Summary
הייצור של קסנון hyperpolarized באמצעות ספין חילופים אופטיים שאיבה (סאופ) מתואר. שיטה זו מניבה ~ 10,000 שיפור של פי קיטוב הספין הגרעיני של Xe-129 ויש יישומים בספקטרוסקופיה תהודה המגנטית הגרעיניות והדמיה. דוגמאות למצב גזים וניסויי פתרון מדינה מקבלות.
Abstract
תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ספקטרוסקופיה והדמיה (MRI) סובלים מרגישות נמוכה מהותית משום ששדות מגנטיים חיצוניים אפילו חזקים של ~ 10 T לייצר רק נטו המגנטיזציה גילוי קטנה של המדגם בטמפרטורת חדר 1. לפיכך, NMR ו-MRI שרוב היישומים לסמוך על זיהוי של מולקולות בריכוז גבוה יחסית (למשל, מים להדמיה של רקמות ביולוגיות) או לדרוש פעמי רכישה מוגזמות. זה מגביל את היכולת שלנו לנצל את הספציפיות המולקולריות מאוד שימושיות של אותות NMR ליישומים רבים ביוכימיים ורפואיים. עם זאת, גישות חדשות צמחו בשנים האחרונות: מניפולציה של מין הספין אותר לפני הגילוי בתוך מגנט NMR / MRI יכול להגדיל באופן משמעותי את המגנטיזציה ולכן מאפשר זיהוי של מולקולות בריכוז נמוך בהרבה 2.
כאן, אנו מציגים שיטה לקיטוב של תערובת גז קסנון (2-5% Xe, 10%N 2, הוא מאזן) בהגדרה קומפקטית עם CA. שיפור אות 16,000 כפול. לייזרי דיודה מודרני קו מוצרות-לאפשר קיטוב יעיל 7 ושימוש מיידי בתערובת גז גם אם לא הופרד הגז האציל מהמרכיבים האחרים. מנגנון סאופ מוסבר ונחישות של קיטוב הספין השיג הוא הוכיח לבקרת ביצועים של השיטה.
ניתן להשתמש בגז hyperpolarized להדמית חלל הריק, כולל הדמית זרימת גז או לימודי דיפוזיה בממשקים עם חומרים אחרים 8,9. יתר על כן, אות תמ"ג Xe היא מאוד רגישה לסביבתו המולקולרית 6. זה מאפשר את האפשרות להשתמש בו כחומר ניגוד NMR / MRI כשהם מומסים בתמיסה מימית עם מארחים מולקולריים פונקציונליים שאופן זמני לכידת הגז 10,11. זיהוי ישיר ועקיף גילוי רגישות גבוהה של מבנים כאלה באו לידי ביטוי במצב שניהם ספקטרוסקופיות והדמיה. </ P>
Introduction
סוכני hyperpolarized צוברים תשומת לב הולך וגובר ליישומי NMR / MRI מאחר שהם יכולים לפתור את בעית הרגישות בנסיבות מסוימות 2. שלוש גישות עיקריות משמשות כיום (קיטוב דינמי גרעיני, DNP; קיטוב פסק מימן מושרה, PHIP; וספין חילופים אופטי שאיבה, סאופ) שכל להכין הבדל אוכלוסיית ספין גדל באופן מלאכותי מחוץ מגנט NMR לפני ספקטרוסקופיה בפועל או ניסוי הדמיה . כאן אנו מתארים את התפקוד והתפעול של התקנת סאופ כי כבר מותאם לייצור של 129 Xe hyperpolarized משמש בניסויי מדינת פתרונות.
מרכיב חיוני הוא מקור אור חזק פולט פוטונים באינפרא אדום 795 ננומטר. מערכי דיודת ליזר (LDA) הם מכשירים נוחים המספקים הספק גבוה> 100 ואט ובעלות סבירה. במערכים רבים, LDA הוא פולט לתוך סיב אופטי שפחות או יותר שומר על הקיטוב של הדואר אור ליזר. כדי להבטיח תהליך סאופ מספיק קיטוב אליפטי זה חייב להיות מומר לקיטוב מעגלי של טוהר גבוה. מרכיבים עיקריים של אופטיקה הקיטוב מוצגים באיורי 1 ו 2 והקמת המערכה מוסברת אופן סכמטי בסרט משלים 1.
מעגלי לקטב את האור שאנו מייחסים בהתחלה את קצה הסיב לאופטיקה הרחבת קורה עיקרית (למשל, collimator סיבים) להפחתת צפיפות הספק. אור ואז עובר דרך קוביית קיטוב קרן מפצל, יצירת אור מקוטב לינארית. על ידי סיבוב קובייה זו אנו יכולים לקבוע את הציר המועדף של הקיטוב שנותר עם מד כוח. שידור מרבי מתאים למצב שבו הציר המהיר של הקובייה מיושר עם ציר קיטוב האור העיקרי. קוביות עם מקדמי הכחדה גבוהים (100000: 1 או יותר) תנבנה הפרדה טובה של רכיבי קיטוב. זה יכול להיבדקבאמצעות קוביית מפצל קורה שנייה כמנתח שהוא הסתובב בזמן הראשון מיושר לשידור מרבי של הקרן המיוחדת הזה.
