Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen
Summary
De productie van gehyperpolariseerde xenon door middel van spin-uitwisseling optisch pompen (SEOP) beschreven. Deze methode levert een ~ 10.000-voudige versterking van de kernspin polarisatie van Xe-129 en heeft toepassingen in nucleaire magnetische resonantie spectroscopie en imaging. Voorbeelden van gasfase en oplossingstoestand proeven zijn.
Abstract
Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en imaging (MRI) lijden intrinsieke lage gevoeligheid omdat zelfs sterk extern magnetisch veld van ~ 10 T genereren slechts een klein detecteerbaar netto-magnetisatie van het monster bij kamertemperatuur 1. Vandaar dat de meeste NMR en MRI applicaties op de detectie van moleculen in relatief hoge concentratie (bijv. water voor beeldvorming van biologisch weefsel) of al te veel Zoektijden. Dit beperkt ons vermogen om de zeer nuttige moleculaire specificiteit van NMR signalen voor vele biochemische en medische applicaties. Echter, nieuwe benaderingen zijn ontstaan in de afgelopen jaren: Manipulatie van de gedetecteerde rotatie species voor detectie in de NMR / MRI magneet belangrijke verhoging van de magnetisatie en dus kan de aanwezigheid van moleculen bij veel lagere concentratie 2.
Hier geven we een werkwijze voor polarisatie van een gasmengsel xenon (Xe 2-5%, 10%N2, He balans) in een compacte opstelling met een ca. 16000-voudige verbetering van het signaal. Modern line-versmald diodelasers een efficiënte polarisatie 7 en onmiddellijk gebruik van gasmengsel, zelfs als het edelgas is niet gescheiden van de andere componenten. De SEOP inrichting wordt uitgelegd en bepaling van de bereikte spinpolarisatie is aangetoond voor controlefuncties van de werkwijze.
Het gehyperpolariseerde gas kan worden gebruikt voor lege ruimte beeldvorming, met inbegrip gasstroom imaging of diffusie studies van de interfaces met andere materialen 8,9. Bovendien is de Xe NMR signaal uiterst gevoelig voor de moleculaire omgeving 6. Hierdoor kan de optie om het te gebruiken als een NMR / MRI contrastmiddel wanneer opgelost in waterige oplossing met gefunctionaliseerde moleculaire hosts die tijdelijk de val gas 10,11. Directe detectie en hoge gevoeligheid indirecte detectie van dergelijke constructen is aangetoond in zowel spectroscopische en imaging mode. </ P>
Introduction
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).
Protocol
Discussion
Kritische aspecten in de bereiding van gehyperpolariseerde xenon zuurstof onzuiverheden in de gasspruitstuk inclusief de pompcel en voldoende verlichting van de cel met circulair gepolariseerd licht. De bovengenoemde gloeilamp test is een eenvoudige manier om schadelijke zuurstofconcentraties te detecteren tijdens het overbrengen van rubidium. Het alkalimetaal kan verliezen het glimmende oppervlak van de tijd de cel wordt in de polarisator. Echter, voldoende verdamping van niet-geoxideerde Rb gecontroleerd door verlaagd…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoeksproject heeft financiering ontvangen van de European Research Council onder zevende van de Europese Gemeenschap kaderprogramma (FP7/2007-2013) / ERC-subsidieovereenkomst nr. 242710 en werd eveneens ondersteund door de Human Frontier Science Program en de Emmy Noether Programma van het Duitse Research Foundation (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).
