Hyperpolariserad xenon för NMR och MRI applikationer
Summary
Produktionen av hyperpolariserad xenon genom spinnutbyte optisk pumpning (SEOP) beskrives. Denna metod ger ett ~ 10000-faldig förbättring av kärnspinn polarisering av Xe-129 och har tillämpningar inom NMR-spektroskopi och avbildning. Exempel på gasfas och lösning experiment statliga ges.
Abstract
Kärnmagnetisk resonans (NMR)-spektroskopi och avbildning (MRI) lider inre låg känslighet eftersom även starka yttre magnetfält ~ 10 T genererar endast en liten detekterbar nät-magnetisering av provet vid rumstemperatur 1. Följaktligen flesta NMR och MRI tillämpningar bygger på detektion av molekyler vid relativt hög koncentration (t.ex. vatten för avbildning av biologisk vävnad) eller kräva överdrivna Hämtningstider. Detta begränsar vår förmåga att utnyttja den mycket användbara molekylära specificitet NMR-signaler för många biokemiska och medicinska tillämpningar. Dock har nya metoder fram under de senaste åren: Manipulering av de upptäckta spin arten före detektion inuti NMR / MRI magneten kan dramatiskt öka magnetiseringen och därmed möjliggör detektion av molekyler i mycket lägre koncentration 2.
Här presenterar vi en metod för polarisering av en xenon-gas-blandning (2-5% Xe, 10%N 2, Han balans) i en kompakt installation med en ca. 16000-faldig signalförstärkning. Moderna linje avsmalnande diodlasrar medger effektiv polarisering 7 och omedelbar användning av gasblandning även om ädelgasen inte separeras från de andra komponenterna. Den SEOP apparaten förklaras och bestämning av den uppnådda spinpolarisation visas för prestanda kontroll av metoden.
Den hyperpolariserade gasen kan användas för hålrummet avbildning, inklusive gas flow imaging eller studier diffusion vid gränsytorna med andra material 8,9. Dessutom är Xe-NMR-signalen extremt känslig för dess molekylära omgivning 6. Detta möjliggör alternativet att använda det som ett NMR / MRI-kontrastmedel vid upplösning i vattenlösning med funktionaliserade molekylära värdar som tillfälligt fånga gasen 10,11. Direkt detektion och högkänsliga indirekt detektion av sådana konstruktioner visas i både spektroskopiska och bildåtergivningsläge. </ P>
Introduction
Hyperpolariserad agenter får allt större uppmärksamhet för NMR / MRI applikationer eftersom de kan lösa känslighet problemet under vissa omständigheter 2. Tre huvudinriktningar för närvarande används (dynamisk kärn polarisering, DNP, para-väte inducerad polarisation, PhIP och snurra utbyte optisk pumpning, SEOP) som alla förbereder ett artificiellt ökad skillnad spinn befolkningen utanför en NMR magnet före själva spektroskopi eller avbildning experiment . Här beskriver vi funktionen och driften av en SEOP installation som har optimerats för produktion av hyperpolariserad 129 Xe som används i experiment lösning state.
En väsentlig komponent är en intensiv ljuskälla avger infraröda fotoner vid 795 nm. Laserdiod kedjor (LDA) är bekväma enheter som ger hög uteffekt> 100 W till en rimlig kostnad. I många uppsättningar har LDA avger till en optisk fiber som mer eller mindre bibehåller polarisationen av the laserljus. För att garantera en tillräcklig SEOP Bearbeta detta elliptisk polarisation måste omvandlas till cirkulär polarisering av hög renhet. Viktiga komponenter i polarisering optik visas i figurerna 1 och 2 och ställa in systemet förklaras schematiskt i kompletterande film 1.
Att cirkulärt polarisera ljuset vi lägger först fiberänden till en primär optik strålexpansion (t.ex. en fiber kollimator) för att minska effekttäthet. Ljuset passerar sedan genom en polariserande stråldelare kub, genererar linjärt polariserat ljus. Genom att rotera denna kub kan vi bestämma önskad axel återstående polarisering med en kraftmätare. Maximal överföring motsvarar situationen där den snabba axeln hos kuben är i linje med den huvudsakliga ljus polarisationsaxeln. Kuber med höga extinktionskoefficienter (100.000: 1 eller bättre) ger en god separation av polarisationskomponenter. Detta kan testasmed en andra kub stråldelare som en analysator som roteras medan den första är inriktad för maximal överföring av extraordinära strålen.
När den linjära polarisationen av det transmitterade ljuset har bekräftats, är en λ / 4 våg platta avsedd för 795 nm införs i extraordinära strålen att omvandla linjär till cirkulär polarisation. För detta ändamål, är den snabba axeln hos vågen plattan roteras 45 ° i förhållande till stråldelaren kub snabb axel. (Om så önskas, kan cirkulär polarisation av den reflekterade strålen vanliga med sin linjära polarisation vinkelrät mot den extraordinära strålen uppnås på ett liknande sätt.)
