Hyperpolariserte Xenon for NMR og MRI Applications

Summary

Produksjonen av hyperpolariserte xenon ved hjelp av spin utveksling optisk pumping (SEOP) er beskrevet. Denne metode gir en ~ 10000-fold forbedring av kjernefysiske spinn polarisering av Xe-129 og har anvendelser i kjernemagnetisk resonansspektroskopi og avbildning. Eksempler på gass-fase og løsning statlige eksperimenter er gitt.

Abstract

Kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi og imaging (MRI) lider egenverdi lav følsomhet fordi selv sterke ytre magnetfeltene ~ 10 T genererer bare en liten påvisbar netto-magnetisering av prøven ved romtemperatur ^1. Derfor er de fleste NMR og MRI applikasjoner avhengige på påvisning av molekyler ved relativ høy konsentrasjon (f.eks, vann til avbildning av biologisk vev) eller kreve overdreven innhentingstider. Dette begrenser vår evne til å utnytte den meget nyttig molekylære spesifisitet av NMR signaler for mange biokjemiske og medisinske anvendelser. Imidlertid har nye tilnærminger dukket i de siste årene: Manipulasjon de detekterte spin artene før detekteringen inni NMR / MR magnet kan dramatisk øke magnetiseringen og derfor tillater påvisning av molekyler på mye lavere konsentrasjon ^2.

Her presenterer vi en fremgangsmåte for polarisering av en xenon gassblanding (2-5% Xe, 10%N _2, He balanse) i et kompakt oppsett med en ca. 16000-fold forbedring av signal. Moderne linje-snevret diode lasere tillate effektiv polarisasjon ⁷ og umiddelbar bruk av gassblandingen selv om edelgass ikke skilles fra de andre komponenter. Den SEOP anordningen er forklart og bestemmelse av den oppnådde spinn polarisering demonstreres for ytelse kontroll av fremgangsmåten.

Den hyperpolariserte gass kan brukes til tomrom imaging, inkludert gasstrømmen avbildning eller diffusjon studier ved grensesnittene mot andre materialer ^8,9. Videre er Xe NMR signalet ekstremt følsomme for sin molekylære miljø ^6. Dette gjør at muligheten til å bruke det som en NMR / MR kontrastmiddel når oppløst i vandig løsning med functionalized molekylære verter som midlertidig felle gassen ^10,11. Direkte påvisning og høy følsomhet indirekte påvisning av slike konstruksjoner er vist i både spektroskopiske og avbildningsmodus. </ P>

Introduction

Hyperpolariserte agenter er stadig økende oppmerksomhet for NMR / MRI-applikasjoner fordi de kan løse følsomhet problemet under visse omstendigheter ^2. Tre store tilnærminger brukes i dag (dynamisk kjernefysisk polarisering, DNP, para-hydrogen indusert polarisasjon, PHIP, og spinne utveksling optisk pumping, SEOP) at alle utarbeide en kunstig økt spinn befolkningen forskjell utenfor en NMR magnet før selve spektroskopi eller bildebehandling eksperiment . Her beskriver vi funksjon og drift av en SEOP oppsett som er optimalisert for produksjon av hyperpolarized ¹²⁹ Xe brukes i løsningen statlige eksperimenter.

En essensiell komponent er en intens lyskilde emitting infrarøde fotoner på 795 nm. Laser Diodenett (LDA) er praktisk utstyr som gir høy effekt> 100 W til rimelig pris. I mange oppsett blir LDA avgir i en optisk fiber som mer eller mindre beholder polarisasjonen av the laserlys. For å garantere en tilstrekkelig SEOP prosessen dette elliptiske polarisering må konverteres til sirkulær polarisasjon med høy renhet. Hovedkomponenter av polarisasjonen optikk er vist i figurene 1 og 2 og å sette opp systemet forklares skjematisk supplerende filmen 1.

Å sirkulært polarisere lyset vi først feste fiberenden til et primært stråle utvidelse optikk (f.eks, en fiber collimator) for å redusere strømtetthet. Lyset passerer så gjennom et polariserende strålesplitter kube, genererer lineært polarisert lys. Ved å rotere denne kuben kan vi bestemme den foretrukne akse gjenværende polarisering med en kraftmåler. Maksimal overføring tilsvarer situasjonen hvor den raske aksen av kuben er innrettet med rektor lyspolarisering akse. Kuber med høye utryddelse koeffisientene (100000: 1 eller bedre) gi en god separasjon av polarisering komponenter. Dette kan testesved hjelp av en andre strålesplitter kube som en analysator som er rotert mens den første er innrettet for maksimal overføring av den ekstra-ordinære strålen.

