Name: Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 20 s
Description: Leer hypergepolariseerd xenon produceren voor NMR- en MRI-toepassingen met spin exchange optical pumping. Deze methode biedt hoge gevoeligheid en moleculaire specificiteit voor biomedisch onderzoek.

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

Dit onderzoeksproject heeft financiering ontvangen van de European Research Council onder zevende van de Europese Gemeenschap kaderprogramma (FP7/2007-2013) / ERC-subsidieovereenkomst nr. ​​242710 en werd eveneens ondersteund door de Human Frontier Science Program en de Emmy Noether Programma van het Duitse Research Foundation (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>

Geen belangenconflicten verklaard.

Kritische aspecten in de bereiding van gehyperpolariseerde xenon zuurstof onzuiverheden in de gasspruitstuk inclusief de pompcel en voldoende verlichting van de cel met circulair gepolariseerd licht. De bovengenoemde gloeilamp test is een eenvoudige manier om schadelijke zuurstofconcentraties te detecteren tijdens het overbrengen van rubidium. Het alkalimetaal kan verliezen het glimmende oppervlak van de tijd de cel wordt in de polarisator. Echter, voldoende verdamping van niet-geoxideerde Rb gecontroleerd door verlaagd...

Hypergepolariseerde agents steeds meer aandacht voor NMR / MRI toepassingen omdat ze de gevoeligheid oplossen onder bepaalde omstandigheden 2. Drie belangrijke benaderingen worden momenteel gebruikt (dynamische nucleaire polarisatie, DNP, para-waterstof geïnduceerde polarisatie PhIP en spinuitwisseling optisch pompen, SEOP) dat een kunstmatig toegenomen spin Verschil populatie buiten een NMR magneet bereiden voorafgaand aan de eigenlijke spectroscopie of imagingexperiment . Hier beschrijven we de functie en werking van een SEOP setup dat is geoptimaliseerd voor de productie van hypergepolariseerd 129 Xe gebruikt in oplossing staat experimenten. Een essentieel onderdeel is een intense lichtbron infrarode fotonen op 795 nm. Laserdiodestelsels (LDA) zijn eenvoudige apparaten die hoog vermogen&gt; 100 W tegen redelijke kostprijs. In vele opstellingen wordt de LDA uitzendt in een optische vezel die min of meer de polarisatie van e behoudte laserlicht. Voldoende SEOP proces garanderen elliptische polarisatie worden omgezet in circulaire polarisatie van hoge zuiverheid. Hoofdbestanddelen van de polarisatie optiek figuren 1 en 2 en het opzetten van het systeem schematisch toegelicht in aanvullende film 1. Om circulair polariseren het licht dat we eerst de juiste vezel einde aan een primaire bundel uitbreiding optiek (bijvoorbeeld een vezel collimator) voor het verminderen van vermogensdichtheid. Het licht gaat vervolgens door een polariserende bundelsplitser kubus genereren lineair gepolariseerd licht. Door het roteren deze kubus kunnen we de voorkeur as van de resterende polarisatie met een vermogensmeter. Maximum Transmission overeen met de situatie waarin de snelle as van de kubus is uitgelijnd met de polarisatieas hoofdlichtstraal. Kubussen met hoge extinctiecoëfficiënten (100.000: 1 of beter) geven een goede scheiding van polarisatiecomponenten. Dit kan getestgebruik van een tweede bundelsplitser kubus als een analyzer die wordt gedraaid, terwijl de eerste in lijn voor een maximale overdracht van de buitengewone bundel. Zodra de lineaire polarisatie van het uitgezonden licht is bevestigd, is een λ / 4 golfplaat Geschikt voor 795 nm ingebracht in de buitengewone straal om te zetten in lineair circulaire polarisatie. Hiertoe de snelle as van de golf plaat geroteerd met 45 ° ten opzichte van de bundeldeler kubus snelle as. (Desgewenst kan circulaire polarisatie van de gereflecteerde bundel met gewone lineaire polarisatie loodrecht op de buitengewone bundel worden gerealiseerd op soortgelijke wijze.) De kwaliteit van de circulaire polarisatie