Name: Hiperspolaryzowany ksenon do zastosowań NMR i MRI (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 20 s
Description: Poznaj metodę spin exchange optical pumping do produkcji hiperpolaryzowanego ksenonu-129 dla zastosowań NMR i MRI. Technika ta umożliwia wykrywanie przy niskich stężeniach z wysoką specyficznością molekularną.

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

Niniejszy projekt badawczy otrzymał finansowanie z Europejskiej Rady Badawczej w ramach Wspólnoty Europejskiej Siódmy Program Ramowy (FP7/2007-2013) / umowa o grant ERC nr &deg; 242710 oraz otrzymał dodatkowe wsparcie z Programu Human Frontier Science Program oraz Programu Emmy Noether niemieckiej Fundacji Badań (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>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Kluczowymi aspektami przygotowania hiperpolaryzowanego ksenonu są zanieczyszczenia tlenem w układzie gazowym, w tym w komórce pompowania, oraz odpowiednie oświetlenie komórki światłem spolaryzowanym kołowo. Wspomniany test z żarówką jest prostym sposobem na wykrycie szkodliwych stężeń tlenu podczas przenoszenia rubidu. Metal alkaliczny może utracić błyszczącą powierzchnię do czasu zainstalowania komórki w polaryzatorze. Niemniej jednak, wystarczające odparowanie nieutlenionego Rb można monitorować poprzez zmniejszenie tr...

