NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン
Summary
光ポンピングスピン交換（ヒソプ）により過分極キセノンの生産が記載されている。このメソッドは、Xe-129の核スピン偏極の約10000倍増強をもたらし、核磁気共鳴分光法とイメージングのアプリケーションを持っています。気相と溶液状態実験の例が出されます。
Abstract
〜10Tのさえ強い外部磁界が室温1の検体のごく検出正味磁化を生成するため、核磁気共鳴（NMR）分光法とイメージング法（MRI）は、内因性の低感度に悩まされている。したがって、ほとんどのNMRやMRIのアプリケーションでは、相対的に高濃度の分子の検出（ 例えば 、生体組織のイメージングのための水）に依存するか、または過度の取得時間を必要とします。これは、多くの生化学的および医療用アプリケーションのためのNMR信号の非常に有用な分子の特異性を利用する当社の能力を制限しています。しかし、斬新なアプローチは、過去数年間で浮上している：前NMR / MRI磁石内部の検出、検出されたスピン種の操作が劇的に磁化を高めることができ、したがって、はるかに低い濃度で2分子の検出を可能にします。
ここでは、キセノンガス混合物（2〜5％のXe、10％の偏光するための方法を提示するCAとコンパクトなセットアップで、N 2、彼はバランス）。 16000倍の信号増強。近代的なライン狭めダイオードレーザーは、希ガスは他の成分から分離されていない場合でも、効率的な分極7およびガス混合物の直接の使用を許可します。燮装置について説明されており、達成スピン偏極の測定は、メソッドのパフォーマンス制御に実証されている。
超偏極ガスは、ガス流イメージングまたは他の材料8,9とのインタフェースでの拡散の研究を含めて、ボイドスペースイメージングのために使用することができます。また、XeのNMR信号は、その分子環境6に非常に敏感です。一時的にガス10,11を捕捉官能分子のホストとの水溶液に溶解したときにこれはNMR / MRI造影剤として使用するオプションを有効にします。直接検出するとこのような構築物の高感度間接的な検出は、分光とイメージングの両方のモードで示されています</ P>
Introduction
彼らは、特定の状況下で2感度の問題を解決することができるので、過分極剤は、NMR / MRIのアプリケーションのために注目を集めている。すべてが前に実際分光やイメージング実験にNMRマグネット外人為的に増加したスピン集団間の差異を準備している3つの主要なアプローチは、現在（そして交換光ポンピング、ヒソプをスピン;、パラ水素誘起分極、PHIP動的核分極は、DNP）が使用されている。ここでは、溶液状態の実験で使用した超偏極129 Xeの製造用に最適化されてい燮セットアップの機能と動作について説明します。
必須成分は795 nmで赤外線光子を発する強烈な光源である。レーザダイオードアレイ（LDA）は、高出力、合理的なコストで> 100 Wを提供する便利なデバイスです。多くのセットアップでは、LDAは多かれ少なかれ目の偏光を保持していることを光ファイバに放出している電子レーザー光。十分燮プロセスを保証するために、この楕円偏光は、高純度の円偏光に変換する必要があります。偏光光学系の主要な構成要素は、 図1および図2に示されており、システムのセットアップは補足ムービー1に模式的に説明されています。
円偏光を偏光させるために、我々は最初の電力密度を低減するための一次ビーム拡大光学素子（ 例えば 、ファイバコリメータ）にファイバ端を取り付けます。光は、直線偏光を発生させると、偏光ビームスプリッタキューブを通過します。このキューブを回転させることにより、我々は、パワー·メータと残留分極の好ましい軸を決定することができます。最大伝送は、キューブの速い軸は主光線の偏光軸と一致させている状況に対応しています。高い吸光係数を持つキューブ（10万：1以上）は、偏光成分の良好な分離が得られます。これは、テストすることができます最初のものは並外れたビームの最大伝送のために整列されている間回転させアナライザとして第2のビームスプリッタキューブを使用しています。
透過光の直線偏光が確認された後、795 nmのために設計され、λ/ 4波長板を円偏光に線形変換する超常光線に導入される。この目的のために、波長板の高速軸は45°ビームスプリッタキューブ速い軸に対してにより回転される。 （必要に応じて、その直線偏光軸に垂直と超常光線に対する反射普通の光の円偏光は、同様の方法で達成することができます。）
