Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, hyperpolarisiertes Xenon herzustellen und empfindlichkeitsgesteigerte NMR- und MRT-Messungen durchzuführen. Dies wird mithilfe eines Verfahrens namens optisches Pumpen durch Spinaustausch mit Rubidiumdampf erreicht, das eine hohe nukleare Spinpolarisation von Xenon ermöglicht. In einem zweiten Schritt werden die gewonnenen NMR-Signale mit denen einer thermisch polarisierten Xenonprobe verglichen, wodurch eine Quantifizierung der erreichten Polarisation ermöglicht wird.

Im Anschluss werden NMR-Spektroskopie- und Bildgebungsversuche durchgeführt, um eine hohe Empfindlichkeit und molekulare Spezifität zu demonstrieren. Es werden Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass Xenon als NMR-Kontrastmittel sowohl im Gaszustand als auch gelöst im Lösungszustand auf der Grundlage neuartiger Nachweisverfahren wie hyper zest eingesetzt werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der Protonen-MR-Bildgebung besteht darin, dass Xon bei wesentlich niedrigeren Konzentrationen nachgewiesen werden kann und eine hohe Spezifität für seine molekulare Umgebung aufweist, wobei die Möglichkeit besteht, funktionalisierte Kontrastmittel zu entwickeln, die an ein spezifisches Zielmolekül binden.

Die Implikationen dieser Technik reichen bis zur Diagnose verschiedener Krankheiten. Diese Technik kann daher Einblicke in die Gasphasen-R-Bildgebung liefern. Sie kann außerdem auf Experimente im Lösungszustand zur Detektion bestimmter Analyten angewandt werden.

Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Technik sind, Schwierigkeiten, da detaillierte Dokumentationen vieler Vorbereitungsschritte nicht verfügbar sind. Die Verhinderung der Oxidation des Rubidiums während des Beladeprozesses und während des Betriebs der Hyperpolarisation ist entscheidend, um das Rubidium unter einer Inertatmosphäre zu halten. Der Beladeprozess wird in einer Handschuhbox durchgeführt, und die Gas-Monofalte für die Hyperpolarisation wird unter einer schützenden Argonatmosphäre aufbewahrt.

Zur Durchführung dieses Protokolls bereiten Sie zunächst eine optische Pumpzelle in einer Handschuhbox gemäß der schriftlichen Anleitung vor. Überprüfen Sie während des Abspielens dieses Videos die Handschuhbox auf unerwünschten Sauerstoff, indem Sie eine Glühbirne mit offenem Glühdraht einschalten; es sollte sicher sein, das Rubidium zu handhaben, wenn kein Rauch vom glühenden Draht beobachtet wird. Öffnen Sie eine Rubidiumampulle und schmelzen Sie das Alkalimetall mit einer Heißluftpistole.

Saugen Sie etwas flüssiges Rubidium mit einem Pipettenkopf auf und injizieren Sie es in die Pumpzelle, bevor Sie die Zelle aus der Handschuhbox entfernen. Befestigen Sie gemäß der Anweisung im Text die Heizvorrichtung an der Unterseite der Zelle und prüfen Sie, ob die Heizvorrichtung mit ihrem Thermoelement guten thermischen Kontakt zur Zelle hat. Verbinden Sie die Zelle unter Verwendung eines sichtbaren Licht-Zielpunktes mit dem Polarisator-Verteiler, wobei sichergestellt werden muss, dass sie mit der Laserstrahlachse ausgerichtet ist, die die Zelle während des Pumpvorgangs beleuchtet.

Schließlich befestigen Sie ein Thermoelement an der Oberseite der Zelle. Evakuieren Sie die Schlauchanschlüsse bis zu den Einlass- und Auslassventilen der Pumpzelle. Nachdem ein Druck von weniger als 30 × 10⁻³ mbar erreicht wurde.

Spülen Sie die Leitungen, indem Sie Argon wiederholt evakuieren und dreimal mit dem Argon-Behälter spülen, der mit dem Eingang der Pumpe verbunden ist. Öffnen Sie langsam das Einlass- und Auslassventil der Zelle. Öffnen Sie vorsichtig das Auslassventil des Polarisierelements geringfügig, um einen Argon-Strom von etwa einem Normalliter pro Minute durch die Verteilerleitung zu erzeugen, und halten Sie diesen Durchfluss zwei Minuten lang aufrecht.

