Name: Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 20 s
Description: Lernen Sie die Herstellung hyperpolarisierten Xenons mittels Spin-Exchange-Optical-Pumping für hochsensitive NMR- und MRI-Anwendungen. Diese Methode ermöglicht die Detektion bei niedrigen Konzentrationen mit hoher Spezifität.

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Dieses Forschungsprojekt mit Mitteln aus dem European Research Council unter der Europäischen Gemeinschaft Siebten Rahmenprogramms (FP7/2007-2013) / ERC Finanzhilfevereinbarung n ° 242710 erhalten und wurde zusätzlich durch das Human Frontier Science Program und dem Emmy Noether-Programm der Deutschen unterstützt Forschungsgemeinschaft (SCHR 995/2-1).

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<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>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Kritischen Aspekte bei der Herstellung von hyperpolarisiertem Xenon Sauerstoff sind Verunreinigungen in der Gasverteiler einschließlich der Pumpzelle und eine ausreichende Beleuchtung der Zelle mit zirkular polarisiertem Licht. Der oben erwähnte Glühbirne Test ist ein einfacher Weg, um schädliche Sauerstoffkonzentrationen detektieren beim Übertragen Rubidium. Das Alkalimetall kann der glänzenden Oberfläche durch die Zeit, die Zelle in dem Polarisator installiert verlieren. . Einmal, jedoch kann eine ausreichende Verdamp...

