Name: קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 20 s
Description: למד ייצור קסנון מקוטב-על באמצעות שאיבה אופטית להחלפת ספין עם אדים של רובידיום. שיטה זו מאפשרת מדידות NMR ו-MRI בעלות רגישות גבוהה וספציפיות מולקולרית ליישומים בדימות.

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

פרויקט מחקר זה קבל מימון ממועצת המחקר האירופית תחת התכנית של הקהילה האירופית השביעית מסגרת (FP7/2007-2013) / המענק ERC ההסכם n ° 242710 ובנוסף נתמך על ידי תכנית האדם Frontier מדע והתכנית של אמי נטר הגרמני קרן מחקר (SCHR 995/2-1).

<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>

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

היבטים קריטיים בהכנה של קסנון hyperpolarized הם זיהומי חמצן בסעפת הגז כולל תא השאיבה ותאורה מספקת בתא עם אור מקוטב מעגלי. מבחן הנורה שהוזכר לעיל הוא דרך פשוטה לזהות ריכוזי חמצן מזיקים בעת העברת רובידיום. מתכת אלקלי עלולה לאבד המשטח המבריק שלה על ידי זמן התא מותקן במקטב. עם זאת, אידוי מספק של Rb אינם מתחמצן-ניתן לנטר באמצעות שידור ליזר מופחת (כאשר מחמם תא טרי בפעם הראשונה, יכולה להיות שעלייה נוספת בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס בקירוב נדרשה כדי להתחיל את תהליך האידוי;. פעם קליטת ליזר...