Nachdem das Absperrventil des Polarimeters und die Zuleitung zum Argonne-Behälter geschlossen wurden, schalten Sie die Heizung der Pumpeinheit ein, um den Rubidiumtropfen zu verdampfen. Öffnen Sie anschließend die Verbindung für die Xenon-Gasgemischzufuhr zum Polarimeteraufbau. Der Druckregler des Behälters sollte auf etwa 3,5 bar Überdruck eingestellt sein.

Schalten Sie den Laser ein und stellen Sie dann durch Anpassen der Solltemperatur des Diodenkühlmittels seine emittierende Wellenlänge auf etwa 794,8 Nanometer ein. Überwachen Sie das Laserspektrum mithilfe eines optischen Spektrometers. Schalten Sie das Magnetfeld um die Pumpzelle ein, während Sie das Laserspektrum überwachen; die Transmission sollte sofort ansteigen, da das Feld eine selektive optische Pumpung verursacht. Warten Sie, bis sich alle Temperaturen stabilisiert haben.

Der Polarisator ist nun betriebsbereit. Diese Animation fasst den gesamten Aufbau für die spinabhängige optische Pumpung zusammen. Der Laserstrahl wird zunächst durch einen primären Strahlexpander verbreitert und durchläuft einen polarisierenden Strahlteilerwürfel (PBC). Die Drehung dieses Würfels verändert die relativen Intensitäten des ordentlichen und außerordentlichen Strahls für die Position mit maximaler Transmission.

Die schnelle Achse des PBC ist mit der dominanten Polarisationsachse des einfallenden Lichts ausgerichtet. Die lineare Polarisation des durchgelassenen Lichts kann mit einem zweiten PVC als Analysator überprüft werden. Durch Einfügen einer Viertelwellenplatte wird die lineare in zirkulare Polarisation umgewandelt.

Wenn seine schnelle Achse um 45 Grad gegenüber der schnellen Achse des ersten PBC gedreht ist, sollte die Intensität des durchgelassenen Lichts nun unabhängig von der Drehung des zweiten Würfels sein. Das Entfernen der analysierenden Komponenten und deren Ersetzen durch einen sekundären Strahlexpander ergibt den richtigen Strahldurchmesser, um die Pumpzelle zu beleuchten.

Ein Rubidiumtropfen, der in dieser Zelle sitzt, wird teilweise verdampft. Sobald eine externe Heizung eingeschaltet wird, verteilt das Xenon-Gasgemisch, das in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl durch den Versuchsaufbau strömt, diesen Dampf gleichmäßig in der gesamten Zelle, und zwar ohne ein Magnetfeld. Dies führt zu einer allgemeinen D1-Anregung der Rubidiumatome und einer starken Absorption des Laserlichts.

Das Einschalten des Magnetfelds ermöglicht das selektive Anregen nur eines Übergangs zwischen den nun definierten magnetischen Unterzuständen. Um eine NMR-Messung vorzubereiten, bringen Sie ein Reagenzglas mit Wasser in den NMR-Probenkopf ein. Führen Sie die Abstimmung und Anpassung des Hochfrequenz- (RF-)Kreises für den Protonen- und den Xenon-Kanal anhand des Wassersignals durch.

Ersetzen Sie mit der automatisierten Shim-Routine der MRI-Benutzeroberfläche die Wasserprobe durch das Gasdurchfluss-Phantom. Verbinden Sie das Auslassrohr des Polarisiereinheiten mit dem Eingang des Testphantoms mit seinen fünf Kapillaren, um das Xenon einzuspeisen, und das Gasableitrohr mit der Verbindung zum Massendurchflussregler. Stellen Sie sicher, dass die Gasdurchflussregler auf geschlossen eingestellt sind, und öffnen Sie langsam das Auslassventil des Polarisiereinheiten, um das Phantom zu pressurisieren.