Agenty hiperpolaryzowane budzą coraz większe zainteresowanie w zastosowaniach NMR/MRI, ponieważ w określonych warunkach mogą rozwiązać problem czułości 2. Obecnie stosuje się trzy główne podejścia (dynamiczną polaryzację jądrową, DNP; polaryzację indukowaną parawodorem, PHIP; oraz optyczne pompowanie wymiany spinowej, SEOP), które polegają na sztucznym zwiększeniu różnicy populacji spinów poza magnesem NMR przed właściwym eksperymentem spektroskopowym lub obrazowym. W niniejszym materiale opisujemy funkcję i działanie układu SEOP, który został zoptymalizowany pod kątem produkcji hiperpolaryzowanego 129Xe wykorzystywanego w eksperymentach w stanie roztworu.
Niezbędnym elementem jest intensywne źródło światła emitujące fotony podczerwieni o długości fali 795 nm. Macierze diod laserowych (LDA) to wygodne urządzenia zapewniające wysoką moc wyjściową &gt; 100 W przy rozsądnym koszcie. W wielu układach LDA emituje światło do światłowodu, który w mniejszym lub większym stopniu zachowuje polaryzację światła laserowego. Aby zagwarantować prawidłowy przebieg procesu SEOP, polaryzacja eliptyczna musi zostać przekształcona w polaryzację kołową o wysokiej czystości. Główne komponenty optyki polaryzacyjnej przedstawiono na Rysunkach 1 i 2, a konfiguracja systemu została wyjaśniona schematycznie w filmie uzupełniającym 1.
Aby uzyskać kołową polaryzację światła, najpierw podłączamy końcówkę włókna do optyki rozszerzającej wiązkę główną (np. kolimatora światłowodowego) w celu zmniejszenia gęstości mocy. Następnie światło przechodzi przez kostkę polaryzacyjnego dzielnika wiązki, generując światło liniowo spolaryzowane. Poprzez obracanie tej kostki możemy za pomocą watometru określić preferowaną oś pozostałej polaryzacji. Maksymalna transmitancja odpowiada sytuacji, w której szybka oś kostki jest wyrównana z główną osią polaryzacji światła. Kostki o wysokich współczynnikach wygaszenia (100 000 : 1 lub lepszych) zapewniają dobrą separację składowych polaryzacji. Można to sprawdzić, używając drugiej kostki dzielnika wiązki jako analizatora, którą obraca się podczas gdy pierwsza jest ustawiona dla maksymalnej transmitancji wiązki nadzwyczajnej.
Po potwierdzeniu liniowej polaryzacji światła przechodzącego, w wiązkę nadzwyczajną wprowadza się płytkę ćwierćfalową (λ/4) zaprojektowaną dla 795 nm, aby przekształcić polaryzację liniową w kołową. W tym celu oś szybką płytki ćwierćfalowej obraca się o 45 ° względem osi szybkiej kostki dzielnika wiązki. (W razie potrzeby, w podobny sposób można uzyskać polaryzację kołową odbitej wiązki zwyczajnej, której oś polaryzacji liniowej jest prostopadła do wiązki nadzwyczajnej).
Jakość polaryzacji kołowej można sprawdzić za pomocą drugiego kostki dzielnika wiązki, która powinna zapewniać stałą transmitancję podczas obrotu. Następnie wtórna optyka rozszerzająca wiązkę (np. dwie soczewki w konfiguracji teleskopu Galileusza) zwiększa średnicę wiązki, aby całkowicie oświetlić cel szklany podczas procesu pompowania wewnątrz komory pieca. Absorpcja światła laserowego przez opary Rb w celi jest monitorowana przez otwór przypływowy za celą pompową na końcu komory: kolimator zbiera osłabioną wiązkę IR w celu analizy za pomocą spektrometru optycznego (patrz Rycina 3 w celu zapoznania się z konfiguracją celi pompowania).