סוכני hyperpolarized צוברים תשומת לב הולך וגובר ליישומי NMR / MRI מאחר שהם יכולים לפתור את בעית הרגישות בנסיבות מסוימות 2. שלוש גישות עיקריות משמשות כיום (קיטוב דינמי גרעיני, DNP; קיטוב פסק מימן מושרה, PHIP; וספין חילופים אופטי שאיבה, סאופ) שכל להכין הבדל אוכלוסיית ספין גדל באופן מלאכותי מחוץ מגנט NMR לפני ספקטרוסקופיה בפועל או ניסוי הדמיה . כאן אנו מתארים את התפקוד והתפעול של התקנת סאופ כי כבר מותאם לייצור של 129 Xe hyperpolarized משמש בניסויי מדינת פתרונות. מרכיב חיוני הוא מקור אור חזק פולט פוטונים באינפרא אדום 795 ננומטר. מערכי דיודת ליזר (LDA) הם מכשירים נוחים המספקים הספק גבוה&gt; 100 ואט ובעלות סבירה. במערכים רבים, LDA הוא פולט לתוך סיב אופטי שפחות או יותר שומר על הקיטוב של הדואר אור ליזר. כדי להבטיח תהליך סאופ מספיק קיטוב אליפטי זה חייב להיות מומר לקיטוב מעגלי של טוהר גבוה. מרכיבים עיקריים של אופטיקה הקיטוב מוצגים באיורי 1 ו 2 והקמת המערכה מוסברת אופן סכמטי בסרט משלים 1. מעגלי לקטב את האור שאנו מייחסים בהתחלה את קצה הסיב לאופטיקה הרחבת קורה עיקרית (למשל, collimator סיבים) להפחתת צפיפות הספק. אור ואז עובר דרך קוביית קיטוב קרן מפצל, יצירת אור מקוטב לינארית. על ידי סיבוב קובייה זו אנו יכולים לקבוע את הציר המועדף של הקיטוב שנותר עם מד כוח. שידור מרבי מתאים למצב שבו הציר המהיר של הקובייה מיושר עם ציר קיטוב האור העיקרי. קוביות עם מקדמי הכחדה גבוהים (100000: 1 או יותר) תנבנה הפרדה טובה של רכיבי קיטוב. זה יכול להיבדקבאמצעות קוביית מפצל קורה שנייה כמנתח שהוא הסתובב בזמן הראשון מיושר לשידור מרבי של הקרן המיוחדת הזה. ברגע הקיטוב לינארי של האור המועבר אושר, צלחת גל λ / 4 מיועדות ל795 ננומטר מוחדרת לקרן המיוחדת הזה להמיר יניארית לקיטוב מעגלי. לצורך כך, הציר המהיר של צלחת הגל הוא לסובב על ידי 45 מעלות יחסית לציר המהיר קוביית מפצל הקורה. (אם תרצה, קיטוב מעגלי של הקרן הרגילה משתקפת בניצבה יניארי קיטוב הציר לקרן המיוחדת הזה יכול להיות מושגת באופן דומה.) איכות הקיטוב המעגלי, ניתן לבדוק עם קוביית מפצל קורה שנייה שאמורים להניב שידור קבוע על המחזור. אופטיקה הרחבת קורה משנית (שתי עדשות למשל בתצורת הטלסקופ גלילית) ואז מגדילה את קוטר האלומה ללחלוטיןlluminate תא הזכוכית לתהליך השאיבה בתוך תיבת תנור. קליטה של אור הליזר על ידי Rb אדים בתא מנוטרת דרך חור סיכה מאחורי תא השאיבה בסוף התיבה: collimator אוסף קרן IR נחלש להיות מנותח בספקטרומטר אופטי (ראה איור 3 לשאיבת התקנת תא ). מנגנון חימום מחוץ לתא השאיבה חלקי מאדה טיפת Rb יושב בתוך התא (איור 4 א) ולכן גורם לספיגת אור ליזר. צפיפות האדים