Hyperpolarisierte Agenten gewinnen zunehmend an Aufmerksamkeit für NMR / MRI-Anwendungen, da sie die Empfindlichkeit Problem unter Umständen lösen können 2. Drei wichtige Ansätze werden derzeit verwendet (dynamische Kernpolarisation, DNP; para-Wasserstoff-induzierte Polarisation, PHIP und Spinaustausch optisches Pumpen, SEOP), dass alle einen künstlich erhöht Spinpopulation Differenz außerhalb eines NMR-Magneten vor der eigentlichen Spektroskopie oder Bildgebung Experiment vorzubereiten . Hier beschreiben wir die Funktions-und Wirkungsweise einer Einrichtung SEOP die für die Produktion von hyperpolarisiertem 129 Xe in Lösungszustand verwendet Experimenten optimiert wurde. Ein wesentlicher Bestandteil ist eine intensive Lichtquelle, Infrarot-Photonen bei 795 nm. Laser-Dioden-Arrays (LDA) sind bequem, die eine hohe Leistung&gt; 100 W zu vertretbaren Kosten bieten. In vielen Aufbauten wird die LDA in eine optische Faser emittiert, daß mehr oder weniger die Polarisation beibehält the Laserlicht. Um eine ausreichende SEOP Prozesses garantieren elliptische Polarisation muss in Zirkularpolarisation von hoher Reinheit umgewandelt werden. Hauptkomponenten der Polarisationsoptik sind in den 1 und 2 gezeigt und der Einrichtung des Systems ist schematisch in ergänzenden Film 1 erläutert. Das zirkulare Polarisieren von Licht wir zuerst den Faserende an einen primären Strahlaufweitungsoptik (zB ein Faserkollimator) zum Reduzieren Leistungsdichte. Das Licht geht dann durch einen polarisierenden Strahlteilerwürfel, Erzeugen linear polarisiertes Licht. Durch Drehen dieses Würfels können wir die bevorzugte Achse des verbleibenden Polarisation mit einem Leistungsmesser bestimmen. Maximale Übertragungsrate entspricht der Situation, wo der schnellen Achse des Würfels mit dem Hauptlichtbündel Polarisationsachse ausgerichtet ist. Cubes mit hohen Extinktionskoeffizienten (100.000: 1 oder besser) ergeben eine gute Trennung der Polarisationskomponenten. Dies kann getestet werdenVerwendung eines zweiten Strahlteilerwürfel als Analysator, der gedreht wird, während das erste für maximale Transmission des außerordentlichen Strahls ausgerichtet ist. Sobald die lineare Polarisation des durchgelassenen Lichts bestätigt wurde, wird ein λ / 4 Plättchen für 795 nm ausgelegt in den außerordentlichen Strahl zu konvertieren in Zirkularpolarisation linearen eingeführt. Zu diesem Zweck ist die schnelle Achse der Wellenplatte um 45 ° gedreht gegenüber dem Strahlteilerwürfel schnellen Achse. (Falls gewünscht, können kreisförmige Polarisation des reflektierten Strahls mit seinen gewöhnlichen linearen Polarisation senkrecht zu der außerordentlichen Strahls auf eine ähnliche Weise erreicht werden.) Die Qualität der Zirkularpolarisation kann mit einem zweiten Strahlteilerwürfel, die konstante Transmission bei Drehung nachgeben sollte getestet werden. Ein sekundärer Strahlaufweitungsoptik (zB zwei Linsen in einer Galilei-Fernrohr-Konfiguration), dann erhöht sich die Strahldurchmesser vollständig illuminate die Glaszelle für den Pumpvorgang in einem Ofen ein. Absorption des Laserlichts durch Rb-Dampf in der Zelle wird durch ein Stiftloch hinter der Pumpzelle am Ende des Kastens überwacht: einen Kollimator sammelt ein attenuiertes IR-Strahls, mit einem optischen Spektrometer analysiert werden (siehe Abbildung 3 für Pumpzelle Setup ). Ein Heizmechanismus außerhalb der Pumpzelle eine teilweise verdampft Rb Tröpfchens sitzt innerhalb der Zelle (4a) und somit bewirkt Laserlichtabsorption. Dichte des Dampfes kann über den Heizsollwert des jeweiligen PID-Regler eingestellt werden. Hohe Temperaturen (ca. 190 ° C) sind gut für kompakte Setups, wo die Xenon hat eine begrenzte Menge an Zeit für den Aufbau Polarisation. Das Gasgemisch, das Xe, N 2 und He durchströmt die Pumpzelle entgegengesetzt zur Richtung des Laserstrahls (Abbildung 3). Ein äußeres Magnetfeld mit dem Laserstrahl ausgerichtet ist sichergestellt, dass the IR-Photonen werden nur Pumpen ein Rb Übergang. Relaxation der Elektronen Zustände schnell und muss nicht strahlende zur Emission von IR-Photonen mit &#39;falschen&#39; Polarisierung zu vermeiden. Hier kommt die N 2 ins Spiel als Quenchgas. Schließlich baut der Rb System eine Überbevölkerung eines der Grundzustaenden während die andere kontinuierlich durch den Laser (Abbildung 5) abgereichert. Xenon immer in engem Kontakt mit den Atomen Rb erfährt Spin-Spin-Wechselwirkungen und die Elektronenspinpolarisation wird auf Xe Kerne in Flip-Flop-Prozesse übertragen. Das hyperpolarisierte Gas fließt aus der Pumpzelle enthält Spuren von Rb-Dampf, daß Kondensat an der Schlauchwand in wenigen cm der Auslaß aufgrund der niedrigen Temperatur (ähnlich Figur 4b). In-vivo-Anwendungen sind jedoch zusätzliche Elimination erfordern würde der Alkali-(zB durch eine Kühlfalle), während in vitro experiments können sicher mit dem Gas durchgeführt werden, wie es die Hyperpolarisator verlässt. Teflonschlauch verbindet den Polarisator Auslass mit dem Einlass eines Glasapparatur NMR Experimente an Testlösungen durchzuführen. Massendurchflussregler verwendet, um die Menge von Xe einströmende NMR Einstellung anpassen. Sie werden durch Befehle in der NMR-Pulssequenz ausgelöst. Nach Überprüfung der erzielte Polarisations-Enhancement kann das Gas als NMR / MRI Kontrastmittels in Lösungszustand Experimente verwendet werden. Xe hat eine gewisse Löslichkeit in Wasser (4,5 mM / atm) und anderen Lösungsmitteln. Es kann somit bereits in eigener dienen als Kontrastmittel, um die Verteilung von einigen Flüssigkeiten anzuzeigen. Es ist jedoch auch möglich, die NMR-aktiven Kernen, bestimmte Moleküle zu koppeln, um molekular-spezifische Informationen durch die sonst Inertgas erwerben. Durch die Bereitstellung einer molekularen Wirt für den gelösten Xe, ist es möglich, molekularen Spezifität zur Xe-NMR-Signal zu übertragen. Dies bietet die Möglichkeit,Design funktionalisierten Kontrastmitteln - auch als Biosensoren - wenn eine solche Wirtstruktur an ein Targeting-Einheit, die auf bestimmte Analyten von biomedizinischem Interesse (Abbildung 6) bindet, gekoppelt ist. Weitere Empfindlichkeitsanhebung ist erforderlich, wenn der Biosensor in Konzentrationen, die niedriger sind für MR-Kontrastmitteln (&lt;100 uM) erkannt werden sollte. Dies kann durch chemische Austausch Sättigungstransfer (CEST) erreicht werden. Dieses Verfahren erfasst die Biosensor indirekt durch Zerstören der Magnetisierung des caged Xe und Beobachten der Signaländerung von freien Xe in Lösung. Da das hyperpolarisierte Kerne werden kontinuierlich nach einigen 10 ms, viele 100-1000 Kerne Übertragung der Information auf dem erfassten Pools ersetzt und das Signal verstärken ca. 10 3-fach (siehe Film 2).

