एनएमआर और एमआरआई अनुप्रयोगों के लिए hyperpolarized क्सीनन
Summary
hyperpolarized क्सीनन की स्पिन ऑप्टिकल विनिमय पम्पिंग (SEOP) के माध्यम से उत्पादन में वर्णित है. इस विधि पैदावार XE-129 के परमाणु स्पिन ध्रुवीकरण के एक ~ 10000-गुना वृद्धि और परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी और इमेजिंग में आवेदन किया है. गैस चरण और समाधान राज्य प्रयोगों का उदाहरण दिया जाता है.
Abstract
परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी और इमेजिंग (एमआरआई) आंतरिक कम संवेदनशीलता से ग्रस्त है क्योंकि ~ 10 टी की भी मजबूत बाह्य चुंबकीय क्षेत्र केवल एक छोटा सा detectable कमरे के तापमान पर 1 नमूना शुद्ध आकर्षण संस्कार उत्पन्न. इसलिए, सबसे एनएमआर और एमआरआई अनुप्रयोगों के अणुओं का पता लगाने पर रिश्तेदार उच्च एकाग्रता (जैसे, पानी जैविक ऊतक के इमेजिंग के लिए) पर भरोसा करते हैं या अत्यधिक अधिग्रहण समय की आवश्यकता होती है. यह हमारे लिए कई जैव रासायनिक और चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयोगी एनएमआर संकेतों के आणविक विशिष्टता का दोहन करने की क्षमता की सीमा. हालांकि, पिछले कुछ वर्षों में उपन्यास दृष्टिकोण में उभरा है: एनएमआर / एमआरआई चुंबक के अंदर का पता लगाने के लिए पता लगाया स्पिन प्रजातियों के हेरफेर से पहले नाटकीय रूप से आकर्षण संस्कार बढ़ाने के लिए और कर सकते हैं इसलिए बहुत कम 2 एकाग्रता में अणुओं का पता लगाने की अनुमति देता है.
यहाँ, हम एक क्सीनन गैस मिश्रण (2-5% Xe, 10% के ध्रुवीकरण के लिए एक विधि उपस्थितएन 2, संतुलन में एक कैरियर के साथ एक कॉम्पैक्ट सेटअप में) वह. १६,००० गुना बढ़ाने के संकेत. संकुचित डायोड लेज़रों आधुनिक लाइन 7 कुशल ध्रुवीकरण और गैस मिश्रण के तत्काल उपयोग की अनुमति भी अगर महान गैस अन्य घटकों से अलग नहीं है. SEOP तंत्र समझाया और स्पिन ध्रुवीकरण हासिल की दृढ़ संकल्प विधि का प्रदर्शन नियंत्रण के लिए प्रदर्शन किया है.
hyperpolarized गैस शून्य अंतरिक्ष इमेजिंग के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, गैस प्रवाह इमेजिंग या 8,9 अन्य सामग्री के साथ इंटरफेस में प्रसार अध्ययन सहित,. इसके अलावा, Xe एनएमआर संकेत अत्यंत अपनी आणविक 6 पर्यावरण के प्रति संवेदनशील है. यह यह एक / एनएमआर एमआरआई इसके विपरीत एजेंट के रूप में उपयोग करने के लिए जब functionalized आणविक मेजबान है कि अस्थायी तौर पर गैस 10,11 जानवरऋं कऋ पकड़ने के लिये कल के साथ जलीय घोल में भंग करने का विकल्प सक्षम बनाता है. प्रत्यक्ष पता लगाने और उच्च संवेदनशीलता ऐसी संरचनाओं के अप्रत्यक्ष दोनों स्पेक्ट्रोस्कोपी और इमेजिंग मोड का पता लगाने में प्रदर्शन किया है. </ P>
Introduction
Hyperpolarized एजेंटों / एनएमआर एमआरआई अनुप्रयोगों के लिए बढ़ती ध्यान प्राप्त कर रहे हैं, क्योंकि वे कुछ निश्चित परिस्थितियों में संवेदनशीलता की समस्या को हल कर सकते हैं 2. वर्तमान में तीन प्रमुख दृष्टिकोण (पैरा हाइड्रोजन प्रेरित ध्रुवीकरण PHIP, गतिशील परमाणु ध्रुवीकरण, DNP और विनिमय ऑप्टिकल पम्पिंग SEOP, स्पिन) का इस्तेमाल कर रहे हैं कि सभी एक एनएमआर चुंबक के बाहर एक कृत्रिम रूप से वृद्धि हुई स्पिन आबादी अंतर वास्तविक स्पेक्ट्रोस्कोपी या इमेजिंग का प्रयोग करने के लिए पहले तैयार . यहाँ हम और एक SEOP सेटअप है कि hyperpolarized 129 Xe के उत्पादन समाधान राज्य के प्रयोगों में इस्तेमाल के लिए अनुकूलित किया गया है की समारोह के संचालन का वर्णन करता है.
