Name: 超极化氙NMR和MRI的应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 20 s
Description: 学习利用自旋交换光泵技术制备超极化氙气，用于高灵敏度核磁共振波谱和磁共振成像检测。该方法可实现氙-129核自旋极化显著增强，为生物医学成像和分子特异性检测提供新型造影剂解决方案。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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 &deg; 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。

<ol><li>Schröder, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Xenon+for+NMR+biosensing+-+Inert+but+alert%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med%22%5BJournal%5D)">Xenon for NMR biosensing - Inert but alert.</a> Phys Med. , (2011).</li>
<li>Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+agents+for+advanced+MRI+investigations%5BTitle%5D)+AND+%22Q+J+Nucl.+Med.+Mol.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations.</a> Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).</li>
<li>Walker, T. G., Happer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin-exchange+optical+pumping+of+noble-gas+nuclei%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei.</a> Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).</li>
<li>Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S. Jr, Wishnia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+magnetic+resonance+imaging+using+laser-polarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe.</a> Nature. 370, 199-201 (1994).</li>
<li>Cherubini, A., Bifone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarised+xenon+in+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Progr.+NMR+Spectrosc%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarised xenon in biology.</a> Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).</li>
<li>Goodson, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+magnetic+resonance+of+laser-polarized+noble+gases+in+molecules%2C+materials%2C+and+organisms%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms.</a> J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).</li>
<li>Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+laser-polarized+xenon+using+fiber-coupled+laser-diode+arrays+narrowed+with+integrated+volume+holographic+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings.</a> J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).</li>
<li>Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. III <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+lung+physiology+with+xenon+polarization+transfer+contrast+%28XTC%29%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Med%22%5BJournal%5D)">Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC).</a> Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).</li>
<li>Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+alveolar-capillary+gas+transfer+using+hyperpolarized+129Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functionalized+xenon+as+a+biosensor%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Functionalized xenon as a biosensor.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).</li>
<li>Schröder, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+imaging+using+a+targeted+magnetic+resonance+hyperpolarized+biosensor%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor.</a> Science. 314, 446-449 (2006).</li>
<li>Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+low-pressure+high-capacity+129Xe+flow-through+polarizer%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer.</a> Phys. Rev. A. 80, 063424(2009).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+imaging+of+hyperpolarized+129Xe+produced+by+spin+exchange+with+diode-laser+pumped+Cs%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs.</a> Appl. Phys. Lett. 73, 2666(1998).</li>
<li>Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+Hyperpolarized+129Xe+Gas+Without+Nitrogen+by+Optical+Pumping+at+133Cs+D2+Line+in+Flow+System%5BTitle%5D)+AND+%22Chin.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System.</a> Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).</li>
<li>Zhou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+noble+gases+as+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+Mol.+Biol%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized noble gases as contrast agents.</a> Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+antirelaxation+coatings+for+alkali-metal+vapor+cells+using+surface+science+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques.</a> J. Chem. Phys. 133, 144703(2010).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

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。
<p class="j...