ברגע הקיטוב לינארי של האור המועבר אושר, צלחת גל λ / 4 מיועדות ל795 ננומטר מוחדרת לקרן המיוחדת הזה להמיר יניארית לקיטוב מעגלי. לצורך כך, הציר המהיר של צלחת הגל הוא לסובב על ידי 45 מעלות יחסית לציר המהיר קוביית מפצל הקורה. (אם תרצה, קיטוב מעגלי של הקרן הרגילה משתקפת בניצבה יניארי קיטוב הציר לקרן המיוחדת הזה יכול להיות מושגת באופן דומה.)
איכות הקיטוב המעגלי, ניתן לבדוק עם קוביית מפצל קורה שנייה שאמורים להניב שידור קבוע על המחזור. אופטיקה הרחבת קורה משנית (שתי עדשות למשל בתצורת הטלסקופ גלילית) ואז מגדילה את קוטר האלומה ללחלוטיןlluminate תא הזכוכית לתהליך השאיבה בתוך תיבת תנור. קליטה של אור הליזר על ידי Rb אדים בתא מנוטרת דרך חור סיכה מאחורי תא השאיבה בסוף התיבה: collimator אוסף קרן IR נחלש להיות מנותח בספקטרומטר אופטי (ראה איור 3 לשאיבת התקנת תא ).
מנגנון חימום מחוץ לתא השאיבה חלקי מאדה טיפת Rb יושב בתוך התא (איור 4 א) ולכן גורם לספיגת אור ליזר. צפיפות האדים יכולה להיות מותאמת דרך נקודת סט החימום של בקר PID המתאים. טמפרטורות גבוהות (בערך 190 מעלות צלזיוס) הן טובות עבור setups הקומפקטי בי קסנון יש כמות מוגבלת של זמן כדי לבנות את הקיטוב. תערובת הגז המכילה Xe, N 2 והוא זורם דרך התא ההפוך לכיוון קרן ליזר השאיבה (איור 3). שדה מגנטי חיצוני מיושרים עם קרן הליזר מבטיח כי הדואר פוטוני IR רק שאיבת מעבר Rb אחד. ההרפיה של מדינות האלקטרונים היא מהירה וצריכה להיות ללא קרינה, כדי למנוע פליטה של פוטוני IR עם קיטוב "לא בסדר". כאן, N 2 נכנסו לשחק כגז להרוות. סופו של דבר, מערכת Rb בונה את התפוצצות אוכלוסין של אחד מsublevels מצב הקרקע ואילו השני מתרוקן ברציפות על ידי הליזר (איור 5). קסנון מקבל בקשר הדוק לאטומי RB חווה אינטראקציות ספין ספין וקיטוב ספין האלקטרון מועבר אל גרעיני Xe בתהליכי שנוי.
גז hyperpolarized זורם אל מחוץ לתא השאיבה מכיל כמויות זעירות של Rb אדים מעובים שעל קיר הצינורות בתוך כמה סנטימטרים של המשקע בשל הטמפרטורה הנמוכה (דומה לאיור 4 ב). ביישומי vivo, לעומת זאת, היה דורשים חיסול נוסף של מתכת אלקלי (למשל באמצעות מלכודת קרה) ואילו במבחנה experimeNTS יכול להתבצע בבטחה עם הגז כפי שהוא עוזב hyperpolarizer. צינורות טפלון מתחברים לשקע מקטב עם כניסתו של מנגנון זכוכית לבצע ניסויי NMR בפתרוני בדיקה. בקרי זרימה המונית משמשים כדי להתאים את כמות Xe זורמת לתוך הגדרת NMR. הם מופעלים על ידי פקודות ברצף דופק NMR. לאחר שבדק את שיפור הקיטוב הושג, ניתן להשתמש בגז כחומר ניגוד NMR / MRI בניסויי מדינת פתרונות.
Xe יש מסיסות מסוימת במים (4.5 מ"מ / אטמוספרות) וממסים אחרים. לפיכך, כבר יכול לשמש בעצמו כסוכן בניגוד להצגת ההפצה של נוזלים מסוימים. עם זאת, אפשר גם לקשר את גרעיני NMR הפעילים למולקולות מסוימות על מנת להשיג מידע מולקולרי ספציפי באמצעות גז אינרטי אחרת. על ידי מתן מארח מולקולרי לXe המומס, אפשר להעניק סגולי מולקולרית לאות תמ"ג Xe. זה מספק את ההזדמנותסוכני עיצוב פונקציונליים ניגוד - הנקרא גם חיישנים ביולוגיים - כאשר מבנה מארח כזה מצמיד את יחידת מיקוד שנקשרה לanalytes הספציפי של העניין ביו (איור 6).
שיפור רגישות יתר נדרש כאשר צריך להיות מזוהה biosensor בריכוזים שאינם נמוכים לסוכנים בניגוד MR (<100 מיקרומטר). זו יכולה להיות מושגת על ידי העברת רווית חילופים כימיים (CEST). שיטה זו מזהה biosensor בעקיפין על ידי השמדת המגנטיזציה של Xe כלוב והתבוננות בשינוי האות של Xe החופשי בתמיסה. מאז גרעיני hyperpolarized מוחלפים ברציפות לאחר כ 10 אלפיות רבת 100-1000 העברה, גרעיני מידע על הברכה זוהתה ולהגביר את אות CA. 10 פי 3 (ראה סרט 2).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת תכנית התקנת סאופ
רובידיום חייב להיכנס לתוך תא השאיבה האופטי, על מנת להקל על ההעברה מקיטוב אור הליזר לקסנון. עקב תגובה שלה הגבוה תהליך זה חייב להתרחש ללא Rb בא במגע עם חמצן או מים, אחר זה יהפוך מתחמצן ולא לקטב Xe. זהירות יש לנקוט כRb מגיב באלימות עם מים.