Når den lineære polarisering av overført lys er blitt bekreftet, blir en λ / 4 bølge plate utformet for 795 nm innføres i den ekstra-ordinære stråle å konvertere lineær inn sirkulær polarisering. For dette formålet, er den raske aksen for bølgen plate roteres ved 45 ° i forhold til strålesplitter kuben rask akse. (Om ønskelig kan sirkulær polarisasjon av det reflekterte ordinære strålen med sin lineære polarisasjonsakse perpendikulært på ekstra-ordinære strålen oppnås på en lignende måte.)

Kvaliteten av den sirkulære polarisasjon kan testes med en andre strålesplitter kuben som bør gi konstant overføring ved rotasjon. Et sekundært beam utvidelse optikk (f.eks to objektiver i galileer teleskop konfigurasjon) øker så strålediameter helt illuminate glasset cellen for pumping prosessen inne en ovn boksen. Absorpsjon av laserlys ved Rb damp i cellen overvåkes gjennom et hullet bak pumping cellen ved enden av boksen: en collimator samler en attenuert IR strålen som skal analyseres med en optisk spektrometer (se Figur 3 for pumping celle oppsett ).

En oppvarming mekanisme utenfor pumping cellen vaporizes delvis en Rb droplet sitter inne i cellen (figur 4a) og derfor forårsaker laserlys absorpsjon. Tetthet av dampen kan justeres via oppvarming settpunktet av den respektive PID-regulator. Høye temperaturer (ca. 190 ° C) er bra for kompakte oppsett der xenon har en begrenset mengde tid til å bygge opp polarisering. Gassblandingen inneholdende Xe, N ₂ og Han flyter gjennom pumping cellen motsatt til laserstrålen retning (figur 3). Et eksternt magnetfelt innrettet med laserstrålen sikrer at the IR fotoner er bare å pumpe en Rb overgang. Avslapning av elektron statene er rask og må være ikke-strålingen å unngå utslipp av IR fotoner med "feil" polarisering. Her kommer N ₂ inn i bildet som en slukke gass. Slutt, bygger Rb systemet opp en overbefolkning av en av grunntilstanden undernivåer mens den andre er kontinuerlig oppbrukt av laseren (figur 5). Xenon komme i nær kontakt til RB atomer opplever spin-spin interaksjoner og elektron spinn polarisering overføres til Xe kjerner i flip-flop prosesser.

Den hyperpolariserte gass som strømmer ut av pumping cellen inneholder spormengder av Rb dampen som kondensat på rørveggen innenfor noen få cm av utløpet på grunn av lav temperatur (tilsvarende figur 4b). In vivo anvendelser vil imidlertid kreve ytterligere eliminering av alkalimetall (f.eks gjennom en kuldefelle) mens i vitro experimeNTS kan utføres trygt med gassen når den forlater hyperpolarizer. Teflonrør forbinder polarisatoren stikkontakt med innløpet av et glass apparat å utføre NMR eksperimenter på testløsninger. Massestrøm kontrollere brukes til å justere mengden Xe strømmer inn i NMR-oppsett. De er utløst ved hjelp av kommandoer i NMR pulssekvens. Etter å ha kontrollert oppnådd polarisasjon ekstrautstyr kan gassen brukes som en NMR / MR kontrastmiddel i løsning statlige eksperimenter.

Xe har en viss oppløselighet i vann (4,5 mM / atm) og andre løsemidler. Det kan derfor allerede tjener på egen hånd som en kontrast agent for å vise fordeling av visse væsker. Det er imidlertid også mulig å knytte NMR-aktive kjerner til visse molekyler for å erverve molekylær-spesifikk informasjon gjennom den ellers inertgass. Ved å gi en molekylær vert for den oppløste Xe, er det mulig å gi molekylær spesifisitet til Xe NMR signalet. Dette gir anledning til åutforming funksjonaliserte kontrastmidler - også kalt biosensorer - når en slik vert struktur er kombinert til en målretting enhet som binder seg til spesifikke analytter for Biomedical interesse (Figur 6).

Ytterligere følsomhet ekstrautstyr er nødvendig når biosensor skal påvises ved konsentrasjoner som er lav for MR kontrastmidler (<100 uM). Dette kan oppnås ved kjemisk utveksling metning transfer (CEST). Denne metoden registrerer biosensor indirekte ved å ødelegge magnetiseringen av den innestengte Xe og observere signalendring av fri Xe i løsning. Siden den hyperpolariserte kjerner kontinuerlig erstattet etter noen 10 ms, mange 100-1000 kjerner overføre informasjonen til den detekterte bassenget og forsterke signalet ca. 10 ^3-fold (se film 2).