יכולה להיות מותאמת דרך נקודת סט החימום של בקר PID המתאים. טמפרטורות גבוהות (בערך 190 מעלות צלזיוס) הן טובות עבור setups הקומפקטי בי קסנון יש כמות מוגבלת של זמן כדי לבנות את הקיטוב. תערובת הגז המכילה Xe, N 2 והוא זורם דרך התא ההפוך לכיוון קרן ליזר השאיבה (איור 3). שדה מגנטי חיצוני מיושרים עם קרן הליזר מבטיח כי הדואר פוטוני IR רק שאיבת מעבר Rb אחד. ההרפיה של מדינות האלקטרונים היא מהירה וצריכה להיות ללא קרינה, כדי למנוע פליטה של ​​פוטוני IR עם קיטוב &quot;לא בסדר&quot;. כאן, N 2 נכנסו לשחק כגז להרוות. סופו של דבר, מערכת Rb בונה את התפוצצות אוכלוסין של אחד מsublevels מצב הקרקע ואילו השני מתרוקן ברציפות על ידי הליזר (איור 5). קסנון מקבל בקשר הדוק לאטומי RB חווה אינטראקציות ספין ספין וקיטוב ספין האלקטרון מועבר אל גרעיני Xe בתהליכי שנוי. גז hyperpolarized זורם אל מחוץ לתא השאיבה מכיל כמויות זעירות של Rb אדים מעובים שעל קיר הצינורות בתוך כמה סנטימטרים של המשקע בשל הטמפרטורה הנמוכה (דומה לאיור 4 ב). ביישומי vivo, לעומת זאת, היה דורשים חיסול נוסף של מתכת אלקלי (למשל באמצעות מלכודת קרה) ואילו במבחנה experimeNTS יכול להתבצע בבטחה עם הגז כפי שהוא עוזב hyperpolarizer. צינורות טפלון מתחברים לשקע מקטב עם כניסתו של מנגנון זכוכית לבצע ניסויי NMR בפתרוני בדיקה. בקרי זרימה המונית משמשים כדי להתאים את כמות Xe זורמת לתוך הגדרת NMR. הם מופעלים על ידי פקודות ברצף דופק NMR. לאחר שבדק את שיפור הקיטוב הושג, ניתן להשתמש בגז כחומר ניגוד NMR / MRI בניסויי מדינת פתרונות. Xe יש מסיסות מסוימת במים (4.5 מ&quot;מ / אטמוספרות) וממסים אחרים. לפיכך, כבר יכול לשמש בעצמו כסוכן בניגוד להצגת ההפצה של נוזלים מסוימים. עם זאת, אפשר גם לקשר את גרעיני NMR הפעילים למולקולות מסוימות על מנת להשיג מידע מולקולרי ספציפי באמצעות גז אינרטי אחרת. על ידי מתן מארח מולקולרי לXe המומס, אפשר להעניק סגולי מולקולרית לאות תמ&quot;ג Xe. זה מספק את ההזדמנותסוכני עיצוב פונקציונליים ניגוד - הנקרא גם חיישנים ביולוגיים - כאשר מבנה מארח כזה מצמיד את יחידת מיקוד שנקשרה לanalytes הספציפי של העניין ביו (איור 6). שיפור רגישות יתר נדרש כאשר צריך להיות מזוהה biosensor בריכוזים שאינם נמוכים לסוכנים בניגוד MR (&lt;100 מיקרומטר). זו יכולה להיות מושגת על ידי העברת רווית חילופים כימיים (CEST). שיטה זו מזהה biosensor בעקיפין על ידי השמדת המגנטיזציה של Xe כלוב והתבוננות בשינוי האות של Xe החופשי בתמיסה. מאז גרעיני hyperpolarized מוחלפים ברציפות לאחר כ 10 אלפיות רבת 100-1000 העברה, גרעיני מידע על הברכה זוהתה ולהגביר את אות CA. 10 פי 3 (ראה סרט 2).