- אם התא האופטי יש בעבר השתמש בו יהיה מצופה בשכבת תחמוצת Rb וRb, כפי שניתן לראות באיור 4 ב. התא חייב להיות ראשון נקי לפני השימוש. סגור את הכניסה ויציאה של צינורות התא האופטי. תוך שמירה על אותו הלחץ, להעביר את התא למכסת מנוע כימי. מתחת למכסה המנוע משתמש בציוד מגן אישי מתאים, פתח את התא לאווירה ולהמתין כ שעה 1 כדי לאפשר משטח Rb לחמצן.
- עדינות פיפטה הטהורה isopropanol לתוך התא. זה יתמוססשכבת תחמוצת Rb, וטיפין נוצצות RB תעבורנה על פני isopropanol כמו טיפי מים על פלטה חשמלית. יוצק isopropanol (וכל Rb שמגיע עם זה) לתוך כוס. חזור עד שכל Rb מוסר.
- אם זה עדיין לא מסיר את כל Rb, לעשות תמיסה של מים 10% ו 90% isopropanol וחזור על שלב 1.2) להגדיל את אחוז המים (במדרגות של 10%) עד שכל Rb מוסר.
- לאחר שכל Rb מוסר, יש לשטוף את התא האופטי עם אצטון.
- תביא תא פונה בעבר ולאחר מכן מלא ארגון אופטי שאיבה לתוך תא כפפות עם אווירת ארגון. כמו כן כולל אמפולה של רובידיום, כלי לשבור את האמפולה, pipettes פסטר, Kimwipes, ואקדח חום. על מנת לשמור על אווירה יבשה בתא הכפפות, הנח צלחת פטרי עם pentoxide זרחן כיבוש. הנוכחות של עקבות לא רצויות של חמצן יכולה להיות פיקוח עם נורה שבו נורת הזכוכית נפתחה כדי לחשוף את החוט לאווירת תא הכפפות.תנאים הם בסדר, כל עוד אין עשן מתעורר עם האור דולק.
- פתח יציאת מילוי של תא השאיבה, לשבור את האמפולה Rb ולהמס את מתכת אלקלי עם אקדח החום. לספוג קצת Rb נוזל עם פיפטה ומזריק אותו לתוך תא השאיבה.
- לסגור את נמל המילוי לאחר הגדלת לחץ הארגון בתא הכפפות כדי לשמור overpressure קל בתא השאיבה להובלתם להתקנת המקטב. קח את התא מתא הכפפות.
- חבר את התא לסעפת המקטבת, להבטיח כי היא מתואמת עם קרן ליזר קו מאיר התא בתהליך השאיבה (זה יכול להיעשות עם הקרן הגלויה האור המכוון, איור 7) ולבדוק שמכשיר החימום התרמי עימה יש קשר תרמית נכון עם התא (כמו באיור 4 א). צרף תרמי לחלק העליון של התא.
- לפנות את חיבורי הצינור עד לכניסה ויציאה של שסתום תא השאיבה. לאחרלהגיע לחץ של <30x10 mbar -3, לטהר את השורות עם טוהר גבוה אר (או חנקן). חזור על זה שלוש פעמים.
- עם המכל הפתוח לכניסת תא שאיבת אר, נפתח לאט הכניסה ויציאה של שסתום התא. בזהירות לפתוח את השסתום לשקע מקטב טיפה להקים זרימה ערה של CA. SLM 1 עד הסעפת. לשמור על זרימה זה עבור 2 דקות. עד עכשיו, זיהומי חמצן צריכים לחסל באופן משמעותי, כדי למנוע חמצון Rb. לסגור את הברז לשקע מקטב וחיבור הכניסה למכל אר.
- הפעל את החימום של תא השאיבה (סט הטמפרטורה CA. 180-190 מעלות צלזיוס למשך רצועת חימום המותקן מתחת לתא). זה יתאדה חלק מאגל Rb.
- פתח את חיבור תערובת גז Xe להתקנת המקטב. רגולטור הטנק צריך להיות מוגדר CA. overpressure 3.5 בר.
- הפעל הליזר באורך הגל ולכוון הפולט לCA. 794.8 nm על ידי התאמת טמפרטורת נוזל קירור הסט של דיודה. לפקח על laפרופיל ser באמצעות ספקטרומטר אופטי.
- אידוי רציף של Rb גורם קליטת ליזר הולך וגוברת. יש לוודא שפרופיל פליטת הליזר נספג בצורה סימטרית (טמפרטורת נוזל קירור להתאים מחדש במידת צורך). ברגע שחיישן הטמפרטורה על גבי התא קורא CA. 100 ° C, אתה צריך להתבונן שידור ליזר מופחת באופן משמעותי (ראה איור 8).
