Messung der Spin-Lattice Relaxation Magnetfeldabhängigkeit von hyperpolarisiertem [1-¹³C]pyruvat

Wir wollen den Verlust der Polarisation einer hyperpolarisierten Lösung während des Transports von der hyperpolarisierenden Ausrüstung zum MRT-Scanner abschätzen, während sie durch verschiedene Magnetfelder durchläuft. Unsere Technik schätzt die Spin-Gitter-Entspannungszeit von hyperpolarisierten Lösungen bei niedrigen Magnetfeldern mit hoher Genauigkeit. Diese Methode ist nicht auf die dynamische kernatische Polarisation beschränkt und kann verwendet werden, um die Spin-Gitter-Entspannungszeit anderer Polarisationsmethoden, einschließlich parahydrogeninduzierter Polarisation, abzuschätzen.

Achten Sie bei der Ausführung dieser Technik darauf, dass sich die hyperpolarisierte Probe nicht über einen beliebigen Zeitraum in der Nullfeldregion kreuzt oder dort bleibt, da Sie sonst die Polarisation vollständig verlieren können. Bereiten Sie einen Milliliter Von Kohlenstoff-13 angereicherte Pyruvicsäure-Lösung, weit verbreitet für die In-vivo-Forschung verwendet, bestehend aus 15 Millimole pro Liter Triarylmethylradikal in 1-13C Pyruvicsäure gelöst. Klicken Sie auf der dynamischen Kernpolarisator-Software-Schnittstelle auf die Cooldown-Taste, um die Temperatur des variablen Temperatureinsatzes auf 1,4 Kelvin zu senken.

Sobald der DNP die gewünschte Temperatur erreicht hat, 10 Mikroliter der Stammlösung in einen Probenbecher laden. Öffnen Sie die Türöffnungen, und stecken Sie den Becher mit einem speziell für diese Aufgabe entwickelten Einsteckstab in den VTI ein. Extrahieren Sie schnell den Zauberstab, und stellen Sie sicher, dass die Tasse freigegeben wird.

Schließen Sie dann die Türder, und lassen Sie die Temperatur des VTI auf 1,4 Kelvin zurückkehren. In der Zwischenzeit bereiten Sie den DNP auf einen Mikrowellen-Sweep vor, um die optimale Hochfrequenz für die Hyperpolarisation der Stammlösung zu finden. Am Ende des Mikrowellen-Sweeps, erholen Sie die Probe.

Stellen Sie dann das System im Leerlauf ein, und notieren Sie die optimale Frequenz, in der die maximale Polarisation erreicht wird. Diese optimale Frequenz wird definiert als die Polarisationsfrequenz, die die maximale Polarisation liefert. Diese Frequenz wird zur Hyperpolarisierung aller Aliquots verwendet, die aus dieser spezifischen Stammlösung von Pyruvicsäure gewonnen werden.

Bereiten Sie 250 Milliliter Stammauflösungsmedium, wie im Textprotokoll beschrieben, und fügen Sie EDTA mit einer Konzentration von 100 Milligramm pro Liter hinzu, um jede Metallionenkontamination zu beseitigen. Bereiten Sie auch 500 Milliliter Der Stoffreinigungslösung vor, die aus 100 Milligramm pro Liter EDTA besteht, die in entionisiertem Wasser gelöst sind. Etwa 10 Milliliter dieser Reinigungslösung werden nach jeder Polarisation verwendet, um den Auflösungsweg des DNP zu reinigen.

Kühlen Sie das DNP-Gerät auf 1,4 Kelvin, um eine 1-13C Pyruvicsäureprobe hyperpolarisieren zu lassen, indem Sie die Cooldown-Taste im DNP-Hauptfenster auswählen. 30 Milligramm der vorbereiteten Pyruvicsäure-Stammlösung in einem Probenbecher abwägen. Wenn die gewünschte VTI-Temperatur erreicht ist, klicken Sie auf Sample einfügen, wählen Sie Normale Probe aus, und klicken Sie dann auf Weiter.

Setzen Sie den Becher gemäß den auf dem Bildschirm angezeigten Sicherheitsvorkehrungen mit einem für diese Aufgabe speziell entwickelten langen Zauberstab in das kalte DNP-Gerät ein. Sobald die Tasse eingelegt ist, entfernen Sie den Zauberstab und schließen Sie die DNP-Türen. Klicken Sie auf der DNP-Softwareschnittstelle auf Weiter und dann auf Fertig stellen.