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 &gt; 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，透射率达到最大。具有高消光比（100,000 : 1 或更高）的立方体可实现偏振组分的良好分离。可通过使用第二个偏振分光立方体作为分析器来验证此效果：保持第一个立方体对准以使非寻常光束透射最大，同时旋转第二个立方体。
在确认透射光的线性偏振后，将一个针对795 nm设计的λ/4波片引入非寻常光束中，以将线性偏振转换为圆偏振。为此，需将波片的快轴相对于偏振分束立方体的快轴旋转45°。（如有需要，也可采用类似方法，对线性偏振轴与非寻常光束垂直的反射寻常光束实现圆偏振。）
圆偏振光的质量可通过第二个分束立方体进行检测，该分束立方体在旋转时应产生恒定的透射率。次级光束扩束光学元件（例如 两个透镜组成的伽利略望远镜结构）随后扩大光束直径，以完全照亮置于加热箱内用于泵浦过程的玻璃池。通过箱体末端泵浦池后方的小孔监测铷蒸气对激光的吸收情况：一个准直器收集衰减后的红外光束，并送入光学光谱仪进行分析（参见 图3 用于细胞泵装置的设置。
位于泵浦池外部的加热装置使池内铷液滴部分汽化（图4a），从而引起激光吸收。通过调节相应PID控制器的加热设定点，可调控蒸气密度。在氙气极化时间有限的紧凑型装置中，较高温度（约190 °C）更为合适。含有Xe、N2和He的气体混合物以与激光束方向相反的方向流经泵浦池（图3）。与激光束方向一致的外加磁场确保红外光子仅激发铷的一种跃迁。电子态的弛豫过程必须快速且为非辐射性，以避免发射具有“错误”偏振态的红外光子。在此过程中，N2作为猝灭气体发挥作用。最终，铷系统在基态的一个子能级上形成粒子数过量，而另一个子能级则持续被激光抽运耗尽（图5）。当氙原子与铷原子近距离接触时，发生自旋-自旋相互作用，电子自旋极化通过翻转-翻落过程转移至氙原子核。
从泵浦池流出的超极化气体含有微量的铷蒸气，由于温度较低，这些蒸气会在出口几厘米内的管壁上冷凝（类似于图4b）。然而，对于体内应用，需要进一步去除碱金属（例如通过冷阱），而体外实验则可直接使用离开超极化装置的气体进行，且操作安全。聚四氟乙烯管将极化器出口与玻璃装置的入口相连，用于在测试溶液上进行核磁共振（NMR）实验。质量流量控制器用于调节流入NMR系统的氙气流量，并由NMR脉冲序列中的指令触发控制。在确认达到所需的极化增强水平后，该气体即可作为核磁共振/磁共振成像（NMR/MRI）对比剂用于溶液态实验。
氙气（Xe）在水（4.5 mM/atm）及其他溶剂中具有一定的溶解度，因此其本身即可作为对比剂，用于显示某些液体的分布情况。然而，也可将核磁共振（NMR）活性原子核与特定分子结合，从而通过原本惰性的气体获取分子特异性信息。通过为溶解的氙气提供分子宿主，可使氙的核磁共振信号具备分子特异性。当此类宿主结构与能够结合特定生物医学分析物的靶向单元相连接时，便有望设计出功能化的对比剂——也称为生物传感器（图6）。
当生物传感器的检测浓度低于磁共振造影剂的常规检测限（&lt; 100 μM）时，需要进一步提高检测灵敏度。这一目标可通过化学交换饱和转移（CEST）技术实现。该方法通过选择性饱和被包埋的Xe原子的磁化状态，间接检测生物传感器，并观测溶液中游离Xe信号的变化。由于超极化核在约10 ms后会不断被更新，数百至数千个核可将信息传递至被检测的核池，从而使信号增强约103倍（见视频2）。

<table><tbody><tr><td>铷锭</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>276332-1G</td><td></td></tr><tr><td>P&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>79610-500G</td><td></td></tr><tr><td>Ar</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Xe</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>00472-1EA</td><td></td></tr><tr><td>O&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>00476-1EA</td><td></td></tr><tr><td>激光系统</td><td>QPC Lasers/Laser Operations</td><td>Brightlock 50</td><td></td></tr><tr><td>真空系统</td><td>Pfeiffer</td><td>HiCube</td><td></td></tr><tr><td>热电偶</td><td>Newport Omega</td><td>SA2F-KI-3M</td><td></td></tr><tr><td>硅加热器</td><td>Newport Omega</td><td>FMA5514</td><td></td></tr><tr><td>压力变送器</td><td>Newport Omega</td><td>PR 33X-V-10</td><td></td></tr><tr><td>过程仪表</td><td>Newport Omega</td><td>INFCP-100B</td><td></td></tr><tr><td>质量流量控制器</td><td>Newport Omega</td><td>MFC</td><td></td></tr><tr><td>PID调节器</td><td>Newport Omega</td><td>CN7800</td><td></td></tr><tr><td>控制软件</td><td>Newport Omega</td><td>DasyLab</td><td></td></tr><tr><td>数据采集系统</td><td>Newport Omega</td><td>Daqboard 3000</td><td></td></tr><tr><td>真空传感器</td><td>Oerlikon</td><td>TTR91</td><td></td></tr><tr><td>真空控制器</td><td>Vacom</td><td>MVC-3</td><td></td></tr><tr><td>光束准直器</td><td>Thorlabs</td><td>F810SMA-780</td><td></td></tr><tr><td>偏振分光棱镜立方体</td><td>Thorlabs</td><td>GL15-B</td><td></td></tr><tr><td>&amp;#955;/4 波片</td><td>Thorlabs</td><td>WPQ10M-780</td><td></td></tr><tr><td>光束扩束透镜</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>光学光谱仪</td><td>Ocean Optics</td><td>HR4000</td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>Ocean Optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>低压核磁管</td><td>Wilmad</td><td>513-7LPV-7</td><td></td></tr><tr><td>5 mm 核磁管</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HX58.1</td><td></td></tr><tr><td>亥姆霍兹线圈</td><td>Phywe</td><td>06960-00</td><td></td></tr><tr><td>熔融石英毛细管</td><td>Polymicro</td><td>TSG 250350</td><td></td></tr></tbody></table>