kan worden getest met een tweede bundelsplitser kubus constant transmissie moet opleveren bij rotatie. Een secundaire bundel uitbreiding optiek (bv twee lenzen in een Galilese telescoop configuratie) neemt dan de bundeldiameter volledig illuminate het glas cel voor het pompen in een oven box. Absorptie van het laserlicht door Rb damp in de cel wordt gecontroleerd door een pengat achter de pompcel eind van de doos: een collimator verzamelt een verzwakt infraroodstraal te analyseren met een optische spectrometer (zie figuur 3 voor pompcel setup ). Een verwarmingsmechanisme buiten de pompcel verdampt gedeeltelijk een druppeltje Rb zitten in de cel (figuur 4a) en veroorzaakt daardoor laserlicht absorberende. Dichtheid van de damp kan worden aangepast via de verwarming setpoint van de respectievelijke PID-regelaar. Hoge temperaturen (ca. 190 ° C) zijn geschikt voor situaties waar de compact xenon een beperkte tijd te bouwen polarisatie. Het gasmengsel dat Xe, N2 en hij stroomt door de pompcel tegenover de laserstraal richting (figuur 3). Een extern magnetisch veld uitgelijnd met de laserstraal zorgt the IR fotonen slechts een pomp Rb overgang. Versoepeling van het elektron staten is snel en moeten niet-stralende om de emissie van IR-fotonen met &#39;verkeerde&#39; polarisatie te voorkomen. Hier, de N 2 in het spel komt als een quench gas. Uiteindelijk de Rb systeem bouwt overbevolkt een van de grondtoestand subniveaus terwijl de andere continu uitgeput door de laser (figuur 5). Xenon om in nauw contact met de Rb atomen ervaart spin-spin interacties en de electron spin polarisatie wordt overgebracht op Xe kernen in flip-flop processen. Het hypergepolariseerde gas stroomt uit de pompcel sporenhoeveelheden Rb damp die condens op de buizenstelselmuur binnen enkele cm van de uitlaat door de lage temperatuur (vergelijkbaar met figuur 4b). In vivo toepassingen zou echter aanvullende verwijdering vereisen van de alkali-metaal (bijvoorbeeld door middel van een koude val), terwijl in vitro experimegen veilig kan worden uitgevoerd met het gas bij het verlaten van de hyperpolarisator. Teflon buis verbindt de uitlaat polarisator met de inlaat van een glazen apparaat voor NMR experimenten op testoplossingen. Massastroomregelaars worden gebruikt om de hoeveelheid Xe stroomt in de NMR opstelling te verstellen. Ze geactiveerd door commando in de NMR pulssequentie. Na controle van de bereikte verbetering polarisatie kan het gas worden gebruikt als een NMR / MRI contrastmiddel in oplossing state experimenten. Xe een bepaalde oplosbaarheid in water (4,5 mM / atm) en andere oplosmiddelen. Daarom kan al dienen op zichzelf als een contrastmiddel voor de verdeling van sommige vloeistoffen geven. Het is echter ook mogelijk om de NMR-actieve kernen koppelen aan bepaalde moleculen om moleculaire specifieke informatie verkrijgen door het anders inert gas. Door een moleculaire gastheer voor de opgeloste Xe, is het mogelijk om moleculaire specificiteit verlenen aan de Xe NMR signaal. Dit biedt de mogelijkheid omontwerp gefunctionaliseerde contrastmiddelen - ook wel biosensoren - wanneer deze een host structuur is gekoppeld met een targeting-eenheid die bindt aan specifieke analyten biomedisch belang (Figuur 6). Verdere verbetering gevoeligheid is vereist wanneer de biosensor moet worden gedetecteerd bij concentraties die laag voor MR contrastmiddelen (&lt;100 uM). Dit kan worden bereikt door chemische uitwisseling verzadiging overdracht (CEST). Deze werkwijze detecteert de biosensor indirect door het vernietigen van de magnetisatie van de gekooide Xe en waarneming van de signaalverandering van vrije Xe in oplossing. Aangezien het gehyperpolariseerde kernen continu vervangen na ongeveer 10 ms, 100 tot 1000 vele kernen overdracht van de informatie op de gedetecteerde pool en versterken het signaal ca. 10 3-voudig (zie filmpje 2).

