Name: NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 20 s
Description: 学ぶ過分極キセノンの生成法とNMR・MRIへの応用。SEOP技術により高感度・高特異性のイメージングを実現し、生化学分析物の検出や機能化コントラスト剤の設計に活用できる。

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

この研究プロジェクトは 、欧州共同体の第7次フレームワーク計画（FP7/2007-2013）/ ERCの助成合意N°242710下欧州研究評議会から資金提供を受けており、さらにヒューマン·フロンティア·サイエンス·プログラムとドイツのエミーネーター·プログラムによってサポートされていました研究財団（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>

特別な利害関係は宣言されません。

過分極キセノンの製造における重要な側面は、ポンプセルと円偏光を持つセルの十分な照明など、ガスマニホールド中の酸素不純物である。上記の電球テストはルビジウムの転送中に有害な酸素濃度を検出するための簡単​​な方法です。アルカリ金属は、セルを偏光子にインストールされた時点で、その光沢のある表面を失う可能性があります。 。一度、しかし、非酸化Rbの十分な気化を減圧レーザー伝送（初めて新鮮な細胞を加熱するとき、それは、そのCAのさらなる温度上昇が20°Cを気化プロセスを開始するために必要とされるかもしれないことで監視することができますレーザー吸収）が、セットポイントを削減すべき開始。磁場の存在下でほぼ完全なレーザーの吸収が不均一な細胞の照明と悪いXeの誇大広告を引き起こす可能性があり、過剰Rbの蒸気密度のセルに少なくとも一つの領域が存在することを示していますrpolarization。セルを通過する約30％の透過率があるまで、この問題が発生した場合、ヒーターの温度を下げます。 最適な温度、圧力、混合ガスとの流量は、これらは個々の偏光板の光学セルとレーザー線幅と消費電力の特定のジオメトリと熱伝...