円偏光の質は回転時に一定の伝送が得られるはず第2のビームスプリッタキューブでテストすることができます。二次ビーム拡大光学系（ガリレイ望遠鏡の構成で例えば 2つのレンズが）その後、私は完全にビーム径を増大させるオーブンボックス内のポンピングプロセス用ガラスセルをlluminate。細胞におけるRb蒸気によるレーザ光 の吸収がボックスの末尾にポンプセル背後にピンホールを介して監視されます。コリメータは、光分析装置（ポンピングセルのセットアップについては図3を参照して分析される減衰赤外線ビームを収集）。
ポンプセル外加熱機構が部分的にセルの中に座ったRb滴（ 図4a）を気化させ、したがって、レーザー光吸収を引き起こす。蒸気の密度はそれぞれのPIDコントローラの加熱セットポイントを経由して調整することができます。高い温度（約190℃）キセノンは偏光を構築するために、限られた時間を持っているコンパクトなセットアップのために良いです。 Xeを、N 2とHeの混合ガスは、レーザービーム方向と反対ポンピングセル（ 図3）を通って流れる。レーザービームで整列外部磁場は、その目を確実にE IR光子は1つだけRbの遷移を励起しています。電子状態の緩和が速く、 "間違った"偏光と赤外線光子の放出を避けるために、非放射性である必要があります。ここで、N 2は、クエンチガスとして場に出る。他の1が連続してレーザー（ 図5）により枯渇しながら最終的には、Rbのシステムは、基底状態のサブレベルの1の人口過剰を構築します。 Rb原子の経験スピン – スピン相互作用と電子スピン分極に密着取得キセノンは、フリップフロップのプロセスでのXe核に転写される。
ポンピングセルの流出超偏極ガスは低温（ 図4b、図のようなもの）に起因するコンセントの数cm内チューブの壁に凝縮そのRbの蒸気の微量が含まれています。vivoアプリケーションでは 、しかし、追加の除去を必要とするであろうアルカリ金属（コールドトラップなどによる） の in vitro における experimeに対しそれはhyperpolarizerを離れると国税庁はガスで安全に行うことができる。テフロンチューブは、テスト·ソリューションでNMR実験を行うためにガラス装置の入口と偏光コンセントを接続します。マスフローコントローラは、NMRのセットアップに流入Xeの量を調整するために使用されます。彼らは、NMRパルスシーケンス内のコマンドによってトリガーされます。達成偏強化を確認した後、ガスは溶液状態の実験でNMR / MRI造影剤として使用することができます。
Xeは、水中で一定の溶解度（4.5ミリモル/ atm）および他の溶剤を持っています。したがって、すでにいくつかの液体の分布を表示するために造影剤として単独で機能することができます。しかし、そうでなければ不活性ガスを介して分子固有の情報を取得するために、特定の分子にNMR活性核をリンクさせることも可能である。溶解XEの分子ホストを提供することによって、それは、Xe NMR信号に分子特異性を付与することが可能である。これは、機会を提供していますデザイン官能造影剤-また、バイオセンサーと呼ばれる-このようなホスト構造は生物医学の関心のある特定の分析物（ 図6）に結合し、標的ユニットに結合されている。
バイオセンサーは、MR造影剤（<100μM）のために低い濃度で検出されるべきであると、さらに感度の向上が必要となります。これは、化学交換飽和移動（CEST）することによって達成することができる。この方法では、ケージXeの磁化を破壊し、溶液中の遊離Xeのシグナル変化を観察することによって、間接的にバイオセンサーを検出します。超偏極核がいくつか連続して10ミリ秒後に交換されているので、多くの100から1000の核が検出されたプールに情報を転送し、信号CAを増幅する。 10 3倍（動画2参照）。
Protocol
Discussion
過分極キセノンの製造における重要な側面は、ポンプセルと円偏光を持つセルの十分な照明など、ガスマニホールド中の酸素不純物である。上記の電球テストはルビジウムの転送中に有害な酸素濃度を検出するための簡単な方法です。アルカリ金属は、セルを偏光子にインストールされた時点で、その光沢のある表面を失う可能性があります。 。一度、しかし、非酸化Rbの十分な気化を?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究プロジェクトは 、欧州共同体の第7次フレームワーク計画（FP7/2007-2013）/ ERCの助成合意N°242710下欧州研究評議会から資金提供を受けており、さらにヒューマン·フロンティア·サイエンス·プログラムとドイツのエミーネーター·プログラムによってサポートされていました研究財団（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
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