- קליטת ליזר גורמת גם לחימום נוסף, ובכך מעלה את הלחץ בתא. לפקח על התנאים הסלולריים ולפרוק בזהירות גז משקע המקטב (כמו בפעולה רגילה) כדי לשחרר קצת לחץ בכל פעם שהערך מתקרב לגבול תא השאיבה דורג ל( 5 ABS הבר. בהגדרה שלנו).
- הפעל את השדה המגנטי (2-3 mT בקירוב) מסביב לתא השאיבה תוך מעקב האישי של הליזר. הילוכים צריכים לעלות מייד כתחום אופטי גורם סלקטיבית שאיבה (ראה איור 8).
- חכה לכל הטמפרטורות לייצוב.המקטב עכשיו הוא מוכן לשימוש.
2. הכנת תכנית התקנת NMR
- הכנס מבחנה עם מים לראש חללית NMR ולבצע כוונון והתאמה של תדרי הרדיו (RF) למעגל הפרוטון וערוץ קסנון.
- שים על אות מים עם שגרת הפחית האוטומטית של ממשק המשתמש של ה-MRI.
3. כימות Hyperpolarization
- לחבר את הצינור לשקע מקטב לכניסה של רוח הרפאים של בדיקה עם ca שלה. 5 נימים להזריק Xe וצינור אוורור הגז לחיבור עם בקר הזרימה ההמונית.
- ודא את בקרי זרימת הגז מוגדרים "סגור" ולפתוח את השסתום לשקע מקטב לאט לחצים על הפנטום. הגדר את קצב הזרימה לCA. 0.5 SLM להתחיל זרימה רציפה דרך הפנטום. אמוד מהיקף הפנטום וקצב זרימת הגז כמה הזמן לוקח להחליף לחלוטין את נפח הגז. בהגדרה שלנו, זה CA. 2 שניות.
- לאחר הפחתת הזרימה ל -0.1 SLM, הגדלת TR עד 15 שניות (כדי להשוות עם שלב 3.7), ומשאיר את שאר פרמטרים ללא שינוי, תרכוש מערך עם 16 סריקות fid תוך Xe hyperpolarized זורם במדגם. לבצע שינוי הפורה ולמדוד את המשרעת השיא בספקטרום. זוהי עוצמת האות לגז קסנון mixt hyperpolarizedיור. כמו כן, שים לב לתדר התהודה של שיא הגז ברץ.
- לפנות צינור NMR כבד קיר מצויד בשסתום לאטימה בלחץ נמוכה ולמלא אותו עם CA. overpressure 2 בר של קסנון הטהור.
- לפנות את סעפת הגז מחזיקה את הצינור ולמלא NMR CA. 0.2 בר של חמצן טהור על גבי Xe לתוך צינור NMR (כלומר, התאמת 2 לחץ O ל overpressure בר 2.2). החמצן ישפר את ההרפיה של המגנטיזציה Xe לאחר עירור RF (שהוא מאפשר לנו לעבוד עם TR = 15 שניות; התהליך אחר דורש זמן רב TR אם לא יוחלף הגז לעירור הבא כמו בשלב 3.4).
- החלף את פנטום זרימת הגז השתמש בעבר במגנט NMR עם צינור NMR לחץ נמוך זו ולבצע את רצף דופק NMR כמו ב3.4. זה ייתן לך את עוצמת אות התמ"ג ל- ריכוז גבוה Xe תרמית מקוטב.
- השווה את עוצמת האות של תרמית וhyperpolarized Xe ולחשב את האות לשפרment לוקח את הריכוזים ולחצים שונים בחשבון. לחשב את קיטוב הספין כדלקמן:
ה P קיטוב ספין התרמית צריכה להיות הנחושה ראשון כנקודת התייחסות. הוא מוגדר כהפרש האוכלוסייה של שתי מדינות ספין על הסכום של האוכלוסיות, כלומר,
בטמפרטורת חדר, זה ניתן על ידי קירוב הטמפרטורה הגבוה וR יחס האוכלוסייה
(K הוא קבוע בולצמן, T הטמפרטורה המוחלטת, וγ יחס magnetogyric). מאז KT האנרגיה התרמית הוא ללא ספק הגורם הדומיננטי, R הוא קרוב ל 1, כלומר ל.999982232 Xe ב B 0 = 9.4 ט זה תשואות P ה (9.4 T) = 8.9 10 -7.
בשלב בא, ε גורם שיפור האות המנורמלת צריך להיות מחושב על פי היחס של כ"ס S אות hyperpolarized והאות מ ה S קיטוב תרמית (בהנחה שכל פרמטרי רצף דופק NMR היו זהים לשני היישומים):
כאשר c ו-p מייצגים את הריכוז של Xe בתערובת הגז (ב%) ולחץ של תערובת הגז עבור שני הניסויים עם תרמית וXe hyperpolarized, בהתאמה. אז hyperpolarization השיג נתון על ידי ה εP המוצר.