彼らは、特定の状況下で2感度の問題を解決することができるので、過分極剤は、NMR / MRIのアプリケーションのために注目を集めている。すべてが前に実際分光やイメージング実験にNMRマグネット外人為的に増加したスピン集団間の差異を準備している3つの主要なアプローチは、現在（そして交換光ポンピング、ヒソプをスピン;、パラ水素誘起分極、PHIP動的核分極は、DNP）が使用されている。ここでは、溶液状態の実験で使用した超偏極129 Xeの製造用に最適化されてい燮セットアップの機能と動作について説明します。 必須成分は795 nmで赤外線光子を発する強烈な光源である。レーザダイオードアレイ（LDA）は、高出力、合理的なコストで&gt; 100 Wを提供する便利なデバイスです。多くのセットアップでは、LDAは多かれ少なかれ目の偏光を保持していることを光ファイバに放出している電子レーザー光。十分燮プロセスを保証するために、この楕円偏光は、高純度の円偏光に変換する必要があります。偏光光学系の主要な構成要素は、 図1および図2に示されており、システムのセットアップは補足ムービー1に模式的に説明されています。 円偏光を偏光させるために、我々は最初の電力密度を低減するための一次ビーム拡大光学素子（ 例えば 、ファイバコリメータ）にファイバ端を取り付けます。光は、直線偏光を発生させると、偏光ビームスプリッタキューブを通過します。このキューブを回転させることにより、我々は、パワー·メータと残留分極の好ましい軸を決定することができます。最大伝送は、キューブの速い軸は主光線の偏光軸と一致させている状況に対応しています。高い吸光係数を持つキューブ（10万：1以上）は、偏光成分の良好な分離が得られます。これは、テストすることができます最初のものは並外れたビームの最大伝送のために整列されている間回転させアナライザとして第2のビームスプリッタキューブを使用しています。 透過光の直線偏光が確認された後、795 nmのために設計され、λ/ 4波長板を円偏光に線形変換する超常光線に導入される。この目的のために、波長板の高速軸は45°ビームスプリッタキューブ速い軸に対してにより回転される。 （必要に応じて、その直線偏光軸に垂直と超常光線に対する反射普通の光の円偏光は、同様の方法で達成することができます。） 円偏光の質は回転時に一定の伝送が得られるはず第2のビームスプリッタキューブでテストすることができます。二次ビーム拡大光学系（ガリレイ望遠鏡の構成で例えば 2つのレンズが）その後、私は完全にビーム径を増大させるオーブンボックス内のポンピングプロセス用ガラスセルをlluminate。細胞におけるRb蒸気によるレーザ光 ​​の吸収がボックスの末尾にポンプセル背後にピンホールを介して監視されます。コリメータは、光分析装置（ポンピングセルのセットアップについては図3を参照して分析される減衰赤外線ビームを収集）。 ポンプセル外加熱機構が部分的にセルの中に座ったRb滴（ 図4a）を気化させ、したがって、レーザー光吸収を引き起こす。蒸気の密度はそれぞれのPIDコントローラの加熱セットポイントを経由して調整することができます。高い温度（約190℃）キセノンは偏光を構築するために、限られた時間を持っているコンパクトなセットアップのために良いです。 Xeを、N 2とHeの混合ガスは、レーザービーム方向と反対ポンピングセル（ 図3）を通って流れる。レーザービームで整列外部磁場は、その目を確実にE IR光子は1つだけRbの遷移を励起しています。電子状態の緩和が速く、 &quot;間違った&quot;偏光と赤外線光子の放出を避けるために、非放射性である必要があります。ここで、N 2は、クエンチガスとして場に出る。他の1が連続してレーザー（ 図5）により枯渇しながら最終的には、Rbのシステムは、基底状態のサブレベルの1の人口過剰を構築します。 Rb原子の​​経験スピン - スピン相互作用と電子スピン分極に密着取得キセノンは、フリップフロップのプロセスでのXe核に転写される。 ポンピングセルの流出超偏極ガスは低温（ 図4b、図のようなもの）に起因するコンセントの数cm内チューブの壁に凝縮そのRbの蒸気の微量が含まれています。vivoアプリケーションでは 、しかし、追加の除去を必要とするであろうアルカリ金属（コールドトラップなどによる） の in vitro における experimeに対しそれはhyperpolarizerを離れると国税庁はガスで安全に行うことができる。テフロンチューブは、テスト·ソリューションでNMR実験を行うためにガラス装置の入口と偏光コンセントを接続します。マスフローコントローラは、NMRのセットアップに流入Xeの量を調整するために使用されます。彼らは、NMRパルスシーケンス内のコマンドによってトリガーされます。達成偏強化を確認した後、ガスは溶液状態の実験でNMR / MRI造影剤として使用することができます。 Xeは、水中で一定の溶解度（4.5ミリモル/ atm）および他の溶剤を持っています。したがって、すでにいくつかの液体の分布を表示するために造影剤として単独で機能することができます。しかし、そうでなければ不活性ガスを介して分子固有の情報を取得するために、特定の分子にNMR活性核をリンクさせることも可能である。溶解XEの分子ホストを提供することによって、それは、Xe NMR信号に分子特異性を付与することが可能である。これは、機会を提供していますデザイン官能造影剤-また、バイオセンサーと呼ばれる-このようなホスト構造は生物医学の関心のある特定の分析物（ 図6）に結合し、標的ユニットに結合されている。 バイオセンサーは、MR造影剤（&lt;100μM）のために低い濃度で検出されるべきであると、さらに感度の向上が必要となります。これは、化学交換飽和移動（CEST）することによって達成することができる。この方法では、ケージXeの磁化を破壊し、溶液中の遊離Xeのシグナル変化を観察することによって、間接的にバイオセンサーを検出します。超偏極核がいくつか連続して10ミリ秒後に交換されているので、多くの100から1000の核が検出されたプールに情報を転送し、信号CAを増幅する。 10 3倍（動画2参照）。

