Xénon hyperpolarisé pour la RMN et l'IRM Applications

Hyperpolarisés agents bénéficient d'une attention croissante de RMN / IRM applications, car ils peuvent résoudre le problème de sensibilité dans certaines circonstances ^2. Trois grandes approches sont actuellement utilisées (Polarisation dynamique nucléaire, DNP, para-hydrogène polarisation induite, PHIP et tourner échange de pompage optique, PDES) que tout préparer une différence de rotation augmenter artificiellement la population en dehors d'un aimant RMN avant la spectroscopie réelle ou expérience d'imagerie . Nous décrivons ici la fonction et le fonctionnement d'une installation PDES qui a été optimisé pour la production de ¹²⁹ Xe hyperpolarisé utilisés dans des expériences état ​​de solution.

Un élément essentiel est une source intense de lumière émettant des photons infrarouges à 795 nm. Réseaux de diodes laser (LDA) sont des dispositifs pratiques qui offrent puissance de sortie élevée> 100 W à un coût raisonnable. Dans de nombreuses configurations, l'ADL émet dans une fibre optique qui conserve plus ou moins de la polarisation èmee lumière laser. Afin de garantir un processus PDES suffisamment cette polarisation elliptique doit être convertie en polarisation circulaire d'une grande pureté. Les principaux composants de l'optique de polarisation sont présentés dans les figures 1 et 2 et la mise en place du système est expliqué schématiquement en 1 film supplémentaire.

Pour polariser la lumière circulairement nous attacher d'abord l'extrémité de fibre optique à un faisceau primaire d'extension (par exemple, un collimateur de fibres) pour réduire la densité de puissance. La lumière traverse ensuite un cube séparateur de faisceau polarisant, générer de la lumière polarisée linéairement. En tournant ce cube, nous pouvons déterminer l'axe préférentiel de la polarisation restante avec un wattmètre. Transmission maximale correspond à la situation où l'axe rapide du cube est aligné avec l'axe de polarisation de la lumière principale. Cubes avec des coefficients d'extinction élevés (100.000: 1 ou mieux), on obtient une bonne séparation des composantes de polarisation. Cela peut être testéà l'aide d'un cube séparateur de faisceau en tant que deuxième analyseur qui est mis en rotation alors que le premier est aligné pour la transmission maximale du faisceau extraordinaire.

Une fois la polarisation linéaire de la lumière transmise a été confirmée, d'une lame d'onde λ / 4 conçu pour 795 nm est introduite dans le faisceau extraordinaire pour convertir linéaire en une polarisation circulaire. A cet effet, l'axe rapide de la lame d'onde est mis en rotation par 45 ° par rapport à l'axe du faisceau cube séparateur rapide. (Si on le souhaite, la polarisation circulaire du faisceau réfléchi ordinaire avec son axe perpendiculaire polarisation linéaire du faisceau extraordinaire peut être réalisé d'une manière similaire.)

La qualité de la polarisation circulaire peut être testé avec un cube séparateur de faisceau deuxième devrait produire de transmission constant lors de la rotation. A optique secondaire d'expansion du faisceau (par exemple, deux lentilles dans une configuration lunette de Galilée) puis augmente le diamètre du faisceau complètement illuminate la cellule de verre pour le processus de pompage à l'intérieur d'une boîte de four. L'absorption de la lumière laser par Rb vapeur dans la cellule est contrôlée par un trou d'épingle derrière la cellule de pompage à la fin de la boîte: un collimateur recueille un faisceau atténué IR pour être analysés avec un spectromètre optique (voir figure 3 pour le pompage de configuration cellule ).

Un mécanisme de chauffage extérieur de la cellule de pompage se vaporise partiellement une goutte Rb assis à l'intérieur de la cellule (figure 4a) et provoque donc l'absorption de la lumière laser. La densité de la vapeur peut être réglée par l'intermédiaire du point de consigne de chauffage du régulateur PID respectif. Des températures élevées (environ 190 ° C) sont bonnes pour les configurations compactes où le xénon a une quantité limitée de temps pour bâtir la polarisation. Le mélange gazeux contenant de Xe, N ₂ et il s'écoule à travers la cellule de pompage opposée à la direction du faisceau laser (figure 3). Un champ magnétique externe aligné avec le faisceau laser assure èmee photons infrarouges sont seulement une transition de pompage Rb. Relaxation des états d'électrons est rapide et doivent être non-radiatif d'éviter l'émission de photons IR avec «mauvaise» la polarisation. Ici, le ₂ N arrive en jeu comme un gaz de trempe. Finalement, le système Rb s'accumule une surpopulation de l'un des sous-niveaux d'état de base tandis que l'autre est en permanence appauvri par le laser (figure 5). Xénon entrer en contact étroit avec les atomes de Rb expériences de spin-spin et les interactions de la polarisation de spin électronique est transféré sur les noyaux Xe dans la bascule processus.

Le gaz hyperpolarisé sortant de la cellule de pompage contient des traces de vapeur Rb que la condensation sur la paroi du tube à l'intérieur de quelques centimètres de la sortie en raison de la basse température (similaire à la figure 4b). Dans les applications in vivo, cependant, exigerait l'élimination supplémentaire du métal alcalin (par exemple dans un piège à froid), alors que in vitro experiments peut être effectuée en toute sécurité avec le gaz à la sortie de la hyperpolarizer. Tube en téflon relie la sortie avec le polariseur d'entrée d'un appareil en verre pour réaliser des expériences RMN des solutions d'essai. Régulateurs de débit massique sont utilisées pour ajuster la quantité de Xe s'écoulant dans la configuration de RMN. Elles sont déclenchées par des commandes dans la séquence d'impulsions de RMN. Après vérification de la mise en valeur de polarisation atteint, le gaz peut être utilisé comme agent de contraste RMN / IRM dans les expériences de l'état de solution.

Xe a une certaine solubilité dans l'eau (4,5 mM / atm) et d'autres solvants. Il a donc peut déjà servir à lui seul comme agent de contraste pour visualiser la répartition de certains liquides. Toutefois, il est également possible de relier les noyaux de RMN-actif à certaines molécules afin d'acquérir des informations spécifiques moléculaire à travers le gaz inerte par ailleurs. Par la fourniture d'un hôte moléculaire pour la Xe dissous, il est possible de conférer une spécificité moléculaire au signal de RMN Xe. Cela offre la possibilité d'des agents de contraste fonctionnalisés de conception – également appelé biocapteurs – quand une telle structure hôte est couplé à une unité de ciblage qui se lie à des analytes présentant un intérêt biomédical (figure 6).

Accroissement de la sensibilité plus poussée est nécessaire lorsque le biocapteur doit être détecté à des concentrations qui sont faibles pour les agents de contraste IRM (<100 uM). Ceci peut être réalisé par échange chimique saturation de transfert (CET). Cette méthode détecte le biocapteur indirectement par destruction de l'aimantation de la cage Xe et en observant la variation du signal de Xe libre en solution. Depuis les noyaux hyperpolarisés sont continuellement remplacés après quelques 10 ms, un grand nombre de 100 à 1000 germes de transfert de l'information détectée sur la piscine et amplifier le signal de ca. 10 ³ fois (voir le film 2).