4. פונקציונלית קסנון פתרון ספקטרוסקופיה המדינה
- הכן את פתרון 50-200 מיקרומטר של מארח (פונקציונלי) קסנון (למשל, cryptophane-עם יחידת מיקוד). בהתאם hydrophobicity של שיתוף הכלובnstruct, להוסיף פחות או יותר DMSO למים כממסים. בהפגנה שלנו עם cryptophane-כלוב monoacid, זה קל ביותר לשימוש DMSO הטהור. קח CA. 1.5 מ"ל של פתרון זה ולמלא אותו בפנטום זרימת הגז, להבטיח כי 5 התמזגו סיליקה נימים לאפשר מבעבעות מספקת של הפתרון עם תערובת גז Xe. לבצע בדיקה מבעבעת מחוץ מגנט NMR עם 0.1 SLM ולבדוק להקצפה מוגזמת לא רצויה.
- הכנס את רוח הרפאים, לבדיקה ומנגינת NMR ולהתאים בשני הפרוטונים וה-X ערוצים ולבצע פחית אוטומטית כמו בשלב 2.2.
- השתמש רכישת FID עם עיכובים מתאימים וקטניות הדק מספקטרומטר כדי לפתוח ולסגור את בקרי זרימה המוניות. לאפשר לCA. 15-20 שניות מבעבעות עם 0.1 SLM ועיכוב לאחר 5-8 שניות מחכים לבועות עד שתיעלם, ואחרי עירור RF וreadout FID.
- בצע 16 חזרות או 32 (תלוי בריכוז הכלוב שלך) עם sw = 40 קילוהרץ, המרוכזים בCA. 11 קילוהרץ למטהשדה מתדר תהודת הגז קבע בשלב 3.4. readout FID צריך להיות 500-1,000 מ '. התמרה פורה FID כדי לקבל את הספקטרום.
- הגדר את הערך הכימי המשמרת לאות הימנית ביותר (שלב גז) ל 0 עמודים לדקה. רשום את התדר של אות הפתרון האינטנסיבית (אות השמאלית ביותר) בהרץ ועמודים לדקה. שימו לב גם קיזוז בין אות זה בפתרון δ והאות של המארז Xe בכלוב δ ~ 60-80 עמודים לדקה בדקה. קיזוז זה נקרא Δω (ראה תוצאות גם ייצוגיות).
5. הדמית Hyper-CEST
- על מנת לבחון את יכולתו של חומר ניגוד מולקולת מארח קסנון, ניסוי עם פנטום שני תא יכול להתבצע. כדי לעשות זאת, לקחת CA. 50% מפתרון המבחן מסעיף 4 ולמלא אותו לתוך צינור NMR 5mm. הכנס את הצינור הזה להתקנה המבעבעת 10 מ"מימ מסעיף 4. מלא את התא החיצוני עם רק ממס ולא כלוב לאותה הרמה כמו שיתוף הפנימיmpartment. הכנס 3 למבעבעות הנימים לתוך חיצוניות ו 2 הנימים לתוך התא הפנימי.
- החבר מחדש את הצינור להתקנה המבעבעת וחזור על שלב 4.2.
- בחר רצף EPI חד ירה להדמיה מהירה. רצף זה אולי צריך להיות שונה כדי לכלול עיכובים וקטניות הדק מספקטרומטר כדי לפתוח ולסגור את בקרי זרימה המוניות. לאפשר לCA. 15-20 שניות מבעבעות עם 0.1 SLM ולאחר 5 - 8 שניות לעיכוב מחכה את הבועות עד שייעלמו, ואחרי קידוד ה-MRI.
- הגדר את הגרעין לזיהוי 129 Xe על ה-X-הערוץ ותדר המשדר / משקיף לשווי שנקבע לאות הפתרון בשלב 4.5. שימוש בכלי מחשבון דופק RF, להמיר את פרמטרי הדופק (משרעת ומשך) מצעד 3.3 לעירור השתמש ברצף ההדמיה שלך.
- גיאומטרית ההדמיה בדוגמא שלנו היא כדלקמן: 10 - 20 מ"מ עובי פרוס, אורינטציה רוחבית, 20 x 20 מ"מ של שדה מתחרותw; גודל המטריצה 32x32; דגימה כפולה (כדי למנוע ממצא) וגורם קידוד פורה חלקי מוגדר 1.68 לרכישות מואצות (כלומר, רק 19 מתוך 32 צעדי קידוד השלב נרכשים בפועל).
- פתח את המודול CEST (מודול העברת המגנטיזציה שונה) להכנת אות ולאפשר cw presaturation דופק (פרמטרים, למשל, 2 שניות משך, 5 μT אמפליטודה). לבצע 2 סריקות בנטייה רוחבית עם תדר הנושא של דופק רוויה זו פעם מוצב לכלוב δ = δ פתרון - Δω ופעם אחת לשליטת δ = פתרון δ + Δω.
- שימוש בכלי שלאחר עיבוד תמונה, ליצור דימוי הבדל Hyper-CEST על ידי חיסור התמונה עם רוויה בכלוב δ מאחד עם רוויה בשליטת δ. התוצאה צריכה לסמן אזורים שבם המארחים Xe היה נוכח (ראה גם תוצאות מייצגות) בלבד.
6. נציג תוצאות
קליטת הליזר יכולה להיות פיקוח על ידי מעבר השדה המגנטי מסביב לתא וכיבוי. בהתאם לכוח הליזר וטמפרטורת תא, קליטה כמעט מלאה נצפתה בשדה המגנטי כבוי וCA. העברה של 30% מתרחשת בתחום ב( השוואה מוצגת באיור 8).