<table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名称 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント（オプション） </td></tr><tr><td> Rbのインゴット</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 276332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 79610-500G </td><td></td></tr><tr><td> AR </td><td> Praxair社</td><td></td><td></td></tr><tr><td> Xeの</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 00472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 00476-1EA </td><td></td></tr><tr><td>レーザーシステム</td><td> QPCレーザー/レーザー操作</td><td> Brightlock 50 </td><td></td></tr><tr><td>真空システム</td><td>ファイファー</td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td>熱電対</td><td>ニューポートオメガ</td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td>シリコンヒーター</td><td>ニューポートオメガ</td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td>圧力変換器</td><td>ニューポートオメガ</td><td> PRの33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td>プロセス計</td><td>ニューポートオメガ</td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td>マスフローコントローラ</td><td>ニューポートオメガ</td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> PIDレギュレータ</td><td>ニューポートオメガ</td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td>制御ソフトウェア</td><td>ニューポートオメガ</td><td> DASYLabの</td><td></td></tr><tr><td>データ収集</td><td>ニューポートオメガ</td><td> Daqboard 3000 </td><td></td></tr><tr><td>真空センサ</td><td>エリコン</td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td>真空コントローラ</td><td> VACOM </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td>ビームコリメータ</td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td>偏光ビームスプリッタキューブ</td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ/ 4波長板</td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td>ビーム拡大レンズ</td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td>光学分光計</td><td>オーシャンオプティクス</td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td>光ファイバ</td><td>オーシャンオプティクス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>低圧のNMRチューブ</td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> 5ミリメートルNMR管</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td>ヘルムホルツコイル</td><td> Phywe </td><td> 06960から00 </td><td></td></tr><tr><td> SILI融合CA毛細血管</td><td>ポリマイクロ</td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

nmrやmriのアプリケーションのための過分極キセノン

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

〜10Tのさえ強い外部磁界が室温1の検体のごく検出正味磁化を生成するため、核磁気共鳴（NMR）分光法とイメージング法（MRI）は、内因性の低感度に悩まされている。したがって、ほとんどのNMRやMRIのアプリケーションでは、相対的に高濃度の分子の検出（ 例えば 、生体組織のイメージングのための水）に依存するか、または過度の取得時間を必要とします。これは、多くの生化学的および医療用アプリケーションのためのNMR信号の非常に有用な分子の特異性を利用する当社の能力を制限しています。しかし、斬新なアプローチは、過去数年間で浮上している：前NMR / MRI磁石内部の検出、検出されたスピン種の操作が劇的に磁化を高めることができ、したがって、はるかに低い濃度で2分子の検出を可能にします。 ここでは、キセノンガス混合物（2〜5％のXe、10％の偏光するための方法を提示するCAとコンパクトなセットアップで、N 2、彼はバランス）。 16000倍の信号増強。近代的なライン狭めダイオードレーザーは、希ガスは他の成分から分離されていない場合でも、効率的な分極7およびガス混合物の直接の使用を許可します。燮装置について説明されており、達成スピン偏極の測定は、メソッドのパフォーマンス制御に実証されている。 超偏極ガスは、ガス流イメージングまたは他の材料8,9とのインタフェースでの拡散の研究を含めて、ボイドスペースイメージングのために使用することができます。また、XeのNMR信号は、その分子環境6に非常に敏感です。一時的にガス10,11を捕捉官能分子のホストとの水溶液に溶解したときにこれはNMR / MRI造影剤として使用するオプションを有効にします。直接検出するとこのような構築物の高感度間接的な検出は、分光とイメージングの両方のモードで示されています&lt;/ P&gt;

光ポンピングスピン交換（ヒソプ）により過分極キセノンの生産が記載されている。このメソッドは、Xe-129の核スピン偏極の約10000倍増強をもたらし、核磁気共鳴分光法とイメージングのアプリケーションを持っています。気相と溶液状態実験の例が出されます。

NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

核磁気共鳴（NMR）分光法および画像法（MRI）は、10 T程度の強力な外場を用いたとしても、本質的に感度が低いという課題がある。

本実験の全体的な目的は、ハイパーポラライズドキセノンを生成し、感度を高めたNMRおよびMRI測定を行うことです。これは、ルビジウム蒸気を用いたスピン交換光ポンプ法というプロセスを用いて、キセノンの高い核スピン分極を実現することで達成されます。第2のステップとして、得られたNMR信号を熱平衡状態で分極したキセノン試料の信号と比較し、達成された分極度の定量化を行います。次に、高い感度と分子特異性を実証するために、NMR分光法およびイメージング実験を行います。その結果、hyper zestのような新しい検出スキームに基づき、キセノンが気相および溶液への溶解状態の両方でNMR造影剤として利用できることが示されました。プロトンMRイメージングなどの既存の手法に対するこの手法の主な利点は、キセノンをはるかに低い濃度で検出でき、かつ分子環境に対して高い特異性を持たせられることです。これにより、特定の標的分子に結合する機能化造影剤を設計することが可能になります。この手法の意義は、さまざまな疾患の診断へと広がります。したがって、本手法は気相Rイメージングに関する知見を提供することが可能です。また、特定の分析物を検出するための溶液状態の実験にも適用できます。一般的に、この手法を初めて行う方は、多くの準備ステップに関する詳細な文書が存在しないため、困難に直面することがあります。ルビジウムを不活性雰囲気下に維持するために、充填手順中およびハイパーポラライジングの動作中にルビジウムの酸化を防ぐことが、本手順において極めて重要なステップとなります。充填手順はグローブボックス内で行い、ハイパーポラライジングガスのモノフォールドは保護アルゴン雰囲気下に維持します。本プロトコルの開始にあたり、記載の手順に従ってグローブボックス内で光ポンピングセルを準備します。このビデオに併せて、大気にさらされたフィラメントを持つ電球を点灯させ、グローブボックス内に不要な酸素がないか確認してください。白熱したフィラメントから煙が出なければ、ルビジウムを安全に取り扱うことができます。ルビジウムのアンプルを割り、ヒートガンでアルカリ金属を融解させます。パイプヘッドで液体ルビジウムを吸い上げ、セルをグローブボックスから取り出す前にポンピングセルに注入します。本文の指示に従い、セルの底部に加熱装置を取り付け、熱電対を備えた加熱装置がセルと適切に熱接触していることを確認してください。可視光のエイミングビームを使用して、セルを偏光子マニホールドに接続し、ポンピングプロセス中にセルを照射するレーザービームラインと整列していることを確認します。最後に、セルの上部に熱電対を取り付けます。ポンプセルの入口バルブおよび出口バルブまでのチューブ接続部を真空排気します。圧力が30 × 10⁻³ mbar未満に達した後、Argonneの繰り返し排気およびパージを行い、配管内を洗浄します。この際、Argonneタンクをポンピングセル入口側に開放した状態で3回繰り返します。セルの入口バルブと出口バルブをゆっくりと開きます。次に、ポラライザーの出口バルブをわずかに開き、マニホールド内に毎分約1標準リットルのArgonne流量を確保し、この流量を2分間維持します。ポラライザーの出口バルブとArgonneタンクへの入口接続部を閉じた後、ポンピングセルのヒーターをオンにしてルビジウムの液滴を気化させます。次に、ポラライザー装置へのキセノン混合ガスの接続部を開きます。タンクレギュレーターは、約3.5 barの過圧に設定してください。レーザーをオンにし、ダイオード冷却材の設定温度を調整して、放出波長を約794.8 nanometersに調整します。光学分光計を用いてレーザープロファイルをモニタリングしてください。ポンピングセル周囲の磁場をオンにします。このときレーザープロファイルの透過率をモニタリングしてください。磁場によって選択的な光ポンピングが起こるため、透過率はすぐに上昇します。すべての温度が安定するまで待機してください。これで偏光子の準備が整いました。