakt daardoor laserlicht absorberende. Dichtheid van de damp kan worden aangepast via de verwarming setpoint van de respectievelijke PID-regelaar. Hoge temperaturen (ca. 190 ° C) zijn geschikt voor situaties waar de compact xenon een beperkte tijd te bouwen polarisatie. Het gasmengsel dat Xe, _N2 en hij stroomt door de pompcel tegenover de laserstraal richting (figuur 3). Een extern magnetisch veld uitgelijnd met de laserstraal zorgt the IR fotonen slechts een pomp Rb overgang. Versoepeling van het elektron staten is snel en moeten niet-stralende om de emissie van IR-fotonen met 'verkeerde' polarisatie te voorkomen. Hier, de N ₂ in het spel komt als een quench gas. Uiteindelijk de Rb systeem bouwt overbevolkt een van de grondtoestand subniveaus terwijl de andere continu uitgeput door de laser (figuur 5). Xenon om in nauw contact met de Rb atomen ervaart spin-spin interacties en de electron spin polarisatie wordt overgebracht op Xe kernen in flip-flop processen.

Het hypergepolariseerde gas stroomt uit de pompcel sporenhoeveelheden Rb damp die condens op de buizenstelselmuur binnen enkele cm van de uitlaat door de lage temperatuur (vergelijkbaar met figuur 4b). In vivo toepassingen zou echter aanvullende verwijdering vereisen van de alkali-metaal (bijvoorbeeld door middel van een koude val), terwijl in vitro experimegen veilig kan worden uitgevoerd met het gas bij het verlaten van de hyperpolarisator. Teflon buis verbindt de uitlaat polarisator met de inlaat van een glazen apparaat voor NMR experimenten op testoplossingen. Massastroomregelaars worden gebruikt om de hoeveelheid Xe stroomt in de NMR opstelling te verstellen. Ze geactiveerd door commando in de NMR pulssequentie. Na controle van de bereikte verbetering polarisatie kan het gas worden gebruikt als een NMR / MRI contrastmiddel in oplossing state experimenten.

Xe een bepaalde oplosbaarheid in water (4,5 mM / atm) en andere oplosmiddelen. Daarom kan al dienen op zichzelf als een contrastmiddel voor de verdeling van sommige vloeistoffen geven. Het is echter ook mogelijk om de NMR-actieve kernen koppelen aan bepaalde moleculen om moleculaire specifieke informatie verkrijgen door het anders inert gas. Door een moleculaire gastheer voor de opgeloste Xe, is het mogelijk om moleculaire specificiteit verlenen aan de Xe NMR signaal. Dit biedt de mogelijkheid omontwerp gefunctionaliseerde contrastmiddelen – ook wel biosensoren – wanneer deze een host structuur is gekoppeld met een targeting-eenheid die bindt aan specifieke analyten biomedisch belang (Figuur 6).

Verdere verbetering gevoeligheid is vereist wanneer de biosensor moet worden gedetecteerd bij concentraties die laag voor MR contrastmiddelen (<100 uM). Dit kan worden bereikt door chemische uitwisseling verzadiging overdracht (CEST). Deze werkwijze detecteert de biosensor indirect door het vernietigen van de magnetisatie van de gekooide Xe en waarneming van de signaalverandering van vrije Xe in oplossing. Aangezien het gehyperpolariseerde kernen continu vervangen na ongeveer 10 ms, 100 tot 1000 vele kernen overdracht van de informatie op de gedetecteerde pool en versterken het signaal ca. 10 ^3-voudig (zie filmpje 2).