<table border="1"><tbody><tr><td> Naam van het reagens </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogusnummer </td><td> Opmerkingen (optioneel) </td></tr><tr><td> Rb ingots </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> 79610-500G </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> 00472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 00476-1EA </td><td></td></tr><tr><td> Laser systeem </td><td> QPC Lasers / Laser Operations </td><td> Brightlock 50 </td><td></td></tr><tr><td> Vacuümsysteem </td><td> Pfeiffer </td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td> Thermokoppels </td><td> NewportOmega </td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td> Silicon verwarming </td><td> Newport Omega </td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td> Drukopnemer </td><td> Newport Omega </td><td> PR 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td> Procesmeter </td><td> Newport Omega </td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td> Mass flow controllers </td><td> Newport Omega </td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> PID regelaars </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> Data acquisitie </td><td> Newport Omega </td><td> Daqboard 3000 </td><td></td></tr><tr><td> Vacuümsensor </td><td> Oerlikon </td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td> Vacuüm-controller </td><td> Vacom </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td> Spreidstraalcollimator </td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td> Polariserende bundelsplitser kubus </td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ / 4 golf plaat </td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td> Beam uitbreiding lenzen </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Optische spectrometer </td><td> Ocean Optics </td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td> Glasvezel </td><td> Ocean Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Lage druk NMR buis </td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> 5mm NMR buis </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td> Helmholtz-spoelen </td><td> Phywe </td><td> 06.960-00 </td><td></td></tr><tr><td> Fused silica haarvaten </td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

hypergepolariseerde xenon nmr en mri toepassingen

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en imaging (MRI) lijden intrinsieke lage gevoeligheid omdat zelfs sterk extern magnetisch veld van ~ 10 T genereren slechts een klein detecteerbaar netto-magnetisatie van het monster bij kamertemperatuur 1. Vandaar dat de meeste NMR en MRI applicaties op de detectie van moleculen in relatief hoge concentratie (bijv. water voor beeldvorming van biologisch weefsel) of al te veel Zoektijden. Dit beperkt ons vermogen om de zeer nuttige moleculaire specificiteit van NMR signalen voor vele biochemische en medische applicaties. Echter, nieuwe benaderingen zijn ontstaan ​​in de afgelopen jaren: Manipulatie van de gedetecteerde rotatie species voor detectie in de NMR / MRI magneet belangrijke verhoging van de magnetisatie en dus kan de aanwezigheid van moleculen bij veel lagere concentratie 2. Hier geven we een werkwijze voor polarisatie van een gasmengsel xenon (Xe 2-5%, 10%N2, He balans) in een compacte opstelling met een ca. 16000-voudige verbetering van het signaal. Modern line-versmald diodelasers een efficiënte polarisatie 7 en onmiddellijk gebruik van gasmengsel, zelfs als het edelgas is niet gescheiden van de andere componenten. De SEOP inrichting wordt uitgelegd en bepaling van de bereikte spinpolarisatie is aangetoond voor controlefuncties van de werkwijze. Het gehyperpolariseerde gas kan worden gebruikt voor lege ruimte beeldvorming, met inbegrip gasstroom imaging of diffusie studies van de interfaces met andere materialen 8,9. Bovendien is de Xe NMR signaal uiterst gevoelig voor de moleculaire omgeving 6. Hierdoor kan de optie om het te gebruiken als een NMR / MRI contrastmiddel wanneer opgelost in waterige oplossing met gefunctionaliseerde moleculaire hosts die tijdelijk de val gas 10,11. Directe detectie en hoge gevoeligheid indirecte detectie van dergelijke constructen is aangetoond in zowel spectroscopische en imaging mode. &lt;/ P&gt;

De productie van gehyperpolariseerde xenon door middel van spin-uitwisseling optisch pompen (SEOP) beschreven. Deze methode levert een ~ 10.000-voudige versterking van de kernspin polarisatie van Xe-129 en heeft toepassingen in nucleaire magnetische resonantie spectroscopie en imaging. Voorbeelden van gasfase en oplossingstoestand proeven zijn.

Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen

Kernmagnetische resonantie (NMR)-spectroscopie en beeldvorming (MRI) lijden onder een intrinsiek lage gevoeligheid, omdat zelfs sterke externe magnetische velden van ~10 ...

Het algemene doel van het volgende experiment is het produceren van hypergepolariseerd xenon en het uitvoeren van NMR- en MRI-metingen met een verhoogde gevoeligheid. Dit wordt bereikt door middel van een proces genaamd spin-uitwisselingsoptische pomping met rubidiumdamp om een hoge nucleaire spinpolarisatie van xenon te verkrijgen. In een tweede stap worden de verkregen NMR-signalen vergeleken met die van een thermisch gepolariseerd xenonmonster, wat kwantificering van de behaalde polarisatie mogelijk maakt.Vervolgens worden NMR-spectroscopie- en beeldvormingsexperimenten uitgevoerd om een hoge gevoeligheid en moleculaire specificiteit aan te tonen. De resultaten laten zien dat xenon kan worden gebruikt als NMR-contrastmiddel, zowel in gasfase als opgelost in een vloeistof, op basis van nieuwe detectieschema's zoals hyperpolarisatie. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals protonen-MRI, is dat xenon in veel lagere concentraties kan worden gedetecteerd en met een hoge specificiteit voor de moleculaire omgeving, dankzij de mogelijkheid om gefunctionaliseerde contrastmiddelen te ontwerpen die binden aan een specifiek doelmolecuul.De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de diagnose van diverse ziekten. Zo kan deze techniek inzicht bieden in R-imaging in de gasfase. Het kan daarnaast worden toegepast op experimenten in de vloeistofstadium voor het detecteren van bepaalde analyten.Over het algemeen zullen mensen die nieuw zijn met deze techniek problemen ondervinden omdat gedetailleerde documentatie van veel voorbereidingsstappen niet beschikbaar is. Het voorkomen van oxidatie van het rubidium tijdens de laadprocedure en tijdens de werking van de hyperpolarisatie zijn kritische stappen in deze procedure om het rubidium onder een inerte atmosfeer te houden. De laadprocedure wordt uitgevoerd in een glovebox en de hyperpolariserende gas-monofold wordt onder een beschermende argonatmosfeer gehouden.Om dit protocol te starten, bereidt u een optische pompcel in een glovebox voor zoals beschreven in de schriftelijke procedure. Controleer, in aanvulling op deze video, op ongewenste zuurstof in de glovebox door een gloeilamp aan te zetten waarvan de gloeidraad aan de atmosfeer is blootgesteld; het is veilig om het rubidium te hanteren als er geen rook van de gloeiende draad wordt waargenomen. Breek een rubidiumampul en smelt het alkalimetaal met een föhn.Zuig met een pipetkop wat vloeibaar rubidium op en injecteer dit in de pompcelt voordat de cel uit de glovebox wordt gehaald. Bevestig, zoals in de tekst beschreven, het verwarmingstoestel aan de onderkant van de cel en controleer of het verwarmingstoestel met zijn thermokoppel een goede thermische verbinding heeft. Verbind de cel met behulp van een zichtbare richtbundel met de polarisatormanifold en zorg ervoor dat deze is uitgelijnd met de laserstraallijn die de cel tijdens het pompproces belicht.Bevestig tot slot een thermokoppel aan de bovenkant van de cel. Vacumeer de buisverbindingen tot aan de inlaat- en uitlaatklep van de pompcel. Doe dit totdat een druk van minder dan 30 × 10⁻³ millibar is bereikt.Spoel de leidingen door door drie keer de Argonne-evacuatie en -spoeling uit te voeren, terwijl de Argonne-tank openstaat naar