Mechanizm grzewczy znajdujący się na zewnątrz celi pompowania częściowo odparowuje kroplę Rb znajdującą się wewnątrz celi (Rysunek 4a), co powoduje absorpcję światła laserowego. Gęstość pary można regulować za pomocą wartości zadanej grzania w odpowiednim kontrolerze PID. Wysokie temperatury (ok. 190 °C) są korzystne w kompaktowych układach, w których ksenon ma ograniczony czas na zbudowanie polaryzacji. Mieszanina gazów zawierająca Xe, N2 oraz He przepływa przez celę pompowania w kierunku przeciwnym do wiązki lasera (Rysunek 3). Zewnętrzne pole magnetyczne wyrównane z wiązką lasera zapewnia, że fotony IR pompują tylko jedno przejście Rb. Relaksacja stanów elektronowych jest szybka i musi być nieradiacyjna, aby uniknąć emisji fotonów IR o „błędnej” polaryzacji. W tym miejscu N2 pełni rolę gazu wygaszającego. W rezultacie w układzie Rb powstaje nadpopulacja jednego z podpoziomów stanu podstawowego, podczas gdy drugi jest stale opróżniany przez laser (Rysunek 5). Ksenon, wchodząc w bliski kontakt z atomami Rb, ulega oddziaływaniom spin-spin, a polaryzacja spinu elektronowego jest przenoszona na jądra Xe w procesach typu flip-flop.
Hiperpolaryzowany gaz wypływający z komory pompowania zawiera śladowe ilości par Rb, które skraplają się na ściankach rurek w odległości kilku cm od wylotu ze względu na niską temperaturę (podobnie jak na Rysunku 4b). Zastosowania in vivo wymagałyby jednak dodatkowego usunięcia metalu alkalicznego (np. za pomocą pułapki zimna), natomiast eksperymenty in vitro można bezpiecznie przeprowadzać z gazem bezpośrednio po jego opuszczeniu hiperpolaryzatora. Rurki teflonowe łączą wylot polaryzatora z wlotem szklanego aparatu służącego do przeprowadzania eksperymentów NMR na roztworach testowych. Do regulacji ilości Xe przepływającej do układu NMR stosuje się kontrolery przepływu masowego. Są one uruchamiane za pomocą komend w sekwencji impulsów NMR. Po sprawdzeniu osiągniętego wzrostu polaryzacji gaz może być wykorzystany jako środek kontrastowy w badaniach NMR/MRI w stanie roztworu.
Xe wykazuje określoną rozpuszczalność w wodzie (4,5 mM/atm) oraz w innych rozpuszczalnikach. Dzięki temu może on już sam w sobie służyć jako środek kontrastowy do obrazowania rozkładu niektórych cieczy. Możliwe jest jednak również powiązanie jąder aktywnych w NMR z określonymi cząsteczkami, aby pozyskać informacje specyficzne dla danej cząsteczki za pośrednictwem tego w innym wypadku obojętnego gazu. Poprzez zapewnienie gospodarza molekularnego dla rozpuszczonego Xe można nadać sygnałowi Xe NMR specyficzność molekularną. Daje to możliwość zaprojektowania funkcjonalizowanych środków kontrastowych – nazywanych również biosensorami – w przypadku, gdy taka struktura gospodarza zostanie sprzężona z jednostką celującą, która wiąże się ze specyficznymi analitykami o znaczeniu biomedycznym (Rysunek 6).
Dalsze zwiększenie czułości jest wymagane w przypadku, gdy biosensor powinien być wykrywany przy stężeniach niskich dla kontrastów do MR (&lt; 100 μM). Można to osiągnąć za pomocą transferu nasycenia poprzez wymianę chemiczną (CEST). Metoda ta wykrywa biosensor pośrednio poprzez niszczenie namagnesowania zamkniętego Xe i obserwację zmiany sygnału wolnego Xe w roztworze. Ponieważ hiperpolaryzowane jądra są nieustannie zastępowane w odstępach około 10 ms, wiele od 100 do 1000 jąder przenosi informacje do wykrywanej puli i wzmacnia sygnał około 103-krotnie (patrz film 2).