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> שם המגיב </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגים </td><td> תגובות (אופציונלי) </td></tr><tr><td> מטיל Rb </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 276332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 79610-500G </td><td></td></tr><tr><td> אר </td><td> Praxair </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Xe </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 00472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 00476-1EA </td><td></td></tr><tr><td> ליזר מערכת </td><td> לייזרי QPC / תפעול ליזר </td><td> Brightlock 50 </td><td></td></tr><tr><td> מערכת ואקום </td><td> פייפר </td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td> צמדים תרמיים </td><td> ניופורטאומגה </td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td> דוד הסיליקון </td><td> ניופורט אומגה </td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td> מתמר לחץ </td><td> ניופורט אומגה </td><td> יחסי הציבור 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td> מטר תהליך </td><td> ניופורט אומגה </td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td> בקרי זרימה המונית </td><td> ניופורט אומגה </td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> רגולטורי PID </td><td> ניופורט אומגה </td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td> תוכנת בקרה </td><td> ניופורט אומגה </td><td> DasyLab </td><td></td></tr><tr><td> רכישת נתונים </td><td> ניופורט אומגה </td><td> Daqboard 3000 </td><td></td></tr><tr><td> חיישן ואקום </td><td> Oerlikon </td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td> בקר אבק </td><td> Vacom </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td> הקרן collimator </td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td> קיטוב קרן ספליטר קובייה </td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ צלחת / 4 גל </td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td> עדשות רחבות Beam </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> ספקטרומטר אופטי </td><td> אופטיקה האוקיינוס </td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td> סיבים אופטיים </td><td> אופטיקה האוקיינוס </td><td></td><td></td></tr><tr><td> צינור לחץ נמוך NMR </td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> צינור NMR 5mm </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td> סלילי הלמהולץ </td><td> Phywe </td><td> 06960-00 </td><td></td></tr><tr><td> sili התמזגca נימים </td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

קסנון hyperpolarized לnmr ו-mri יישומים

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ספקטרוסקופיה והדמיה (MRI) סובלים מרגישות נמוכה מהותית משום ששדות מגנטיים חיצוניים אפילו חזקים של ~ 10 T לייצר רק נטו המגנטיזציה גילוי קטנה של המדגם בטמפרטורת חדר 1. לפיכך, NMR ו-MRI שרוב היישומים לסמוך על זיהוי של מולקולות בריכוז גבוה יחסית (למשל, מים להדמיה של רקמות ביולוגיות) או לדרוש פעמי רכישה מוגזמות. זה מגביל את היכולת שלנו לנצל את הספציפיות המולקולריות מאוד שימושיות של אותות NMR ליישומים רבים ביוכימיים ורפואיים. עם זאת, גישות חדשות צמחו בשנים האחרונות: מניפולציה של מין הספין אותר לפני הגילוי בתוך מגנט NMR / MRI יכול להגדיל באופן משמעותי את המגנטיזציה ולכן מאפשר זיהוי של מולקולות בריכוז נמוך בהרבה 2. כאן, אנו מציגים שיטה לקיטוב של תערובת גז קסנון (2-5% Xe, 10%N 2, הוא מאזן) בהגדרה קומפקטית עם CA. שיפור אות 16,000 כפול. לייזרי דיודה מודרני קו מוצרות-לאפשר קיטוב יעיל 7 ושימוש מיידי בתערובת גז גם אם לא הופרד הגז האציל מהמרכיבים האחרים. מנגנון סאופ מוסבר ונחישות של קיטוב הספין השיג הוא הוכיח לבקרת ביצועים של השיטה. ניתן להשתמש בגז hyperpolarized להדמית חלל הריק, כולל הדמית זרימת גז או לימודי דיפוזיה בממשקים עם חומרים אחרים 8,9. יתר על כן, אות תמ&quot;ג Xe היא מאוד רגישה לסביבתו המולקולרית 6. זה מאפשר את האפשרות להשתמש בו כחומר ניגוד NMR / MRI כשהם מומסים בתמיסה מימית עם מארחים מולקולריים פונקציונליים שאופן זמני לכידת הגז 10,11. זיהוי ישיר ועקיף גילוי רגישות גבוהה של מבנים כאלה באו לידי ביטוי במצב שניהם ספקטרוסקופיות והדמיה. &lt;/ P&gt;

