Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

NMR ve MRG Uygulamaları için Hyperpolarized Xenon

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

Optik dönüş değişimi (Seop) pompa vasıtasıyla hyperpolarized ksenon üretimi tarif edilmiştir. Bu yöntem Xe-129 nükleer spin kutuplaşma ~ 10000 kat büyütme verir ve nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve görüntüleme uygulamaları vardır. Gaz fazı ve çözelti durum deney örnekleri verilmiştir.

Abstract

~ 10 T bile güçlü dış manyetik alanların oda sıcaklığında 1 örnek sadece küçük saptanabilir net manyetizasyon üretir çünkü Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve görüntüleme (MRG) intrinsik düşük hassasiyeti muzdarip. Bu nedenle, en NMR ve MRG uygulamaları göreceli yüksek konsantrasyon (örneğin, su, biyolojik doku görüntüleme için) moleküllerin algılama güvenmek veya aşırı edinme süreleri gerektirir. Bu, birçok biyokimyasal ve tıbbi uygulamalar için NMR sinyalleri çok yararlı moleküler özgüllüğü yararlanabilmesi için yeteneğimizi sınırlar. Ancak, yeni yaklaşımlar son birkaç yıl içinde ortaya çıktı: tespit sıkma türlerin Manipülasyon öncesinde NMR / MRG mıknatıs içindeki algılama dramatik mıknatıslanma artırmak ve bu nedenle çok daha düşük konsantrasyonda 2 moleküllerin tespiti kılar.

Burada, bir Xenon gaz karışımı (% 2-5 Xe,% 10 polarizasyon için bir yöntem mevcutN 2, bir ca ile kompakt kurulumunda O denge). 16000 kat sinyali iyileştirmek. Soygaz diğer bileşenler ayrılmış bile Modern çizgi-daralmış diyot lazerler verimli kutuplaşma 7 ve gaz karışımı hemen kullanıma izin verir. Seop cihaz açıklanmaktadır ve elde sıkma polarizasyon belirlenmesi yöntemi performans kontrol için gösterilmiştir.

Hyperpolarized gaz gaz akışı görüntüleme ya da başka malzemeler ile 8,9 arayüzleri difüzyon çalışmaları da dahil olmak üzere, boş alan görüntüleme için de kullanılabilir. Ayrıca, Xe NMR sinyalinin moleküler ortamda 6 karşı son derece duyarlıdır. Bu geçici gaz 10,11 tuzak Fonksiyonlu moleküler bilgisayarlar ile sulu çözeltide çözündüğünde bir NMR / MRG kontrast ajan olarak kullanmak için bu seçeneği sağlar. Doğrudan algılama ve bu yapıların yüksek hassasiyet dolaylı olarak algılama spektroskopik ve görüntüleme hem modunda gösterilmiştir. </ P>

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Belli koşullar altında 2 hassasiyet sorunu çözebilir yana Hyperpolarized ajanlar NMR / MRG uygulamaları için artan bir önem kazanmaktadır. Önceki bütün gerçek spektroskopi veya görüntüleme deneyi için NMR mıknatıs dışında bir yapay artış sıkma nüfus değişimi hazırlamak üç ana yaklaşım şu anda (ve döviz optik pompalama, Seop dönmeye;; para-hidrojen indüksiyon polarizasyonu, PHIP dinamik nükleer polarizasyon, DNP) kullanılır . Burada çözüm devlet Deneylerde kullanılan hyperpolarized 129 Xe üretimi için optimize edilmiş bir Seop kurulum fonksiyonu ve işletimi tarif.

Temel bir bileşeni 795 nm kızılötesi foton yayan yoğun bir ışık kaynağıdır. Lazer diyot diziler (LDA), yüksek güç çıkışı makul maliyetle> 100 W sağlayan kullanışlı cihazlardır. Birçok düzeneğinde, LDA daha fazla ya da daha az inci polarizasyon koruyan bir optik fiber içine yayane lazer ışığı. Yeterli Seop sürecini garanti etmek bu eliptik polarizasyon yüksek saflıkta dairesel polarizasyon dönüştürülmesi gerekir. Polarizasyon optik ana bileşenleri, Şekiller 1 ve 2 de gösterilmiştir ve sistem kurma ek film 1 'de şematik olarak açıklanmaktadır.