<table><tbody><tr><td>Sztabka Rb</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>276332-1G</td><td></td></tr><tr><td>P&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;</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&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>00476-1EA</td><td></td></tr><tr><td>System laserowy</td><td>QPC Lasers/Laser Operations</td><td>Brightlock 50</td><td></td></tr><tr><td>System próżniowy</td><td>Pfeiffer</td><td>HiCube</td><td></td></tr><tr><td>Termopary</td><td>Newport Omega</td><td>SA2F-KI-3M</td><td></td></tr><tr><td>Grzałka krzemowa</td><td>Newport Omega</td><td>FMA5514</td><td></td></tr><tr><td>Przetwornik ciśnienia</td><td>Newport Omega</td><td>PR 33X-V-10</td><td></td></tr><tr><td>Miernik procesowy</td><td>Newport Omega</td><td>INFCP-100B</td><td></td></tr><tr><td>Sterowniki przepływu masowego</td><td>Newport Omega</td><td>MFC</td><td></td></tr><tr><td>Regulatory PID</td><td>Newport Omega</td><td>CN7800</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie sterujące</td><td>Newport Omega</td><td>DasyLab</td><td></td></tr><tr><td>Akwizycja danych</td><td>Newport Omega</td><td>Daqboard 3000</td><td></td></tr><tr><td>Czujnik próżni</td><td>Oerlikon</td><td>TTR91</td><td></td></tr><tr><td>Sterownik próżni</td><td>Vacom</td><td>MVC-3</td><td></td></tr><tr><td>Kolimator wiązki</td><td>Thorlabs</td><td>F810SMA-780</td><td></td></tr><tr><td>Kostka polaryzacyjnego dzielnika wiązki</td><td>Thorlabs</td><td>GL15-B</td><td></td></tr><tr><td>Płytka ćwierćfalowa &amp;#955;/4</td><td>Thorlabs</td><td>WPQ10M-780</td><td></td></tr><tr><td>Soczewki rozszerzające wiązkę</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Spektrometr optyczny</td><td>Ocean Optics</td><td>HR4000</td><td></td></tr><tr><td>Włókno optyczne</td><td>Ocean Optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Niskociśnieniowa probówka NMR</td><td>Wilmad</td><td>513-7LPV-7</td><td></td></tr><tr><td>Probówka NMR 5 mm</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HX58.1</td><td></td></tr><tr><td>Cewki Helmholtza</td><td>Phywe</td><td>06960-00</td><td></td></tr><tr><td>Kapilary z topionego kwarcu</td><td>Polymicro</td><td>TSG 250350</td><td></td></tr></tbody></table>

hiperpolaryzowany ksenon w zastosowaniach nmr i mri

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Spektroskopia i obrazowanie magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR/MRI) charakteryzują się niską czułością, ponieważ nawet silne zewnętrzne pola magnetyczne o natężeniu ~10 T generują w temperaturze pokojowej jedynie niewielką, wykrywalną namagnesowanie netto próbki 1. W związku z tym większość zastosowań NMR i MRI opiera się na detekcji cząsteczek o stosunkowo wysokim stężeniu (np. wody w obrazowaniu tkanek biologicznych) lub wymaga nadmiernie długiego czasu akwizycji. Ogranicza to możliwość wykorzystania bardzo użytecznej specyficzności molekularnej sygnałów NMR w wielu zastosowaniach biochemicznych i medycznych. W ostatnich latach pojawiły się jednak nowe podejścia: manipulacja wykrywanymi gatunkami spinowymi przed detekcją wewnątrz magnesu NMR/MRI może drastycznie zwiększyć namagnesowanie, a tym samym umożliwić detekcję cząsteczek o znacznie niższym stężeniu 2.
W niniejszej pracy przedstawiamy metodę polaryzacji mieszaniny gazu ksenonowego (2-5% Xe, 10% N2, reszta He) w kompaktowej instalacji, zapewniającą około 16000-krotne wzmocnienie sygnału. Nowoczesne lasery diodowe o zwężonej linii pozwalają na efektywną polaryzację 7 i bezpośrednie wykorzystanie mieszaniny gazowej, nawet jeśli gaz szlachetny nie został oddzielony od pozostałych składników. Omówiono działanie aparatury SEOP oraz zaprezentowano wyznaczanie osiągniętej polaryzacji spinowej w celu kontroli wydajności metody.
Hiperpolaryzowany gaz może być wykorzystywany do obrazowania wolnych przestrzeni, w tym do obrazowania przepływu gazu lub badań dyfuzji na granicach faz z innymi materiałami 8,9. Ponadto sygnał NMR Xe jest niezwykle czuły na otoczenie molekularne 6. Umożliwia to jego zastosowanie jako środka kontrastowego w NMR/MRI po rozpuszczeniu w roztworze wodnym z funkcjonalizowanymi gospodarzami molekularnymi, które tymczasowo zatrzymują gaz 10,11. Bezpośrednią detekcję oraz wysokoczułą detekcję pośrednią takich struktur zaprezentowano zarówno w trybie spektroskopowym, jak i obrazowania.