de inlaat van de pompcel. Open langzaam de inlaat- en uitlaatklep van de cel. Open de uitlaatklep van de polarisator voorzichtig een klein beetje om een argonstroom van ongeveer één standaardliter per minuut door het verdeelstuk te creëren, en handhaaf deze stroom gedurende twee minuten.Nadat de uitlaatklep van de polarisator en de inlaatverbinding met de Argonne-tank zijn gesloten, dient de verwarming van de pompcelt te worden ingeschakeld om de rubidiumdruppel te verdampen. Open vervolgens de verbinding voor het xenon-gasmengsel naar de polarisator-opstelling. De tankregelaar moet worden ingesteld op een overdruk van ongeveer 3,5 bar.Zet de laser aan en stem de emissiegolflengte vervolgens af op ongeveer 794,8 nanometer door de ingestelde temperatuur van de diodekoeling aan te passen. Bewaak het laserprofiel via een optische spectrometer. Schakel het magnetisch veld rond de pompcel in terwijl u de transmissie van het laserprofiel volgt; deze zou onmiddellijk moeten stijgen aangezien het veld selectieve optische pomping veroorzaakt. Wacht tot alle temperaturen gestabiliseerd zijn.De polarisator is nu klaar voor gebruik. Deze animatie geeft een samenvatting van de algemene opstelling voor spin-uitwisselingsoptische pomping. De laserstraal wordt eerst in diameter vergroot door een primaire straaluitreker en gaat door een polariserende bundelsplitserkubus of PBC; rotatie van deze kubus verandert de relatieve intensiteiten van de gewone en buitengewone straal voor de positie met maximale transmissie.De snelle as van de PBC is uitgelijnd met de dominante polarisatieas van het invallende licht. De lineaire polarisatie van het doorgelaten licht kan worden getest met gebruik van een tweede PVC als analyzer. Het invoegen van een kwartgolflammet zet de lineaire polarisatie om in circulaire polarisatie.Als de snelle as 45 graden is gedraaid ten opzichte van de snelle as van de eerste PBC. De intensiteit van het doorgelaten licht zou nu onafhankelijk moeten zijn van de rotatie van de tweede kubus. Door de analyserende componenten te verwijderen en te vervangen door een secundaire straaluitbreider, wordt de juiste straaldiameter verkregen om de pompcel te belichten.Een rubidiumdruppel in deze cel wordt gedeeltelijk verdampt. Zodra een verwarmingsapparaat buiten de cel wordt ingeschakeld, verdeelt het xenon-gasmengsel dat door de opstelling stroomt in tegenovergestelde richting van de laserstraal deze damp over de gehele cel zonder magnetisch veld. Dit veroorzaakt een algemene D1-excitatie van de rubidiumatomen en een sterke absorptie van het laserlicht.Het inschakelen van het magnetisch veld maakt het mogelijk om selectief te pompen op slechts één overgang tussen de nu gedefinieerde magnetische subniveaus. Ter voorbereiding op een NMR-meting plaatst u een reageerbuis met water in de NMR-probekop. Voer de tuning en matching uit van het radiofrequentie- of RF-circuit voor het proton en shim het xenonkanaal op het watersignaal.Vervang, met behulp van de automatische shim-routine van de MRI-gebruikersinterface, het watermonster door het gasstroomfantoom. Verbind de uitlaatbuis van de polarisator met de inlaat van het testfantoom met vijf capillairen om het xenon te injecteren, en de gasafvoerbuis met de aansluiting van de massastroomregelaar. Zorg dat de gasstroomregelaars gesloten staan en open vervolgens langzaam de uitlaatklep van de polarisator om het fantoom onder druk te zetten.Stel de stroomsnelheid in op ongeveer 0,5 standaardliters