用于核磁共振与磁共振成像的超极化氙

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

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。

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。

核磁共振（NMR）波谱学与成像（MRI）由于即使在约10特斯拉的强外加磁场下，其固有灵敏度仍然较低，因而受到限制。

以下实验的总体目标是制备超极化氙气，并进行灵敏度增强的核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）测量。该目标通过使用一种称为铷蒸气自旋交换光泵浦的技术，实现氙原子核自旋的高极化度。第二步是将获得的NMR信号与热极化氙样品的信号进行比较，从而量化所实现的极化程度。接下来进行核磁共振（NMR）波谱学与成像实验，以展示其高灵敏度和分子特异性。实验结果表明，基于超极化等新型检测方案，氙（Xenon）可作为核磁共振对比剂，既可用于气相，也可用于溶液状态。该技术相较于现有方法（如质子磁共振成像）的主要优势在于，氙可在极低浓度下被检测，并对其分子环境具有高度特异性，同时具备设计功能化对比剂的能力，使其能够结合特定靶分子。该技术的应用前景涉及多种疾病的诊断。因此，该技术可为气相 R 成像提供深入见解，也可应用于溶液态实验，用于检测特定分析物。通常，初学者会遇到困难，因为许多制备步骤的详细记录并不容易获得。在装载过程以及超极化装置运行期间，防止铷发生氧化是该实验流程中的关键步骤，必须确保铷始终处于惰性气体环境中。装载操作在手套箱中进行，而超极化气体单通路装置则需维持在保护性氩气氛围下。开始本实验方案时，在手套箱中按照书面步骤准备一个光抽运细胞。在观看本视频的同时，通过打开一个灯丝暴露在空气中的灯泡来检测手套箱中是否存在意外的氧气；如果未观察到灯丝发光时产生烟雾，则可安全操作铷金属。打开一个铷安瓿瓶，并使用热风枪熔化碱金属。 用管头吸取一些液态铷，注入抽运池中，然后将抽运池从手套箱中取出。按照文中说明，将加热装置连接到抽运池底部，并检查加热装置及其热电偶与抽运池之间是否具有良好的热接触。使用可见光瞄准光束，将抽运池连接到偏振器歧管，确保其与抽运过程中照射抽运池的激光束线对准。最后，将热电偶连接至电池顶部。抽空泵浦电池的进气口和出气口阀门之间的管路连接。当压力降至低于 30 × 10⁻³ 毫巴时。使用氩气对管路进行重复抽真空，并用与泵浦池入口相连的氩气罐对管路吹扫三次。缓慢打开池体的入口阀和出口阀。小心地略微打开极化器出口阀，使氩气以大约每分钟一标准升的流速通过歧管，并维持该流速两分钟。关闭偏振器出口阀和通往阿贡罐的入口连接后，打开抽气池的加热器以汽化铷液滴。接下来，打开氙气混合气体与偏振装置的连接。储气罐调压器应设置为约3.5 bar的过压。打开激光器，然后通过调节二极管冷却器的设定温度，将激光发射波长调至约 794.8 纳米。通过光学光谱仪监测激光轮廓。在监测激光轮廓的同时，打开泵浦池周围的磁场，随着磁场引起选择性光泵浦，透射率应立即上升。等待所有温度稳定。偏振器现已准备就绪，可供使用。此动画概括了自旋交换光泵浦的整体装置设置。激光束首先通过主扩束器扩大光束直径，然后穿过偏振分光立方体（PBC）。旋转该立方体可改变寻常光束与非寻常光束的相对强度，以实现最大透射率的位置。偏振分束立方体（PBC）的快轴与入射光的主偏振轴对齐。可使用第二个偏振分束立方体（PVC）作为分析器来检测透射光的线偏振态。插入四分之一波片可将线偏振光转换为圆偏振光。如果其快轴相对于第一个偏振分束立方体（PBC）的快轴旋转了45度，则透射光的强度将不再依赖于第二个立方体的旋转角度。移除分析组件并将其替换为二级扩束镜，可获得合适的光束直径，用于照射泵浦池。该细胞中的铷液滴部分汽化。当细胞外部的加热器启动后，氙气混合物沿与激光束相反的方向流经装置，将这种蒸气均匀分布到整个细胞中，且无磁场存在。这导致铷原子普遍发生D1激发，并强烈吸收激光光。开启磁场可实现仅对现已确定的磁子能级之间的一个跃迁进行选择性泵浦。为准备进行核磁共振（NMR）测量，将装有水的试管插入NMR探头中。利用水信号对射频（RF）电路的质子通道和氙通道进行调谐和匹配。使用 MRI 用户界面的自动匀场程序，将水样替换为气体流动模体。