एक आवश्यक घटक एक तीव्र प्रकाश स्रोत 795 एनएम पर अवरक्त फोटॉनों उत्सर्जन है. लेजर डायोड सरणियों (LDA) सुविधाजनक उपकरणों है कि उच्च बिजली उत्पादन> 100 डब्ल्यू उचित कीमत पर उपलब्ध कराने हैं. कई setups में, LDA एक ऑप्टिकल फाइबर में आ रही है कि कम या ज्यादा वें के ध्रुवीकरण को बरकरार रखे हुए हैई लेजर प्रकाश. एक पर्याप्त SEOP प्रक्रिया की गारंटी इस अण्डाकार ध्रुवीकरण उच्च शुद्धता के परिपत्र ध्रुवीकरण में परिवर्तित किया जाना चाहिए. ध्रुवीकरण प्रकाशिकी के प्रमुख घटकों आंकड़े 1 और 2 में दिखाया जाता है और प्रणाली स्थापित schematically अनुपूरक 1 फिल्म के बारे में विस्तार से बताया है.
Circularly प्रकाश फूट डालना हम पहली बार शक्ति घनत्व को कम करने के लिए एक प्राथमिक बीम विस्तार प्रकाशिकी (जैसे, एक फाइबर collimator) फाइबर अंत देते हैं. प्रकाश तो एक polarizing बीम फाड़नेवाला घन के माध्यम से गुजरता है, रैखिक polarized प्रकाश. इस घन को घुमाया करके हम एक बिजली मीटर के साथ शेष ध्रुवीकरण के पसंदीदा अक्ष का निर्धारण कर सकते हैं. अधिकतम संचरण जहां घन के तेजी अक्ष प्रिंसिपल प्रकाश ध्रुवीकरण अक्ष के साथ गठबंधन किया है स्थिति से मेल खाती है. उच्च विलुप्त होने coefficients (100,000: 1 या बेहतर) के साथ Cubes ध्रुवीकरण घटकों के एक अच्छा जुदाई उपज. यह परीक्षण किया जा सकता हैएक विश्लेषक है कि घुमाया जा रहा है, जबकि पहले एक असाधारण बीम की अधिकतम संचरण के लिए गठबंधन किया है के रूप में एक 2 बीम फाड़नेवाला घन का उपयोग.
प्रेषित प्रकाश की रैखिक ध्रुवीकरण पुष्टि की गई है, एक λ / 4 लहर प्लेट 795 एनएम के लिए तैयार असाधारण परिपत्र ध्रुवीकरण में रैखिक परिवर्तित बीम में शुरू की है. इस प्रयोजन के लिए, 45 ° बीम फाड़नेवाला घन तेजी अक्ष के सापेक्ष लहर थाली के तेजी से अक्ष घुमाया जा रहा है. (यदि वांछित, अपने रैखिक ध्रुवीकरण अक्ष बीम असाधारण सीधा के साथ परिलक्षित साधारण बीम के परिपत्र ध्रुवीकरण एक समान तरीके से हासिल किया जा सकता है.)
परिपत्र ध्रुवीकरण की गुणवत्ता कि रोटेशन पर निरंतर संचरण उपज चाहिए एक दूसरे बीम फाड़नेवाला घन के साथ परीक्षण किया जा सकता है. एक माध्यमिक बीम विस्तार प्रकाशिकी (गलीली दूरबीन विन्यास में जैसे दो लेंस) तो मैं पूरी तरह से बीम व्यास बढ़ जाती हैएक ओवन बॉक्स के अंदर पंप की प्रक्रिया के लिए कांच के सेल lluminate. आरबी वाष्प द्वारा सेल में लेज़र प्रकाश का अवशोषण बॉक्स के अंत में पम्पिंग सेल के पीछे एक पिन छेद के माध्यम से नजर रखी है: एक collimator एक तनु IR बीम एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोमीटर के साथ विश्लेषण किया जा (सेल सेटअप पम्पिंग के लिए देखें चित्रा 3 एकत्र ).
पम्पिंग कक्ष के बाहर एक हीटिंग तंत्र आंशिक रूप से एक आरबी सेल (4a चित्रा) के अंदर बैठे छोटी बूंद vaporizes और इसलिए लेजर प्रकाश अवशोषण का कारण बनता है. वाष्प का घनत्व संबंधित पीआईडी नियंत्रक के हीटिंग सेट बिंदु के माध्यम से समायोजित किया जा सकता है. उच्च तापमान (ca. 190 डिग्री सेल्सियस) कॉम्पैक्ट setups जहां क्सीनन समय की एक सीमित मात्रा में करने के लिए ध्रुवीकरण का निर्माण के लिए अच्छे हैं. गैस के मिश्रण युक्त Xe, 2 एन वह और पम्पिंग लेजर बीम की दिशा के विपरीत सेल (3 चित्रा) के माध्यम से बहती है. एक बाह्य चुंबकीय क्षेत्र लेजर बीम के साथ गठबंधन है कि वें सुनिश्चित करता हैई IR फोटॉनों केवल एक आरबी संक्रमण पम्पिंग कर रहे हैं. राज्यों के इलेक्ट्रॉन छूट तेज है और गैर विकिरणवाला 'गलत' ध्रुवीकरण के साथ IR फोटॉनों के उत्सर्जन से बचना चाहिए. यहाँ, एन 2 एक बुझाना गैस के रूप में खेलने में आता है. आखिरकार, आरबी प्रणाली जमीन राज्य sublevels के एक जनसंख्या बनाता है, जबकि अन्य एक लगातार लेजर (5 चित्रा) से समाप्त हो गया है. आरबी परमाणुओं के निकट संपर्क में हो रही क्सीनन स्पिन स्पिन बातचीत अनुभव और इलेक्ट्रॉन स्पिन ध्रुवीकरण फ्लिप फ्लॉप प्रक्रियाओं में Xe नाभिक पर स्थानांतरित किया है.