הייצור של קסנון hyperpolarized באמצעות ספין חילופים אופטיים שאיבה (סאופ) מתואר. שיטה זו מניבה ~ 10,000 שיפור של פי קיטוב הספין הגרעיני של Xe-129 ויש יישומים בספקטרוסקופיה תהודה המגנטית הגרעיניות והדמיה. דוגמאות למצב גזים וניסויי פתרון מדינה מקבלות.

קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים

ספקטרוסקופיה ודימות בתהודה מגנטית גרעינית (NMR ו-MRI) סובלות מרגישות נמוכה מובנית, מכיוון שגם שדות מגנטיים חיצוניים חזקים של כ-10...

המטרה הכללית של הניסוי הבא היא להפיק קסנון היפר-פולריזציוני (hyperpolarized xenon) ולבצע מדידות NMR ו-MRI ברגישות מוגברת. דבר זה מושג באמצעות תהליך הנקרא bombe optical pumping עם אדי רובידיום כדי להגיע לפולריזציה גבוהה של ספין הגרעין של הקסנון. כשלב שני, אותות NMR שנרכשו מושווים לאלו של דגימת קסנון בעלת פולריזציה תרמית, מה שמאפשר כימות של הפולריזציה שהושגה.בשלב הבא, מבוצעים ניסויי ספקטרוסקופיה ודימוי ב-NMR כדי להדגים רגישות גבוהה וספציפיות מולקולרית. התוצאות שמתקבלות מראות שניתן להשתמש ב-Xenon כחומר ניגוד ב-NMR, הן בשלב הגזי והן כשהוא מומס בתמיסה, בהתבסס על סכמות זיהוי חדשניות כגון hyper zest. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כמו דימוי MR של פרוטונים, הוא שניתן לזהות xon בריכוזים נמוכים בהרבה ובספציפיות גבוהה לסביבתו המולקולרית, תוך יכולת לתכנן חומרי ניגוד פונקציונליים הנקשרים למולקולת מטרה ספציפית.ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על האבחנה של מחלות שונות. לפיכך, טכניקה זו יכולה לספק תובנות לגבי דימות R בשלב הגז. ניתן ליישמה גם בניסויי מצב תמיסה לצורך זיהוי אנליטים מסוימים.בדרך כלל, אנשים שאינם מכירים את הטכניקה הזו יתקשו בכך שתיעוד מפורט של שלבי הכנה רבים אינו זמין. מניעת חמצון של הרובידיום במהלך הליך הטעינה ובמהלך פעולת ההיפר-פולריזציה הם שלבים קריטיים בהליך זה כדי לשמור על הרובידיום תחת אטמוספירה אינרטית. הליך הטעינה מבוצע בתוך תא כפפות (glove box) ומודול הגז להיפר-פולריזציה נשמר תחת אטמוספירת ארגון מגנה.כדי להתחיל בפרוטוקול זה, הכינו תא שאיבה אופטי בתוך תא כפפות כפי שמתואר בנוהל הכתוב. כסיוע לסרטון זה, בדקו אם קיים חמצן בלתי רצוי בתא הכפפות על ידי הדלקת נורה ש filaments שלה חשוף לאוויר; ניתן לטפל ברובידיום בבטחה אם לא נצפה עשן מה-filament הזוהר.שאבו כמות של רובידיום נוזלי באמצעות ראש צינור והחדירו אותה לתא השאיבה לפני הוצאת התא מקופסת הכפפות. כפי שהודרך בטקסט, חברו את התקן החימום לחלק התחתון של התא ובדקו כי התקן החימום, יחד עם הצמד תרמי (thermocouple), נמצא במגע תרמי תקין עמו. בעזרת קרן כיוון של אור נראה, חברו את התא למניפולטור של המקטב, תוך הבטחה שהוא מיושר עם קו קרן הלייזר המאירה את התא במהלך תהליך השאיבה.לבסוף, חברו תרמוקפל (thermocouple) לחלק העליון של התא. חללו את חיבורי הצינור עד לשסתומי הכניסה והיציאה של תא השאיבה. לאחר הגעה ללחץ של פחות מ-30 × 10⁻³ millibar.נקה את הקווים באמצעות ריקון וחליפה חוזרת של ארגון שלוש פעמים, כאשר מיכל הארגון פתוח לכניסת תא השאיבה. פתח לאט את שסתומי הכניסה והיציאה של התא. פתח בזהירות את שסתומי היציאה של המקטב מעט מאוד כדי ליצור זרימה של ארגון של כ-1 standard liter per minute דרך הסעפת, ושמור על זרימה זו במשך שתי דקות.לאחר סגירת שסתום היציאה של המקטב והחיבור הכניסה למיכל ה-Argonne, הפעל את מחמם תא השאיבה כדי לאייד את טיפת הרובידיום. לאחר מכן, פתח את חיבור תערובת גז הקסנון אל מערך המקטב. יש לכוון את ווסת המיכל ללחץ יתר של כ-3.5 bar.הפעילו את הלייזר ולאחר מכן כוון את אורך הגל הנפלט לכ-794.8 ננומטר על ידי התאמת טמפרטורת היעד של קירור הדיודה. עקבו אחר פרופיל הלייזר באמצעות ספקטרומטר אופטי. הפעילו את השדה המגנטי סביב תא השאיבה תוך כדי ניטור פרופיל הלייזר; התמסורות צריכה לעלות באופן מיידי כיוון שהשדה גורם לשאיבה אופטית סלקטיבית. המתינו עד שכל הטמפרטורות יתייצבו.