Opisano proces wytwarzania hiperpolaryzowanego ksenonu za pomocą optycznego pompowania wymiany spinowej (SEOP). Metoda ta pozwala na ok. 10000-krotne zwiększenie polaryzacji spinu jądrowego Xe-129 i znajduje zastosowanie w spektroskopii oraz obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego jąder. Przedstawiono przykłady eksperymentów w fazie gazowej oraz w stanie roztworu.

Hiperpolaryzowany ksenon w zastosowaniach NMR i MRI

Spektroskopia i obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jądrowego (NMR i MRI) charakteryzują się niską czułością wewnętrzną, ponieważ nawet silne zewnętrzne pola magnetyczne rzędu ~10...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest wytworzenie hiperpolaryzowanego ksenonu oraz przeprowadzenie pomiarów NMR i MRI o zwiększonej czułości. Cel ten osiąga się poprzez proces zwany optycznym pompowaniem wymiany spinowej z użyciem par rubidu, aby uzyskać wysoką polaryzację spinową jąder ksenonu. W drugim kroku uzyskane sygnały NMR są porównywane z sygnałami z próbki ksenonu o polaryzacji termicznej, co pozwala na ilościowe określenie osiągniętej polaryzacji.Następnie wykonuje się eksperymenty z zakresu spektroskopii i obrazowania NMR w celu wykazania wysokiej czułości i specyficzności molekularnej. Uzyskane wyniki pokazują, że ksenon może być stosowany jako środek kontrastowy w NMR, zarówno w fazie gazowej, jak i rozpuszczony w roztworze, w oparciu o nowatorskie schematy detekcji, takie jak hyper zest. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak obrazowanie MR protonowe, jest możliwość wykrycia ksenonu przy znacznie niższych stężeniach i z wysoką specyficznością względem jego środowiska molekularnego, dzięki możliwości projektowania funkcjonalizowanych środków kontrastowych wiążących się ze specyficzną cząsteczką docelową.Zastosowania tej techniki rozszerzają się na diagnostykę różnych chorób. Dzięki temu technika ta może dostarczyć informacji w obrazowaniu R w fazie gazowej. Może ona być również wykorzystana w eksperymentach w stanie roztworu do wykrywania określonych analitów.Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą techniką napotykają trudności, ponieważ brakuje szczegółowej dokumentacji wielu etapów przygotowawczych. Zapobieganie utlenianiu rubidu podczas procedury ładowania oraz w trakcie pracy układu do hiperpolaryzacji jest krytycznym elementem tej procedury, mającym na celu utrzymanie rubidu w atmosferze obojętnej. Procedura ładowania jest przeprowadzana w komorze rękawicowej, a moduł gazu do hiperpolaryzacji jest utrzymywany w ochronnej atmosferze argonu.Aby rozpocząć ten protokół, przygotuj komórkę pompowania optycznego w rękawicy laboratoryjnej (glove box) zgodnie z opisem w procedurze pisemnej. Równolegle z tym wideo sprawdź obecność niepożądanego tlenu w rękawicy, włączając żarówkę z włóknem wystawionym na działanie atmosfery; jeśli nie zaobserwowano dymu z żarzącego się włókna, manipulowanie rubidem powinno być bezpieczne. Rozbij ampułkę z rubidem i rozpuść metal alkaliczny za pomocą opalarki.Za pomocą końcówki rurki pobierz niewielką ilość ciekłego rubidu i wstrzyknij go do komórki pompowania przed wyjęciem komórki z rukawicy (glove box). Zgodnie z instrukcją zawartą w tekście, przymocuj urządzenie grzewcze do dna komórki i upewnij się, że urządzenie grzewcze wraz z termoparą ma z nią odpowiedni kontakt termiczny. Używając wiązki celowniczej światła widzialnego, podłącz komórkę do kolektora polaryzatora, upewniając się, że jest ona wyrównana z linią wiązki lasera oświetlającej komórkę podczas procesu pompowania.Na koniec przymocuj termoparę do górnej części ogniwa. Odsysaj powietrze z połączeń rurek aż do zaworu wlotowego i wylotowego ogniwa pompowego. Powtórz czynność, aż zostanie osiągnięte ciśnienie poniżej 30 × 10⁻³ mbar.Przepłucz linie, wykonując trzykrotne cykle ewakuacji i przedmuchania argonem, przy otwartym zbiorniku z argonem skierowanym do wlotu komory pompowania. Powoli otwórz zawór wlotowy i wylotowy komory. Ostrożnie uchyl zawór wylotowy polaryzatora, aby ustanowić przepływ argonu o wartości około jednego standardowego litra na minutę przez rozdzielacz i utrzymuj ten przepływ przez dwie minuty.Po zamknięciu zaworu wylotowego polaryzatora oraz przyłącza wlotowego do zbiornika Argonne, włącz grzałkę komory pompowania, aby odparować kroplę rubidu. Następnie otwórz przyłącze mieszanki gazu ksenonowego do układu polaryzatora. Regulator zbiornika powinien być ustawiony na nadciśnienie wynoszące około 3,5 bar.Włącz laser, a następnie dostrój jego długość fali emisji do około 794,8 nanometrów, regulując ustawioną