hyperpolarized पम्पिंग सेल के बाहर गैस बह आरबी वाष्प की मात्रा का पता लगाने है कि आउटलेट की कुछ कम तापमान (4b चित्रा के समान) के कारण सेमी भीतर टयूबिंग दीवार पर घनीभूत vivo अनुप्रयोगों में, तथापि, अतिरिक्त उन्मूलन की आवश्यकता होगी शामिल क्षार धातु (एक ठंड जाल के माध्यम से उदाहरण के लिए) के की इन विट्रो experime में जबकिएनटीएस गैस के साथ सुरक्षित रूप से प्रदर्शन कर सकते हैं क्योंकि यह hyperpolarizer पत्ते. Teflon टयूबिंग परीक्षण समाधान पर एनएमआर प्रयोगों प्रदर्शन के लिए एक गिलास तंत्र के इनलेट के साथ polarizer आउटलेट जोड़ता है. जन प्रवाह नियंत्रकों Xe एनएमआर सेटअप में बहने की राशि को समायोजित करने के लिए किया जाता है. वे एनएमआर पल्स अनुक्रम में आदेश द्वारा ट्रिगर कर रहे हैं. ध्रुवीकरण वृद्धि हासिल की जाँच करने के बाद, गैस एक एनएमआर / एमआरआई समाधान राज्य प्रयोगों में विपरीत एजेंट के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है.
Xe पानी में एक निश्चित विलेयता (4.5 मिमी / एटीएम) और अन्य सॉल्वैंट्स है. इसलिए यह पहले से ही अपने दम पर एक विपरीत एजेंट के रूप में सेवा कर सकते हैं कुछ तरल पदार्थ के वितरण प्रदर्शित करने के लिए. हालांकि, यह भी संभव है कुछ अणुओं के नाभिक एनएमआर सक्रिय लिंक क्रम में अन्यथा अक्रिय गैस के माध्यम से आणविक विशिष्ट जानकारी प्राप्त. भंग Xe के लिए आणविक मेजबान प्रदान करके, यह संभव है Xe एनएमआर संकेत आणविक विशिष्टता मन्त्रणा करना. यह करने के लिए अवसर प्रदान करता हैभी कहा जाता है biosensors – डिजाइन functionalized विपरीत एजेंटों जब इस तरह के एक मेजबान संरचना लक्ष्यीकरण इकाई कि बायोमेडिकल ब्याज की विशिष्ट analytes (6 चित्रा) बांध के लिए युग्मित है.
इसके अलावा संवेदनशीलता वृद्धि जब biosensor सांद्रता कि एमआर विपरीत एजेंटों (<100 सुक्ष्ममापी) के लिए कम कर रहे हैं पर पता लगाया जाना चाहिए की आवश्यकता है. यह रासायनिक विनिमय संतृप्ति हस्तांतरण (CEST) द्वारा प्राप्त किया जा सकता है. इस विधि biosensor परोक्ष रूप से पता लगाता है बंदी Xe के आकर्षण संस्कार को नष्ट करने और मुक्त Xe के समाधान में संकेत परिवर्तन देखने. Hyperpolarized नाभिक के बाद से लगातार कुछ एमएस 10, कई 100 से 1000 का पता चला पूल पर नाभिक स्थानांतरण जानकारी के बाद प्रतिस्थापित कर रहे हैं और संकेत ca बढ़ाना. 10 3 गुना (फिल्म 2 देखें).
Protocol
Discussion
Hyperpolarized क्सीनन की तैयारी में महत्वपूर्ण पहलुओं गैस कई गुना में पम्पिंग सेल और circularly polarized प्रकाश के साथ सेल की पर्याप्त रोशनी सहित ऑक्सीजन अशुद्धियों हैं. ऊपर उल्लेख किया है प्रकाश बल्ब परीक्षण हानिकारक ऑक…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस अनुसंधान परियोजना यूरोपीय समुदाय सातवें फ्रेमवर्क कार्यक्रम (FP7/2007-2013) / ईआरसी अनुदान समझौते के एन ° 242710 के तहत यूरोपीय अनुसंधान परिषद से धन प्राप्त किया गया था और इसके अलावा मानव फ्रंटियर विज्ञान कार्यक्रम और जर्मन के एमी नोथेर कार्यक्रम द्वारा समर्थित रिसर्च फाउंडेशन (995/2-1 SCHR).
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 |
Riferimenti
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