Warten Sie, bis die Temperatur auf 1,4 Kelvin zurückgekehrt ist, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche "Probe polarisieren". Legen Sie im neuen Popup-Fenster den Frequenzwert auf den Vom Mikrowellen-Sweep erhaltenen Wert fest. Stellen Sie im selben Fenster die Leistung auf 50 Milliwatt und die Abtastzeit auf 300 Sekunden ein.

Klicken Sie auf Weiter, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Buildup-Überwachung aktivieren, und klicken Sie dann auf Fertig stellen. Polarisieren, bis der Aufbau der Festkörpermagnetisierung mindestens 95% des Maximums erreicht. Wenn die gewünschte Polarisation erreicht ist, klicken Sie auf Auflösung ausführen.

Wählen Sie unter Methode Pyruvic Säuretest aus, und klicken Sie dann auf Weiter. Öffnen Sie gemäß den Anweisungen auf dem Bildschirm die DNP-Turmtüren. Beladen Sie die Heiz- und Druckkammer an der Oberseite des Geräts mit ca. 4,55 Millilitern des Auflösungsmediums.

Dies ergibt eine Konzentration von 80 Millimolen pro Liter Pyruvat bei Auflösung bei einem pH-Wert von 7,75 und einer Temperatur von 37 Grad Celsius. Positionieren Sie den erholenden Zauberstab in der richtigen Position, und schließen Sie die Türtüren des Turms. Klicken Sie auf der DNP-Softwareschnittstelle auf Weiter und dann auf Fertig stellen.

An diesem Punkt werden die Auflösungsmedien aufgeheizt, bis der Druck 10 bar erreicht. Sobald der 10-bar-Druck erreicht ist, wird das gefrorene und hyperpolarisierte Pyruvat automatisch aus dem flüssigen Heliumbad gehoben, schnell vermischt und mit den überhitzten Auflösungsmedien aufgetaut. Die Mischung wird dann durch einen Kapillarschlauch in einen birnenförmigen Kolben ausgeworfen.

Während das hyperpolarisierte Pyruvat und die Auflösungsmedienmischung ausgestoßen werden, wirbeln Sie den Kolben ständig, um eine homogene Mischung zu gewährleisten. Wenn die gesamte Mischung ausgeworfen wurde, ziehen Sie schnell 1,1 Milliliter der Flüssigkeit in eine Spritze. Übertragen Sie die Mischung auf ein vorgewärmtes NMR-Rohr mit 10 Milliliter Durchmesser und transportieren Sie sie schnell zum Feldrad-Relaxometer.

Reinigen Sie den DNP-Flüssigkeitspfad sofort mit einem sauberen Auflösungsmedium, gefolgt von Ethanol. Entfernen Sie dann die Tasse und blasen Sie Heliumgas durch den Flüssigkeitsweg, um alle verbleibenden Reinigungsflüssigkeiten zu entfernen und den Sauerstoffweg zu reinigen. Reinigen Sie alle Glaswaren.

Zeichnen Sie nach jeder Messung den pH-Wert der Proben vom Tischspektrometer auf. Zeichnen Sie auch den pH-Wert der Proben auf dem Feld-Cycling Relaxometer auf. Vor der Auflösung muss der Relaxometer-Flip-Winkel berechnet und das Relaxometer eingerichtet und zur Messung der hyperpolarisierten Lösung bereit sein.

Um T-One-Messungen durchzuführen, stellen Sie sicher, dass die externe Shim-Spule installiert und mit Strom versorgt ist. Wählen Sie in der Instrumentensoftware die Registerkarte Hauptpar aus. Klicken Sie dann auf die Zelle neben der Versuchsbeschriftung, und scrollen Sie im Popup-Fenster nach unten, um die Pulssequenz HPUB/S auszuwählen.

Legen Sie nun die Erfassungsparameter fest. Hochfrequenzdämpfung auf 25 Dezibel, maximales T1 auf Werte zwischen drei und fünf Sekunden, Schaltzeit auf 0,2 Sekunden, Recyclingverzögerung auf null Sekunden und Entspannungsfeld auf das gewünschte Entspannungsfeld im Megahertz einstellen. Wählen Sie dann die Registerkarte Erfassungsparameter aus, gefolgt von der Unterregisterkarte Basic.