将极化器出口管路连接至具有五根毛细管的测试模体入口，以注入氙气，并将排气管路连接至质量流量控制器。确保气体流量控制器处于关闭状态，然后缓慢打开极化器出口阀，以对模体加压。将流速设置为约 0.5 标准升/分钟。为启动流经模型的连续流动以确定所需的激发脉冲长度，使用核磁共振波谱仪采集一系列自由感应衰减（FID）信号。此处采用一个功率约为探头最大额定功率 50% 的硬脉冲，并尝试不同的激发长度，具体使用衰减 10 分贝的硬脉冲。按照本视频附带的书面实验方案中列出的参数输入实验条件。将流速降低至0.1标准升/分钟，重复时间增加至15秒，其余参数保持不变。在超极化氙气流经样品时，采集包含16次FID扫描的数据集。进行傅里叶变换，并测量谱图中的峰积分。记录气体峰的共振频率，单位为赫兹。接下来，抽空一支带有阀门的厚壁核磁共振管，使其达到低压上限，然后充入约两巴过压的高纯氙气。抽空装有核磁共振（NMR）管的气体歧管，并向NMR管中的氙气上方充入约0.2 bar的纯氧气。将之前使用的气体流动模体从NMR磁体中取出，替换为该低压NMR管，并重复使用气体流动模体时的相同测量。这将提供热极化高浓度Xon的参考NMR信号强度。为了进行氙溶液状态光谱分析，首先按照书面实验方案制备浓度为50至200微摩尔的Khan样品溶液。取约1.5毫升该溶液注入气体流动模体中，确保五根熔融石英毛细管可使氙气混合物在溶液中充分鼓泡。将模体装入核磁共振探头后，采用适当的延迟进行FID信号采集。由光谱仪发出触发脉冲，用于开启和关闭质量流量控制器。以先前确定的气体共振频率下方约11千赫为中心，设置40千赫的光谱宽度，进行16或32次重复扫描，自由感应衰减（FID）信号的采集时间应为500至1000毫秒。对FID信号进行傅里叶变换，以获得谱图数据集。气相的化学位移值对应于最右侧信号，即零 PPM 处。记录下浓溶液信号的频率，该信号位于最左侧，单位为赫兹（Hz）和 PPM。同时记录该信号在 δ 溶液处与包埋氙在 δ 笼处信号之间的偏移量。此处展示的动画解释了 Sess 效应。K Khan 笼作为分子宿主可捕获氙原子，氙原子在结合事件发生后会改变其共振频率。图中以从蓝色到绿色的转变表示，首次核磁共振（NMR）采集确定未结合氙的量，作为参考信号。接下来，施加一个选择性饱和脉冲，仅影响笼状分子，破坏其磁化。由于氙的结合是一个可逆过程，长时间的脉冲会消除大量原子的磁化，第二次核磁共振检测将显示出游离氙信号相较于参考信号显著降低。按照书面实验方案制备核磁共振样品后，选择单次激发回波平面成像序列以实现快速成像。该序列可能需要进行修改，以包含来自光谱仪的延迟和触发脉冲，用于控制开启和关闭。质量流量控制器可实现约15至20秒的鼓泡，流速为每分钟0.1标准升，随后等待5至8秒，待气泡完全消失，再进行MRI和包覆操作。将X通道的检测核设置为氙-129，并将发射观察频率设置为针对溶液信号所确定的数值。使用射频脉冲计算器工具，将光谱测量中使用的脉冲参数转换为成像序列中的激发参数。打开CST准备模块（一种用于信号准备的改进型磁化转移模块），并启用连续波预饱和（pre-SAT）脉冲。在横断面方向上进行两次扫描，其中该饱和脉冲的载频分别设置为 Δcage = Δsolution - Δω 和 Δcontrol = Δsolution + Δω。使用图像后期处理工具，通过将δ笼饱和状态下的图像减去δ对照状态下的图像，生成超CET差值图像。结果应仅突出显示存在氙宿主的区域。通过打开和关闭细胞周围的磁场，可以监测光抽运过程的质量。根据激光功率和细胞温度的不同，关闭磁场时几乎观察到完全吸收，而打开磁场时大约有30%的透射。适用于在9.4特斯拉下运行的核磁共振系统。与热极化氙相比，超极化氙的信号增强应约为16,000倍，对应约15%的自旋极化度。含有213微摩尔分子宿主的A-D-M-S-O溶液的XENON 1 29核磁共振谱应显示出笼状氙的信号，其信噪比在16次采集下约为10。超极化氙MRI数据集在非共振控制图像中显示完全信号强度，而在含有氙宿主分子的区域则显示信号减弱。在共振饱和图像中，差值图像仅显示对饱和脉冲有响应的区域。在进行该实验操作时，重要的是要确保泵浦池获得适当的激光照射。该技术可为核磁共振成像领域的研究人员探索生物化学分析物和测试溶液、细胞培养物，甚至活体动物的高灵敏度检测提供新的途径。观看本视频后，您应能够充分掌握如何为核磁共振实验制备超极化氙气。请务必注意，操作铷时可能极具危险性，因此在整个实验过程中应始终采取预防措施，例如防止不受控的氧化反应。