Stellen Sie die Durchflussrate auf etwa 0,5 Standard-Liter pro Minute ein. Um einen kontinuierlichen Durchfluss durch das Phantom zu starten, um die erforderliche Anregungspulsdauer zu bestimmen, nehmen Sie eine Serie von Freien Induktionsabkling-Signalen oder FID-Signalen mit dem NMR-Spektrometer auf. Verwenden Sie einen Hartimpuls mit etwa 50 % der maximalen Nennleistung der Sonde und verschiedenen Anregungsdauern; in diesem Fall wird ein Hartimpuls mit einer Dämpfung von 10 Dezibel verwendet.

Geben Sie die Experimentparameter gemäß dem schriftlichen Protokoll, das diesem Video beiliegt, ein. Nachdem Sie den Durchfluss auf 0,1 Standardführer pro Minute verringert und die Wiederholungszeit auf 15 Sekunden erhöht haben, während Sie die übrigen Parameter unverändert lassen. Erfassen Sie einen Datensatz mit 16 FID-Scans, während das hyperpolarisierte Xenon durch die Probe strömt.

Führen Sie die Fourier-Transformation durch und messen Sie das Peak-Integral im Spektrum. Notieren Sie die Resonanzfrequenz des Gaspeaks in Hertz. Evakuieren Sie als Nächstes ein dickwandiges NMR-Röhrchen, das mit einem Ventil für niedrigen Druck ausgestattet ist, und füllen Sie es mit etwa zwei bar Überdruck reinem Xenon.

Evakuieren Sie das Gasverteilersystem, das die NMR-Röhre hält, und füllen Sie etwa 0,2 bar reinen Sauerstoff als Überdruck über dem Xenon in die NMR-Röhre ein. Ersetzen Sie den zuvor verwendeten Gasdurchfluss-Phantom in dem NMR-Magneten durch diese Niederdruck-NMR-Röhre und wiederholen Sie die gleiche Messung, die mit dem Gasdurchfluss-Phantom durchgeführt wurde. Dies liefert die Referenz-NMR-Signalintensität für thermisch polarisiertes Xenon mit hoher Konzentration.

Um die Xenon-Lösungs- und Spektroskopie durchzuführen, bereiten Sie zunächst eine 50 bis 200 Mikromolare Probe von Khan gemäß dem schriftlichen Protokoll vor. Nehmen Sie etwa 1,5 Milliliter dieser Lösung und füllen Sie sie in den Gasdurchfluss-Phantom, wobei sichergestellt werden muss, dass die fünf Fusionskieselsäure-Kapillaren eine ausreichende Durchbläsung der Lösung mit der Xenon-Gas-Mischung ermöglichen. Nach der Vorbereitung des Phantoms in der NMR-Sonde führen Sie eine FID-Akquisition mit geeigneter Verzögerung durch.

Auslösepulse vom Spektrometer, um die Massendurchflussregler zu öffnen und zu schließen. Führen Sie 16 oder 32 Wiederholungen mit einer spektralen Breite von 40 Kilohertz durch, zentriert bei etwa 11 Kilohertz im Bereich niedrigerer Felder gegenüber der zuvor bestimmten Gasresonanzfrequenz; die FID-Auslesezeit sollte zwischen 500 und 1000 Millisekunden liegen. Führen Sie eine Fourier-Transformation des FID durch, um den Spektralsatz zu erhalten.

Der chemische Verschiebungswert für die Gasphase, der das am weitesten rechts von null ppm liegende Signal ist. Notieren Sie die Frequenz des intensiven Lösungssignals, das das am weitesten links liegende Signal ist, in Hertz und ppm. Notieren Sie außerdem die Differenz zwischen diesem Signal bei Delta Lösung und dem Signal des eingeschlossenen Xenons bei Delta Cage.

Die hier gezeigte Animation erklärt den sess-Effekt. K-Khan-Käfige fungieren als molekulare Wirtssysteme, um Xenonatome einzufangen, wodurch sich ihre Resonanzfrequenz bei dieser Bindungsreaktion verändert. Dargestellt als Übergang von blau zu grün, bestimmt eine erste NMR-Aufnahme die Menge an ungebundenem Xenon als Referenzsignal.