Klicken Sie auf die Zelle neben dem Nucleus-Label, und scrollen Sie im Popup-Fenster nach unten, um Carbon-13 auszuwählen. Legen Sie dann die Systemfrequenz auf acht Megahertz, die Sweep-Breite auf einen Megahertz, die Blockgröße auf 652 und die Filterbandbreite auf 50.000 Hertz fest. Wählen Sie als Nächstes die Unterregisterkarte Konfiguration aus.

Stellen Sie die 90-Grad-Pulsbreitenzeit auf den zuvor ermittelten Wert, die Hemmzeit des Empfängers auf 25 Mikrosekunden und die Erfassungsverzögerungszeit auf 25 Mikrosekunden ein. Wählen Sie die Pulsunterlage aus, und legen Sie den Haupt-HF-Puls-Flip-Winkel auf fünf Grad fest. Wählen Sie dann die Untertabelle Anzahl der Dimensionen aus, und legen Sie die Anzahl der Blöcke auf 100 fest.

Warten Sie und machen Sie sich bereit, um die hyperpolarisierte Lösung zu erhalten, um die Datenerfassung zu initiieren. Unmittelbar vor dem Einsetzen der Probe in das Relaxometer starten Sie die Pulssequenz manuell von der Konsole, um zu vermeiden, dass die Probe in ein Null-Magnetfeld eingefügt wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, den ersten freien Induktionszerfall (FID) während der Datenanalyse zu ignorieren.

Es ist wichtig, die Datenerfassung zu starten, bevor Sie die Probe in das Relaxometer einführen, um Null-Magnetfelder zu vermeiden, die einen Verlust in der Polarisation verursachen. Nachdem die Erfassung abgeschlossen ist, speichern Sie die Daten, indem Sie auf die Schaltfläche Speichern klicken. Integrieren Sie mithilfe der Analysesoftware die Größe jedes FID-Signals, um eine Datenreihe zu erstellen, die aus der Probenmagnetisierung als Funktion der Zeit besteht.

Ein Beispiel für einen hochauflösenden, vollbereichsförmigen Mikrowellen-Sweep für Pyruvicsäure wird gezeigt. Für den dargestellten Fall entspricht diese optimale Mikrowellenfrequenz 94.128 Gigahertz. Hier ist eine typische Serie von zerfallenden FIDs zu sehen, während die hyperpolarisierte Magnetisierung abgetastet wird.

Die Entspannungskurve für hyperpolarisiertes 1-13C Pyruvat wurde aus den Daten der vorherigen Abbildung ermittelt. Jeder blaue Punkt in der Kurve stellt den Bereich unter einer FID dar. Der T1-Wert von 53,9 plus oder minus 0,6 Sekunden wurde durch eine nichtlineare Kleinste anpassung der Signalgleichung an die Zerfallskurvendaten ermittelt, die die Effekte des für die Anregung verwendeten Drehwinkels enthielt.

Die T1-Ergebnisse für alle 26 Messungen über einen Bereich von 0,237 Millitesla bis 0,705 Tesla bei 37 Grad Celsius werden angezeigt. Jede T1-Messung an einem bestimmten Entspannungsfeld ist eine separate hyperpolarisierte Auflösung vom DNP-Gerät. Die durchgezogene Linie stellt die Formel dar, und die gestrichelten Linien stellen die 95 %-Vertrauensbänder dar.

Die Analyse der Ergebnisse zeigte, dass die Entspannungszeit für den C-1-Kern 46,9 Sekunden am Erdmagnetfeld beträgt, verglichen mit 65 Sekunden bei drei Tesla, was eine Abnahme von 28% darstellt. Es ist wichtig, die externe Shim-Spule zu installieren und zu beleben und die Erfassung direkt vor dem Einsetzen der Probe zu starten, um Null-Magnetfelder und den potenziellen Verlust der Polarisation zu vermeiden. Nach dieser Methode könnte das Probenverfahren mit deuterated Auflösungsmedien verwendet werden, um die Spin-Gitter-Entspannungszeiten der hyperpolarisierten Lösung zu verlängern.