המקטב מוכן כעת לשימוש. אנימציה זו מסכמת את ההרכבה הכללית עבור שאיבה אופטית באמצעות חילופי ספין. קרן הלייזר מוגדלת תחילה בקוטרה על ידי מרחיב קרן ראשוני ועוברת דרך קוביית מפליג קרן מקטבת או PBC; סיבוב של קובייה זו משנה את העוצמות היחסיות של הקרן הרגילה והבלתי רגילה עבור המיקום בעל התמסורת המקסימלית.הציר המהיר של ה-PBC מיושר עם ציר הקיטוב הדומיננטי של האור הנכנס. ניתן לבחון את הקיטוב הליניארי של האור המועבר באמצעות PVC שני המשמש כאנליזר. הכנסת לוח רבע-גל הופכת את הקיטוב הליניארי לקיטוב מעגלי.אם הציר המהיר שלו מסובב ב-45 מעלות ביחס לציר המהיר של ה-PBC הראשון. עוצמת האור המועבר צריכה להיות כעת בלתי תלויה בסיבוב הקובייה השנייה. הסרת רכיבי הניתוח והחלפתם במרחיב אלומה משני תניב את קוטר האלומה הנכון להארת תא השאיבה.טיפת רובידיום המצויה בתא זה מתאדה באופן חלקי. ברגע שגוף חימום מחוץ לתא מופעל, תערובת גז השינון הזורמת במערכת בכיוון הפוך מאלומה של הלייזר מפזרת אדים אלה בכל רחבי התא ללא שדה מגנטי. דבר זה גורם לעירור כללי של קו D1 של אטומי הרובידיום ולבליעה חזקה של אור הלייזר.הפעלת השדה המגנטי מאפשרת שאיבה סלקטיבית של מעבר אחד בלבד בין רמות התת-מגנטיות שהוגדרו כעת. כדי להיערך למדידת NMR, הכניסו מבחנה עם מים לתוך ראש הגשש של ה-NMR. בצעו כוונון (tuning) והתאמה (matching) של מעגל התדר הרדיו או ה-RF עבור הפרוטון, ובצעו שימ (shim) לערוץ של ה-xenon על סמך אות המים.בעזרת שגרת התיקון האוטומטית (shim routine) של ממשק המשתמש של ה-MRI, החליפו את דגימת המים בפנטום זרימת הגז. חברו את צינור היציאה של המקטב (polarizer) לכניסה של פנטום הבדיקה בעל חמש הקפילריות להזרקת ה-xenon, ואת צינור ניקוז הגז לחיבור עם בקר זרימת המסה. ודאו שבקרי זרימת הגז מכוונים לסגירה, ופתחו באיטיות את שסתום היציאה של המקטב כדי להגביר את הלחץ בפנטום.הגדירו את קצב הזרימה לכ-0.5 standard leaders לדקה. כדי להתחיל זרימה רציפה דרך הפנטום לצורך קביעת אורך פולס העירור הנדרש, רכשו סדרה של אותות דעיכה חופשית (free induction decay) או אותות FID באמצעות הספקטרומטר של ה-NMR. השתמשו בפולס קשיח (hard pulse) בעוצמה של כ-50% מההספק המקסימלי המדורג עבור הגשוש (probe) ובאורכי עירור שונים; במקרה זה, נעשה שימוש בפולס קשיח עם ניחות של 10 decibels.הזינו את פרמטרי הניסוי כפי שמופיעים בפרוטוקול הכתוב המצורף לסרטון זה. לאחר מכן, הפחיתו את הספיקה ל-0.1 standard leaders per minute, הגדילו את זמן החזרה ל-15 שניות והשאירו את שאר הפרמטרים ללא שינוי. רכשו סט נתונים עם 16 סריקות FID בעודו זורם xenon היפר-פולריזד דרך הדגימה.בצע את התמרת פורייה ומדוד את אינטגרל הפיסגה בספקטרום. רשום את תדר התהודה של פיסגת הגז בהרץ. לאחר מכן, רוקן מבחנת NMR בעלת דפנות עבות המצוידת בשסתום למניעת דליפות בלחץ נמוך, ומלא אותה בלחץ יתר של כ-two bar של קסנון טהור.רוקנו את סעפת הגז המחזיקה את מבחנת ה-NMR ומלאו כ-0.2 bar של חמצן טהור מעל הקסנון לתוך מבחנת ה-NMR. החליפו את פנטום זרימת הגז ששימש קודם לכן במגנט ה-NMR במבחנת ה-NMR בעלת הלחץ הנמוך זו, וחזרו על אותה מדידה שבוצעה עם פנטום זרימת הגז. פעולה זו תספק את עוצמת אות ה-NMR הייחוס עבור Xon בריכוז גבוה עם קטבוב תרמי.לביצוע ספקטרוסקופיה של תמיסת קסנון במצב צבירה, הכין תחילה דגימה של 50 עד 200 micromolar של קסנון כפי שפורט בפרוטוקול הכתוב. קח כ-1.5 milliliters מתמיסה זו ומלא אותה בתוך הפנטום לזרימת גז, תוך וידוא שחמש קפילריות הסיליקה המותכת מאפשרות התנבוב מספיק של התמיסה עם תערובת גז הקסנון. לאחר הכנת הפנטום בתוך גשוש ה-NMR, בצע רכישת FID עם השהיה מתאימה.