temperaturę chłodziwa diody. Monitoruj profil lasera za pomocą spektrometru optycznego. Włącz pole magnetyczne wokół komórki pompowania, monitorując profil lasera; transmisja powinna natychmiast wzrosnąć, ponieważ pole powoduje selektywne pompowanie optyczne. Odczekaj, aż wszystkie temperatury się ustabilizują.Polaryzator jest teraz gotowy do użycia. Ta animacja podsumowuje ogólną konfigurację dla optycznego pompowania wymiany spinowej. Wiązka laserowa jest najpierw zwiększana w średnicy przez główny expander wiązki, a następnie przechodzi przez polaryzacyjny dzielnik wiązki w kostce lub PBC; obrót tej kostki zmienia względne natężenia wiązki zwykłej i nadzwyczajnej dla pozycji o maksymalnej transmisji.Szybka oś PBC jest ustawiona zgodnie z dominującą osią polaryzacji światła padającego. Polaryzację liniową światła przechodzącego można sprawdzić, używając drugiego PVC jako analizatora. Wstawienie płytki ćwierćfalowej przekształca polaryzację liniową w kołową.Jeśli jego oś szybka jest obrócona o 45 stopni względem osi szybkiej pierwszego PBC. Natężenie transmitowanego światła powinno być teraz niezależne od obrotu drugiej kostki. Usunięcie komponentów analizujących i zastąpienie ich wtórnym rozszerzaczem wiązki pozwala uzyskać odpowiednią średnicę wiązki do naświetlenia komórki pompowania.Kropla rubidu znajdująca się w tej celi ulega częściowemu odparowaniu. Po włączeniu grzałki zewnętrznej mieszanina gazu ksenonowego, przepływająca przez układ w kierunku przeciwnym do wiązki laserowej, rozprowadza tę parę po całej celi bez użycia pola magnetycznego. Powoduje to ogólną ekscytację linii D1 atomów rubidu i silną absorpcję światła laserowego.Włączenie pola magnetycznego umożliwia selektywne pompowanie tylko jednego przejścia pomiędzy teraz zdefiniowanymi poziomami magnetycznymi. Aby przygotować się do pomiaru NMR, należy włożyć probówkę z wodą do głowicy sondy NMR. Należy przeprowadzić strojenie i dopasowanie obwodu częstotliwości radiowej (RF) dla protonu oraz shimowanie kanału ksenonu w oparciu o sygnał wody.Korzystając z automatycznej procedury shimmingu w interfejsie użytkownika MRI, zastąp próbkę wody fantomem przepływu gazu. Podłącz rurkę wylotową polaryzatora do wlotu fantomu testowego z pięcioma kapilarami w celu wstrzyknięcia ksenonu oraz rurkę odpowietrzającą do przyłącza sterownika przepływu masy. Upewnij się, że sterowniki przepływu gazu są ustawione w pozycji zamkniętej, a następnie powoli otwórz zawór wylotowy polaryzatora, aby napressuryzować fantom.Ustaw prędkość przepływu na około 0,5 standard leaders na minutę. Aby rozpocząć przepływ ciągły przez fantom w celu określenia wymaganej długości impulsu wzbudzenia, zarejestruj serię sygnałów rozpadu indukcji swobodnej (FID) za pomocą spektrometru NMR. Użyj impulsu twardego o mocy stanowiącej około 50% maksymalnej mocy znamionowej sondy oraz różnych długości wzbudzenia; w tym przypadku zastosowano impuls twardy z tłumieniem 10 decybeli.Wprowadź parametry eksperymentu zgodnie z listą w protokole pisemnym dołączonym do tego filmu. Zmniejsz przepływ do 0,1 standard liters per minute i zwiększ czas repetycji do 15 sekund, pozostawiając pozostałe parametry bez zmian. Pozyskaj zestaw danych obejmujący 16 skanów FID podczas przepływu hiperpolaryzowanego ksenonu przez próbkę.Wykonaj transformację Fouriera i zmierz całkę z piku w widmie. Zanotuj częstotliwość rezonansową piku gazu w hercach. Następnie odessać powietrze z grubościanowej rurki NMR wyposażonej w zawór do niskich ciśnień i napełnić ją czystym ksenonem pod ciśnieniem nadmiarowym około dwóch barów.Opróżnij kolektor gazowy utrzymujący probówkę NMR i wprowadź około 0,2 bar czystego tlenu nad ksenon do probówki NMR. Zastąp wcześniej użyty fantom przepływu gazu w magnesie NMR tą niskociśnieniową probówką NMR i powtórz pomiar przeprowadzony z użyciem fantomu przepływu gazu. Pozwoli to uzyskać referencyjną intensywność sygnału NMR dla termicznie spolaryzowanego Xon o wysokim stężeniu.Aby przeprowadzić spektroskopię stanu roztworu ksenonu, należy najpierw przygotować próbkę ksenonu o stężeniu od 50 do 200 µM, zgodnie z opisem w protokole pisemnym. Należy pobrać około 1,5 mL tego roztworu i wprowadzić go do fantomu przepływu gazu, upewniając się, że pięć kapilar z topionego kwarcu umożliwia odpowiednie bąbelkowanie roztworu mieszaniną gazu ksenonowego. Po umieszczeniu przygotowanego fantomu w sondzie NMR, należy przeprowadzić akwizycję sygnału FID z zastosowaniem odpowiedniego opóźnienia.Impulsy wyzwalające ze spektrometru otwierają i zamykają regulatory przepływu masy. Wykonaj 16 lub 32 powtórzeń z szerokością