Dairesel ışık polarize için öncelikle güç yoğunluğu azaltmak için birincil ışın genişleme optikler (örneğin, bir fiber kolimatör) için fiber ucu takın. Işık daha sonra doğrusal polarize ışık üreten, polarize ışın ayırıcı küp geçer. Bu küpü çevirerek bir güç ölçer ile kalan kutuplaşma tercih ekseni belirleyebilirsiniz. Maksimum iletim küp hızlı ekseni ana ışık kutuplaşma ekseni ile hizalanır duruma tekabül eder. Yüksek tükenme katsayıları (100,000: 1 veya daha iyi) ile küpler polarizasyon bileşenlerinin iyi bir ayırma verim. Bu test edilebilirİlki olağanüstü ışının maksimum iletim için hizalanmış ise döndürülmüş bir analizör olarak ikinci bir demeti splitter küp kullanarak.

Geçen ışığın polarizasyon doğrusal teyit edildikten sonra, 795 nm için tasarlanmış bir λ / 4 dalga plakası, dairesel bir polarizasyon içine doğrusal dönüştürmek için olağanüstü kiriş içine verilir. Bu amaç için, dalga plakasının hızlı eksen 45 ° ışın bölücü küp hızlı eksenine göre döndürülür. (Arzu edilirse, olağanüstü ışın ile lineer polarizasyon eksenine dik olan yansıyan sıradan kiriş dairesel polarizasyon benzer bir şekilde elde edilebilir.)

Dairesel polarizasyon kalitesi dönme üzerine sabit bir transmisyon verim gereken ikinci bir ışın bölücü küp ile test edilebilir. İkincil ışın genişleme optikler (Galile teleskopla yapılandırmasında örneğin iki lens) sonra tamamen i ışın çapı artarbir fırın kutu içinde pompalama işlemi için cam hücre lluminate. Hücre içinde Rb, buhar ile lazer ışık emilimi kutu sonunda pompalama hücre arkasında bir iğne deliği vasıtasıyla takip edilir: bir kolimatör (hücre ayar pompalanması için bakınız Şekil 3, bir optik spektrometresi ile analiz edilmesi için zayıflatılmış bir kızılötesi ışın toplar ).

Pompalama hücre dışında bir ısıtma mekanizması kısmi olarak hücre (Şekil 4a) içine oturan bir Rb damlacık buharlaşan ve bu nedenle lazer ışığı emme neden olur. Buharı yoğunluğu, ilgili PID kontrol cihazının sıcaklık ayar noktası ile ayarlanabilir. Yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 190 ° C) xenon kutuplaşma oluşturmak için zaman sınırlı bir miktarda var kompakt kurulumları için iyidir. Xe'nin, 2 N ve O içeren gaz karışımı lazer ışın yönüne ters pompalama hücre (Şekil 3) akar. Lazer ışını ile uyumlu bir dış manyetik alan bu th sağlare IR fotonları tek Rb geçiş pompalıyor. Elektron devletlerin Gevşeme hızlı ve 'yanlış' kutuplaşma IR foton emisyonu önlemek için ışıksız olmalıdır. Burada, N 2 quench gaz olarak devreye giriyor. Diğer bir sürekli olarak lazer (Şekil 5) tarafından tüketilir iken Sonuç olarak, Rb sistem temel durum alt düzlemlere birinin bir çoğalmasını kurar. Rb atomları ile yakın temas halinde elde Xenon spin-spin etkileşimleri oluşur ve Elektron Spin polarizasyon flip-flop süreçlerinde Xe çekirdekleri üzerine transfer edilir.

Pompalama hücre dışına akan gaz hyperpolarized. In vivo uygulamalarda, bununla birlikte, ilave eleme düşük sıcaklıkta (4b Şekil l'e benzer şekilde) bağlı çıkış birkaç cm içinde boru duvarına kondensat gerektirir ki Rb buhar eser miktarda içerir alkali metal (soğuk tuzak yoluyla vs) in vitro experime oysaBu hyperpolarizer yapraklar gibi nts gaz ile güvenli bir şekilde uygulanabilir. Teflon tüp testi çözümleri NMR deneyleri gerçekleştirmek için cam aparatların girişi ile polarize çıkışı bağlanır. Kütle akış kontrolörleri NMR kurulum akan Xe miktarını ayarlamak için kullanılır. Onlar NMR puls sekansı komutları tetiklenir. Elde polarizasyon geliştirme kontrol edildikten sonra, çözelti, gaz durumu deneylerinde NMR / MRI kontrast ajanı olarak da kullanılabilir.