Protocol

1. Klargjøring av SEOP Setup

Rubidium må bringes inn i den optiske pumping cellen, for å lette overføringen av polarisering fra laserlyset til xenon. På grunn av sin høye reaktivitet denne prosessen må være uten Rb kommer i kontakt med oksygen eller vann, ellers vil det bli oksydert, og vil ikke polarisere Xe. Ekstra forsiktighet bør tas som Rb reagerer voldsomt med vann.

1. Hvis den optiske cellen har tidligere vært brukt det vil bli belagt med et lag av Rb og Rb oksid, som kan sees i figur 4B. Cellen må først være rene før bruk. Lukk innløp-og utløp rør av den optiske cellen. Samtidig som den under trykk, transportere cellen til en kjemisk hette. Under panseret ved hjelp av egnet personlig verneutstyr, åpner cellen til atmosfæren og vente omtrent en time å la Rb overflaten for å oksidere.
2. Forsiktig pipetter pure isopropanol inn i cellen. Dette vil oppløseRb oksydlag og skinnende Rb dråper vil bevege seg over overflaten av den isopropanol som vanndråper på en varm plate. Hell isopropanol (og enhver Rb som følger med den) i et begerglass. Gjenta til all Rb er fjernet.
3. Hvis dette likevel ikke fjerner alt Rb, lage en oppløsning av 10% vann og 90% isopropanol og gjenta trinn 1.2) øke andelen av vann (i trinn på 10%) inntil alt Rb er fjernet.
4. Når all Rb er fjernet, skyll optiske cellen med aceton.
5. Ta en tidligere evakuert og deretter argon-fylt optisk pumping celle til en hanskerom med argon atmosfære. Også omfatte en ampulle med rubidium, et verktøy for å bryte ampullen, Pasteur pipetter, Kimwipes og en varmepistol. For å opprettholde en tørr atmosfære i hanskerommet, plassere en petriskål med fosforpentoksid som tørkemiddel. Tilstedeværelsen av uønskede spor av oksygen kan overvåkes med en lyspære hvor glasskolben er åpnet for å eksponere filament til hanskerommet atmosfæren.Forholdene er greit så lenge ingen røyk oppstår med lyset slått på.
6. Åpne fylling porten pumping cellen, bryt Rb ampullen og smelte alkalimetallet med varmepistol. Suge opp noen flytende Rb med en pipette og injisere den i pumping celle.
7. Lukk fylling havn etter øke argon trykk i hanskerommet å opprettholde et lite overtrykk i pumping cellen for transport til polarisatoren oppsettet. Ta cellen ut av hanskerommet.
8. Koble cellen til polarisator manifold, slik at den er på linje med laserstrålen linjen belyse cellen under pumping prosessen (dette kan gjøres med det synlige lyset sikter strålen, figur 7), og kontroller at oppvarming enhet med termoelement sin har skikkelig termisk kontakt med cellen (som i figur 4a). Fest et termoelement til toppen av cellen.
9. Evakuere sondekoblinger opp til innløpet og utløpet av ventilen pumping cellen. Etternådde et trykk på <30x10 ^-3 mbar, rense linjene med høy renhet Ar (eller nitrogen). Gjenta dette tre ganger.
10. Med Ar tanken åpen for pumping cellen innløp, langsomt åpne innløpet og utløpsventilen av cellen. Åpne forsiktig polarisatoren utløpsventilen en liten bit å etablere en Ar flyt av ca. 1 SLM gjennom manifolden. Opprettholde denne flyten i 2 min. Nå bør oksygen urenheter bli vesentlig eliminert for å unngå Rb oksidering. Steng polarisatoren utløpsventilen og innløpet tilkoblingen til Ar tanken.
11. Slå på varmeapparatet av pumping cellen (innstilt temperatur ca. 180-190 ° C for en oppvarming stripe montert på undersiden av cellen). Dette vil fordampe en del av Rb dråpe.
12. Åpne Xe gassblandingen tilkobling til polarisator oppsett. Tanken Regulatoren bør settes til ca. 3,5 bar overtrykk.
13. Slå laser på og justere sin emitting bølgelengde til ca. 794,8 nm ved å justere innstilt temperatur diode kjølevæske. Overvåke laser profil gjennom en optisk spektrometer.
14. Kontinuerlig fordamping av Rb fører økende laser absorpsjon. Kontroller at laser utslipp profilen absorberes symmetrisk (juster kjølevæsketemperatur om nødvendig). Når temperaturføleren på toppen av cellen leser ca. 100 ° C, bør du observere en betydelig redusert laser overføring (se Figur 8).
15. Laser absorpsjon forårsaker også ekstra oppvarming, derfor øke trykket i cellen. Overvåke cellen forhold og nøye ventilere gass fra polarisatoren utløp (som i normal drift) for å frigjøre litt press når verdien nærmer seg grensen pumping cellen er vurdert for (5 bar abs. I oppsettet vårt).
16. Slå på magnetfeltet (ca. 2-3 mT) rundt pumping celle mens overvåking laseren profilen. Overføring bør gå opp umiddelbart som feltet forårsaker selektiv optisk pumping (se Figur 8).
17. Vent til alle temperaturer å stabilisere seg.Polarisatoren er nå klar til bruk.