פולסי טריגר מהספקטרומטר לפתיחה וסגירה של בקרי זרימת המסה. בצע 16 או 32 חזרות עם רוחב ספקטרלי של 40 kilohertz הממוקדים בכ-11 kilohertz downfield מתדר התהודה של הגז כפי שנקבע קודם לכן; קריאת ה-FID צריכה להיות בין 500 ל-1000 milliseconds. בצע התמרת פורייה ל-FID כדי לקבל את מערכת הספקטרום.ערך ההסתחה הכימית עבור השלב הגזי, שהוא האות הימני ביותר ביחס ל-0 PPM. רשום את התדר של אות התמיסה העז, שהוא האות השמאלי ביותר, בהרץ (Hertz) וב-PPM. ציין גם את ההיסט (offset) בין אות זה ב-delta solution לבין האות שלו שלו של xenon encapsulated ב-delta cage.ההדמיה המוצגת כאן מסבירה את אפקט ה-sess. כלובים של K Khan משמשים כמארחים מולקולריים ללכידת אטומי xenon, אשר תדר התהודה שלהם משתנה בעקבות אירוע קישור זה. הדבר מוצג כאן כמעבר מצבע כחול לירוק. רכישה ראשונה של NMR קובעת את כמות ה-xenon שאינו קשור כסיגנל ייחוס.בשלב הבא, פולס רוויה סלקטיבי המשפיע רק על האטומים הכלואים משמיד את המגנטיזציה שלהם. מכיוון שהקישור של ה-xenon הוא תהליך הפיך, פולס ארוך מבטל את המגנטיזציה של אטומים רבים, ורכישת NMR שני חושפת ירידה משמעותית באות של xenon חופשי בהשוון לאות הייחוס. לאחר הכנת דגימת ה-NMR כפי שדון בפרוטוקול הכתוב, בחרו ברצף דימות echo planar של shot בודד לצורך דימות מהיר.ייתכן שיהיה צורך לשנות רצף זה כדי לכלול השהיות ופולסי טריגר מהספקטרומטר לפתיחה וסגירה. בקרי זרימת המסה מאפשרים בערך 15 עד 20 שניות של ביבוע ב-0.1 standard liter per minute, ובעקבותיהם השהיית המתנה של חמש עד שמונה שניות עד להיעלמות הבועות, ולאחר מכן MRI וציפוי. הגדירו את גרעין הגילוי ל-xenon 1 29 בערוץ ה-X ואת תדר המשדר-צופה לערך שנקבע עבור אות התמיסה.באמצעות הכלי לחישוב פולסי RF, המירו את פרמטרי הפולס ששימשו במדידות הספקטרוסקופיה לעוררות המשמשת ברצף הדמיה. פתחו את מודול הכנת ה-CST, מודול מעבר מגנטיזציה ששונה לצורך הכנת אות, והפעילו פולס pre-SAT של גל רצוף. בצעו שתי סריקות בכיוון רוחבי, כאשר תדר הנושאי של פולס רוויה זה מוגדר פעם אחת כ-delta cage equals delta solution minus delta omega ופעם אחת כ-delta control equals delta solution plus delta omega.באמצעות כלי לעיבוד תמונות לאחר הצילום, צור את תמונת ההפרש של hyper CET על ידי חיסור התמונה עם הרוויה ב-delta cage מהתמונה עם הרוויה ב-delta control. התוצאה צריכה להדגיש רק את האזורים שבהם היה נוכח המארח שלו של ה-xenon.ניתן לנטר את איכות תהליך השאיבה האופטית על ידי הפעלה וכיבוי של השדה המגנטי סביב התא. בהתאם להספק הלייזר ולטמפרטורת התא, נצפית בליעה כמעט מלאה כאשר השדה המגנטי כבוי, ומעבר של כ-30% כאשר השדה פועל. עבור מערכת NMR הפועלת ב-9.4 Tesla.ההגברה של האות צריכה להיות בערך פי 16,000 כאשר משווים קסנון מקוטב תרמית לקסנון היפר-מקוטב, מה שמתאים לקיטוב ספין של כ-15%. ספקטרום ה-XENON 1 29 NMR של תמיסת A-D-M-S-O המכילה 213 micromolar של מאחס מולקולרי אמור להראות אות של קסנון כלוא עם יחס אות לרעש של כ-10 עבור 16 רכישות. מערך נתוני ה-hyper zest MRI מראה עוצמת אות מלאה עבור תמונת הבקרה שאינה בתהודה (off resonant) ודלילת אות באזורים המכילים את מולקולת המאחס של הקסנון. בתמונת הרוויה בתהודה (on resonant), תמונת ההפרש מציגה באופן בלעדי את האזורים שהגיבו לפולס הרוויה.בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור להבטיח הארה נכונה בלייזר של תא השאיבה. טכניקה זו עשויה לסלול את הדרך עבור חוקרים בתחום דימות ה-NMR לבחון זיהוי ברגישות גבוהה של אנליטים ביוכימיים, תמיסות בדיקה, תרביות תאים ובעלי חיים חיים פוטנציאליים. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכיבו הבנה טובה לגבי האופן שבו מייצרים xon היפר-פולריזני עבור ניסויי NMR.יש לזכור כי עבודה עם רובידיום עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון הגנה מפני חמצון בלתי מבוקר, לאורך כל הליך זה.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