widma 40 kHz, wyśrodkowaną około 11 kHz w stronę pola (downfield) od częstotliwości rezonansowej gazu określonej wcześniej; czas odczytu FID powinien wynosić od 500 do 1000 ms. Wykonaj transformację Fouriera sygnału FID w celu uzyskania zestawu widm.Wartość przesunięcia chemicznego dla fazy gazowej, która jest sygnałem znajdującym się najbliżej zera PPM po prawej stronie. Zapisz częstotliwość intensywnego sygnału roztworu, który jest sygnałem znajdującym się najdalej po lewej stronie, w hercach oraz PPM. Odnotuj również offset między tym sygnałem przy delta roztworu a sygnałem ksenonu zamkniętego w klatce przy delta klatki.Przedstawiona tutaj animacja wyjaśnia efekt sess. Klatki K Khan służą jako gospodarze molekularne do wychwytywania atomów ksenonu, których częstotliwość rezonansowa ulega zmianie w wyniku tego zdarzenia wiązania. Przedstawiona tutaj jako przejście z koloru niebieskiego na zielony, pierwsza akwizycja NMR określa ilość niewiązanego ksenonu jako sygnał referencyjny.Następnie selektywny impuls nasycenia, oddziałujący tylko na klatki, niszczy ich namagnesowanie. Ponieważ wiązanie ksenonu jest procesem odwracalnym, długi impuls znosi namagnesowanie wielu atomów, a drugie nabycie sygnału NMR ujawnia znaczny spadek sygnału wolnego ksenonu w porównaniu z sygnałem referencyjnym. Po przygotowaniu próbki do NMR zgodnie z opisanym w protokole pisemnym sposobem, wybierz sekwencję obrazowania planarnego echo dla pojedynczego przejścia (single shot echo planar imaging) w celu szybkiego obrazowania.Sekwencja ta może wymagać modyfikacji w celu uwzględnienia opóźnień oraz impulsów wyzwalających otwieranie i zamykanie spektrometru. Kontrolery przepływu masy umożliwiają około 15 do 20 sekund bąbelkowania przy przepływie 0,1 standard liter per minute oraz następujące po tym pięcio- do ośmiosekundowe opóźnienie oczekiwania na zniknięcie pęcherzyków, a następnie badanie MRI i powlekanie. Ustaw jądro detekcyjne na xenon 1 29 w kanale X, a częstotliwość nadajnika-obserwatora na wartość wyznaczoną dla sygnału roztworu.Używając narzędzia kalkulatora impulsów RF, przelicz parametry impulsów stosowane w pomiarach spektroskopowych na wzbudzenie wykorzystywane w sekwencji obrazowania. Otwórz moduł przygotowania CST, zmodyfikowany moduł transferu namagnesowania do przygotowania sygnału, i włącz ciągły impuls pre-SAT. Wykonaj dwa skany w orientacji poprzecznej, ustawiając częstotliwość nośną tego impulsu saturacji raz na delta cage equals delta solution minus delta omega, a drugi raz na delta control equals delta solution plus delta omega.Używając narzędzia do postprocesingu obrazów, wygeneruj obraz różnicowy hyper CET poprzez odjęcie obrazu z nasyceniem w delta cage od obrazu z nasyceniem w delta control. Wynik powinien uwypuklić jedynie obszary, w których obecny był gospodarz ksenonowy.Jakość procesu pompowania optycznego można monitorować poprzez włączanie i wyłączanie pola magnetycznego wokół cewki. W zależności od mocy lasera i temperatury cewki, przy wyłączonym polu magnetycznym obserwuje się prawie całkowitą absorpcję, natomiast przy włączonym polu transmisja wynosi około 30%. Dla systemu NMR pracującego przy 9,4 Tesla.Wzmocnienie sygnału powinno być około 16 000-krotne przy porównaniu ksenonu spolaryzowanego termicznie z ksenonem hiperpolaryzowanym, co odpowiada polaryzacji spinowej na poziomie około 15%. Widmo NMR ¹²⁹Xe roztworu DMSO zawierającego 213 µM gospodarza molekularnego powinno wykazywać sygnał ksenonu uwięzionego z stosunkiem sygnału do szumu wynoszącym około 10 dla 16 akwizycji. Zestaw danych MRI hiper-ksenonu wykazuje pełną intensywność sygnału dla obrazu kontrolnego poza rezonansem oraz spadek sygnału w obszarach zawierających cząsteczkę gospodarza ksenonu. Na obrazie nasycenia w rezonansie, obraz różnicowy wyświetla wyłącznie obszary, które zareagowały na impuls nasycenia.Podczas wykonywania tej procedury ważne jest zapewnienie prawidłowego naświetlania laserem celi pompowania. Technika ta może utorować drogę badaczom w dziedzinie obrazowania NMR do eksploracji wysokoczułej detekcji analitytów biochemicznych i roztworów testowych, kultur komórkowych, a potencjalnie także żywych zwierząt. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak wytworzyć hiperpolaryzowany ksenon do eksperymentów NMR.Należy pamiętać, że praca z rubidem może być niezwykle niebezpieczna i na każdym etapie tej procedury należy zawsze stosować środki ostrożności, takie jak ochrona przed niekontrolowanym utlenianiem.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ksenon hiperpolaryzowany dla zastosowań NMR i MRI