2. Klargjøring av NMR Setup

1. Sett et reagensglass med vann inn i NMR følerhode og utføre tuning og tilpasning av radiofrekvens (RF) krets for protonet og xenon-kanalen.
2. Mellomlegg på vann-signalet med den automatiserte mellomlegget rutine av MR brukergrensesnittet.

3. Hyperpolariseringen Kvantifisering

1. Koble polarisatoren utløpsrøret til innløpet av testen fantom med ca. 5 kapillærene til injisere Xe og selve gasslekkasjen røret til forbindelse med massestrømmen kontrolleren.
2. Pass på at gasstrømmen kontrollerne er satt til "lukket" og sakte åpne polarisatoren utløpsventilen å trykksette fantom. Still strømningshastigheten til ca. 0,5 SLM å starte en kontinuerlig strøm gjennom fantom. Anslag fra fantom volum og gasstrømningshastigheten hvor lang tid det tar å helt erstatte gassvolumet. I oppsettet vårt syn er dette ca. 2 sek.
(f.eks 5-100 μsec). Ytterligere parametere er: spektral bredde sw = 10 kHz, registreringstid ta = 1 sekund og en repetisjonstid TR som er lengre enn den utskifting tid beregnet i trinn 3.2. Frekvensen for eksiteringspulsen for Xe gass ved 9,4 T er ca. 110.683 MHz. Den FID med det sterkeste signalet vil gi deg den riktige kombinasjonen av pulseffekt og lengde for maksimal signal.
3. Etter å redusere flyten til 0,1 SLM, øker TR til 15 sek (for å være sammenlignbare med trinn 3.7), og forlater de andre parametrene uendret, erverve et datasett med 16 FID skanner mens den hyperpolariserte Xe strømmer gjennom prøven. Utfør Fourier transformasjon og måle peak amplitude i spekteret. Dette er signalintensiteten for den hyperpolariserte xenon gass Mixture. Merk også resonansfrekvensen av gassen topp i Hz.
4. Evakuere en tung vegg NMR rør utstyrt med en ventil for lavt trykk forsegling og fylle det med ca. 2 bar overtrykk av ren xenon.
5. Evakuere gass manifold holder NMR røret og fyll ca. 0,2 bar av rent oksygen på toppen av Xe i NMR røret (dvs. justere O ₂ trykket til 2,2 bar overtrykk). Oksygenet vil forbedre avslapning av Xe magnetiseringen etter RF eksitering (det tillater oss å arbeide med TR = 15 sek, prosessen ellers krever svært lang TR dersom gassen ikke erstattes for neste magnetisering som i trinn 3.4).
6. Erstatte tidligere brukt gasstrømmen phantom i NMR magnet med denne lavtrykk NMR rør og utføre NMR pulssekvens som i 3.4. Dette vil gi deg NMR signal intensitet for termisk polarisert høy konsentrasjon Xe.
7. Sammenligne signal intensiteter av termisk og hyperpolarized Xe og beregne signal styrkement å ta ulike konsentrasjoner og press i betraktning. Beregn spinn polarisering slik:

Den termiske spinn polarisering P _th må bestemmes først som en referanse. Det er definert som befolkningen differansen av de to spin statene over summen av populasjonene, dvs.

Ved romtemperatur er denne gitt ved høy temperatur tilnærmelse og befolkningen ratio R som

(K er Boltzmanns konstant, T den absolutte temperatur, og den γ magnetogyric ratio). Siden den termiske energien kT er den klart dominerende faktor, R nær 1, dvs. 0,999982232 for Xe på B ₀ = 9,4 T. Dette gir P _th (9,4 T) = 8,9 10 ^-7.

Neste, har de normaliserte forbedring av signal faktor ε skal beregnes fra forholdet mellom den hyperpolariserte signalet S _hk og signalet fra termisk polarisering S _th (forutsatt at alle NMR pulssekvens parametere var identiske for begge programmer):

Der c og p representerer konsentrasjonen av Xe i gassblandingen (i%) og trykket av gassblandingen både for forsøkene med termisk og hyperpolariserte Xe henholdsvis. Oppnådd hyperpolarisering er da gitt ved produktet εP _th.