Xe'nin, bir su içinde belli bir çözünürlük (4.5 mM / atm) ve diğer çözücüler bulunmaktadır. Bu nedenle zaten bazı sıvıların dağılımını görüntüleyen bir kontrast ajan olarak kendi hizmet edebilir. Bununla birlikte, başka atıl gaz aracılığıyla moleküler özgü bilgileri elde etmek için bazı moleküllerin-NMR aktif çekirdekler bağlamak da mümkündür. Erimiş Xe için bir ana moleküler sağlayarak, Xe NMR sinyali moleküler özgüllük vermek mümkündür. Bu fırsatı sağlardizayn fonksiyonalitesi kontrast ajanları - biyosensör da adlandırılan - bu tür bir ana yapı biyomedikal ilgilenilen analit (Şekil 6) bağlanan bir hedef ünitesine bağlıdır.

Biyosensör MR kontrast ajanları (<100 uM) için düşük konsantrasyonlarda tespit edilmesi gerektiği zaman daha fazla duyarlılık artış gereklidir. Bu Kimyasal değişim doyma transferi (TSİ) ile elde edilebilir. Bu yöntem, kafesli Xe ve mıknatıslanma yok ve çözüm ücretsiz Xe arasında sinyal değişimi gözlemleyerek dolaylı biyosensör algılar. Hyperpolarized çekirdekler sürekli tespit havuzu üzerine bazı 10 ms, birçok 100 ila 1000 çekirdekler transferi bilgilerden sonra değiştirilir ve sinyal ca yükseltmek beri. 10 3 kat (film 2'ye bakınız).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Seop Kur hazırlanması

Rubidyum ksenon için lazer ışık polarizasyon transferini kolaylaştırmak için, optik pompalama hücre haline getirilmesi gerekir. Yüksek reaktivitesi nedeniyle, bu işlem, Rb, oksijen ya da su ile temas etmeden gerçekleşmesi gerekir, aksi takdirde okside olur ve Xe kutuplaştırma değildir. Rb Su ile şiddetli reaksiyona girer gibi ekstra dikkatli alınmalıdır.