per minuut. Om een continue stroom door het fantoom te starten voor het bepalen van de vereiste excitatiepulslengte, wordt met de NMR-spectrometer een reeks free induction decay- of FID-signalen verkregen. Gebruik een harde puls van ongeveer 50% van het maximale nominale vermogen voor de probe en varieer de excitatie-lengtes; in dit geval wordt een harde puls met een attenuatie van 10 decibel gebruikt.Voer de experimentele parameters in zoals vermeld in het geschreven protocol dat bij deze video is gevoegd. Verlaag de flow naar 0,1 standard leaders per minuut, verhoog de herhalingstijd naar 15 seconden en laat de overige parameters ongewijzigd. Verwerf een dataset met 16 FID-scans terwijl het hypergepolariseerde xenon door het monster stroomt.Voer de Fourier-transformatie uit en meet de piekintegraal in het spectrum. Noteer de resonantiefrequentie van de gaspedpiek in Hertz. Vacueer vervolgens een dikwandige NMR-buis die is uitgerust met een ventiel voor lage-druksealing en vul deze met een overdruk van ongeveer twee bar puur xenon.Evacueer het gasverdeelstuk dat de NMR-buis vasthoudt en vul ongeveer 0,2 bar zuivere zuurstof bovenop het xenon in de NMR-buis. Vervang het eerder gebruikte gasstroomfantoom in de NMR-magneet door deze NMR-buis met lage druk en herhaal dezelfde meting als bij het gasstroomfantoom. Dit zal de referentie-NMR-signaalintensiteit opleveren voor thermisch gepolariseerd Xon met een hoge concentratie.Om xenum-oplossing toestandsspectroscopie uit te voeren, dient eerst een monster van 50 tot 200 micromolair xenon te worden bereid, zoals beschreven in het schriftelijke protocol. Neem ongeveer 1,5 milliliters van deze oplossing en vul hiermee het gasstroom-fantoom, waarbij men erop let dat de vijf gefuseerde silica-capillairen voldoende beluchting van de oplossing met het xenumgasmengsel mogelijk maken. Nadat het fantoom in de NMR-probe is geplaatst, wordt een FID-acquisitie met een passende vertraging gebruikt.Triggerpulsen vanuit de spectrometer om de massedoorstroomregelaars te openen en te sluiten. Voer 16 of 32 herhalingen uit met een spectrale breedte van 40 kilohertz, gecentreerd op ongeveer 11 kilohertz downfield van de eerder bepaalde gasresonantiefrequentie; de FID-uitlezing moet 500 tot 1000 milliseconden zijn. Voer een Fourier-transformatie van de FID uit om de spectrumset te verkrijgen.De chemische verschuifingswaarde voor de gasfase, wat het meest rechtse signaal ten opzichte van nul PPM is. Noteer de frequentie van het intense oplossingssignaal, wat het meest linker signaal is, in Hertz en PPM. Noteer daarnaast de offset tussen dit signaal bij delta oplossing en het signaal van ingekapseld xenon bij delta kooi.De hier getoonde animatie legt het sess-effect uit. K-Khaan-kooien dienen als moleculaire gastheren om xenonatomen vast te leggen, die bij dit bindingsproces hun resonantiefrequentie wijzigen. Hier weergegeven als een overgang van blauw naar groen; een eerste NMR-acquisitie bepaalt de hoeveelheid ongebonden xenon als referentiesignaal.Vervolgens wordt de magnetisatie van alleen de ingesloten atomen vernietigd door een selectieve verzadigingspuls. Omdat de binding van xenon een reversibel proces is, heft een lange puls de magnetisatie van veel atomen op, en een tweede NMR-acquisitie onthult een aanzienlijke afname van het signaal van vrij xenon in vergelijking met het referentiesignaal. Selecteer, na het voorbereiden van het NMR-monster zoals beschreven in het geschreven protocol, een