4. Funksjonalisert Xenon Solution State spektroskopi

1. Utarbeide en 50-200 mikrometer løsning av en (funksjonalisert) xenon vert (f.eks cryptophane-A med en målretting enhet). Avhengig hydrofobitet av buret construct, tilsett mer eller mindre DMSO til vann som et løsningsmiddel. I vår demonstrasjon med en cryptophane-A monoacid bur, er det enkleste å bruke ren DMSO. Ta ca. 1,5 ml av denne løsningen og fylle den i gasstrømmen fantom, som sikrer at 5 smeltet silisiumdioksyd kapillærer tillater tilstrekkelig bobling av løsningen med Xe gassblandingen. Utfør en boblende test utenfor NMR magnet med 0,1 SLM og sjekk for uønsket overdreven skumdannelse.
2. Sett fantom i NMR sonde og tune og matche både på proton og X-kanaler og utføre en automatisk mellomlegg som i trinn 2.2.
3. Bruk en FID oppkjøp med passende forsinkelser og utløse pulser fra spektrometer for å åpne og lukke massestrømningsenheter kontrollerne. Tillat for ca. 15-20 sekunder boblende med 0,1 SLM og påfølgende 5-8 sek venter forsinkelse for boblene å forsvinne, etterfulgt av RF eksitasjon og FID avlesning.
4. Utføre 16 eller 32 repetisjoner (avhengig av buret konsentrasjon) med sw = 40 kHz, sentrert på ca. 11 kHz nedfelt fra gassen resonansfrekvens bestemt i trinn 3.4. FID avlesning skal være 500-1000 meter. Fourier transformere FID å få spekteret.
5. Still kjemisk skift verdi for de fleste rett signal (gassfase) til 0 ppm. Skriv ned frekvensen av den intense løsningen signalet (mest venstre signal) i Hz og ppm. Også oppmerksom utlignet mellom dette signalet på δ _løsning og signalet fra innkapslet Xe på δ _bur ~ 60-80 ppm i ppm. Dette offset kalles Δω (se også representative resultater).

5. Hyper-CEST Imaging

1. For å teste kontrastmiddelet evnen en xenon vert molekyl, kan et eksperiment med en to-kammer fantom utføres. Å gjøre det, ta ca. 50% av testoppløsningen av § 4 og fylle den i en 5mm NMR rør. Sett dette røret inn i 10 mm boblende oppsett av § 4. Fyll den ytre kammer med bare løsningsmidlet og ingen buret opp til samme nivå som den indre compartment. Sett 3 av boblende kapillærer inn i det ytre og 2 kapillærene inn i det indre kammeret.
2. Koble til slangen til boblende oppsett og gjenta trinn 4.2.
3. Velg en enkelt-shot EPI-sekvens for rask bildebehandling. Denne sekvensen må muligens å bli endret for å omfatte forsinkelser og utløse pulser fra spektrometer for å åpne og lukke massestrømningen kontrollerne. Tillat for ca. 15-20 sek boblende med 0,1 SLM og påfølgende 5-8 sek venter forsinkelse for boblene å forsvinne, etterfulgt av MR-koding.
4. Still deteksjon kjernen til ¹²⁹ Xe på X-kanalen og sender / observatør frekvens til verdien bestemt for løsningen signal i trinn 4.5. Bruker RF puls kalkulator, konvertere pulsen parameterne (amplitude og varighet) fra trinn 3,3 til eksitasjon brukes i bildebehandling sekvens.
5. Den bildedannende geometri i vårt eksempel er som følger: 10 - 20 mm skivetykkelse, tverrskips orientering, 20 x 20 mm-feltet av view; matrisestørrelse 32x32, dobbel prøvetaking (for å unngå artefakter) og delvis Fourier koding faktor satt til 1,68 for akselerert oppkjøp (dvs. kun 19 av de 32 fase koding trinnene er faktisk kjøpt).
6. Åpne CEST modulen (en modifisert magnetisasjon overføringsenhet) for signal forberedelse og aktivere en cw presaturation puls (parametre, f.eks 2 sek varighet, 5 μT amplitude). Utføre 2 skanninger i tverrgående retning med transportøren frekvens av denne metning puls gang blir satt til δ _bur = δ _løsning - Δω og en gang til δ _kontroll = δ _løsning + Δω.
7. Bruke et bilde etterbehandling verktøyet, generere Hyper-CEST forskjell image ved å trekke bildet med metning på δ _bur fra en med metning på δ _kontroll. Resultatet bør bare markere områder hvor Xe verten var til stede (se også representative resultater).

