本文描述了通过自旋交换光泵浦（SEOP）方法制备超极化氙气的过程。该方法可使Xe-129的核自旋极化度提高约10000倍，在核磁共振波谱学和成像中具有广泛应用。文中给出了气相和溶液状态实验的示例。
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本文内容
摘要
摘要
核磁共振（NMR）波谱学与成像（MRI）由于其固有的低灵敏度而受到限制，因为即使在约 10 T 的强外部磁场下，室温时样品中仍仅能产生微弱的可检测净磁化信号1。因此，大多数 NMR 和 MRI 应用依赖于检测相对高浓度的分子（例如，用于生物组织成像的水），或需要过长的信号采集时间。这限制了我们在许多生物化学和医学应用中充分利用 NMR 信号所具有的高度分子特异性的能力。然而，近年来出现了一些新方法：在分子进入 NMR/MRI 磁体进行检测之前，对其所检测的自旋物种进行操控，可显著增强磁化信号，从而实现对极低浓度分子的检测2。
本文介绍了一种在紧凑装置中对氙气混合物（2-5% Xe，10% N2，其余为 He）进行极化的方法，可实现约16000倍的信号增强。现代窄线宽二极管激光器能够高效地实现极化7，并且即使稀有气体未与其他组分分离，也可立即使用该气体混合物。文中详细说明了自旋交换光泵浦（SEOP）装置的结构，并展示了如何测定所获得的自旋极化度，以实现对方法性能的控制。
超极化气体可用于空腔空间成像，包括气体流动成像或与其他材料界面处的扩散研究8,9。此外，氙的核磁共振（NMR）信号对其分子环境极为敏感6。这使得当氙溶解于含有可暂时捕获气体的功能化分子宿主的水溶液中时，可将其用作NMR/磁共振成像（MRI）对比剂10,11。此类体系的直接检测以及高灵敏度间接检测已在波谱和成像模式中得到验证。
引言
超极化试剂由于在特定条件下能够解决核磁共振（NMR）/磁共振成像（MRI）应用中的灵敏度问题，正受到越来越多的关注2。目前主要有三种方法被用于实现超极化：动态核极化（DNP）、对位氢诱导极化（PHIP）和自旋交换光泵浦（SEOP）。这些方法均通过在NMR磁体外部人为地产生增强的自旋布居差，进而在实际的波谱或成像实验之前完成极化制备。本文介绍了自旋交换光泵浦（SEOP）装置的功能与操作，该装置已针对溶液态实验中使用的超极化129Xe的制备进行了优化。
一个关键组件是能够发射波长为795 nm红外光子的高强度光源。激光二极管阵列（LDA）是一种可提供高功率输出的便捷装置 > 100 瓦，成本合理。在许多装置中，LDA 发射的光会进入一根光学光纤，该光纤或多或少保留了激光的偏振态。为了确保足够的 SEOP 过程效率，必须将这种椭圆偏振转换为高纯度的圆偏振。偏振光学元件的主要组成部分如图所示 图1 和 2 系统设置方法在补充视频1中以示意图形式进行说明。
为了使光产生圆偏振，我们首先将光纤末端连接至一个主扩束光学器件（例如，一个光纤准直器）以降低功率密度。然后光线通过一个偏振分光立方体，产生线偏振光。通过旋转该立方体，可使用功率计确定剩余偏振光的主轴方向。当立方体的快轴与主光偏振轴对齐时，透射率达到最....