single-shot echo planaire beeldvormingssequentie voor snelle beeldvorming.Deze sequentie moet mogelijk worden aangepast om vertragingen en triggerpulsen van de spectrometer voor het openen en sluiten op te nemen. De massflowcontrollers maken een borreltijd van ongeveer 15 tot 20 seconden mogelijk bij 0,1 standaardliter per minuut, gevolgd door een wachttijd van vijf tot acht seconden zodat de bellen kunnen verdwijnen, waarna de MRI en coating volgen. Stel de detectiekern in op xenon 1 29 op het X-kanaal en de frequentie van de zender-waarnemer in op de waarde die is bepaald voor het oplossingssignaal.Gebruik de RF-pulscalculator om de pulsparameters die bij de spectroscopie-metingen zijn gebruikt, om te zetten naar de excitatie voor de beeldgevingssequentie. Open de CST-preparatiemodule, een aangepaste magnetisatie-overdrachtsmodule voor signaalpreparatie, en schakel een continue-golf pre-SAT-puls in. Voer twee scans uit in transversale oriëntatie, waarbij de draaggolffrequentie van deze verzadigingspuls één keer wordt ingesteld op delta cage equals delta solution minus delta omega en één keer op delta control equals delta solution plus delta omega.Gebruik een tool voor beeldbewerking. Genereer het hyper CET-verschilbeeld door het beeld met verzadiging bij delta cage af te trekken van het beeld met verzadiging bij delta control. Het resultaat moet uitsluitend de gebieden markeren waar de xenon-gast aanwezig was.De kwaliteit van het optische pompproces kan worden gemonitord door het magnetische veld rond de cel aan en uit te schakelen. Afhankelijk van het laservermogen en de celtemperatuur wordt een bijna volledige absorptie waargenomen wanneer het magnetische veld is uitgeschakeld, en vindt er ongeveer 30% transmissie plaats wanneer het veld is ingeschakeld. Voor een NMR-systeem dat werkt bij 9,4 Tesla.De signaalversterking moet ongeveer 16.000 keer zo groot zijn bij een vergelijking tussen thermisch gepolariseerd xenon en hypergepolariseerd xenon, wat overeenkomt met een spinpolarisatie van ongeveer 15%. Het XENON 1 29 NMR-spectrum van een A-D-M-S-O-oplossing die 213 micromolair van een moleculaire gastheer bevat, moet een signaal van ingesloten xenon vertonen met een signaal-ruisverhouding van ongeveer 10 voor 16 acquisities. De hyper zest MRI-dataset laat een volledige signaalintensiteit zien voor het off-resonant controlebeeld en signaaluitputting in gebieden die de xenon-gastheermolecuul bevatten. In het on-resonant verzadigingsbeeld toont het differentiebeeld uitsluitend de gebieden die reageerden op de verzadigingspuls.Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te zorgen voor een juiste laserbelichting van de pompcelt. Deze techniek kan de weg vrijmaken voor onderzoekers op het gebied van NMR-beeldvorming om hooggevoelige detectie van biochemische analyten en testoplossingen, celculturen en potentieel levende dieren te verkennen. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe hypergepolariseerd xon voor NMR-experimenten kan worden geproduceerd.Vergeet niet dat het werken met rubidium uiterst gevaarlijk kan zijn en dat er gedurende deze procedure altijd voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen, zoals bescherming tegen ongecontroleerde oxidatie.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Een dynamische multicompartiment-fantoom wordt gebruikt om bepaalde biologie van belang te simuleren voor metabolische studies met behulp van hypergepolariseerde magneetresonantie-agentia.