6. Representant Resultater

Laseren absorpsjon kan overvåkes ved å bytte magnetfeltet rundt cellen og på. Avhengig lasereffekten og celle temperatur, er nesten fullstendig absorpsjon observert med magnetfeltet avslått og ca. 30% overføring skjer med feltet på (en sammenligning er vist i figur 8).

For en NMR-system som opererer ved 9,4 T (400 MHz for ^1H, 110 MHz for ¹²⁹ Xe), bør signalet forbedringen ca. 16000-fold når man sammenligner termisk polarisert xenon med hyperpolarized xenon. Ifølge trinn 3.8, tilsvarer dette en spinn polarisering av ca. 15%. Verdier> 10% bør være oppnåelig ved bruk av en linje smalere diodelaser med cw utgang> 100 W.

Den ¹²⁹ Xe NMR-spektrum av en DMSO-løsning inneholdende 213 uM av en molekylær vert skal fremvise et signal av bur xenon med ensignal-til-støy-forhold på ca. 10 for 16 oppkjøp (Figur 9; ved romtemperatur, linje utvidelse på 10 Hz som brukes).

Hyper-CEST MR datasett viser full signal intensitet for off-resonans kontroll bilde og signal reduksjon i områder som inneholder Xe vert molekyl i på resonans metning bilde. Forskjellen Bildet viser utelukkende områdene som svarte på metning puls (Figur 10).

Figur 1. Sidevisning av optiske komponenter for å oppnå sirkulært polarisert lys. Laserlyset er koplet inn i systemet gjennom den optiske fiber til venstre. Både det polariserende strålesplitter kube (PBC) og λ / 4 bølge plate er installert på roterende mounts å justere raske økss for å produsere sirkulært polarisert lys (se film 1). Den ordinære strålen reflekteres av PBC kan avledes av et speil for å ende opp i en bjelke dump (ikke vist).

Figur 2. Ovenfra optiske komponenter for å oppnå sirkulært polarisert lys. Dette synet har strålen dump for ordinær strålen. Som en sikkerhetsforanstaltning, er termoelementer overvåke temperaturen av den primære strålen ekspander, strålen fylling, og det polariserende strålesplitter kube.

Figur 3. Sidevisning av pumping celle med sideveggen i ovnen boksen åpnes. Den laser lyset kommer inn i boksen fra venstre gjennom en parallell glass vindu. Pinhole på den høyre enden fortynner overførte laser for å beskytte det optiske spektrometeret som mottar lys gjennom en kollimator og optisk fiber. XE Gassblandingen reiser motsatt til laserlys retning: det kommer inn i cellen gjennom den høyre ben og utganger på venstre side.

Figur 4. A) Close-up view of Rb dråpe inni pumping celle. Den oransje silisium varmeapparat (kontrollert av en PID-regulator) er festet til bunnen av glasset cellen. Et termoelement på toppen overvåker cellen temperatur. b) Close-up visning av gassinntaket arealet av en middels alderen pumping celle med incrlettelser kondensat oppbygging på glassveggen. c) Gjenværende Rb dråpe i samme pumping celle som i b), som sett ved å belyse cellen fra baksiden og med kort eksponeringstid for å undertrykke synlighet av glassveggen belegg.

Figur 5. Energi overganger i alkalimetall damp. a) Uten ekstern B-feltet, er de magnetiske undernivå ikke definert (illustrert i grått bare), derav en hvilken som helst atom i grunntilstanden absorberer lys. b) å slå på en ekstern felt definerer Zeeman nivåene og årsaker pumping av bare en overgang i henhold til dipol valgreglene. Dette fører akkumulering av atomer i en av de sub-nivåer mens et redusert antall atomer i den annen grunntilstand undernivå absorberer laserlyset.

Figur 6. Funksjonalisert cryptophane bur for å påvise et bestemt mål av biokjemiske interesse. XE NMR signalet vil endres når bindingen begivenhet målretting enheten.

Figur 7. Synlig sikter stråle (rødt lys) for innretting av pumping cellen for å sikre komplett belysning av pumping volumet.

Figur 8. Laser profiler for ulike pumping celleforhold. Ingen absorpsjon er observert for det kalde cellen (romtemperatur) når ingen Rb damp er til stede. Vi observerer to emisjonslinjer fra vårt diode laser (sammen med en FWHM på 0,5 nm som er innenfor produsentens spesifikasjoner). Når cellen når sin innstilte temperaturen (180 ° C) og det magnetiske feltet blir slått av, fører generelt D ₁ eksitasjon nesten fullstendig absorpsjon av laserlys. Slå magnetfelt på induserer selektiv pumping av bare en overgang og øker overføringen intensitet.

