NMR ve MRG Uygulamaları için Hyperpolarized Xenon
Summary
Optik dönüş değişimi (Seop) pompa vasıtasıyla hyperpolarized ksenon üretimi tarif edilmiştir. Bu yöntem Xe-129 nükleer spin kutuplaşma ~ 10000 kat büyütme verir ve nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve görüntüleme uygulamaları vardır. Gaz fazı ve çözelti durum deney örnekleri verilmiştir.
Abstract
~ 10 T bile güçlü dış manyetik alanların oda sıcaklığında 1 örnek sadece küçük saptanabilir net manyetizasyon üretir çünkü Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve görüntüleme (MRG) intrinsik düşük hassasiyeti muzdarip. Bu nedenle, en NMR ve MRG uygulamaları göreceli yüksek konsantrasyon (örneğin, su, biyolojik doku görüntüleme için) moleküllerin algılama güvenmek veya aşırı edinme süreleri gerektirir. Bu, birçok biyokimyasal ve tıbbi uygulamalar için NMR sinyalleri çok yararlı moleküler özgüllüğü yararlanabilmesi için yeteneğimizi sınırlar. Ancak, yeni yaklaşımlar son birkaç yıl içinde ortaya çıktı: tespit sıkma türlerin Manipülasyon öncesinde NMR / MRG mıknatıs içindeki algılama dramatik mıknatıslanma artırmak ve bu nedenle çok daha düşük konsantrasyonda 2 moleküllerin tespiti kılar.
Burada, bir Xenon gaz karışımı (% 2-5 Xe,% 10 polarizasyon için bir yöntem mevcutN 2, bir ca ile kompakt kurulumunda O denge). 16000 kat sinyali iyileştirmek. Soygaz diğer bileşenler ayrılmış bile Modern çizgi-daralmış diyot lazerler verimli kutuplaşma 7 ve gaz karışımı hemen kullanıma izin verir. Seop cihaz açıklanmaktadır ve elde sıkma polarizasyon belirlenmesi yöntemi performans kontrol için gösterilmiştir.
Hyperpolarized gaz gaz akışı görüntüleme ya da başka malzemeler ile 8,9 arayüzleri difüzyon çalışmaları da dahil olmak üzere, boş alan görüntüleme için de kullanılabilir. Ayrıca, Xe NMR sinyalinin moleküler ortamda 6 karşı son derece duyarlıdır. Bu geçici gaz 10,11 tuzak Fonksiyonlu moleküler bilgisayarlar ile sulu çözeltide çözündüğünde bir NMR / MRG kontrast ajan olarak kullanmak için bu seçeneği sağlar. Doğrudan algılama ve bu yapıların yüksek hassasiyet dolaylı olarak algılama spektroskopik ve görüntüleme hem modunda gösterilmiştir. </ P>
Introduction
Belli koşullar altında 2 hassasiyet sorunu çözebilir yana Hyperpolarized ajanlar NMR / MRG uygulamaları için artan bir önem kazanmaktadır. Önceki bütün gerçek spektroskopi veya görüntüleme deneyi için NMR mıknatıs dışında bir yapay artış sıkma nüfus değişimi hazırlamak üç ana yaklaşım şu anda (ve döviz optik pompalama, Seop dönmeye;; para-hidrojen indüksiyon polarizasyonu, PHIP dinamik nükleer polarizasyon, DNP) kullanılır . Burada çözüm devlet Deneylerde kullanılan hyperpolarized 129 Xe üretimi için optimize edilmiş bir Seop kurulum fonksiyonu ve işletimi tarif.
Temel bir bileşeni 795 nm kızılötesi foton yayan yoğun bir ışık kaynağıdır. Lazer diyot diziler (LDA), yüksek güç çıkışı makul maliyetle> 100 W sağlayan kullanışlı cihazlardır. Birçok düzeneğinde, LDA daha fazla ya da daha az inci polarizasyon koruyan bir optik fiber içine yayane lazer ışığı. Yeterli Seop sürecini garanti etmek bu eliptik polarizasyon yüksek saflıkta dairesel polarizasyon dönüştürülmesi gerekir. Polarizasyon optik ana bileşenleri, Şekiller 1 ve 2 de gösterilmiştir ve sistem kurma ek film 1 'de şematik olarak açıklanmaktadır.
Dairesel ışık polarize için öncelikle güç yoğunluğu azaltmak için birincil ışın genişleme optikler (örneğin, bir fiber kolimatör) için fiber ucu takın. Işık daha sonra doğrusal polarize ışık üreten, polarize ışın ayırıcı küp geçer. Bu küpü çevirerek bir güç ölçer ile kalan kutuplaşma tercih ekseni belirleyebilirsiniz. Maksimum iletim küp hızlı ekseni ana ışık kutuplaşma ekseni ile hizalanır duruma tekabül eder. Yüksek tükenme katsayıları (100,000: 1 veya daha iyi) ile küpler polarizasyon bileşenlerinin iyi bir ayırma verim. Bu test edilebilirİlki olağanüstü ışının maksimum iletim için hizalanmış ise döndürülmüş bir analizör olarak ikinci bir demeti splitter küp kullanarak.
Geçen ışığın polarizasyon doğrusal teyit edildikten sonra, 795 nm için tasarlanmış bir λ / 4 dalga plakası, dairesel bir polarizasyon içine doğrusal dönüştürmek için olağanüstü kiriş içine verilir. Bu amaç için, dalga plakasının hızlı eksen 45 ° ışın bölücü küp hızlı eksenine göre döndürülür. (Arzu edilirse, olağanüstü ışın ile lineer polarizasyon eksenine dik olan yansıyan sıradan kiriş dairesel polarizasyon benzer bir şekilde elde edilebilir.)
