Гиперполяризованного ксенона для ЯМР и МРТ-приложений
Summary
Производство гиперполяризованного ксенона при помощи спинового обмена оптической накачки (Сеоп) описывается. Этот метод дает ~ 10000-кратного повышения поляризации ядерных спинов Хе-129 и находит применение в спектроскопии ядерного магнитного резонанса и изображений. Примеры газовой фазы и эксперименты решение состояние даны.
Abstract
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) спектроскопии и томографии (МРТ) страдают от внутренней низкую чувствительность, потому что даже сильные внешние магнитные поля ~ 10 т генерировать лишь небольшая обнаружить сеть намагниченность образца при комнатной температуре 1. Таким образом, большинство ЯМР и МРТ приложения полагаются на обнаружение молекул при относительно высокой концентрации (например, вода для визуализации биологических тканей) или требует чрезмерных раз приобретения. Это ограничивает нашу способность использовать очень полезные молекулярные специфику сигналов ЯМР для многих биохимических и медицинских приложений. Тем не менее, новые подходы появились в последние несколько лет: Манипуляция обнаруженных видов спина до обнаружения внутри ЯМР / МРТ магнита может значительно увеличить намагниченность и, следовательно, позволяет обнаруживать молекулы при гораздо более низких концентраций 2.
Здесь мы представляем метод поляризации смесь ксенона (2-5% Xe, 10%N 2, He баланса) в компактную установку с ок. 16000-раза усиления сигнала. Современная линия-сузились диодные лазеры позволяют эффективно поляризации 7 и немедленного использования газовой смеси, даже если благородный газ, не отделены от других компонентов. Устройство Сеоп объясняется и определения достигнутого спиновой поляризации продемонстрировали контроля выполнения метода.
Гиперполяризованного газа может быть использован для визуализации пустоту пространства, включая газовый поток изображений или диффузии исследований на стыке с другими материалами 8,9. Кроме того, сигнал Xe ЯМР чрезвычайно чувствительна к его молекулярной среды 6. Это дает возможность использовать его в качестве ЯМР / МРТ контрастное вещество при растворении в водном растворе с молекулярными функционализированных хозяев, которые временно ловушку газ 10,11. Прямое обнаружение и высокую чувствительность косвенное обнаружение таких конструкций показана как спектроскопические и режим съемки. </ P>
Introduction
Гиперполяризованного агенты получают все большее внимание для ЯМР / МРТ приложений, так как они могут решить проблемы чувствительности при определенных обстоятельствах 2. Три основные подходы используются в настоящее время (динамическая поляризация ядер, DNP; пара-водород вызванной поляризации, PHIP и спинового обмена оптической накачки, Сеоп), что все подготовить искусственно увеличить разницу спина населения за пределами магнита ЯМР до фактического спектроскопии или изображений эксперимент . Здесь мы описываем функции и эксплуатации Сеоп установки, которая была оптимизирована для изготовления гиперполяризованного 129 Xe, используемых в экспериментах решение государства.
Важным компонентом является интенсивным источником света излучает инфракрасные фотоны при 795 нм. Лазерный диод массивов (LDA) удобных устройств, которые обеспечивают высокую выходную мощность> 100 Вт при разумных затратах. Во многих установок, LDA излучающих в оптическом волокне, что более или менее сохраняет поляризацию йэлектронной лазерного света. Чтобы гарантировать достаточный процесс Сеоп это эллиптическая поляризация должна быть преобразована в круговой поляризации высокой чистоты. Основные компоненты поляризационной оптики показано на рисунках 1 и 2 и настройке системы объясняется схематически на дополнительное фильм 1.
Для циркулярной поляризации света мы сначала прикрепить конец волокна в первичном пучке расширения оптики (например, волокна коллиматор) для снижения плотности мощности. Затем свет проходит через поляризационный куб светоделитель, генерации линейно поляризованного света. При вращении этого куба можно определить предпочтительный оси оставшиеся поляризации с измерителем мощности. Максимальная передача соответствует ситуации, когда быстрой оси куба совмещен с главной осью поляризации света. Кубики с высокими коэффициентами экстинкции (100.000: 1 или лучше) дают хорошее разделение поляризации компонентов. Это может быть проверенос использованием второго куба светоделителя в качестве анализатора, который вращается в то время как первая выравнивается для максимальной передачи не-обыкновенного луча.
Как только линейной поляризации проходящего света было подтверждено, пластины λ / 4 волны предназначены для 795 нм вводят в не-обыкновенного пучка для преобразования линейного в круговой поляризации. С этой целью быстрой оси пластинка поворачивается на 45 ° по отношению к кубу светоделитель быстрой оси. (При желании, круговой поляризации отраженного луча с обычной своей линейной оси, перпендикулярной поляризацией не-обыкновенного луча может быть достигнуто в подобной манере.)