פנטום דינמי רב-תאים משמש לדמות ביולוגיה מעניינת למחקרים מטבוליים באמצעות סוכני תהודה מגנטים היפר-פולריזציה.

שימוש פנטום אנזים יחיד דינמי רב-תא ללימודים של סוכני תהודה מגנטית Hyperpolarized

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקבלת תמונות תהודה מגנטית באיכות גבוהה מסוג קסנון היפרפולרי, המכסה חומרה, תוכנה, רכישת נתונים, בחירת רצפים, ניהול נתונים, ניצול מרחב k וניתוח רעשים.

פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה

דימות תהודה מגנטית 129Xe היפרפולרי (MRI) היא שיטה לחקר היבטים אזוריים של תפקוד ריאתי. עבודה זו מציגה זרימת עבודה סטנדרטית מקצה לקצה עבור MRI 129Xe היפרפולרי של אוורור ריאות, עם תשומת לב ספציפית לתכנון רצף הדופק, הכנת מינון 129Xe, זרימת עבודה של סריקה ושיטות עבודה מומלצות לניטור בטיחות הנושא.

קבלת תמונות תהודה מגנטית 129Xe היפר-מקוטבות של אוורור ריאות

כתב היד מציג פרוטוקול מפורט לשימוש בשחזור רוויה כימית מסוג קסנון 129 היפרפולרי (CSSR) כדי לעקוב אחר חילופי גזים ריאתיים, להעריך את עובי דופן המחיצה הנאדית הנראית לעין ולמדוד את יחס פני השטח לנפח. לשיטה פוטנציאל לאבחן ולנטר מחלות ריאה.

מדידה כמותית של מבנה ותפקוד הריאה המתקבלת מספקטרוסקופיית קסנון היפרפולרית

סוללות ליתיום יון להעסיק אלקטרוליטים אורגניים דליקים והנפיצים המתאימים ליישומי טמפרטורת הסביבה. חלופה בטוחה יותר לאלקטרוליטים אורגניים הן סוללות פולימר מוצקות. סוללות פולימר מוצקות לפעול בבטחה בטמפרטורות גבוהות (&gt; 120 מעלות צלזיוס), ובכך הופכים אותם רלוונטיים ליישומים בטמפרטורות גבוהות כגון קידוח נפט עמוק וכלי רכב חשמליים היברידיים. מאמר זה ידון (א) את סינתזת הפולימר, (ב) מנגנון ההולכה הפולימר, ו (ג) לספק רכיבה על אופניים טמפרטורה עבור שניהם פולימר מוצק ואלקטרוליטים אורגניים.

אלקטרוליטים קופולימר שתל מצב מוצק עבור יישומי סוללת ליתיום

interferometry מיקרוסקופ אור הלבן הוא אופטי, ללא מגע ומהיר שיטה למדידת הטופוגרפיה של משטחים. הוא הראה כיצד ניתן ליישם השיטה לניתוח בלאי מכאני, שבו ילבש צלקות על דגימות בדיקת tribological מנותחות, ובמדע חומרים כדי לקבוע נפחים ועומקי אבלציה ליזר אלומת יונים מקרטעים או.

אפיון של פני שטח על ידי שינויי Interferometry אור הלבן: יישומים ביון יורקת, אבלציה ליזר, וניסויי Tribology

בגלל השימוש נרחב של החשיבות ופלדיום, זהב וקובלט   מתכות בציוד טכנולוגי גבוהה, השחזור והמיחזור שלהם מהווים אתגר תעשייתי חשוב. מערכת התאוששות המתכת המתוארת במסמך זה בעלות נמוכה פשוטה, אומרת לאיתור, הסר, והתאוששות היעילה של מתכות אלה מהמכרה העירונית.

איתור והשחזור של פלדיום, מתכות זהב וקובלט ממכרה העירונית באמצעות חיישנים / Adsorbents רומן יעודיים עם נקבוביות-בצורת גלגל עגלה ננומטריים

Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

פרוטוקול לסינתזה קולואידים של nanocubes כסף ייצור של אנטנות תיקון ננו plasmonic עם פערים תת-10 ננומטר מוצג.

סינתזה קולואיד של אנטנות Nanopatch עבור יישומים plasmonics ו Nanophotonics

פרוטוקולים לסינתזה של microspheres מפולימרים, מניפולציה של microspheres, ומדידות photoluminesencence מיקרו מוצגים.

ייצור של פולימרים microspheres עבור מהוד אופטי ויישומי לייזר

למד ייצור קסנון מקוטב-על באמצעות שאיבה אופטית להחלפת ספין עם אדים של רובידיום. שיטה זו מאפשרת מדידות NMR ו-MRI בעלות רגישות גבוהה וספציפיות מולקולרית ליישומים בדימות.

קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים

גלה סרטונים נוספים