NMR과 MRI 응용 프로그램 용 Hyperpolarized 지논
Summary
광학 스핀 교환 (SEOP) 펌프에 의해 hyperpolarized 크세논의 생산 설명되어 있습니다. 이 방법은 XE-129의 핵 스핀 분극의 ~ 10,000 배 향상을 산출하고 핵 자기 공명 분광법 및 이미징에 응용 프로그램이 있습니다. 기상 및 솔루션 상태 실험의 예는 주어집니다.
Abstract
~ 10 T의 강한 외부 자기장은 실내 온도 1의 샘플 만 작은 감지 그물 자화를 생성하기 때문에 핵 자기 공명 (NMR) 분광법 및 이미징 (MRI)는 고유 낮은 감도로 고통 받고 있습니다. 따라서, 대부분의 NMR과 MRI 응용 프로그램은 상대적으로 높은 농도 (예를 들면, 물 생물 조직의 이미징을위한)에서 분자의 검출에 의존하거나 과도한 수집 시간을 필요로합니다. 이것은 많은 생화학 및 의료 응용 프로그램에 대한 NMR 신호의 매우 유용한 분자 특이성을 악용 할 수있는 능력을 제한한다. 그러나 소설의 접근 방식은 지난 몇 년간에 부상 : 감지 스핀 종의 조작을 사전에 NMR / MRI 자석 내부의 검출에 크게 자화를 증가하기 때문에 훨씬 낮은 농도 2 분자의 검출을 허용 할 수 있습니다.
여기, 우리는 크세논 가스 혼합물 (2-5% XE, 10 %의 편광하기위한 방법을 제시N 2, CA와 컴팩트 설정에서 그는 균형). 16,000 배 신호 강화. 고귀한 가스가 다른 구성 요소에서 분리되지 않은 경우에도 현대적인 라인 좁혀 다이오드 레이저는 효율적인 편광 7 가스 혼합물의 즉시 사용 할 수 있습니다. SEOP 장치가 설명되어 있으며 달성 스핀 분극의 결정은 방법의 성능 제어 시연합니다.
hyperpolarized 가스는 가스 유량 영상 또는 기타 자료 8,9와 인터페이스의 확산 연구 등의 무효 공간 영상에 사용할 수 있습니다. 또한, XE NMR 신호는 분자 환경 6 매우 민감합니다. 이 일시적으로 가스에게 10,11 함정에 작용 분자 호스트와 수용액에 용해 할 때 NMR / MRI 대비 에이전트로 사용 할 수있는 옵션이 있습니다. 직접 감지 및 구조의 높은 감도 간접적으로 감지 spectroscopic 및 이미징 모두 모드에서 증명된다. </ P>
Introduction
사람들이 특정 상황에서 2 감도 문제를 해결할 수 있기 때문에 Hyperpolarized 요원이 NMR / MRI 응용 프로그램 증가 관심을 받고있다. 모두가 전에 실제 분광이나 이미징 실험 NMR 자석 밖에서 인위적으로 증가 스핀 인구 차이를 준비하는 세 가지 주요 방법은 현재 (및 교환 광학 펌핑, SEOP를 돌리다; 파라 수소 유도 분극, PHIP 동적 핵 분극, DNP) 사용 . 여기 솔루션 상태 실험에 사용 hyperpolarized 129 XE의 생산에 최적화 된 SEOP 설정의 기능과 작동에 대해 설명합니다.
필수 구성 요소는 795 nm의에서 적외선 광자를 방출 강렬한 광원입니다. 레이저 다이오드 어레이 (LDA)는 높은 전력 출력을 저렴한 비용으로> 100 W를 제공 편리한 장치입니다. 많은 설정에서 LDA는 더 많거나 적은이 일의 편광을 유지하는 광학 섬유로 배출된다전자 레이저 빛. 충분한 SEOP 과정을 보장하는 방법이 타원형 양극화는 고순도의 원형 편광으로 변환해야합니다. 편광 광학의 주요 구성 요소는 그림 1과 2에 표시된 시스템을 설정하는 것은 보충 영화 1 개략적으로 설명되어 있습니다.
circularly 빛을 극성을하기 위해 먼저 전력 밀도를 줄이기위한 기본 빔 확장 광학 (예를 들어, 섬유 콜리메이터)에 섬유 끝을 연결합니다. 빛는 선형 편광을 생성, 편광 빔 스플리터 큐브를 통과한다. 이 큐브를 회전함으로써 우리는 파워 미터와 나머지 양극화의 기본 축을 결정할 수 있습니다. 최대 전송 큐브의 빠른 축이 주요 빛의 편광 축과 정렬되어있는 상황에 해당합니다. 높은 흡광 계수 (100,000 : 1 이상)의 조각은 편광 구성 요소의 좋은 분리를 얻을 수 있습니다. 이것은 테스트 할 수 있습니다첫 번째는 특별히 일반 빔의 최대 전송을 위해 정렬하는 동안 회전 분석기로 두 번째 빔 스플리터 큐브를 사용합니다.
전송 빛의 선형 편광이 확정되면, 795 nm의 설계 λ / 4 파장 판은 원형 편광으로 선형 변환 할 수있는 매우 일반적인 빔에 소개되어 있습니다. 이러한 목적을 위해, 파장 판의 빠른 축이 45 ° 빔 스플리터 큐브 빠른 축에 상대적으로 회전합니다. (원하는 경우, 추가 – 일반 빔에의 선형 편광 축 수직으로 반영 일반 빔의 원형 편광은 비슷한 방식으로 달성 될 수있다.)