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> Rb Ingot </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 276.332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 79.610-500G </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> 00.472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 00.476-1EA </td><td></td></tr><tr><td> Laser-System </td><td> QPC Laser / Laser Operationen </td><td> BrightLock 50 </td><td></td></tr><tr><td> Vakuum-System </td><td> Pfeiffer </td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td> Thermoelemente </td><td> NewportOmega </td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td> Silicon Heizung </td><td> Newport Omega </td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td> Druckmessumformer </td><td> Newport Omega </td><td> PR 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td> Prozess-Anzeige </td><td> Newport Omega </td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td> Mass Flow Controller </td><td> Newport Omega </td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> PID-Regler </td><td> Newport Omega </td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td> Control Software </td><td> Newport Omega </td><td> DasyLab </td><td></td></tr><tr><td> Datenerfassung </td><td> Newport Omega </td><td> DAQBOARD 3000 </td><td></td></tr><tr><td> Vakuumsensor </td><td> Oerlikon </td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td> Vakuum-Controller </td><td> Vacom </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td> Kollimator </td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td> Polarisierenden Strahlteilerwürfel </td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ / 4 Plättchen </td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td> Strahlaufweitung Objektive </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Optisches Spektrometer </td><td> Ocean Optics </td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td> Lichtleitfaser </td><td> Ocean Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Niederdruck-NMR-Röhrchen </td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> 5mm NMR-Röhrchen </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td> Helmholtz-Spulen </td><td> Phywe </td><td> 06960-00 </td><td></td></tr><tr><td> Fused silica Kapillaren </td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

hyperpolarisiertem xenon für nmr-und mri-anwendungen

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie und-Imaging (MRI) leiden unter inneren geringe Empfindlichkeit weil selbst starke externe Magnetfelder von ~ 10 T nur einen kleinen nachweisbar net-Magnetisierung der Probe bei Raumtemperatur 1 zu erzeugen. Folglich basieren die meisten NMR und MRI-Anwendungen auf dem Nachweis von Molekülen an relativ hohen Konzentration (zB Wasser zur Bildgebung biologischer Gewebe) oder erfordern übermäßige Erfassungszeiten. Dies schränkt unsere Fähigkeit, die sehr nützlich molekularen Spezifität von NMR-Signalen für viele biochemische und medizinische Anwendungen zu nutzen. Jedoch neuartige Ansätze sind in den letzten Jahren herauskristallisiert: Manipulation der erfassten Spinspezies vor der Detektion im NMR / MRI-Magneten drastisch erhöhen kann die Magnetisierung und damit ermöglicht den Nachweis von Molekülen bei viel niedrigeren Konzentration 2. Hier präsentieren wir eine Methode zur Polarisation von einer Xenon-Gas-Gemisch (2-5% Xe, 10%N 2, He-Balance) in einem kompakten Aufbau mit einem ca. 16000-fache Signalverstärkung. Modernen Line-Diodenlasern verengte ermöglichen effiziente Polarisation 7 und sofortigen Nutzung Gasgemisch auch wenn das Edelgas nicht von den anderen Komponenten getrennt sind. Die Vorrichtung SEOP erklärt und Bestimmung der Spinpolarisation erreicht wird zur Leistungsregelung des Verfahrens demonstriert. Die hyperpolarisiertem Gas können Leerraum Bildgebung verwendet werden, einschließlich Gasstrom Bildgebung oder Diffusion Studien an den Schnittstellen mit anderen Materialien 8,9. Darüber hinaus ist das NMR-Signal Xe extrem empfindlich auf seiner molekularen Umgebung 6. Dies ermöglicht die Möglichkeit, es als NMR / MRI-Kontrastmittel verwenden, wenn in wässriger Lösung mit funktionalisierten molekularen Gastgeber, die vorübergehend fangen das Gas 10,11 aufgelöst. Direkte Erfassung und hohe Empfindlichkeit indirekten Nachweis solcher Konstrukte wird sowohl spektroskopische und Imaging-Modus gezeigt. &lt;/ P&gt;

Die Produktion von hyperpolarisiertem Xenon mittels Spin-Austausch optisches Pumpen (SEOP) beschrieben. Dieses Verfahren ergibt ein ~ 10.000-fache Verstärkung der Kernspinpolarisation von Xe-129 und hat Anwendungen in Kernresonanzspektroskopie und Bildgebung. Beispiele von Gasphase und Lösungszustand Experimenten angegeben.

Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen

Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) und die Kernspintomographie (MRT) leiden unter einer intrinsisch geringen Empfindlichkeit, da selbst starke externe Magnetfelder von ~10 ...

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, funktionalisie

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