hyperpolarized-xenon-for-nmr-and-mri-applications

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

超极化氙NMR和MRI的应用

多室动态模体用于模拟使用超极化磁共振试剂进行代谢研究时感兴趣的某些生物学特性。...

使用多室动态单酶仿体研究超极化磁共振造影剂

本文介绍了一种获取高质量超极化氙-129磁共振图像的实验方案，涵盖硬件、软件、数据采集、序列选择、数据管理、k空间利用以及噪声分析。...

超极化氙磁共振成像中的故障排除与质量保证：高质量图像采集的工具

超极化129Xe磁共振成像（MRI）是一种用于研究肺部功能区域性特征的方法。本文介绍了一种针对肺通气的超极化129Xe...

获取超极化129Xe肺通气磁共振图像

该论文介绍了一种利用超极化氙-129化学交换饱和恢复（CSSR）技术追踪肺部气体交换、评估表观肺泡隔壁厚度以及测量表面体积比的详细实验方案。该方法有望用于肺部疾病的诊断与监测。...

通过超极化氙光谱法获得的肺结构与功能的定量测量

锂离子电池采用易燃且易挥发的有机电解质，适用于常温环境下的应用。相较于有机电解质，更安全的替代方案是固态聚合物电池。固态聚合物电池可在高温（&gt;120...

用于锂离子电池应用的固态接枝共聚物电解质

白光显微干涉测量法是一种光学、非接触式且快速的表面形貌测量方法。本文展示了该方法在机械磨损分析中的应用，可用于分析摩擦学测试样品上的磨损痕迹；同时在材料科学中用于测定离子束溅射或激光烧蚀的体积和深度。...

通过白光干涉术表征表面改性：在离子溅射、激光烧蚀和摩擦学实验中的应用

由于钯、金和钴的重要性及其广泛使用...

利用具有纳米级车轮状孔结构的新型传感器/吸附剂从城市矿山中检测和回收钯、金及钴金属

本文介绍了一种基于高速相机和四视角分光器的三维粒子跟踪测速系统（3D-PTV）。该技术应用于雷诺数 Re ≈ 7,000...

用于湍流研究的三维粒子跟踪测速技术：以射流流动为例

本文介绍了一种用于胶体合成银纳米立方体及制备具有亚10...

用于等离激元学与纳米光子学应用的纳米贴片天线胶体合成

本文介绍了由聚合物合成微球的方案、微球的操作方法以及微光致发光测量技术。...

用于光学谐振器与激光应用的聚合物微球制备

学习利用自旋交换光泵技术制备超极化氙气，用于高灵敏度核磁共振波谱和磁共振成像检测。该方法可实现氙-129核自旋极化显著增强，为生物医学成像和分子特异性检测提供新型造影剂解决方案。

用于核磁共振与磁共振成像的超极化氙

探索更多视频