Wielokompartmentowy dynamiczny fantom jest używany do symulacji niektórych interesujących biologicznych badań metabolicznych przy użyciu hiperspolaryzowanych czynników rezonansu magnetycznego.

Wykorzystanie wielokompartmentowego dynamicznego fantomu pojedynczego enzymu do badań hiperspolaryzowanych czynników rezonansu magnetycznego

Tutaj prezentujemy protokół uzyskiwania wysokiej jakości hiperpolaryzowanych obrazów rezonansu magnetycznego ksenonu-129, obejmujący sprzęt, oprogramowanie, akwizycję danych, wybór sekwencji, zarządzanie danymi, wykorzystanie przestrzeni k i analizę szumów.

Rozwiązywanie problemów i zapewnienie jakości w hiperspolaryzowanym ksenonowym rezonansie magnetycznym: narzędzia do pozyskiwania wysokiej jakości obrazów

Hiperspolaryzowany rezonans magnetyczny 129Xe (MRI) to metoda badania regionalnie rozdzielonych aspektów funkcji płuc. Praca ta przedstawia kompleksowy, ustandaryzowany przepływ pracy dla hiperspolaryzowanego rezonansu magnetycznego 129Xe wentylacji płuc, ze szczególnym uwzględnieniem projektowania sekwencji impulsów, przygotowania dawki 129Xe, przebiegu skanowania i najlepszych praktyk w zakresie monitorowania bezpieczeństwa pacjenta.

Pozyskiwanie hiperspolaryzowanych obrazów rezonansu magnetycznego 129xe wentylacji płuc

Rękopis przedstawia szczegółowy protokół użycia hiperspolaryzowanego odzyskiwania nasycenia chemicznego ksenonu-129 (CSSR) do śledzenia wymiany gazowej w płucach, oceny pozornej grubości ściany przegrody pęcherzykowej i pomiaru stosunku powierzchni do objętości. Metoda ta może pomóc w diagnozowaniu i monitorowaniu chorób płuc.

Ilościowa miara struktury i funkcji płuc uzyskana z hiperpolaryzowanej spektroskopii ksenonowej

Baterie litowo-jonowe wykorzystują łatwopalne i lotne elektrolity organiczne, które są odpowiednie do zastosowań w temperaturze otoczenia. Bezpieczniejszą alternatywą dla elektrolitów organicznych są akumulatory polimerowe ze stali kości. Akumulatory polimerowe działają bezpiecznie w wysokich temperaturach (&gt;120 °C), dzięki czemu można je stosować w zastosowaniach wysokotemperaturowych, takich jak głębokie wiercenia ropy naftowej i hybrydowe pojazdy elektryczne. W tym artykule omówiono (a)...

Elektrolity z kopolimeru kopolimeru w stanie stałym do zastosowań w bateriach litowych

Interferometria pod mikroskopem światła białego to optyczna, bezkontaktowa i szybka metoda pomiaru topografii powierzchni. Pokazano, w jaki sposób metoda może być zastosowana do analizy zużycia mechanicznego, w której analizowane są blizny po zużyciu w próbkach badań tribologicznych; oraz w materiałoznawstwie w celu określenia objętości i głębokości rozpylania wiązką jonów lub ablacji laserowej.

Charakterystyka modyfikacji powierzchni za pomocą interferometrii światła białego: zastosowania w rozpylaniu jonowym, ablacji laserowej i eksperymentach tribologicznych

Ze względu na znaczenie i szerokie zastosowanie palladu, złota i kobaltu w sprzęcie high-tech, ich odzysk i recykling stanowią ważne wyzwanie przemysłowe. Opisany w niniejszym dokumencie system odzysku metali jest prostym, tanim sposobem na skuteczne wykrywanie, usuwanie i odzysk tych metali z kopalni miejskiej.

Wykrywanie i odzyskiwanie palladu, złota i metali kobaltowych z kopalni miejskiej przy użyciu nowatorskich czujników/adsorbentów oznaczonych nanoskalowymi porami w kształcie koła wagonowego

Trójwymiarowy system prędkości śledzenia cząstek (3D-PTV) oparty na szybkiej kamerze z czterostopniowym rozdzielaczem jest opisany tutaj. Technika ta jest stosowana do strumienia strumienia z okrągłej rury w pobliżu dziesięciu średnic w dół rzeki pod numerem Reynoldsa Re ≈ 7000.

Trójwymiarowa prędkość śledzenia cząstek do zastosowań turbulencyjnych: przypadek przepływu strumieniowego

Przedstawiono protokół koloidalnej syntezy nanokostek srebra i wytwarzania plazmonicznych nanoskalowych anten krosowych z przerwami poniżej 10 nm.

Synteza koloidalna anten nanopatchowych do zastosowań w plazmonice i nanofotonice

Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

Poznaj metodę spin exchange optical pumping do produkcji hiperpolaryzowanego ksenonu-129 dla zastosowań NMR i MRI. Technika ta umożliwia wykrywanie przy niskich stężeniach z wysoką specyficznością molekularną.

Hiperpolaryzowany ksenon w zastosowaniach NMR i MRI

Przeglądaj więcej filmów