למערכת הפעלה NMR ב9.4 T (400 MHz עבור H 1, 110 MHz עבור 129 Xe), שיפור האות צריך להיות CA. 16,000 כפולים כאשר משווים קסנון תרמית מקוטב עם קסנון hyperpolarized. על פי 3.8 לדרוך, הדבר מקביל לקיטוב ספין של CA. 15%. ערכים> 10% צריכים להיות ברי השגה בעת שימוש בקו הצטמצמו ליזר דיודה עם תפוקת cw של> 100 W.
ספקטרום NMR Xe 129 לפתרון DMSO המכיל 213 מיקרומטר של מארח מולקולרי צריך להפגין אותות של קסנון כלוב עםאות לרעש יחס של CA. 10 במשך 16 רכישות (איור 9: בטמפרטורת חדר, הרחבת קו 10 הרץ בשימוש).
ערכת נתוני MRI Hyper-CEST מראה עוצמת אות מלאה לתמונה שאינה המהדהדות שליטה ודלדול אות באזורים המכילים את מולקולת מארח Xe בתמונת הרוויה על התהודה. התמונה מציגה את ההבדל באופן בלעדי אזורים שהגיבו לרווית הדופק (איור 10).
איור 1. מבט צד של רכיבים אופטיים להשגה מעגלית, אור מקוטב. אור הליזר הוא בשילוב למערכת באמצעות הסיב האופטי בצד השמאל. שניהם קוביית קיטוב קרן ספליטר (ות"ת) וצלחת גל λ / 4 מותקנות בסיבוב mounts כדי להתאים את הגרזן המהירלהפקה של אור מקוטב מעגלי (ראה סרט 1). הקרן הרגילה מתבטאת בת"ת, ניתן להטות על ידי מראה לסופו במזבלת קורה (לא מוצג).
איור 2. למעלה תצוגה של רכיבים אופטיים להשגה מעגלית, אור מקוטב. תצוגה זו כוללת מזבלת הקרן לקרן הרגילה. כאמצעי בטיחות, צמדים תרמיים ניטור הטמפרטורה של ההרחבה העיקרית קורה, מזבלת הקרן, וקוביית מפצל האלומה המקוטבת.
איור 3. מבט הצד של שאיבת תא עם הקיר הצדדי של תיבת התנור נפתח. להser האור נכנס התיבה מהשמאל דרך חלון זכוכית מקבילה. החריר בקצה הימני פוחת כוח הליזר המשודר להגן ספקטרומטר האופטי אשר מקבל האור דרך collimator וסיבים אופטיים. תערובת גז Xe נוסעת הפוכה לכיוון אור הליזר: הוא נכנס לתא דרך רגל ימין ויוצא בצד השמאל.
איור 4.) מבט מקרוב אל Rb טיפה בתוך תא השאיבה. דוד סיליקון הכתום (הנשלט על ידי רגולטור מח"ש) מחובר לתחתית תא הזכוכית. צמד תרמי על גבי מנטר את טמפרטורת התא. ב) תצוגת תקריב של אזור כניסת הגז מתא שאיבה בגיל בינוני עם incr הקלה מעובית הצטברות על קיר הזכוכית. ג) אגל Rb שנותר באותו תא שאיבה כמו בב), כפי שניתן לראות על ידי מאיר את התא מאחורה ועם זמן חשיפה קצר כדי לדכא את הנראות של ציפוי קיר הזכוכית.
איור 5. מעברי אנרגיה באדי מתכת אלקלי. א) בלי B-שדה חיצוני, את תת הרמות המגנטיות אינן מוגדרות (מאויר באפור בלבד), ולכן כל אטום במצב היסוד סופג אור. ב) הפיכה בשדה חיצוני מגדירה את רמות הזים וגורם שאיבה של מעבר אחד בלבד על פי כללי בחירת דיפול. זה גורם להצטברות של אטומים באחת מרמות המשנה תוך מספר מופחת של אטומים ברמת משנה מצב הקרקע האחרת סופג את אור ליזר.
= "תמיד"> 
איור 6. כלוב cryptophane פונקציונלי לאיתור יעד ספציפי של העניין ביוכימי. אות NMR Xe תשתנה על האירוע המחייב של יחידת המיקוד הספציפית.
איור 7. גלוי מכוון את האלומה (אור אדום) ליישור של תא השאיבה כדי להבטיח הארה מלאה של נפח השאיבה.
איור 8. פרופילי ליזר לתא שאיבה שונהתנאים. אין קליטה הוא ציין לתא הקר (טמפרטורת חדר) כאשר אין Rb אדים הוא הווה. אנו מבחינים בשני קווי פליטה מדיודת הליזר שלנו (יחד עם FWHM של 0.5 ננומטר שנמצא במפרט של היצרן). כאשר התא מגיע לטמפרטורת סטו (180 ° C) והשדה המגנטי הוא כבוי, כללי עירור 1 D גורם לספיגה כמעט מוחלטת של אור הליזר. החלפת השדה המגנטי במשרה סלקטיבית שאיבה של מעבר אחד בלבד ומגבירה את עוצמת השידור.