Figur 9. ¹²⁹ Xe NMR-spektrum av en DMSO-løsning inneholdende cryptophane-A monoacid (struktur også vist) som en Xe bur. Gassen peak er referert til 0 ppm. Gratis Xe i oppløsning vises δ _løsning = 2450.7 ppm og den innestengte Xe på δ _bur = 79,2 ppm. For Hyper-CEST eksperiment, er metning puls en gang satt til δ _bur for aktivering metning overføring til redusere løsningen topp og en gang satt til δ _kontroll = 412,2 ppm til samle referansesignalet for subtraksjon. Eksperimentelle parametre: 213 pM bur i DMSO på 295 K, 16 oppkjøp med 32,3 kHz båndbredde, 772 ms FID lest opp, boblet Xe i oppløsning på 0,1 SLM for 20 sek.

Figur 10. ¹²⁹ Xe MR bilder av xenon oppløst i DMSO. Fantomet består av to separate avdelinger med bare den indre beholder inneholdende cryptophane-A monoacid (ved en konsentrasjon på 50 uM). Før hver EPI bildet er tatt, en 5 μT kontinuerlig bølge saturation puls brukes i 2 sek. a) metning puls er ved δ _kontroll, dvs. av resonans med Xe @ buret topp og vi observerer sterkt signal fra begge avdelinger. b) metning er på resonans med den Xe @ buret topp på δ _bur, nesten helt ødelegge signalet fra den indre kammeret. Subtraksjon bildet et) - b) avslører plasseringen av Xe verten molekylet. Bildene ble anskaffet med FOV på 20 x 20 mm, er en skivetykkelse på 10 mm og 32 x 32 piksler. De ble deretter thresholded og interpolert til 256 x 256 piksler.

Movie 1. Animasjon av montering et oppsett for SEOP. Laserstrålen første økes i diameter av en primær stråle ekspander og passerer gjennom en polariserende strålesplitter kube (PBC). Rotasjon av denne kuben endrer de relative intensiteter av det ordinære og ekstra ordinære strålen. Til stillingen med maksimal transmisjon, er den raske akse PBC samkjøres med Dominant polarisasjonsakse til det innkommende lyset. Den lineære polarisering av det overførte lys - som er påvirket av kvaliteten / utryddelse forholdet PBC - kan testes ved hjelp av en andre PBC som en analysator. Justere sin raske aksen med raske akse første kube bør gi maksimal overføring mens ytterligere rotasjon av 90 ° bør gi null transmisjon og full refleksjon. Innsetting av en λ / 4 bølge plate konverterer lineære inn sirkulær polarisering hvis dens raske aksen er rotert 45 ° mot den hurtig akse første PBC. Intensiteten av det overførte lys skal nå være uavhengig av rotasjonen av den andre kuben. Fjerne analysere komponentene og erstatte dem med en sekundær stråle ekspander gir riktig strålediameter å belyse pumping cellen. En rubidium dråpe sitter i denne cellen er delvis forgasses gang en varmeapparatet utenfor cellen er slått på. Xenon gassblanding strømmer gjennom oppsettet i motsatt retning til laserstrålen distributes denne damp over hele cellen. Uten et magnetisk felt, fører denne generelle D ₁ eksitering av RB atomer og sterk absorpsjon av laserlyset. Slå magnetiske på tillater selektiv pumping av bare en overgang mellom de nå definerte magnetiske undernivå. Som en konsekvens, bare et redusert antall atomer absorberer laserlys og overføring økes igjen. Klikk her for å vise film .

Movie 2. Animasjon forklarer CEST effekt. Cryptophane bur tjene som molekylære verter å fange XE atomer som endrer deres resonansfrekvens på denne bindingen hendelse (overgang blå -> grønn). En første NMR kjøpet bestemmer mengden av ubundet Xe som referansesignal. Neste, ødelegger en selektiv metning puls påvirker bare bur atomer deres magnetisasjon. Siden Xe binding er en reversibel prosess, en lang puls kanselleres magnetiseringen av mange atomer og en andre NMR oppkjøp avslører en betydelig signal nedgang fra gratis Xe forhold til referansesignalet. Klikk her for å se filmen .

Discussion

Kritiske aspekter i fremstillingen av hyperpolariserte xenon er oksygen urenheter i gassen manifolden inkludert pumping cellen og tilstrekkelig belysning av cellen med sirkulært polarisert lys. Ovennevnte lyspære test er en enkel måte å påvise skadelige oksygenkonsentrasjoner under overføring rubidium. Alkalimetallet kan miste sin blanke overflate av den tiden cellen er montert i polarisatoren. Imidlertid kan tilstrekkelig fordampning av ikke-oksidert Rb overvåkes av redusert laser overføring (ved oppvarming en frisk celle for første gang, kan det være at en ekstra temperaturøkning på ca 20 ° C er nødvendig for å starte fordampningsstedet prosessen;. Gang laser absorpsjon starter, settpunktet bør reduseres). Nesten komplett laser absorpsjon i nærvær av den magnetiske felt indikerer at det eksisterer minst ett område i cellen med overflødig Rb damp tettheter som kan forårsake inhomogene celle belysning og dårlig Xe hyperpolarization. Reduser temperaturen varmeren dersom dette skjer inntil det er omtrent 30% transmisjon gjennom cellen.