このアニメーションでは、スピン交換光ポンピングの全体的なセットアップをまとめています。レーザービームはまず一次ビームエキスパンダーによって径が拡大され、偏光ビームスプリッターキューブ（PBS）を通過します。このキューブを回転させることで、透過率が最大となる位置に合わせて、常光線と異常光線の相対強度を調整します。PBCの高速軸を入射光の主偏光軸に合わせます。透過光の直線偏光は、2枚目のPVCを検光子として用いて確認できます。4分の一波長板を挿入することで、直線偏光を円偏光に変換できます。その快軸を、1つ目のPBCの快軸に対して45度回転させます。すると、透過光の強度は2つ目のキューブの回転に依存しなくなるはずです。分光成分を取り除き、そこに二次ビームエキスパンダーを設置することで、ポンピングセルを照射するのに適切なビーム径が得られます。このセル内に置かれたルビジウム液滴の一部が蒸発します。セル外部のヒーターをオンにすると、レーザービームとは逆方向にセットアップ内を流れるキセノン混合ガスが、磁場のない状態でこの蒸気をセル全体に拡散させます。これにより、ルビジウム原子の全般的なD1励起が起こり、レーザー光が強く吸収されます。磁場を印加することで、定義された磁気副準位間の特定の遷移のみを選択的にポンピングすることが可能になります。NMR測定の準備として、水を入れた試験管をNMRプローブヘッドに挿入します。水の信号を用いて、プロトンおよびキセノンチャネルの無線周波数（RF）回路のチューニングとマッチングを行い、シム調整を実施してください。MRIユーザーインターフェースの自動シムルーチンを用いて、水サンプルをガスフローファントムに交換します。ポラライザーの出口チューブを、5本のキャピラリーを備えたテストファントムの入口に接続してキセノンを注入し、ガスベントチューブをマスフローコントローラーの接続口に接続します。ガスフローコントローラーが閉状態で設定されていることを確認し、ポラライザーの出口バルブをゆっくりと開いてファントムを加圧します。流量を毎分約0.5標準リットルに設定します。必要とされる励起パルス長を決定するために、ファントムへの連続フローを開始し、NMR分光計を用いて一連の自由誘導減衰（FID）信号を取得します。プローブの最大定格電力の約50%のハードパルスと、さまざまな励起長を使用します。本例では、10デシベル減衰のハードパルスを使用しています。このビデオに付属する書面プロトコルに記載されている通り、実験パラメータを入力してください。流量を0.1 standard liters per minuteに下げ、繰り返し時間を15 secondsに増やし、その他のパラメータは変更せずに維持します。ハイパーポラライズドキセノンをサンプルに流しながら、16回のFIDスキャンでデータセットを取得してください。フーリエ変換を行い、スペクトルのピーク積分値を測定します。ガスピークの共鳴周波数をHzで記録してください。次に、低圧封入用のバルブを備えた厚壁NMRチューブを真空排気し、純粋なキセノンを約2 barの過圧で充填します。NMRチューブを保持しているガスマニホールドを真空排気し、NMRチューブ内のキセノンの上に純粋な酸素を約0.2 bar充填します。NMRマグネット内で以前に使用したガスフローファントムを、この低圧NMRチューブに交換し、ガスフローファントムで実施したときと同じ測定を繰り返します。これにより、熱分極した高濃度Xonの参照NMR信号強度が得られます。キセノン溶液の状態分光法を行うには、まず、記載されたプロトコルに従って50〜200 µMのキセノン試料を調製します。この溶液を約1.5 mL取り、ガスフローファントムに充填し、5本の溶融シリカキャピラリーを通じてキセノンガス混合気による溶液の十分なバブリングが行われるようにします。ファントムをNMRプローブにセットした後、適切なディレイを用いてFID計測を行います。分光計からトリガーパルスを送り、マスフローコントローラーを開閉します。先に決定したガス共鳴周波数から低磁場側に約11 kHz中心とした、スペクトル幅40 kHzで16回または32回の繰り返し測定を行います。FIDの読み出し時間は500から1000 msとしてください。得られたFIDをフーリエ変換し、スペクトルセットを取得します。気相の化学シフト値は、0 PPMから最も右側に位置するシグナルです。