איור 9. ספקטרום NMR 129 Xe של פתרון DMSO מכיל cryptophane-monoacid (מבנה גם מוצג) כXe כלוב. שיא גז הפניה ל0 עמודים לדקה. חינם Xe בפתרון מופיע בפתרון δ = 245.7 עמודים לדקה וכלואה בכלוב Xe δ = 79.2 עמודים לדקה. לניסוי Hyper-CEST, דופק הרוויה מוגדר פעם אחת לכלוב δ המאפשר העברת רוויה כדי להקטין את שיא הפתרון ומייד התחיל בשליטת δ = 412.2 דקה לאסוף אות ההפניה לחיסור. פרמטרים ניסיוניים: 213 כלוב מיקרומטר בDMSO ב295 K, 16 רכישות עם רוחב פס 32.3 קילוהרץ, 772 אלפיות FID הקריא, Xe פעפע לתוך פתרון ברמה של 0.1 SLM עבור 20 שניות.
איור 10. 129 Xe MR תמונות של קסנון מומסות בDMSO. הפנטום מורכב משני תאים נפרדים רק עם התא פנימי המכיל cryptophane-monoacid (בריכוז של 50 מיקרומטר). לפני כל תמונת EPI נלקחת, 5 saturat μT רציף גליון הדופק מוחל ל2 שניות. א) דופק הרוויה הוא בשליטת δ, כלומר, את התהודה עם Xe @ כלוב השיא ואנו רואים איתות חזקה משני התאים. ב) הרוויה היא בתהודה עם Xe השיא @ הכלוב בכלוב δ, כמעט הרס לחלוטין את האות מהתא הפנימי. תמונת החיסור) - ב) מגלה את מיקומו של מולקולת מארח Xe. התמונות שנרכשו עם FOV של 20 מ"מ x 20, עובי פרוסה של 10 מ"מימ ו32 x 32 פיקסלים. אז הם thresholded ואינטרפולציה עד 256 x 256 פיקסלים.
סרט 1. אנימציה של הרכבת התקנה לסאופ. קרן הליזר היא עלה לראשונה בקוטר ידי הרחבת קרן עיקרית ועוברת דרך קוביית מפצל אלומה מקוטבת (ות"ת). סיבוב של קובייה זה משנה את עוצמות יחסיות של הקרן הרגילה ומיוחדת הזה. לתפקיד עם שידור מרבי, הציר המהיר של ות"ת מיושר עם Dominaציר קיטוב nt של האור הנכנס. הקיטוב לינארי של האור המועבר - שמושפע מיחס האיכות / הכחדה של ות"ת - ניתן לבדוק באמצעות ת"ת שנייה כמנתח. יישור הציר המהיר שלה עם הציר המהיר של הקובייה הראשונה צריכה לתת שידור מרבי בעוד סיבוב נוסף של 90 ° צריכים לתת שידור אפס והשתקפות מלאה. החדרה של 4 צלחת λ / גל ממירה ליניארי לקיטוב מעגלי אם הציר המהיר שלו הוא מסובב 45 ° נגד הציר המהיר של ות"ת הראשונה. עוצמת האור מועבר כעת אמורה להיות בלתי תלויה בסיבוב של הקובייה השנייה. הסרת רכיבי הניתוח והחליף בהרחבת קרן משנית מניבה קוטר אלומת הזכות להאיר את תא השאיבה. אגל רובידיום יושב בתא הזה מתאדה באופן חלקי פעם אחת דוד מחוץ לתא מופעל. תערובת גז קסנון זורמת דרך ההתקנה בכיוון הפוך לכיוון קרן הליזר distributes אדים זה בכל רחבי התא. ללא שדה מגנטי, זה גורם לעירור D 1 כללי של אטומי Rb וקליטה חזקה של אור הליזר. הפיכה מגנטית על מאפשרת לשאיבה סלקטיבית של מעבר אחד בלבד בין תת הרמות המוגדרות כעת המגנטיות. כתוצאה מכך, רק מספר מצומצם של אטומים לקלוט את אור הליזר והשידור עלו שוב. לחץ כאן לצפייה בסרט.
סרט 2. אנימציה המסבירה את השפעת CEST. כלובי Cryptophane לשמש כמארחים מולקולריים ללכוד אטומי XE המשתנים תדר התהודה שלהם על האירוע המחייב הזה (כחול מעבר -> ירוק). רכישת NMR ראשונה קובעה את הכמות המאוגדת Xe כאות הפניה. בשלב בא, דופק רוויה משפיע סלקטיבית רק את אטומי כלוב הורס המגנטיזציה שלהם. מאז Xe המחייב הוא תהליך הפיך, דופק ארוך לבטלשל המגנטיזציה של אטומים רבים ורכישת NMR שנייה מגלה ירידה משמעותית מאות החופשית Xe השוואה לאות ההפניה. לחץ כאן לצפייה בסרט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
היבטים קריטיים בהכנה של קסנון hyperpolarized הם זיהומי חמצן בסעפת הגז כולל תא השאיבה ותאורה מספקת בתא עם אור מקוטב מעגלי. מבחן הנורה שהוזכר לעיל הוא דרך פשוטה לזהות ריכוזי חמצן מזיקים בעת העברת רובידיום. מתכת אלקלי עלולה לאבד המשטח המבריק שלה על ידי זמן התא מותקן במקטב. עם זאת, אידוי מספק של Rb אינם מתחמצן-ניתן לנטר באמצעות שידור ליזר מופחת (כאשר מחמם תא טרי בפעם הראשונה, יכולה להיות שעלייה נוספת בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס בקירוב נדרשה כדי להתחיל את תהליך האידוי;. פעם קליטת ליזר מתחילה, הנקודה להגדיר צריכה להיות מופחתת). קליטת ליזר כמעט מוחלטת בנוכחות השדה המגנטי מצביעה על כך שקיימת לפחות אזור אחד בתא עם צפיפות אדי RB עודפת שעלול לגרום לתאורת תא הומוגניות וההייפ Xe רעrpolarization. מוריד את החום של התנור, אם זה קורה עד שיש כ 30% העברה דרך התא.