Качество круговой поляризации может быть проверена со второй куб светоделителя, что должно дать постоянную передачу при вращении. Вторичных пучков расширения оптики (например, две линзы в телескопе Галилея конфигурации), то увеличивается диаметр пучка, чтобы полностью яlluminate стеклянной ячейке для накачки процесса внутри печи окна. Поглощение лазерного излучения на парах Rb в клетке контролируется через отверстие под штифт позади насосной камере в конце коробке: Коллиматор собирает ослабленный ИК-луч для анализа с помощью оптического спектрометра (см. Рисунок 3 для перекачки ячейки установки ).
Механизм нагрева за пределами насосной ячейке частично испаряется Rb капли сидит внутри клетки (рис. 4а) и, следовательно, вызывает поглощение лазерного излучения. Плотность пара можно регулировать с помощью точки отопление набор соответствующих ПИД-регулятора. Высокие температуры (около 190 ° C) являются хорошими для компактных установках, где ксенон имеет ограниченное количество времени, чтобы создать поляризации. Газовой смеси, содержащей Xe, N 2, и Он проходит через насосные клетки, противоположном направлению лазерного луча (рис. 3). Внешнего магнитного поля в соответствие с лазерным лучом гарантирует, что гоэлектронной ИК-фотоны только одна насосная Rb перехода. Релаксация электронных состояний быстро и должны быть не избежать радиационного излучения ИК-фотонов с "неправильным" поляризации. Здесь, N 2 вступает в игру, как охлаждающего газа. В конце концов, система Rb создает перенаселение одного из подуровней основного состояния, а другой постоянно исчерпаны лазера (рис. 5). Ксенон получают в тесном контакте с атомов рубидия испытывает спин-спиновых взаимодействий и спиновой поляризации электронов переносится на Xe ядер в флип-флоп процессов.
Гиперполяризованного газа, вытекающего из насосных ячейка содержит следовые количества паров Rb, что конденсат на стенке НКТ в течение нескольких см от розетки из-за низкой температуры (как на рисунке 4б). В естественных условиях приложений, однако, потребует дополнительных ликвидации щелочных металлов (например, через холодную ловушку), тогда как в пробирке experimeНТС может быть выполнена безопасно с газом, поскольку это оставляет hyperpolarizer. Тефлоновая трубка соединяет поляризатор выход с входом стекло аппарата для выполнения ЯМР экспериментов на тестовых решений. Контроллера массового расхода используются для регулировки количества Xe, впадающих в установке ЯМР. Они вызваны команды в последовательности импульсов ЯМР. После проверки достигнуто повышение поляризации, газ может быть использован в качестве ЯМР / МРТ контрастное вещество в экспериментах решение государства.
Хе имеет определенную растворимость в воде (4,5 ммоль / атм) и другие растворители. В связи с этим уже можно работать в своем собственном качестве контрастного агента для отображения распределения некоторых жидкостей. Тем не менее, это также можно связать ЯМР-активных ядер в определенных молекул с целью получения молекулярных конкретной информации по иным инертным газом. Предоставляя молекулярной хост для растворенного Xe, можно придать молекулярная специфичность сигнала Xe ЯМР. Это дает возможностьДизайн функционализированных контрастные вещества – так называемая биосенсоры – при таком принимающей структуры связан с таргетинг блок, который связывается с конкретным аналитов биомедицинских интерес (рис. 6).
Дальнейшее повышение чувствительности требуется, когда биосенсора должны быть обнаружены в концентрациях, которые являются низкими для MR контрастного вещества (<100 мкм). Это может быть достигнуто путем химического обмена переноса насыщения (CET). Этот метод определяет биосенсора косвенным путем уничтожения намагниченности в клетке Xe и наблюдая изменение сигнала свободной Xe в растворе. С гиперполяризованного ядер постоянно заменен после примерно 10 мс, много от 100 до 1000 ядер передачи информации на обнаруженных бассейн и усиления сигнала ок. 10 3-раза (см. фильм 2).
Protocol
Discussion
Важнейшие аспекты в подготовке гиперполяризованного ксенона примесей кислорода в газовом коллекторе в том числе насосных клетки и достаточное освещение ячейки с циркулярно поляризованным светом. Вышеупомянутый тест лампочки простой способ обнаружения вредных концентраций кислоро…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот исследовательский проект получил финансирование от Европейского исследовательского совета по Седьмой рамочной Европейского Сообщества Программы (FP7/2007-2013) / ERC грантового соглашения N ° 242710 и был дополнительно поддерживает программы в области науки пограничной и программы Эмми Нетер в Германии Фонд исследований (SCHR 995/2-1).
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).