  1. Optik hücre önceden kullanılmış ise, Şekil 4b'de görüleceği gibi, Rb ve Rb oksit tabakası ile kaplanır. Hücre ilk kullanımdan önce temiz olmalıdır. Optik hücre giriş ve çıkış boruları kapatın. Tutarak basınçlı iken, kimyasal bir davlumbaz hücreyi taşımak. Uygun kişisel koruyucu ekipman kullanarak Kaputun altında, atmosfere hücreyi açın ve Rb yüzey okside izin için yaklaşık bir saat bekleyin.
  2. Hücre içine yavaşça pipetle saf izopropanol. Bu eriyecektirRb oksit tabakası ve parlak Rb damlacıkları sıcak plaka üzerinde su damlaları gibi izopropanol yüzey üzerinde hareket edecektir. Bir behere izopropanol (ve onunla birlikte herhangi bir Rb) dökün. Tüm Rb kaldırılıncaya kadar yineleyin.
  3. Bu hala Rb kaldırmak değilse,% 10 su solüsyonu ve% 90 izopropanol yapmak ve tüm Rb kaldırılıncaya kadar su oranı (10% adımlarla) artan adım 1.2) tekrarlayın.
  4. Rb, her kaldırıldıktan sonra, aseton ile optik hücre durulama.
  5. Argon atmosferi ile torpido gözü içine önceden boşaltılmış ve sonra argon dolgulu optik pompalama hücresi getir. Ayrıca rubidyum bir ampul, ampul, Pasteur pipetler, Kimwipes ve bir ısı tabancası kırmak için bir araç içerir. Torpido kuru bir ortamda korumak için, bir kurutucu olarak fosfor pentoksit içeren bir Petri kabı yerleştirin. Oksijen istenmeyen izleri varlığı cam ampul torpido atmosfere filament göstermek için açılmış bir ampul ile izlenebilir.Işık açıkken hiç duman çıkar gibi koşullar sürece gayet iyi.
  6. Pompalama hücrenin doldurma portu açın, Rb ampul kırılabilir ve ısı tabancası ile alkali metal eritmek. Bir pipet ile bazı sıvı Rb içinize çekin ve pompalama hücresi enjekte.
  7. Polarize kurulum ulaşım için pompalama hücresi hafif bir basınç korumak için torpido gözünde argon basıncı artırarak sonra dolum portu kapatın. Torpido hücre çıkar.
  8. (Bu görünür ışık hedefleme ışını, Şekil 7 ile yapılabilir) pompalama işlemi sırasında lazer ışını hattı aydınlatıcı hücre ile aynı hizada olduğunu kontrol ettikten, polarize manifolduna hücre bağlayın ve termokupl ile ısıtma cihazı olup olmadığını kontrol hücre (Şekil 4a olduğu gibi) ile uygun termal kontağı. Hücre üst kısmına bir termokupl takın.
  9. Kadar giriş ve pompalama hücresi çıkış vanasına hortum bağlantıları boşaltın. Sonra<30x10 -3 mbar basınca ulaşıldığında, yüksek saflıkta Ar (ya da azot) ile tasfiye çizgileri. Bu üç kez tekrarlayın.
  10. Pompalama hücresi girişine açık Ar tankı ile, yavaş yavaş giriş ve hücre çıkış vanasını açın. Dikkatle ca bir Ar akışı kurmak için polarize çıkış vanası küçük biraz açın. Manifoldu ile 1 SLM. 2 dakika için bu akış koruyun. Artık, oksijen kirlilikler ölçüde Rb paslanmasını önlemek için ortadan kaldırılmalıdır. Polarize çıkış valfi ve Ar tankı girişine bağlantısını kapatın.
  11. Pompalama hücre ısıtıcı açın (ayarlanan sıcaklık yakl. 180-190 ° C hücre altına monte edilmiş bir ısıtma şerit için). Bu Rb damlacık parçası buharlaşacak.
  12. Polarize kurulum içine Xe gaz karışımı bağlantıyı açın. Tankı regülatörü ca ayarlanmış olmalıdır. 3,5 bar basınç.
  13. Üzerine lazer açın ve ca onun yayan dalga ayarlayabilirsiniz. Diyot soğutucu ayarlanan sıcaklık ayarlayarak 794,8 nm. La MonitörOptik spektrometre aracılığıyla ser profili.
  14. Rb sürekli artan buharlaşma lazer emme neden olur. Lazer emisyon profili (ifltirilmiflse soğutucu sıcaklığı gerekirse) simetrik olarak absorbe olduğundan emin olun. Bir kez hücre üzerinde sıcaklık sensörü ca okur. 100 ° C, sen (bkz. Şekil 8) önemli ölçüde azaltılmış lazer iletim dikkat etmelisiniz.
  15. Lazer emme nedenle de hücre içindeki basınç artar, ek ısıtma neden olur. Hücre koşulları izleyin ve dikkatle değeri pompalama hücresi için derecelendirilmiştir sınıra ulaştığında zaman bazı basınç serbest bırakmak için polarize çıkış (normal çalışma gibi) gelen gaz havalandırma (5 bar abs. Bizim kurulum).
  16. Lazer profili izlerken pompalama hücresi etrafında manyetik alan (yaklaşık 2-3 mT) açın. Alanında (bkz. Şekil 8) pompalama seçici optik neden olarak İletim hemen gitmeli.
  17. Bütün sıcaklıklarda stabilize etmek için bekleyin.Polarize artık kullanıma hazırdır.

2. NMR Kur hazırlanması

  1. NMR prob kafası içine su ile bir test tüpü yerleştirin ve radyo frekansı (RF) proton ve xenon kanal için devre ayarlama ve eşleştirme gerçekleştirin.
  2. MRG kullanıcı arabirimi otomatik şim rutin su sinyal üzerine Şim.