溶液の強いシグナル（最も左側のシグナル）の周波数をHzおよびPPMで記入してください。また、溶液のデルタ（delta solution）におけるこのシグナルと、カゴ内に封入されたキセノンのデルタ（delta cage）におけるシグナルのオフセットについても記録してください。ここに示されているアニメーションは、sess効果について解説しています。K Khanケージはキセノン原子を捕捉する分子ホストとして機能し、この結合イベントによってキセノンの共鳴周波数が変化します。ここでは青から緑への遷移として描写されており、まず最初のNMR測定を行うことで、参照信号として未結合のキセノン量を決定します。次に、ケージド状態のみに影響を与える選択的な飽和パルスを照射し、その磁化を消失させます。キセノン結合は可逆的なプロセスであるため、長いパルスによって多くの原子の磁化が打ち消され、2回目のNMR測定では、参照信号と比較して遊離キセノンからの信号が著しく減少することがわかります。記述されたプロトコルに従ってNMRサンプルを調製した後、高速イメージングのためにシングルショット・エコー・プランナー・イメージング（single shot echo planar imaging）シーケンスを選択します。このシーケンスは、分光計からのディレイおよびトリガーパルスを含めて、開閉するように修正する必要があるかもしれません。マスフローコントローラにより、0.1 standard liter per minuteで約15～20秒間のバブリングを行い、その後、気泡が消えるまで5～8秒間の待機ディレイを設け、続いてMRIおよびコーティングを行います。検出核をXチャネルのxenon 129に設定し、送信オブザーバー周波数を溶液信号に対して決定した値に設定してください。RFパルス計算ツールを使用して、分光測定で用いられたパルスパラメータをイメージングシーケンスで使用される励起条件に変換します。信号準備用に変更された磁化転移モジュールであるCST準備モジュールを開き、連続波プリサチュレーション（pre-SAT）パルスを有効にします。この飽和パルスの搬送周波数を、一度はdelta cage equals delta solution minus delta omegaに、もう一度はdelta control equals delta solution plus delta omegaに設定し、横断方向で2回のスキャンを実行します。画像後処理ツールを使用して、delta controlで飽和させた画像からdelta cageで飽和させた画像を差し引くことで、ハイパーCET差分画像を生成します。これにより、キセノンホストが存在していた領域のみが強調されるはずです。光ポンピングプロセスの品質は、セル周囲の磁場をオン・オフすることでモニタリングできます。レーザー出力とセルの温度に応じて、磁場がオフのときはほぼ完全な吸収が観察され、磁場がオンのときは約30%の透過が起こります。これは9.4 Teslaで動作するNMRシステムの場合です。熱分極キセノンとハイパーポラライズドキセノンを比較すると、信号増強は約16,000倍となり、これは約15%のスピン分極に相当します。213 µMの分子ホストを含むDMSO溶液の$^{129}\text{Xe}$ NMRスペクトルでは、16回の積算でS/N比が約10のケージドキセノンの信号が観察されるはずです。ハイパーゼストMRIデータセットでは、オフレゾナンス制御画像で完全な信号強度を示し、キセノンホスト分子を含む領域で信号の減少が見られます。オンレゾナンス飽和画像において、差分画像は飽和パルスに反応した領域のみを表示します。本手順を実施する際は、ポンピングセルに適切にレーザー照射が行われていることを確認することが重要です。この手法は、NMRイメージング分野の研究者が、生化学的分析物やテスト溶液、細胞培養、そして将来的には生体動物の高感度検出を探索するための道を開く可能性があります。このビデオを視聴することで、NMR実験のためのハイパーポラライズド xenon を作製する方法について十分に理解できるはずです。ルビジウムの取り扱いは極めて危険であるため、本手順の全過程を通じて、制御不能な酸化の防止などの予防策を必ず講じてください。