Gebruik van een Multi-compartiment Dynamic enkel enzym Phantom voor Studies van gehyperpolariseerd Magnetic Resonance Agents

Hier presenteren we een protocol voor het verkrijgen van hoogwaardige hypergepolariseerde xenon-129 magnetische resonantiebeelden, die hardware, software, data-acquisitie, sequentieselectie, databeheer, k-space-gebruik en ruisanalyse omvatten.

Probleemoplossing en kwaliteitsborging bij hypergepolariseerde xenonbeeldvorming met magnetische resonantie: hulpmiddelen voor hoogwaardige beeldacquisitie

Hypergepolariseerde 129Xe magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) is een methode voor het bestuderen van regionaal opgeloste aspecten van de longfunctie. Dit werk presenteert een end-to-end gestandaardiseerde workflow voor hypergepolariseerde 129Xe MRI van longventilatie, met specifieke aandacht voor het ontwerp van pulssequenties, 129Xe-dosisvoorbereiding, scanworkflow en best practices voor het monitoren van de veiligheid van proefpersonen.

Het verkrijgen van hypergepolariseerde 129Xe magnetische resonantiebeelden van longventilatie

Het manuscript presenteert een gedetailleerd protocol voor het gebruik van hypergepolariseerd Xenon-129 chemisch verschuivingsverzadigingsherstel (CSSR) om pulmonale gasuitwisseling te traceren, de schijnbare dikte van de alveolaire septumwand te beoordelen en de oppervlakte-volumeverhouding te meten. De methode heeft het potentieel om longziekten te diagnosticeren en te monitoren.

Kwantitatieve meting van longstructuur en -functie verkregen uit hypergepolariseerde xenonspectroscopie

Lithium-ion accu's gebruiken ontvlambare en vluchtige organische elektrolyten die geschikt zijn voor de omgevingstemperatuur toepassingen zijn. Een veiliger alternatief voor organische elektrolyten zijn vaste polymeer batterijen. Vaste polymeer batterijen veilig werken bij hoge temperaturen (&gt; 120 ° C), waardoor ze voor toepassingen bij hoge temperatuur, zoals diepe olieboringen en hybride elektrische voertuigen maken. Dit document zal (a) het polymeer synthese, (b) het polymeer geleiding...

Solid-state entcopolymeer Elektrolyten voor Lithium Battery Toepassingen

Wit licht microscoop interferometrie is een optische, contactloze en snelle methode voor het meten van de topografie van oppervlakken. Wordt getoond hoe de werkwijze kan worden toegepast in de richting mechanische slijtage analyse, waarbij slijtage littekens tribologische monsters worden geanalyseerd en in materiaalkunde om ionen sputteren of laserablatie volumes en diepte bepalen.

Karakterisering van Surface Wijzigingen door Wit Licht Interferometrie: Toepassingen in Ion sputteren, Laser Ablatie en Tribologie Experimenten

Vanwege het belang en het grootschalige gebruik van palladium, goud en kobalt   metalen in high-tech apparatuur, de terugwinning en recycling vormen een belangrijk industrieel uitdaging. Het metalen recovery systeem hierin beschreven is een eenvoudige, goedkope middelen voor de effectieve opsporing, verwijdering en herstel van deze metalen uit de stedelijke mijne.

Detectie en herstel van Palladium, Goud en Cobalt metalen uit de Urban Mine via innovatieve sensoren / Adsorbentia Aangewezen met nanoschaal Wagon-wheel-vormige poriën

Een drie-dimensionale particle-tracking velocimetry (3D-PTV) systeem op basis van een high-speed camera met een vier-view splitter wordt hier beschreven. De techniek is toegepast op een straalstroom van een ringleiding in de nabijheid van tien diameters stroomafwaarts ten Reynoldsgetal Re ≈ 7000.

Driedimensionale Particle Tracking Velocimetry voor Turbulence Applications: Case van een Jet Flow

Een protocol voor het colloïdale synthese van zilver nanocubes en de fabricage van plasmonische nanoschaal patch antennes met sub-10 nm gaten wordt gepresenteerd.

Colloïdaal Synthese van Nanopatch Antennes for Applications in Plasmonics en Nanofotonica

Protocollen voor de synthese van microsferen uit polymeren, de manipulatie van microsferen en microfotoluminescentiemetingen worden voorgesteld.

Fabricage van Polymer Microsferen voor Optische Resonator en Laser Applicaties

Leer hypergepolariseerd xenon produceren voor NMR- en MRI-toepassingen met spin exchange optical pumping. Deze methode biedt hoge gevoeligheid en moleculaire specificiteit voor biomedisch onderzoek.

Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen

Meer video's verkennen