3. Hiperpolarizasyon Niceleme

  1. Onun ca ile deney fantom girişine polarize çıkış tüp bağlayın. 5 kılcal kütle akış kontrolörü ile bağlantı Xe ve gaz havalandırma borusunu enjekte etmek.
  2. Gaz akış kontrolörleri 'kapalı' olarak ayarlanır ve yavaş yavaş fantom basınç için polarize çıkış vanası açık olduğundan emin olun. Ca için akış hızını ayarlayın. Fantom aracılığıyla sürekli bir akış başlatmak için 0,5 SLM. Fantom hacmi ve tamamen gaz hacmi değiştirmek için ne kadar sürer gazı debisi den tahmin. Bizim kurulum, bu ca. 2 sn.
  3. (örneğin 5-100 μsec) sert bir darbe kullanarak NMR spektrometre ile sinyalleri bir dizi satın. Diğer parametreler şunlardır: sw spektral genişlik = 10 kHz, edinimi süresi ta = 1 sn ve adım 3.2 'de hesaplanan değiştirme zamanı daha uzun bir tekrarlama zaman TR. 9.4 T Xe gaz için uyarma darbe frekansı ca. 110,683 MHz. Güçlü sinyale sahip FID maksimum sinyal darbe gücü ve uzunluğu doğru kombinasyonu verecektir.
  4. Hyperpolarized Xe örnek akan ise 15 sn (adım 3.7 ile karşılaştırılabilir olması için) TR artırılması ve diğer parametreler değişmeden bırakarak, 0.1 SLM için akımında azalmaya sonra, 16 FID taramaları ile bir dataset kazanır. Fourier dönüşümü gerçekleştirin ve spektrum tepe genliği ölçülür. Bu hyperpolarized ksenon gaz mikst için sinyal şiddetiure. Ayrıca, Hz gaz tepe rezonans frekans not edin.
  5. Düşük basınçta sızdırmazlık için bir vana ile donatılmış ağır duvar NMR tüpü boşaltın ve ca ile doldurun. Saf ksenon 2 bar basınç.
  6. NMR tüpü tutarak gaz manifoldu boşaltın ve ca doldurun. NMR tüpü (yani, 2.2 bar basınca kadar O 2 basınç ayarı) içine Xe üstüne saf oksijen 0,2 bar. Oksijen RF eksitasyon (; gaz adım 3.4 gibi sonraki uyarma takılmazsa süreci aksi takdirde çok uzun TR gerektirir bize TR = 15 sn ile çalışma olanağı sağlar) sonra Xe mıknatıslanma gevşeme artıracaktır.
  7. Bu düşük basınç NMR tüpü ile NMR mıknatıs önce kullanılan gaz akışını fantom değiştirin ve 3.4 gibi NMR puls dizisi gerçekleştirebilirsiniz. Bu termal polarize yüksek konsantrasyonu Xe için NMR sinyal yoğunluğu verecektir.
  8. Termal ve hyperpolarized Xe ve sinyal intensitesi karşılaştırın ve sinyal geliştirmek hesaplamakMent hesaba farklı konsantrasyonlarda ve baskıları alıyor. Aşağıdaki gibi sıkma polarizasyon hesaplayın:

Termal sıkma polarizasyon P inci bir referans olarak ilk olarak tespit edilmesi gerekmektedir. Bu nüfus toplamı, yani, üzerinde iki spin hallerinin nüfus değişimi olarak tanımlanır

Denklem 1
Oda sıcaklığında, bu gibi yüksek sıcaklık uyumu ve nüfus oran R verilir

Denklem 2
(K T mutlak sıcaklık, Boltzmann sabiti ve γ magnetogyric oranı). Termal enerji kT bugüne kadar baskın bir faktör olduğu için, R B 0 = 9.4 T. Bu verimleri P inci (9.4 T) = 8.9 10 -7, Xe için yani 0,999982232 1 yakın.

Sonraki, normalize sinyal iyileştirme faktörü ε hyperpolarized sinyali S hp ve termal polarizasyon S inci (tüm NMR puls sekansı parametreleri her iki uygulama için de aynı olduğunu varsayarak) gelen sinyal oranından hesaplanır zorundadır:

Denklem 3
C ve p gaz karışımı içinde Xe konsantrasyonunun (% olarak) ve termal ve hyperpolarized Xe ile deneyler, sırasıyla her ikisi için gaz karışımının basıncını temsil yerde. Elde hiperpolarizasyon sonra ürün εP th tarafından verilir.