Kvaliteten på den cirkulära polarisationen kan testas med en andra stråldelare kub som bör ge konstant överföring vid rotation. En sekundär strålexpansion optik (t.ex. två linser i en galileisk teleskop konfiguration) ökar sedan stråldiametern helt illuminate glaskuvetten för pumpprocessen inuti en ugn låda. Absorption av laserljuset genom Rb-ångan i cellen övervakas via en tapp hål bakom den pumpande cellen i slutet av lådan: en kollimator samlar ett försvagat IR-strålen som skall analyseras med en optisk spektrometer (se figur 3 för pumpcellen inställning ).
En värmemekanism utanför pumpningscellen förångas delvis en Rb droppe som sitter inne i cellen (fig. 4a) och orsakar därför absorptionen laserljus. Densitet av ångan kan justeras via uppvärmning börvärde för respektive PID-regulatorn. Höga temperaturer (ca 190 ° C) är bra för kompakta konfigurationer där xenon har en begränsad tid för att bygga upp polarisering. Den gasblandning innehållande Xe, N 2 och han flyter genom den pumpande cellen motsatt laserstrålen riktning (figur 3). Ett externt magnetfält i linje med laserstrålen säkerställer att the IR fotoner bara pumpar en Rb övergång. Relaxation av elektronen staterna är snabb och måste vara icke-radiativ att undvika utsläpp av IR fotoner med "fel" polarisation. Här kommer N 2 i spel som kylgas. Slutligen bygger Rb systemet upp en överbefolkning av en av undernivåer grundtillståndet medan den andra kontinuerligt utarmas av lasern (Figur 5). Xenon komma i nära kontakt med RB atomer upplever spin-spin interaktioner och elektronens spinn polarisering överförs till Xe kärnor i flip-flop processer.
Den hyperpolariserade gasen strömmar ut ur pumpningscellen innehåller spårmängder av Rb-ångan som kondensat på rörväggen inom några cm av utloppet på grund av den låga temperaturen (liknande fig. 4b). In vivo applikationer, skulle emellertid kräva ytterligare eliminering av alkalimetall (t.ex. genom en köldfälla) för in vitro experimeNTS kan utföras säkert med gasen när den lämnar hyperpolarisatorn. Teflon förbinder polarisatorn utlopp med inloppet hos en glas apparat för att utföra NMR-experiment på testlösningar. Massflödes-kontrollorgan används för att justera mängden av Xe som strömmar in i NMR-installationen. De utlöses av kommandon i NMR-pulssekvensen. Efter kontroll av uppnått polarisering förbättring, kan gasen användas som ett NMR / MRI kontrastmedel i experiment lösning state.
Xe har en viss löslighet i vatten (4,5 mM / atm) och andra lösningsmedel. Det kan därför redan tjänstgöra på egen hand som ett kontrastmedel för att visa fördelningen av vissa vätskor. Emellertid är det också möjligt att koppla NMR-aktiva kärnor till vissa molekyler för att få molekylär-specifik information genom den annars inerta gasen. Genom att tillhandahålla en molekylär värd för den upplösta Xe, är det möjligt att ge molekylär specificitet till Xe-NMR-signalen. Detta ger möjlighet attkonstruktion funktionaliserade kontrastmedel – även kallade biosensorer – när en sådan värd struktur är kopplad till en målsökande enhet som binder till specifika analyter av biomedicinska intresse (figur 6).
Ytterligare känslighet förbättring krävs när biosensorn bör upptäckas vid koncentrationer som är låga för MR kontrastmedel (<100 nM). Detta kan uppnås genom kemiskt utbyte mättnad överföring (CEST). Denna metod detekterar biosensorn indirekt genom att förstöra magnetiseringen av bur Xe och observera signalen ändringen av fri Xe i lösning. Eftersom det hyperpolariserade kärnorna kontinuerligt byts ut efter cirka 10 ms, många 100 till 1000 kärnor överföra informationen på den detekterade poolen och förstärka signalen ca. 10 3-faldigt (se film 2).
Protocol
Discussion
Kritiska aspekter vid framställningen av hyperpolariserad xenon är syre föroreningar i gasgrenröret inklusive pumpningscellen och tillräcklig belysning av cellen med cirkulärt polariserat ljus. Ovannämnda glödlampan test är ett enkelt sätt att upptäcka skadliga syrehalter under överföring rubidium. Alkalimetallen kan förlora sin blanka yta vid den tidpunkt då cellen är installerad i polarisatorn. Emellertid kan tillräcklig förångning av icke-oxiderad Rb övervakas genom reducerad laser överföring (v…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta forskningsprojekt har fått finansiering från Europeiska forskningsrådet inom ramen för Europeiska gemenskapens sjunde ramprogram (FP7/2007-2013) / ERC bidragsavtal nr 242.710 och dessutom stöds av Human Frontier Science Program och Emmy Noether Program av den tyska 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 |
Riferimenti
- 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).