원형 편광의 품질은 회전시 일정한 전송을 얻을 수 있어야 두 번째 빔 스플리터 큐브로 테스트 할 수 있습니다. 보조 빔 확장 광학 (갈릴리 망원경 구성의 예를 들어 두 렌즈는) 다음 완전히 전으로 빔 직경을 증가오븐 상자 안에 펌핑 프로세스의 유리 셀을 lluminate. 셀에 RB 증기에 의한 레이저 빛의 흡수는 상자의 끝에있는 펌핑 셀 뒤에 핀 구멍을 통해 모니터링됩니다 콜리메이터는 (셀 설치를 펌핑을위한 그림 3 참조 광학 분석기로 분석 할 수있는 감쇠 IR 빔을 수집 ).
펌핑 셀 외부 가열 메커니즘은 부분적으로 세포 (그림 4A) 안에 앉아 RB 비말을 증발하기 때문에 레이저 광 흡수가 발생합니다. 증기의 밀도는 각각의 PID 컨트롤러의 가열 세트 포인트를 통해 조정할 수 있습니다. 높은 온도 (ca. 190 ° C) 크세논가 양극화를 구축 할 시간을 제한 금액이 작은 설정을위한 좋은 수 있습니다. XE, N 2, 그는이 포함 된 가스 혼합물은 레이저 빔 방향에 반대 펌핑 셀 (그림 3)을 통해 흐른다. 레이저 빔으로 정렬 외부 자기장은 그 일을 보장합니다전자 IR의 광자는 하나 RB의 전환을 펌핑하고 있습니다. 전자 상태의 휴식은 빠른과 '잘못된'양극화와 IR 광자의 방출을 피하기 위해 비 발광해야합니다. 여기서, N 2는 잃게 가스로서 플레이에 있습니다. 다른 하나가 지속적으로 레이저 (그림 5)에 의해 소모되는 동안 결국, RB 시스템은 지상 상태 sublevels 중 하나의 인구 과잉을 구축합니다. RB 원자에 가까운 접촉 점점 크세논은 스핀 – 스핀 상호 작용을 경험과 전자 스핀 분극은 플립 플롭 과정에서 XE의 핵에 전송됩니다.
펌핑 감방에서 흐르는 hyperpolarized 가스. 생체 응용 프로그램에서는 그러나, 추가 제거를 낮은 온도 (4B 파악하기 위해 이와 유사한 것)으로 인해 콘센트 몇 cm 내에서 튜브 벽에 응축이 필요한 것을 RB 증기의 흔적 금액이 포함되어 알칼리 금속 (감기에 트랩을 통해 예를 들어)의 체외 experime의 반면이 hyperpolarizer를 떠나는 즉시 국세청은 가스와 안전하게 수행 할 수 있습니다. 테플론 튜브 테스트 솔루션에 NMR 실험을 수행 할 수있는 유리 장치의 입구와 편광판 콘센트를 연결합니다. 질량 유량 컨트롤러는 NMR 설치에 흐르는 XE의 양을 조정하는 데 사용됩니다. 그들은 NMR 펄스 시퀀스 명령을에 의해 실행됩니다. 달성 편광 향상을 확인 후, 가스 솔루션 상태 실험에서 NMR / MRI 대비 에이전트로 사용할 수 있습니다.
XE는 물에 특정 용해도 (4.5 MM / ATM) 및 기타 용제가 있습니다. 따라서 이미 액체의 분포를 표시 할 수 대비 요원으로 자체 검색 할 수 있습니다. 그러나, 다른 불활성 가스를 통해 분자 특정 정보를 취득하기 위해 특정 분자에 NMR-활성 핵을 연결하는 것도 가능합니다. 용해 XE에 대한 분자 호스트를 제공함으로써, XE NMR 신호에 분자 특이성을 부여 할 수 있습니다. 이 할 수있는 기회를 제공디자인 작용 대비 에이전트 – 또한, 바이오 센서라고 – 같은 호스트 구조가 생명 관심의 특정 analytes (그림 6)에 바인딩 대상 장치에 연결된다.
바이오 센서는 MR 대비 에이전트 (<100 μM)에 대한 낮은 농도에서 감지해야 할 때 추가로 감도를 향상이 필요합니다. 이것은 화학 교환 포화 전송 (중부 유럽 표준시)에 의해 달성 될 수있다. 이 방법은 갇힌 XE의 자화를 파괴 및 솔루션에서 무료로 XE의 신호 변화를 관찰하여 간접적으로 바이오 센서를 감지합니다. hyperpolarized 핵은 지속적으로 감지 수영장로 일부 10 밀리, 많은 100-1000 핵 전송 정보를 한 후 교체 및 신호 CA를 증폭되기 때문입니다. 10 3 배 (영화 2 참조).
Protocol
Discussion
hyperpolarized 크세논의 준비에 중요한 측면은 펌핑 셀 및 circularly 편광과 세포의 충분한 조명을 포함한 가스 매니 폴드에 산소 불순물 수 있습니다. 위에서 언급 한 전구 검사 루비듐를 전송하는 동안 해로운 산소 농도를 감지하는 간단한 방법입니다. 알칼리 금속은 셀이 편광판에 설치되어있는 시간까지의 반짝이는 표면을 상실 할 수 있습니다. . 한 번, 그러나, 비 산화 RB의 충분한 기화가 감소 레?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구 프로젝트는 유럽 공동체의 7 번째 프레임 워크 프로그램 (FP7/2007-2013) / ERC 보조금 협정 N ° 242710 아래에있는 유럽 연구위원회의 자금 지원을 받아했으며 추가로 인간 프론티어 과학 프로그램과 독일의 에미 Noether 프로그램에 의해 지원되었다 연구 재단 (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).
