Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI
Summary
La produzione di xeno iperpolarizzato mediante scambio di spin ottica di pompaggio (SEOP) è descritto. Questo metodo produce un 10000-volte valorizzazione ~ della polarizzazione di spin nucleare di Xe-129 e ha applicazioni in spettroscopia di risonanza magnetica nucleare e di imaging. Esempi di fase gas ed esperimenti stato di soluzione sono dati.
Abstract
Risonanza magnetica nucleare (NMR) e di imaging (MRI) che soffrono di bassa sensibilità intrinseca perché i campi magnetici esterni, anche forti di ~ 10 T generare solo un piccolo rilevabile rete magnetizzazione del campione a temperatura ambiente 1. Quindi, la maggior parte delle applicazioni NMR e MRI basano sulla rilevazione di molecole ad alta concentrazione relativa (ad esempio, acqua per l'imaging di tessuto biologico) o richiedono tempi di acquisizione eccessivi. Questo limita la nostra capacità di sfruttare la specificità molto utile molecolare di segnali NMR per molte applicazioni biochimiche e mediche. Tuttavia, nuovi approcci sono emersi negli ultimi anni: Manipolazione delle specie di spin identificati prima del rilevamento all'interno del NMR / MRI magnete in grado di aumentare la magnetizzazione e quindi consente il rilevamento di molecole in concentrazione molto più bassa 2.
Qui, presentiamo un metodo di polarizzazione di una miscela di gas xenon (Xe 2-5%, 10%N 2, Egli saldo) in una configurazione compatta con un ca. 16000-volte amplificazione dei segnali. Moderna linea criterio diodi laser consentono polarizzazione efficiente 7 e immediato utilizzo di miscela di gas anche se il gas nobile non è separato dagli altri componenti. L'apparato SEOP è spiegato e determinazione della polarizzazione di spin raggiunta è dimostrata per il controllo delle prestazioni del metodo.
Il gas iperpolarizzato può essere utilizzata per l'imaging spazio vuoto, tra cui l'imaging del flusso di gas o studi di diffusione alle interfacce con altri materiali 8,9. Inoltre, il segnale Xe NMR è estremamente sensibile al suo ambiente molecolare 6. In questo modo la possibilità di utilizzarlo come NMR / MRI agente di contrasto quando disciolto in soluzione acquosa con funzionalizzati host molecolari che temporaneamente intrappolare il gas 10,11. Rilevazione diretta e ad alta sensibilità di rilevazione indiretta di tali costrutti è dimostrato sia in modalità spettroscopica e di imaging. </ P>
Introduction
Agenti iperpolarizzato stanno guadagnando crescente attenzione per NMR / MRI applicazioni poiché possono risolvere il problema della sensibilità in determinate circostanze 2. Tre approcci principali sono attualmente utilizzati (polarizzazione nucleare dinamica, DNP, para-idrogeno polarizzazione indotta, PHIP e girare lo scambio pompaggio ottico, SEOP) che tutti preparare un aumentato artificialmente differenza di popolazione di spin di fuori di un magnete NMR prima della spettroscopia reale o esperimento di imaging . Qui si descrive la funzione e il funzionamento di una configurazione SEOP che è stato ottimizzato per la produzione di 129 Xe iperpolarizzato usati negli esperimenti stato di soluzione.
Un componente essenziale è una fonte di luce intensa che emette fotoni infrarossi a 795 nm. Array di diodi laser (LDA) sono dispositivi convenienti che offrono un'elevata potenza> 100 W a costi ragionevoli. In molte configurazioni, la LDA emette in una fibra ottica che più o meno mantiene la polarizzazione di the luce laser. Per garantire un processo sufficiente SEOP questa polarizzazione ellittica deve essere convertito in polarizzazione circolare di elevata purezza. Componenti principali delle ottiche di polarizzazione sono mostrate nelle Figure 1 e 2 e la configurazione del sistema è illustrata schematicamente in film complementare 1.
Per polarizzare la luce circolarmente abbiamo prima collegare l'estremità della fibra ottica primaria di un fascio di espansione (ad esempio, un collimatore di fibre) per ridurre la densità di potenza. La luce passa attraverso un cubo beam splitter polarizzatore, generando luce linearmente polarizzata. Ruotando questo cubo si può determinare l'asse preferita della polarizzazione residua con un misuratore di potenza. Trasmissione massimo corrisponde alla situazione in cui è allineato all'asse veloce del cubo con l'asse principale polarizzazione della luce. Cubi con coefficienti di estinzione elevate (100.000: 1 o superiore) ottenere una buona separazione di componenti di polarizzazione. Questo può essere testatoutilizzando un secondo divisore di fascio cubo come un analizzatore che viene ruotato mentre la prima è allineata per la massima trasmissione del fascio straordinario.
Una volta che la polarizzazione lineare della luce trasmessa è stato confermato, un onda λ / 4 piastra progettato per 795 nm viene introdotto nella straordinaria fascio lineare per convertire in polarizzazione circolare. A questo scopo, l'asse veloce della piastra onda è ruotato di 45 ° rispetto all'asse del fascio cubo splitter veloce. (Se desiderato, polarizzazione circolare del fascio riflesso ordinaria con asse di polarizzazione lineare perpendicolare alla straordinaria fascio può essere realizzato in modo simile.)