Danach wird ein selektiver Sättigungsimpuls, der nur die caged beeinflusst, eingesetzt, um deren Magnetisierung zu zerstören. Da die Xenonbindung ein reversibler Prozess ist, hebt ein langer Impuls die Magnetisierung vieler Atome auf, und eine zweite NMR-Aufnahme zeigt eine signifikante Signalabnahme des freien Xenons im Vergleich zum Referenzsignal. Nach der Vorbereitung der NMR-Probe wie im schriftlichen Protokoll beschrieben, wählen Sie eine Einzelschuss-Echo-Planare-Imaging-Sequenz für die schnelle Bildgebung aus.

Diese Sequenz muss möglicherweise angepasst werden, um Verzögerungen und Auslöseimpulse des Spektrometers zum Öffnen und Schließen einzubeziehen. Die Massendurchflussregler ermöglichen etwa 15 bis 20 Sekunden Blasenbildung mit 0,1 normalem Liter pro Minute und anschließend eine Wartezeit von fünf bis acht Sekunden, bis die Blasen verschwunden sind, gefolgt von MRT und Beschichtung. Stellen Sie den Detektionskern auf Xenon 1 29 am X-Kanal ein und die Sender-Beobachterfrequenz auf den für das Lösungssignal bestimmten Wert.

Verwenden Sie das HF-Impulsrechner-Tool, um die bei den Spektroskopiemessungen verwendeten Impulsparameter in die Anregung innerhalb der Bildgebungssequenz umzuwandeln. Öffnen Sie das CST-Vorbereitungsmodul, ein modifiziertes Magnetisierungsübertragungsmodul zur Signalvorbereitung, und aktivieren Sie einen kontinuierlichen Vorsättigungspuls (Pre-SAT). Führen Sie zwei Scans in transversaler Ausrichtung durch, wobei die Trägerfrequenz dieses Sättigungspulses einmal auf Delta Cage = Delta Lösung minus Delta Omega und einmal auf Delta Kontrolle = Delta Lösung plus Delta Omega eingestellt wird.

Mithilfe eines Bildnachbearbeitungstools. Erzeugen Sie das Hyper-CET-Differenzbild, indem Sie das Bild mit Sättigung am Delta-Cage vom Bild mit Sättigung am Delta-Control subtrahieren. Das Ergebnis sollte nur Bereiche hervorheben, in denen der Xenon-Wirt vorhanden war.

Die Qualität des optischen Pumpvorgangs kann überwacht werden, indem das Magnetfeld um die Zelle ein- und ausgeschaltet wird. Abhängig von der Laserleistung und der Zelltemperatur wird nahezu vollständige Absorption beobachtet, wenn das Magnetfeld ausgeschaltet ist, und etwa 30 % Transmission, wenn das Feld eingeschaltet ist. Für ein NMR-System, das bei 9,4 Tesla arbeitet.

Die Signalverstärkung sollte bei Vergleich von thermisch polarisiertem Xenon mit hyperpolarisiertem Xenon etwa 16.000-fach betragen, was einer Spinpolarisation von etwa 15 % entspricht. Das XENON-129-NMR-Spektrum einer A-D-M-S-O-Lösung, die 213 Mikromolar eines molekularen Wirts enthält, sollte ein Signal von eingeschlossenem Xenon mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von ungefähr 10 bei 16 Akquisitionen aufweisen. Der Hyperzest-MRT-Datensatz zeigt volle Signalintensität für das frequenzversetzte Kontrollbild und Signalabnahme in Bereichen, die das Xenon-Wirtsmolekül enthalten. Im frequenzresonanten Sättigungsbild zeigt das Differenzbild ausschließlich die Bereiche an, die auf den Sättigungsimpuls reagiert haben.

Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, darauf zu achten, dass die Pumpzelle ordnungsgemäß mit Laserlicht beleuchtet wird. Diese Technik kann für Forscher auf dem Gebiet der NMR-Bildgebung den Weg ebnen, hochsensible Nachweise biochemischer Analyten und Testlösungen, Zellkulturen sowie potenziell lebender Tiere zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man hyperpolarisiertes Xon für NMR-Experimente herstellt.

Es darf nicht vergessen werden, dass die Arbeit mit Rubidium äußerst gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie der Schutz vor unkontrollierter Oxidation während des gesamten Verfahrens stets getroffen werden sollten.