Hyperpolariserte Xenon for NMR og MRI Applications
Summary
Produksjonen av hyperpolariserte xenon ved hjelp av spin utveksling optisk pumping (SEOP) er beskrevet. Denne metode gir en ~ 10000-fold forbedring av kjernefysiske spinn polarisering av Xe-129 og har anvendelser i kjernemagnetisk resonansspektroskopi og avbildning. Eksempler på gass-fase og løsning statlige eksperimenter er gitt.
Abstract
Kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi og imaging (MRI) lider egenverdi lav følsomhet fordi selv sterke ytre magnetfeltene ~ 10 T genererer bare en liten påvisbar netto-magnetisering av prøven ved romtemperatur 1. Derfor er de fleste NMR og MRI applikasjoner avhengige på påvisning av molekyler ved relativ høy konsentrasjon (f.eks, vann til avbildning av biologisk vev) eller kreve overdreven innhentingstider. Dette begrenser vår evne til å utnytte den meget nyttig molekylære spesifisitet av NMR signaler for mange biokjemiske og medisinske anvendelser. Imidlertid har nye tilnærminger dukket i de siste årene: Manipulasjon de detekterte spin artene før detekteringen inni NMR / MR magnet kan dramatisk øke magnetiseringen og derfor tillater påvisning av molekyler på mye lavere konsentrasjon 2.
Her presenterer vi en fremgangsmåte for polarisering av en xenon gassblanding (2-5% Xe, 10%N 2, He balanse) i et kompakt oppsett med en ca. 16000-fold forbedring av signal. Moderne linje-snevret diode lasere tillate effektiv polarisasjon 7 og umiddelbar bruk av gassblandingen selv om edelgass ikke skilles fra de andre komponenter. Den SEOP anordningen er forklart og bestemmelse av den oppnådde spinn polarisering demonstreres for ytelse kontroll av fremgangsmåten.
Den hyperpolariserte gass kan brukes til tomrom imaging, inkludert gasstrømmen avbildning eller diffusjon studier ved grensesnittene mot andre materialer 8,9. Videre er Xe NMR signalet ekstremt følsomme for sin molekylære miljø 6. Dette gjør at muligheten til å bruke det som en NMR / MR kontrastmiddel når oppløst i vandig løsning med functionalized molekylære verter som midlertidig felle gassen 10,11. Direkte påvisning og høy følsomhet indirekte påvisning av slike konstruksjoner er vist i både spektroskopiske og avbildningsmodus. </ P>
Introduction
Hyperpolariserte agenter er stadig økende oppmerksomhet for NMR / MRI-applikasjoner fordi de kan løse følsomhet problemet under visse omstendigheter 2. Tre store tilnærminger brukes i dag (dynamisk kjernefysisk polarisering, DNP, para-hydrogen indusert polarisasjon, PHIP, og spinne utveksling optisk pumping, SEOP) at alle utarbeide en kunstig økt spinn befolkningen forskjell utenfor en NMR magnet før selve spektroskopi eller bildebehandling eksperiment . Her beskriver vi funksjon og drift av en SEOP oppsett som er optimalisert for produksjon av hyperpolarized 129 Xe brukes i løsningen statlige eksperimenter.
En essensiell komponent er en intens lyskilde emitting infrarøde fotoner på 795 nm. Laser Diodenett (LDA) er praktisk utstyr som gir høy effekt> 100 W til rimelig pris. I mange oppsett blir LDA avgir i en optisk fiber som mer eller mindre beholder polarisasjonen av the laserlys. For å garantere en tilstrekkelig SEOP prosessen dette elliptiske polarisering må konverteres til sirkulær polarisasjon med høy renhet. Hovedkomponenter av polarisasjonen optikk er vist i figurene 1 og 2 og å sette opp systemet forklares skjematisk supplerende filmen 1.
Å sirkulært polarisere lyset vi først feste fiberenden til et primært stråle utvidelse optikk (f.eks, en fiber collimator) for å redusere strømtetthet. Lyset passerer så gjennom et polariserende strålesplitter kube, genererer lineært polarisert lys. Ved å rotere denne kuben kan vi bestemme den foretrukne akse gjenværende polarisering med en kraftmåler. Maksimal overføring tilsvarer situasjonen hvor den raske aksen av kuben er innrettet med rektor lyspolarisering akse. Kuber med høye utryddelse koeffisientene (100000: 1 eller bedre) gi en god separasjon av polarisering komponenter. Dette kan testesved hjelp av en andre strålesplitter kube som en analysator som er rotert mens den første er innrettet for maksimal overføring av den ekstra-ordinære strålen.
Når den lineære polarisering av overført lys er blitt bekreftet, blir en λ / 4 bølge plate utformet for 795 nm innføres i den ekstra-ordinære stråle å konvertere lineær inn sirkulær polarisering. For dette formålet, er den raske aksen for bølgen plate roteres ved 45 ° i forhold til strålesplitter kuben rask akse. (Om ønskelig kan sirkulær polarisasjon av det reflekterte ordinære strålen med sin lineære polarisasjonsakse perpendikulært på ekstra-ordinære strålen oppnås på en lignende måte.)