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方案
1. SEOP 装置的准备
必须将铷引入光抽运池中，以促进激光光的极化转移至氙。由于铷具有很高的反应活性，该过程必须在铷不接触氧气或水的条件下进行，否则铷会被氧化而无法对氙进行极化。需格外注意，铷与水会发生剧烈反应。
- 如果光学池之前使用过，其内壁会覆盖一层铷（Rb）及氧化铷，如图4b所示。使用前必须先将光学池清洗干净。关闭光学池的进气口和出气口管路，在保持加压状态下将其转移至通风橱中。在通风橱内，佩戴适当的个人防护装备，打开光学池使其暴露于空气中，静置约一小时，使铷表面充分氧化。
- 用移液器小心地将纯异丙醇加入光学池中。异丙醇会溶解氧化铷层，光亮的铷液滴将在异丙醇表面移动，类似于高温板上滚动的水滴。将异丙醇（以及其中携带的任何铷）倒入烧杯中。重复此操作，直至所有铷被清除。
- 如果上述方法仍无法完全去除铷，则配制10%水和90%异丙醇的混合溶液，并重复步骤1.2），逐步增加水的比例（每次增加10%），直至所有铷被清除。
- 确认所有铷已清除后，用丙酮冲洗光学池。
- 将一个预先抽真空并充入氩气的光泵浦池带入充满氩气的惰性气氛手套箱中。同时准备一支铷安瓿瓶、安瓿开启工具、巴斯德移液管、Kimwipe擦拭纸和热风枪。为维持手套箱内的干燥环境，放置一个装有五氧化二磷作为干燥剂的培养皿。可通过一个玻璃泡已打开、灯丝暴露于手套箱气氛中的灯泡来监测是否存在微量氧气：....
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讨论
制备超极化氙气过程中的关键因素包括气体管路（含泵浦池）中的氧气杂质，以及用圆偏振光对池体进行充分照射。上述灯泡测试是一种在转移铷时检测有害氧气浓度的简便方法。碱金属在池体安装到极化器中时，其光亮表面可能会丧失。然而，可通过激光透射率降低来监测未氧化铷的充分汽化（首次加热新池体时，可能需要额外升高约20 °C的温度才能启动汽化过程；一旦开始吸收激光，应降低设定温度）。在磁场存在下几乎完全吸收激光，表明池内至少存在一个铷蒸气密度过高的区域，可能导致池体照射不均匀和氙气超极化效果不佳。若发生此情况，应降低加热器温度，直至池体透光率约为30%。
每种实验装置的最优温度、压力、气体混合比例和流速都需要通过实验确定，因为这些参数取决于光学池的具体几何结构和热导特性，以及各个偏振器的激光线宽和功率。特别是已有研究表明，铷（Rb）向氙（Xe）的自旋交换在低压条件下效率最高12。然而，由于半导体激光器的线宽相对较宽，铷的极化效率通常在较高压力下更高1。因此，必须在上述两个因素之间进行权衡，以在特定实验装置中实现最大的极化度。
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致谢
本研究项目已获得欧洲研究理事会根据 欧洲共同体的 第七框架计划（FP7/2007-2013）/ 欧洲研究理事会资助协议编号 n ° 242710，并得到了人类前沿科学计划和德国研究基金会埃米·诺特计划（SCHR 995/2-1）的额外支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铷锭 | Sigma-Aldrich | 276332-1G | |
| P4O10 | Sigma-Aldrich | 79610-500G | |
| Ar | Praxair | ||
| Xe | Sigma-Aldrich | 00472-1EA | |
| O2 | Sigma-Aldrich | 00476-1EA | |
| 激光系统 | QPC Lasers/Laser Operations | Brightlock 50 | |
| 真空系统 | Pfeiffer | HiCube | |
| 热电偶 | Newport Omega | SA2F-KI-3M | |
| 硅加热器 | Newport Omega | FMA5514 | |
| 压力变送器 | Newport Omega | PR 33X-V-10 | |
| 过程仪表 | Newport Omega | INFCP-100B | |
| 质量流量控制器 | Newport Omega | MFC | |
| PID调节器 | Newport Omega | CN7800 | |
| 控制软件 | Newport Omega | DasyLab | |
| 数据采集系统 | Newport Omega | Daqboard 3000 | |
| 真空传感器 | Oerlikon | TTR91 | |
| 真空控制器 | Vacom | MVC-3 | |
| 光束准直器 | Thorlabs | F810SMA-780 | |
| 偏振分光棱镜立方体 | Thorlabs | GL15-B | |
| λ/4 波片 | Thorlabs | WPQ10M-780 | |
| 光束扩束透镜 | Thorlabs | ||
| 光学光谱仪 | Ocean Optics | HR4000 | |
| 光纤 | Ocean Optics | ||
| 低压核磁管 | Wilmad | 513-7LPV-7 | |
| 5 mm 核磁管 | Sigma-Aldrich | HX58.1 | |
| 亥姆霍兹线圈 | Phywe | 06960-00 | |
| 熔融石英毛细管 | Polymicro | TSG 250350 |
参考文献
- 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, ....
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重印与许可