4. Fonksiyonlu Xenon Çözüm Eyalet Spektroskopi

  1. A (Fonksiyonlu) xenon konak (örneğin, cryptophane-A hedefleme ünitesi ile) bir 50-200 uM çözeltisi hazırlayın. Kafes co hidrofobluğu bağlıbir ya da daha fazla çözücü olarak su ile daha az DMSO eklemek, nstruct. Bir cryptophane-A monoacid kafes ile tanıtımda, saf DMSO kullanmak için en kolay yoldur. Ca al. 1.5 Bu çözeltinin ml ve 5 erimiş silika kapiller Xe gaz karışımı ile çözümün yeterli köpüren izin sağlanması, gaz akışı fantom içine doldurun. 0.1 SLM ile NMR mıknatıs dışında bir köpüren testi yapın ve istenmeyen aşırı köpük kontrol edin.
  2. NMR prob ve melodi içine fantom yerleştirin ve proton ve X-kanal hem de maç ve adım 2.2 gibi bir otomatik şimi gerçekleştirmek.
  3. Kütle akış kontrol açmak ve kapatmak için spektrometrelerinden uygun gecikmeler ve palsına ile FID edinimi kullanın. Ca için izin ver. 0.1 SLM ve RF eksitasyon ve FID okuması ardından kaybolmaya kabarcıklar, daha sonraki 5-8 sn bekleme gecikmesi ile 15-20 sn köpürme.
  4. Ca merkezli sw = 40 kHz ile 16 veya 32 tekrarlar (kafesine konsantrasyonuna bağlı olarak), gerçekleştirin. 11 kHz aşağıAdım 3.4 'te belirlenen gaz rezonans frekansından alan. FID okuması 500-1,000 m olmalıdır. Fourier spektrumu almak için FID dönüşümü.
  5. En doğru sinyali için kimyasal kayma değeri (gaz fazı) 0 ppm olarak ayarlayın. Hz ve ppm cinsinden yoğun çözüm sinyali (en sol sinyal) sıklığı yazınız. Ayrıca unutmayın δ çözümü bu sinyal ve δ kafes ~ 60 kapsüllü Xe arasında sinyal arasındaki ofset - ppm 80 ppm. Bu ofset Δω (ayrıca temsilcisi sonuçları görmek) denir.

5. Hyper-CEST Görüntüleme

  1. Bir ksenon ana molekülün kontrast ajan yeteneğini test etmek için, bir, iki bölme fantom ile bir deney gerçekleştirilebilir. Bunu yapmak için, ca almak. 50 Bölüm 4 gelen test solüsyonu% ve 5mm NMR tüpüne doldurun. Bölüm 4 den 10 mm köpüren kurulum içine bu tüpü yerleştirin. Iç eş olarak aynı seviyede sadece çözücü ile dış bölme ve herhangi bir kafes kadar doldurunmpartment. Iç bölmesine dış ve 2 kılcal damarların içine köpüren kılcal 3 takın.
  2. Köpüren kurulum hortumu takın ve adım 4.2 tekrarlayın.
  3. Hızlı görüntüleme için tek-shot EPI sekansı seçin. Bu sıra muhtemelen kütle akış kontrol açmak ve kapatmak için spektrometrelerinden gecikmeler ve palsına içerecek şekilde değiştirilmesi gerekiyor. Ca için izin ver. 15-0,1 SLM ve sonraki 5 ile 20 sn köpüren - MRG kodlama ardından kaybolmaya kabarcıklar, 8 sn bekleme gecikmesi.
  4. Adım 4,5 çözelti sinyal için belirlenen değer için X-kanal ve verici / gözlemci frekans üzerinde 129 Xe için tespit çekirdek ayarlayın. RF puls hesaplama aracı kullanarak görüntüleme dizisi kullanılan uyarma içine adım 3,3 (genlik ve süre) darbe parametreleri dönüştürmek.
  5. Aşağıdaki gibi bizim örneğimizde görüntüleme geometrisi: 10 - 20 mm kesit kalınlığı, enlemesine yöneliminin; vie 20 x 20 mm alanınıw; matris boyutu 32x32; çift örnekleme (eserler önlemek için) ve kısmi Fourier kodlama faktörü (yalnızca 19 32 faz kodlama adım aslında edinilen yani) hızlandırılmış alımlar için 1.68 olarak ayarlayın.
  6. Sinyal hazırlanması için TSİ modülü (değiştirilmiş bir manyetizasyon transfer modülü) açın ve bir cw presaturation darbe (parametreler, örneğin, 2 sn, 5 μT genlik) etkinleştirin. Δω ve bir kez δ kontrol = δ solüsyonu + Δω -. Kez δ kafesine ayarlı = δ çözümü bu doygunluk darbe taşıyıcı frekansı ile enine yönde 2 tarama gerçekleştirin
  7. Bir görüntü post-processing aracını kullanarak, δ kontrolü de doygunluğu ile birinden δ kafesinin doygunluğu ile görüntü çıkarılarak Hyper-CEST farkı görüntü oluşturabilir. Sonuç sadece Xe konak (ayrıca temsilcisi sonuçları görmek) mevcuttu alanları vurgulamak gerekir.