Optimal temperatur, trykk, gass-blandingen og strømningsrate må eksperimentelt bestemmes for hver oppsett som disse vil avhenge av den spesifikke geometri og varmeledende for den optiske cellen og laser linjebredde og kraft av individuelle polarisatorer. Spesielt har det blitt vist at spinn utveksling fra Rb til Xe er mest effektiv ved lavt trykk ^12. Likevel, på grunn av den relativt store linjebredde på diode lasere, er Rb polarisering ofte mer effektiv ved store trykk ^1. Disse to faktorer må spilles ut mot hverandre for å nå maksimal polarisering for en gitt installasjon.

Alternative optiske pumping kan oppnås ved hjelp av Rb D ₂ overgang med en laser som avgir på 780 nm eller ved hjelp Cs med sin D ₁ overgangen på 894 nm ¹³ og D ₂ 14. Avhengig av tilgjengeligheten av lasersystemer, kan en av de fire metoder velges for optimale pumping forhold.

En god feilsøking listen for å sette opp og drifte en SEOP oppsett kan også bli funnet i ^15. Noen flere komponenter for å kontrollere vakuum og overtrykk i polarisatoren manifolden og evakueringen stå brukt i trinn 3,5, er oppført i utstyret tabellen.

For å bevare polarisasjonen av Xe, må det holdes i et magnetisk felt. Spredt felt av en NMR spektrometer er tilstrekkelig for dette. I gassfase T ₁ av Xe er mange hr. Dette kan økes ved å fryse prøven, noe som er spesielt fordelaktig for transport. Wall interaksjoner er en av de viktigste årsaker til depolarisering av Xe gass. Disse kan reduseres ved omhyggelig valg av materialer (f.eks ved å belegge glass ¹⁶⁾ og redusere kontaktområdet between gassen og dens beholder.

Oppkjøpet av NMR data fra løsninger kan bli hemmet av overdreven skumdannelse under boblende periode eller bobler igjen i væsken etter venter forsinkelse. Dette fører til alvorlige feltet inhomogeniteter og betydelig signal tap. Reduser settpunktet av massestrømseksjonen kontrolleren i dette tilfellet.

Polariseringen oppsett som presenteres her gir enkel NMR studier med hyperpolarized xenon over lengre perioder. Derfor er signalet midling for forhold med lav target konsentrasjoner lett mulig. Signal stabiliteten er sikret ved bruk av massestrømningsenheter kontrollerne utløst av spektrometeret.

Signalet av funksjonalisert Xe har blitt rapportert å være avhengig av flere aspekter av mikro-miljø, inkludert parametere som lokal temperatur, pH og sammensetningen av løsningsmidlet. Derfor denne tilnærmingen har forskjellige potensielle anvendelser i både in vitro ennd in vivo diagnostikk.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Rb ingot	Sigma-Aldrich	276332-1G
P4O10	Sigma-Aldrich	79610-500G
Ar	Praxair
Xe	Sigma-Aldrich	00472-1EA
O2	Sigma-Aldrich	00476-1EA
Laser system	QPC Lasers/Laser Operations	Brightlock 50
Vacuum system	Pfeiffer	HiCube
Thermocouples	Newport Omega	SA2F-KI-3M
Silicon heater	Newport Omega	FMA5514
Pressure transducer	Newport Omega	PR 33X-V-10
Process meter	Newport Omega	INFCP-100B
Mass flow controllers	Newport Omega	MFC
PID regulators	Newport Omega	CN7800
Control Software	Newport Omega	DasyLab
Data acquisition	Newport Omega	Daqboard 3000
Vacuum sensor	Oerlikon	TTR91
Vacuum controller	Vacom	MVC-3
Beam collimator	Thorlabs	F810SMA-780
Polarizing beam splitter cube	Thorlabs	GL15-B
λ/4 wave plate	Thorlabs	WPQ10M-780
Beam expansion lenses	Thorlabs
Optical spectrometer	Ocean Optics	HR4000
Optical fiber	Ocean Optics
Low pressure NMR tube	Wilmad	513-7LPV-7
5mm NMR tube	Sigma-Aldrich	HX58.1
Helmholtz coils	Phywe	06960-00
Fused silica capillaries	Polymicro	TSG 250350