Pomiar zależności pola magnetycznego od relaksacji sieci spinowej hiperspolaryzowanego [^1-13C]pirogronianu

Chcemy oszacować utratę polaryzacji roztworu hiperpolaryzacyjnego podczas transportu ze sprzętu hiperpolaryzującego do skanera MRI, gdy przechodzi on przez różne pola magnetyczne. Nasza technika z dużą dokładnością szacuje czas relaksacji spinowo-sieciowej roztworów hiperpolaryzowanych przy niskich polach magnetycznych. Metoda ta nie ogranicza się do dynamicznej polaryzacji jądrowej i może być stosowana do oszacowania czasu relaksacji sieci spinowej innych metod polaryzacji, w tym polaryzacji indukowanej parawodorem.

Wykonując tę technikę, upewnij się, że hiperspolaryzowana próbka nie przecina ani nie pozostaje w obszarze pola zerowego przez żaden okres czasu, w przeciwnym razie możesz całkowicie stracić polaryzację. Przygotuj jeden mililitr podstawowego roztworu kwasu pirogronowego wzbogaconego węglem-13, szeroko stosowanego do badań in vivo, składającego się z 15 milimoli na litr rodnika triarylometylowego rozpuszczonego w kwasie pirogronowym 1-13C. W interfejsie oprogramowania dynamicznego polaryzatora jądrowego kliknij przycisk Ochłodzenie, aby obniżyć temperaturę wkładki o zmiennej temperaturze do 1.4 kelwina.

Gdy DNP osiągnie żądaną temperaturę, załadować 10 mikrolitrów roztworu podstawowego do kubka na próbkę. Otwórz drzwi wieżyczki i włóż kubek do VTI za pomocą różdżki wkładającej specjalnie zaprojektowanej do tego zadania. Szybko wyjmij różdżkę i upewnij się, że kubek jest zwolniony.

Następnie zamknij drzwi wieżyczki i pozwól, aby temperatura VTI powróciła do 1,4 kelwina. W międzyczasie przygotuj DNP do przeprowadzenia przemiatania mikrofalowego w celu znalezienia optymalnej częstotliwości radiowej dla hiperpolaryzacji roztworu podstawowego. Na zakończenie przemiatania mikrofalowego odzyskać próbkę.

Następnie ustaw system w stanie bezczynności i zapisz optymalną częstotliwość, w której osiągana jest maksymalna polaryzacja. Ta optymalna częstotliwość jest definiowana jako częstotliwość polaryzacji, która zapewnia maksymalną polaryzację. Częstotliwość ta zostanie wykorzystana do hiperpolaryzacji wszystkich podwielokrotności otrzymanych z tego konkretnego roztworu podstawowego kwasu pirogronowego.

Przygotować 250 mililitrów podłoża do rozpuszczania zapasów, jak opisano w protokole tekstowym, i dodać EDTA w stężeniu 100 miligramów na litr, aby sekwestrować wszelkie zanieczyszczenia jonami metali. Przygotuj również 500 mililitrów podstawowego roztworu czyszczącego składającego się ze 100 miligramów na litr EDTA rozpuszczonego w wodzie dejonizowanej. Około 10 mililitrów tego roztworu czyszczącego stosuje się po każdej polaryzacji w celu oczyszczenia ścieżki rozpuszczania DNP.

Schłodzić aparat DNP do 1,4 kelwina w ramach przygotowań do hiperpolaryzacji próbki kwasu pirogronowego 1-13C, wybierając przycisk Cooldown w oknie głównym DNP. Odważyć 30 miligramów przygotowanego roztworu podstawowego kwasu pirogronowego w kubku na próbkę. Po osiągnięciu żądanej temperatury VTI kliknij Insert Sample, wybierz Normal Sample, a następnie kliknij Next.