6. Temsilcisi Sonuçlar

Lazer emilimi üzerinde hücre ve kapalı etrafında manyetik alan geçiş tarafından izlenebilir. Neredeyse tam emilim manyetik alan ile gözlenen, lazer güç ve hücre sıcaklığına bağlı olduğu kapalı ve ca. % 30 aktarımı üzerindeki alan (Karşılaştırmalı Şekil 8 'de gösterilmiştir) oluşur.

9.4 T (1 H 400 MHz, 129 Xe için 110 MHz) bir NMR sistem çalışma için sinyal büyütme yaklaşık olmalıdır. 16000 kat hyperpolarized xenon ile termal polarize xenon karşılaştırırken. Adım 3.8 göre, bu ca bir spin polarizasyon karşılık gelir. 15%. Değerler> bir hat kullanırken% 10 ulaşılabilir olmalıdır> 100 W cw çıkışı ile diyot lazer daralmış

Bir ana moleküler 213 uM içeren bir DMSO çözeltisinin 129 Xe'nin-NMR spektrumu ile bir kafes ksenon bir sinyal sergilemesi gerekirca sinyal-gürültü oranı. 16 satın alma için 10 (Şekil 9, oda sıcaklığında, 10 Hz genişletilmesi hat kullanılır).

Hyper-CEST MR veri seti üzerinde rezonans doygunluk görüntüde Xe ana molekülü içeren alanlarda off-rezonans kontrol görüntü ve sinyal azalması için tam sinyal intensitesi gösterir. Farkı görüntü münhasıran doygunluk darbe (Şekil 10) yanıtladı alanları görüntüler.

Şekil 1
Dairesel polarize ışık elde etmek için optik bileşenlerin Şekil 1. Yan görünüm. Lazer ışığı sol fiber optik vasıtası ile sisteme bağlanmıştır. Polarize ışın ayırıcı küp (PBC) ve λ / 4 dalga plakası Hem hızlı balta ayarlamak için bağlar dönen yüklüdairesel polarize ışık (film 1'e bakınız) üretmek için s. PBC yansıyan sıradan ışın (gösterilmemiştir) bir ışın çöplükte sonuna kadar bir ayna tarafından yönlendirilebilir.

Şekil 2,
Şekil 2. Dairesel polarize ışık elde etmek için optik bileşenlerin üstten görünümü. Bu görünüm normal kiriş için kiriş dökümü içerir. Bir güvenlik önlemi olarak, termokupl birincil ışın genişletici, kiriş dökümü ve polarize ışın ayırıcı küp sıcaklığı izliyor.

Şekil 3
Şekil 3. Fırın kutusunun yan duvarı ile hücre pompalama yan görünümü açıldı. Laser ışık paralel cam pencereden soldan kutuya girer. Sağ ucunda iğne deliği bir kolimatör ve optik lif aracılığıyla, ışık alan optik spektrometreye korumak için, gönderilen lazer gücü azaltır. Xe gaz karışımı lazer ışık yönüne ters gitti: o sol tarafta sağ bacak ve çıkışlar yoluyla hücre içine girer.

Şekil 4,
Pompalama hücre içinde Rb damlacık Şekil 4. a.) Yakın çekim görüntüsü. Turuncu silikon ısıtıcı (PID regülatörü tarafından kontrol edilerek) cam hücrenin alt kısmına monte edilir. Üstüne bir termokupl hücre sıcaklığı izler. incr ile bir orta yaşlı pompalama hücre gaz giriş alanı b) Yakın görünüşüdürcam duvar üzerinde kondens birikmesi kolaylaştırılması. b aynı pompalama hücresi c) Kalan Rb damlacık), gibi cam duvar kaplaması görünürlüğünü bastırmak için geri gelen ve kısa pozlama süresi ile hücre aydınlatarak görüldü.