Kvaliteten av den sirkulære polarisasjon kan testes med en andre strålesplitter kuben som bør gi konstant overføring ved rotasjon. Et sekundært beam utvidelse optikk (f.eks to objektiver i galileer teleskop konfigurasjon) øker så strålediameter helt illuminate glasset cellen for pumping prosessen inne en ovn boksen. Absorpsjon av laserlys ved Rb damp i cellen overvåkes gjennom et hullet bak pumping cellen ved enden av boksen: en collimator samler en attenuert IR strålen som skal analyseres med en optisk spektrometer (se Figur 3 for pumping celle oppsett ).
En oppvarming mekanisme utenfor pumping cellen vaporizes delvis en Rb droplet sitter inne i cellen (figur 4a) og derfor forårsaker laserlys absorpsjon. Tetthet av dampen kan justeres via oppvarming settpunktet av den respektive PID-regulator. Høye temperaturer (ca. 190 ° C) er bra for kompakte oppsett der xenon har en begrenset mengde tid til å bygge opp polarisering. Gassblandingen inneholdende Xe, N 2 og Han flyter gjennom pumping cellen motsatt til laserstrålen retning (figur 3). Et eksternt magnetfelt innrettet med laserstrålen sikrer at the IR fotoner er bare å pumpe en Rb overgang. Avslapning av elektron statene er rask og må være ikke-strålingen å unngå utslipp av IR fotoner med "feil" polarisering. Her kommer N 2 inn i bildet som en slukke gass. Slutt, bygger Rb systemet opp en overbefolkning av en av grunntilstanden undernivåer mens den andre er kontinuerlig oppbrukt av laseren (figur 5). Xenon komme i nær kontakt til RB atomer opplever spin-spin interaksjoner og elektron spinn polarisering overføres til Xe kjerner i flip-flop prosesser.
Den hyperpolariserte gass som strømmer ut av pumping cellen inneholder spormengder av Rb dampen som kondensat på rørveggen innenfor noen få cm av utløpet på grunn av lav temperatur (tilsvarende figur 4b). In vivo anvendelser vil imidlertid kreve ytterligere eliminering av alkalimetall (f.eks gjennom en kuldefelle) mens i vitro experimeNTS kan utføres trygt med gassen når den forlater hyperpolarizer. Teflonrør forbinder polarisatoren stikkontakt med innløpet av et glass apparat å utføre NMR eksperimenter på testløsninger. Massestrøm kontrollere brukes til å justere mengden Xe strømmer inn i NMR-oppsett. De er utløst ved hjelp av kommandoer i NMR pulssekvens. Etter å ha kontrollert oppnådd polarisasjon ekstrautstyr kan gassen brukes som en NMR / MR kontrastmiddel i løsning statlige eksperimenter.
Xe har en viss oppløselighet i vann (4,5 mM / atm) og andre løsemidler. Det kan derfor allerede tjener på egen hånd som en kontrast agent for å vise fordeling av visse væsker. Det er imidlertid også mulig å knytte NMR-aktive kjerner til visse molekyler for å erverve molekylær-spesifikk informasjon gjennom den ellers inertgass. Ved å gi en molekylær vert for den oppløste Xe, er det mulig å gi molekylær spesifisitet til Xe NMR signalet. Dette gir anledning til åutforming funksjonaliserte kontrastmidler – også kalt biosensorer – når en slik vert struktur er kombinert til en målretting enhet som binder seg til spesifikke analytter for Biomedical interesse (Figur 6).
Ytterligere følsomhet ekstrautstyr er nødvendig når biosensor skal påvises ved konsentrasjoner som er lav for MR kontrastmidler (<100 uM). Dette kan oppnås ved kjemisk utveksling metning transfer (CEST). Denne metoden registrerer biosensor indirekte ved å ødelegge magnetiseringen av den innestengte Xe og observere signalendring av fri Xe i løsning. Siden den hyperpolariserte kjerner kontinuerlig erstattet etter noen 10 ms, mange 100-1000 kjerner overføre informasjonen til den detekterte bassenget og forsterke signalet ca. 10 3-fold (se film 2).
Protocol
Discussion
Kritiske aspekter i fremstillingen av hyperpolariserte xenon er oksygen urenheter i gassen manifolden inkludert pumping cellen og tilstrekkelig belysning av cellen med sirkulært polarisert lys. Ovennevnte lyspære test er en enkel måte å påvise skadelige oksygenkonsentrasjoner under overføring rubidium. Alkalimetallet kan miste sin blanke overflate av den tiden cellen er montert i polarisatoren. Imidlertid kan tilstrekkelig fordampning av ikke-oksidert Rb overvåkes av redusert laser overføring (ved oppvarming en …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette forskningsprosjektet har fått støtte fra European Research Council under det europeiske samfunn sjuende rammeprogram (FP7/2007-2013) / ERC tilskuddsavtalen n ° 242710 og ble i tillegg støttet av Human Frontier Science Program og Emmy Noether Program for den tyske 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).