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

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

多コンパートメントの動的ファントムは、過分極磁石共鳴剤を使用した代謝研究のためのいくつかの興味深い生物学をシミュレートするために使用されます。...

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

ここでは、ハードウェア、ソフトウェア、データ収集、シーケンス選択、データ管理、k空間利用、ノイズ解析など、高品質の超偏波キセノン129磁気共鳴画像を取得するためのプロトコルを紹介します。...

過偏波キセノン磁気共鳴画像法におけるトラブルシューティングと品質保証:高品質画像取得のためのツール

過偏波129Xe磁気共鳴画像法(MRI)は、肺機能の局所的に分解された側面を研究するための方法です。この作業は、パルスシーケンス設計、129Xe線量の準備、スキャンワークフロー、および被験者の安全性モニタリングのベストプラクティスに特に注意を払って、肺換気の過分極129XeMRIのエンドツーエンドの標準化されたワークフローを提示します。...

肺換気の過偏波 129Xe磁気共鳴画像の取得

この原稿では、過分極Xenon-129化学シフト飽和回復法(CSSR)を使用して肺ガス交換を追跡し、見かけ上の肺胞中隔壁の厚さを評価し、表面と体積の比率を測定するための詳細なプロトコルを示しています。この方法は、肺疾患の診断と監視の可能性を秘めています。...

過分極キセノン分光法による肺の構造と機能の定量的測定

リチウムイオン電池は、周囲温度の用途に適している可燃性及び揮発性有機電解質を用いる。有機電解質へのより安全な代替手段は、固体ポリマー電池です。固体ポリマー電池は、このように深い石油掘削およびハイブリッド電気自動車などの高温用途にそれらが適用されること、高温（&gt;...

リチウム電池アプリケーションのためのソリッドステートグラフトコポリマー電解質

白色光干渉顕微鏡は、表面のトポグラフィーを測定するための光学、非接触で迅速な方法です。材料科学にイオンビームスパッタ法やレーザーアブレーション量や深さを決定するために、それはメソッドが着用トライボロジー試験試料に傷が分析され、機械的な摩耗の解析に向けてどのように適用できるかを示しています。...

白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

そのため、パラジウム、金とコバルトの重要性と広範な使用の ハイテク機器における金属は、その回収・リサイクルは重要な産業の課題となっています。本明細書に記載の金属回収装置は、簡単​​、低コストで効果的な検出、除去、都市鉱山からこれらの金属を回収するための手段です。...

検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

四ビュースプリッターと高速度カメラに基づいた三次元粒子追跡速度測定（3D-PTV）システムは、ここに記載されています。技術は、下流≈7,000レイノルズ数Reで10直径の近傍に円管からの噴流に適用されます。...

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

銀ナノキューブサブ10nmのギャップを有するプラズモンナノスケールのパッチアンテナの製造のコロイド合成のためのプロトコルが提供されます。...

プラズモニクスとナノフォトニクスでのアプリケーションのためのNanopatchアンテナのコロイド合成

ポリマーからのミクロスフェアの合成、ミクロスフェアの操作、およびマイクロフォトルミネッセンス測定のためのプロトコールが提示されている。...

光共振器およびレーザ応用のためのポリマーマイクロスフェアの作製

学ぶ過分極キセノンの生成法とNMR・MRIへの応用。SEOP技術により高感度・高特異性のイメージングを実現し、生化学分析物の検出や機能化コントラスト剤の設計に活用できる。

NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

さらに動画を探す