שיעורי טמפרטורה אופטימלית, לחץ, תערובת גז וזרימה צריכים להיקבע באופן ניסיוני עבור כל התקנה כמו אלה יהיו תלויים בגיאומטריה הספציפית והולכת תרמית של התא האופטי וליזר קו הרוחב ועצמה של מקטבים בודדים. במיוחד זה הוכח כי חילופי ספין מRb לXe הוא יעילים ביותר בלחץ נמוך 12. עם זאת, בשל רוחב הקו הגדול יחסית של לייזרי דיודה, קיטוב Rb הוא לעתים קרובות יעיל יותר בלחצים גדולים 1. שני גורמים אלה חייבים להיות שחקו זה נגד זה כדי להגיע לקיטוב מרבי להגדרת נתונה.
אופטי אלטרנטיבי שאיבה יכולה להיות מושגת על ידי שימוש במעבר 2 D Rb עם פולט ליזר ב780 ננומטר או באמצעות Cs עם מעבר 1 D שלה ב 894 ננומטר 13 ו D 2 14. בהתאם לזמינות של מערכות ליזר, אחד מארבע הגישות יכולה להיבחר לתנאי שאיבה אופטימליים.
רשימת ירי צרות טובה להקמת ותפעול של מערך סאופ ניתן למצוא גם ב 15. עוד כמה רכיבים לבקרת ואקום וoverpressure בסעפת המקטב והפינוי לעמוד בשימוש בצעד 3.5 מפורטים בטבלת הציוד.
כדי לשמר את הקיטוב של Xe, הוא חייב להיות כל זמן בשדה מגנטי. השדה התועה של ספקטרומטר תמ"ג מספיק לכך. הגז בשלב 1 T של Xe הוא שעות רבות. זה יכול להיות מוגבר על ידי הקפאת המדגם, שהוא יתרון במיוחד להובלה. אינטראקציות קיר הן אחד מהגורמים העיקריים לשלילת הקוטביות של גז Xe. אלה יכולים להיות מופחתים על ידי בחירה זהירה של חומרים (לדוגמה על ידי ציפוי הזכוכית 16) וצמצום שטח המגע between הגז והמכל שלו.
רכישת נתוני NMR מפתרונות יכולה להיות הקשתה על ידי ההקצפה מוגזמת בתקופה המבעבעת או הבועות שנותרו בנוזל לאחר העיכוב מחכה. זה גורם inhomogeneities הרציני בשטח ואובדן אות משמעותית. הפחת את נקודת הסט של בקר הזרימה ההמונית במקרה זה.
התקנת הקיטוב הציגה כאן מאפשרת ללימודי NMR קלים עם קסנון hyperpolarized על פני תקופות זמן ארוכים. לפיכך, אות ממוצע לתנאים עם ריכוזי היעד נמוכים בקלות אפשרית. יציבות אות מובטחת באמצעות השימוש בבקרי זרימה המוניים מופעלים על ידי ספקטרומטר.
האות של Xe הפונקציונלי דווחה תלויה במספר היבטים של סביבת מייקרו, כוללים פרמטרים כמו טמפרטורה, חומציות והרכב של הממס מקומי. לכן גישה זו יש יישומים פוטנציאליים שונים בשניהם במבחנהnd באבחון vivo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
פרויקט מחקר זה קבל מימון ממועצת המחקר האירופית תחת התכנית של הקהילה האירופית השביעית מסגרת (FP7/2007-2013) / המענק ERC ההסכם n ° 242710 ובנוסף נתמך על ידי תכנית האדם Frontier מדע והתכנית של אמי נטר הגרמני קרן מחקר (SCHR 995/2-1).
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 |
References
- Schröder, L. Xenon for NMR biosensing - Inert but alert. Phys Med. , (2011).
- Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations. Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).
- Walker, T. G., Happer, W. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei. Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).
- Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S. Jr, Wishnia, A. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370, 199-201 (1994).
- Cherubini, A., Bifone, A. Hyperpolarised xenon in biology. Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).
- Goodson, B. M. Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms. J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).
- Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings. J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).
- Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. III Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC). Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).
- Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).
- 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. Functionalized xenon as a biosensor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).
- Schröder, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor. Science. 314, 446-449 (2006).
- Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer. Phys. Rev. A. 80, 063424 (2009).
- 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. Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs. Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).
- Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System. Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).
- Zhou, X. Hyperpolarized noble gases as contrast agents. Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).
- 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. Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques. J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).