Dairesel polarizasyon kalitesi dönme üzerine sabit bir transmisyon verim gereken ikinci bir ışın bölücü küp ile test edilebilir. İkincil ışın genişleme optikler (Galile teleskopla yapılandırmasında örneğin iki lens) sonra tamamen i ışın çapı artarbir fırın kutu içinde pompalama işlemi için cam hücre lluminate. Hücre içinde Rb, buhar ile lazer ışık emilimi kutu sonunda pompalama hücre arkasında bir iğne deliği vasıtasıyla takip edilir: bir kolimatör (hücre ayar pompalanması için bakınız Şekil 3, bir optik spektrometresi ile analiz edilmesi için zayıflatılmış bir kızılötesi ışın toplar ).
Pompalama hücre dışında bir ısıtma mekanizması kısmi olarak hücre (Şekil 4a) içine oturan bir Rb damlacık buharlaşan ve bu nedenle lazer ışığı emme neden olur. Buharı yoğunluğu, ilgili PID kontrol cihazının sıcaklık ayar noktası ile ayarlanabilir. Yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 190 ° C) xenon kutuplaşma oluşturmak için zaman sınırlı bir miktarda var kompakt kurulumları için iyidir. Xe'nin, 2 N ve O içeren gaz karışımı lazer ışın yönüne ters pompalama hücre (Şekil 3) akar. Lazer ışını ile uyumlu bir dış manyetik alan bu th sağlare IR fotonları tek Rb geçiş pompalıyor. Elektron devletlerin Gevşeme hızlı ve 'yanlış' kutuplaşma IR foton emisyonu önlemek için ışıksız olmalıdır. Burada, N 2 quench gaz olarak devreye giriyor. Diğer bir sürekli olarak lazer (Şekil 5) tarafından tüketilir iken Sonuç olarak, Rb sistem temel durum alt düzlemlere birinin bir çoğalmasını kurar. Rb atomları ile yakın temas halinde elde Xenon spin-spin etkileşimleri oluşur ve Elektron Spin polarizasyon flip-flop süreçlerinde Xe çekirdekleri üzerine transfer edilir.
Pompalama hücre dışına akan gaz hyperpolarized. In vivo uygulamalarda, bununla birlikte, ilave eleme düşük sıcaklıkta (4b Şekil l'e benzer şekilde) bağlı çıkış birkaç cm içinde boru duvarına kondensat gerektirir ki Rb buhar eser miktarda içerir alkali metal (soğuk tuzak yoluyla vs) in vitro experime oysaBu hyperpolarizer yapraklar gibi nts gaz ile güvenli bir şekilde uygulanabilir. Teflon tüp testi çözümleri NMR deneyleri gerçekleştirmek için cam aparatların girişi ile polarize çıkışı bağlanır. Kütle akış kontrolörleri NMR kurulum akan Xe miktarını ayarlamak için kullanılır. Onlar NMR puls sekansı komutları tetiklenir. Elde polarizasyon geliştirme kontrol edildikten sonra, çözelti, gaz durumu deneylerinde NMR / MRI kontrast ajanı olarak da kullanılabilir.
Xe'nin, bir su içinde belli bir çözünürlük (4.5 mM / atm) ve diğer çözücüler bulunmaktadır. Bu nedenle zaten bazı sıvıların dağılımını görüntüleyen bir kontrast ajan olarak kendi hizmet edebilir. Bununla birlikte, başka atıl gaz aracılığıyla moleküler özgü bilgileri elde etmek için bazı moleküllerin-NMR aktif çekirdekler bağlamak da mümkündür. Erimiş Xe için bir ana moleküler sağlayarak, Xe NMR sinyali moleküler özgüllük vermek mümkündür. Bu fırsatı sağlardizayn fonksiyonalitesi kontrast ajanları – biyosensör da adlandırılan – bu tür bir ana yapı biyomedikal ilgilenilen analit (Şekil 6) bağlanan bir hedef ünitesine bağlıdır.
Biyosensör MR kontrast ajanları (<100 uM) için düşük konsantrasyonlarda tespit edilmesi gerektiği zaman daha fazla duyarlılık artış gereklidir. Bu Kimyasal değişim doyma transferi (TSİ) ile elde edilebilir. Bu yöntem, kafesli Xe ve mıknatıslanma yok ve çözüm ücretsiz Xe arasında sinyal değişimi gözlemleyerek dolaylı biyosensör algılar. Hyperpolarized çekirdekler sürekli tespit havuzu üzerine bazı 10 ms, birçok 100 ila 1000 çekirdekler transferi bilgilerden sonra değiştirilir ve sinyal ca yükseltmek beri. 10 3 kat (film 2'ye bakınız).
Protocol
Discussion
Hyperpolarized ksenon hazırlanmasında kritik açıdan pompalama hücre ve dairesel polarize ışık ile hücrenin yeterli aydınlatma içeren gaz manifoldu oksijen yabancı maddeleri bulunmaktadır. Yukarıda bahsedilen ampul testi rubidyum aktarımı yaparken zararlı oksijen konsantrasyonlarının saptanması için basit bir yoludur. Alkali metal hücrenin polarize takılı zaman, parlak yüzeye kaybedebilirsiniz. . Bir defa, ancak, non-okside Rb, yeterli düşük buharlaşma lazer transmisyon (ilk kez için taze bi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma projesi Avrupa Topluluğu Yedinci Çerçeve Programı (FP7/2007-2013) / ERC hibe anlaşması n ° 242710 altında Avrupa Araştırma Konseyi fon aldı ve ayrıca İnsan Frontier Bilim Programı ve Alman Emmy Noether Programı tarafından desteklenmiştir Araştırma Vakfı (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).