Postępując zgodnie ze środkami ostrożności wyświetlanymi na ekranie, włóż kubek do zimnego aparatu DNP za pomocą długiej różdżki specjalnie zaprojektowanej do tego zadania. Po włożeniu kubka wyjmij różdżkę i zamknij drzwiczki DNP. W interfejsie oprogramowania DNP kliknij przycisk Dalej, a następnie Zakończ.

Poczekaj, aż temperatura powróci do 1,4 kelwina, a następnie kliknij przycisk Polarize Sample. W nowym wyskakującym oknie ustaw wartość częstotliwości na wartość uzyskaną z przemiatania mikrofalowego. W tym samym oknie ustaw moc na 50 miliwatów, a czas próbkowania na 300 sekund.

Kliknij Dalej, zaznacz pole Włącz monitorowanie kompilacji, a następnie kliknij Zakończ. Polaryzuj, aż nagromadzenie namagnesowania w stanie stałym osiągnie co najmniej 95% maksimum. Po osiągnięciu żądanej polaryzacji kliknij Uruchom rozpuszczanie.

W obszarze Metoda wybierz test kwasu pirogronowego, a następnie kliknij przycisk Dalej. Postępując zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie, otwórz drzwi wieżyczki DNP. Załadować komorę grzewczą i ciśnieniową w górnej części aparatu około 4.55 mililitra roztworu do rozpuszczania.

Daje to stężenie 80 milimoli na litr pirogronianu po rozpuszczeniu przy pH 7,75 i temperaturze 37 stopni Celsjusza. Ustaw różdżkę odzyskiwania we właściwej pozycji i zamknij drzwi wieżyczki. W interfejsie oprogramowania DNP kliknij Dalej, a następnie Zakończ.

W tym momencie medium rozpuszczające zostanie przegrzane, aż ciśnienie osiągnie 10 barów. Po osiągnięciu ciśnienia 10 barów zamrożony i hiperspolaryzowany pirogronian jest automatycznie wyciągany z ciekłej kąpieli helowej, szybko mieszany i rozmrażany za pomocą przegrzanego roztworu do rozpuszczania. Mieszanina jest następnie wyrzucana przez rurkę kapilarną do kolby w kształcie gruszki.

Podczas wyrzucania hiperspolaryzowanego pirogronianu i pożywki do rozpuszczania, należy stale obracać kolbę, aby zapewnić jednorodną mieszaninę. Gdy cała mieszanina zostanie wyrzucona, szybko pobierz 1,1 mililitra płynu do strzykawki. Przenieś mieszaninę do wstępnie podgrzanej probówki NMR o średnicy 10 mililitrów i szybko przetransportuj do relaksometru pracującego w terenie.

Natychmiast oczyść ścieżkę płynu DNP za pomocą czystego medium do rozpuszczania, a następnie etanolu. Następnie wyjmij kubek i przedmuchaj gazowy hel przez ścieżkę płynu, aby usunąć wszelkie pozostałe płyny czyszczące i oczyścić ścieżkę tlenu. Wyczyść wszystkie szklane naczynia.

Po każdym pomiarze należy zapisać pH próbek ze spektrometru laboratoryjnego. Należy również zapisać pH próbek na relaksometrze do jazdy w terenie. Przed rozpuszczeniem należy obliczyć kąt odwrócenia relaksometru, a relaksometr musi być ustawiony i gotowy do pomiaru roztworu hiperspolaryzowanego.

Aby wykonać pomiary T-one, upewnij się, że zewnętrzna cewka podkładki jest zainstalowana i zasilana. W oprogramowaniu instrumentu wybierz zakładkę Main Par (Główny Par). Następnie kliknij komórkę obok etykiety Eksperyment i przewiń w dół w wyskakującym okienku, aby wybrać sekwencję impulsów HPUB/S.

Teraz ustaw parametry akwizycji. Ustaw tłumienie częstotliwości radiowej na 25 decybeli, maksymalne T1 na wartości od trzech do pięciu sekund, czas przełączania na 0,2 sekundy, opóźnienie recyklingu na zero sekund, a pole relaksacji na żądane pole relaksacji w megahercach. Następnie wybierz kartę Parametry pozyskiwania, a następnie podkartę Podstawowe.