La qualità della polarizzazione circolare può essere testato con un cubo secondo divisore di fascio che deve cedere alla rotazione di trasmissione costante. A secondarie ottica di espansione del fascio (ad esempio due lenti in una configurazione telescopio galileiano) aumenta quindi il diametro del fascio per lo illuminate la cella di vetro per il processo di pompaggio all'interno di una scatola forno. Assorbimento della luce laser da Rb vapore nella cella viene monitorata attraverso un foro di perno dietro la cella di pompaggio alla fine della scatola: un collimatore raccoglie un fascio IR attenuato da analizzare con uno spettrometro ottico (vedere Figura 3 per il pompaggio di impostazione cella ).
Un meccanismo di riscaldamento all'esterno della cella di pompaggio vaporizza parzialmente una gocciolina Rb seduto all'interno della cellula (figura 4a) e pertanto causa di assorbimento della luce laser. Densità del vapore può essere regolato tramite il punto di riscaldamento impostata del regolatore PID corrispondente. Le alte temperature (ca. 190 ° C) sono buoni per configurazioni compatte in cui il xeno ha una quantità limitata di tempo per costruire la polarizzazione. La miscela di gas contenente Xe, N 2 e Lui scorre attraverso la cella di pompaggio opposta alla direzione del fascio laser (Figura 3). Un campo magnetico esterno allineato con il raggio laser assicura che esimoelettroniche fotoni IR sono solo pompando una transizione Rb. Rilassamento degli stati dell'elettrone è veloce e deve essere non radiativo per evitare l'emissione di fotoni IR con polarizzazione 'sbagliato'. Qui, il 2 N entra in gioco come gas quench. Alla fine, il sistema Rb costruisce una sovrappopolazione di uno dei sottolivelli esporre il motivo mentre l'altra viene continuamente impoverito dal laser (Figura 5). Xenon entrare in stretto contatto con gli atomi di Rb esperienze di spin-spin interazioni e la polarizzazione di spin dell'elettrone è trasferito su nuclei Xe in flip-flop processi.
Il gas iperpolarizzato fuoriesce dalla cella di pompaggio contiene tracce di Rb vapore che condensa sulla parete dei condotti entro pochi cm di presa a causa della bassa temperatura (simile alla Figura 4b). In applicazioni in vivo, tuttavia, richiederebbe ulteriore eliminazione del metallo alcalino (ad esempio attraverso una trappola a freddo), mentre in vitro experiments possono essere effettuati in modo sicuro con il gas come lascia il hyperpolarizer. Tubazione Teflon collega l'uscita polarizzatore con l'ingresso di un apparato di vetro per eseguire esperimenti NMR su soluzioni di test. Controllori di flusso di massa sono utilizzati per regolare la quantità di Xe scorre nella configurazione NMR. Essi sono attivati da comandi nella sequenza di impulsi NMR. Dopo aver controllato la valorizzazione polarizzazione raggiunto, il gas può essere utilizzato come NMR / MRI agente di contrasto in esperimenti stato di soluzione.
Xe ha una certa solubilità in acqua (4,5 mM / atm) e altri solventi. Pertanto, esso può già fungere da solo come agente di contrasto per visualizzare la distribuzione di alcuni liquidi. Tuttavia, è anche possibile collegare la NMR-attivo nuclei di certe molecole per acquisire informazioni specifiche molecolare attraverso il gas altrimenti inerte. Fornendo un host molecolare per la disciolto Xe, è possibile conferire specificità molecolare al segnale Xe NMR. Ciò offre l'opportunità diprogettazione agenti di contrasto funzionalizzati – chiamato anche biosensori – quando una tale struttura ospitante è accoppiato ad un'unità di targeting che si lega a specifici analiti di interesse biomedico (Figura 6).
Ulteriore miglioramento della sensibilità è necessaria quando il biosensore deve essere rilevata a concentrazioni che sono bassi per mezzi di contrasto MR (<100 pM). Ciò può essere ottenuto mediante trasferimento scambio chimico saturazione (CEST). Questo metodo rileva il biosensore indirettamente distruggendo la magnetizzazione della gabbia Xe e osservando la variazione del segnale di Xe libera in soluzione. Dal momento che i nuclei iperpolarizzato sono continuamente sostituite dopo qualche ms 10, molti 100-1000 trasferimento di nuclei le informazioni sulla piscina rilevato e amplificare il segnale di ca. 10 3 volte (vedi filmato 2).
Protocol
Discussion
Aspetti critici nella preparazione di xeno iperpolarizzato sono impurità ossigeno nel collettore di gas tra la cella di pompaggio ed una sufficiente illuminazione della cella con luce polarizzata circolarmente. La suddetta prova lampadina è un modo semplice per rilevare le concentrazioni di ossigeno deleteri durante il trasferimento rubidio. Il metallo alcalino può perdere la sua superficie lucida dal momento dell'installazione della cella nel polarizzatore. Tuttavia, vaporizzazione sufficiente di Rb non ossidato…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo progetto di ricerca ha beneficiato di un finanziamento del Consiglio europeo della ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro della Comunità europea (FP7/2007-2013) / ERC convenzione di sovvenzione n ° 242710 ed è stata inoltre sostenuta dalla Human Frontier Science Program e il programma Emmy Noether del tedesco 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
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