Kliknij komórkę obok etykiety Nucleus i przewiń w dół w wyskakującym okienku, aby wybrać węgiel-13. Następnie ustaw częstotliwość systemową na osiem megaherców, szerokość przemiatania na jeden megaherc, rozmiar bloku na 652 i szerokość pasma filtra na 50 000 herców. Następnie wybierz podzakładkę Konfiguracja.

Ustaw czas szerokości impulsu 90 stopni na wcześniej ustaloną wartość, odbiornik czas hamowania na 25 mikrosekund, a czas opóźnienia akwizycji na 25 mikrosekund. Wybierz podzakładkę Impuls i ustaw główny kąt odwrócenia impulsu RF na pięć stopni. Następnie wybierz podzakładkę Liczba wymiarów i ustaw liczbę bloków na 100.

Poczekaj i przygotuj się na otrzymanie hiperspolaryzowanego rozwiązania, aby rozpocząć akwizycję danych. Bezpośrednio przed włożeniem próbki do relaksometru należy ręcznie uruchomić sekwencję impulsów z konsoli, aby uniknąć wprowadzenia próbki do zerowego pola magnetycznego. Z tego powodu ważne jest, aby podczas analizy danych zignorować pierwszy rozpad swobodnej indukcji lub FID.

Ważne jest, aby rozpocząć zbieranie danych przed wprowadzeniem próbki do relaksometru, aby uniknąć zerowych pól magnetycznych, które spowodują utratę polaryzacji. Po zakończeniu akwizycji zapisz dane, klikając przycisk Zapisz. Korzystając z oprogramowania analitycznego, zintegruj wielkość każdego sygnału FID, aby uzyskać serię danych składającą się z namagnesowania próbki w funkcji czasu.

Pokazano przykład pełnozakresowego przemiatania mikrofalowego o wysokiej rozdzielczości dla kwasu pirogronowego. W przedstawionym przypadku ta optymalna częstotliwość mikrofalowa odpowiada 94,128 gigahercowi. Pokazano tutaj typową serię rozpadających się FID podczas próbkowania hiperspolaryzowanego namagnesowania.

Krzywa relaksacji dla hiperspolaryzowanego pirogronianu 1-13C została uzyskana z danych z poprzedniego rysunku. Każdy niebieski punkt na krzywej reprezentuje obszar pod FID. Wartość T1 wynosząca 53,9 plus minus 0,6 sekundy została uzyskana przez nieliniowe dopasowanie równania sygnału metodą najmniejszych kwadratów do danych krzywej zaniku, które obejmowały efekty kąta odwrócenia użytego do wzbudzenia.

Przedstawiono wyniki T1 dla wszystkich 26 pomiarów w zakresie od 0,237 militesli do 0,705 tesli w temperaturze 37 stopni Celsjusza. Każdy pomiar T1 przy danym polu relaksacyjnym jest osobnym rozpuszczaniem hiperpolaryzacyjnym z aparatu DNP. Linia ciągła reprezentuje formułę, a linie przerywane reprezentują 95% przedziały ufności.

Analiza wyników wykazała, że czas relaksacji jądra C-1 wynosi 46,9 sekundy przy ziemskim polu magnetycznym, w porównaniu z 65 sekundami przy trzech teslach, co stanowi spadek o 28%Ważne jest, aby zainstalować i zasilić zewnętrzną cewkę podkładki oraz rozpocząć akwizycję tuż przed włożeniem próbki, aby uniknąć zerowych pól magnetycznych i potencjalnej utraty polaryzacji. Zgodnie z tą metodą, procedura pobierania próbek może być stosowana z deuterowanymi pożywkami do rozpuszczania w celu wydłużenia czasu relaksacji sieci spinowej hiperspolaryzowanego roztworu.