Şekil 5,
Şekil 5. Alkali metal buharı Enerji geçişleri. a) B-alan harici olmadan, manyetik alt düzeyleri (sadece gri gösterilmiştir) tanımlanmış değildir; dolayısıyla zemin devlet herhangi bir atom ışığı emer. b) Harici bir alanda torna dipol seçim kuralları uyarınca Zeeman seviyeleri ve tek geçiş pompalama nedenleri tanımlar. Diğer temel durum alt düzey atom sayısı azaltılmış lazer ışığı absorbe ederken bu alt seviyelerinin bir atom birikimine neden olur.


Şekil 6. Biyokimyasal ilgi belirli bir hedef tespit etmek için Fonksiyonlu cryptophane kafes. Xe NMR sinyali spesifik hedef alma biriminin bağlayıcı etkinliği üzerine değişecektir.

Şekil 7
Şekil 7. Görünür pompalama hücre hizalama için ışın (kırmızı ışık) amaçlayan pompalama hacmi komple aydınlatma sağlamak.

Şekil 8,
Farklı pompalama hücresi Şekil 8. Lazer profillerkoşulları. Hiçbir Rb buhar mevcut olduğu zaman Resim emme soğuk hücre (oda sıcaklığı) için gözlenmiştir. Biz bizim diyot lazer iki emisyon çizgileri (birlikte üreticinin özellikleri içinde 0.5 nm FWHM ile) gözlemlemek. Hücrenin ayarlanan sıcaklık (180 ° C) ulaşır ve manyetik alan kapatıldığında, genel D 1 uyarma lazer ışığı neredeyse tamamen emilmesi neden olur. Üzerinde manyetik alan geçiş, sadece tek bir geçiş için pompalama seçici neden olur ve transmisyon artmasına yol açmaktadır.

Şekil 9
Şekil 9,. Bir Xe kafes olarak cryptophane-A monoacid (yapı da gösterildiği gibi) içeren bir DMSO çözeltisinin 129 Xe NMR spektrumu. Gaz pik 0 ppm başvurulmaktadır. Çözüm Ücretsiz Xe δ çözüm = 245 görünür.7 Ppm ve δ kafes = 79.2 ppm kafesli Xe. Hyper-CEST deneme için, doygunluk nabız kez çözüm pik azaltmak ve bir kez = 412.2 ppm çıkarma için referans sinyal toplamak için δ kontrolünü ayarlamak için doygunluk transferi sağlamak için δ kafes ayarlanır. Deneysel parametreler: 295 K, 32.3 kHz bant genişliği ile 16 devralmalar DMSO içinde 213 uM kafesi, 772 ms FID okumak, Xe 20 sn için 0,1 SLM çözeltinin içine kabarmış.

Şekil 10
Şekil 10. DMSO içinde çözüldü ksenon 129 Xe MR görüntüler. Fantom cryptophane-A monoacid (50 uM bir konsantrasyonda) içeren sadece iç bölme ile iki ayrı bölmeden oluşmaktadır. Her EPI görüntü çekilmeden önce, 5 μT sürekli dalga saturatiyon darbe 2 sn için uygulanır. a) doygunluk darbe kapalı, δ kontrolde Xe @ kafesi zirve ile rezonans yani ve biz de bölmeleri güçlü sinyal gözlemlemek. b) doygunluk δ kafesinin Xe @ kafesli tepe ile rezonans ile ilgili ise, neredeyse tamamen iç bölme gelen sinyal yok. Çıkarma görüntü a) - b) Xe'nin ana molekül yerini göstermektedir. Görüntüler 20 x 20 mm'lik bir FOV, 10 mm ve 32 x 32 piksel bir dilim kalınlığında elde edildi. Daha sonra eşiklenir ve 256 x 256 piksel interpolasyon edildi.

Seop için bir kurulum montaj Movie 1. Animasyon. Lazer ışını bir birincil ışın genişletici tarafından çapının arttığı ve kutuplaştırıcı demeti splitter küp (PBC) geçirilir. Bu küp dönmesi olağan ve olağanüstü ışın göreli yoğunlukları değiştirir. Maksimum iletimi ile konumu için, PBC hızlı ekseni ile hizalanır dominaGelen ışığın nt kutuplaşma ekseni. Geçen ışığın polarizasyon doğrusal - PBC kalite / söndürme oranının etkisi olan - bir analizör olarak bir ikinci PBS kullanılarak test edilebilir. İlk küp hızlı ekseni ile onun hızlı ekseni hizalama 90 ° ile daha da rotasyon ise maksimum iletim vermelidir sıfır iletim ve tam yansıma vermelidir. , Hızlı eksen birinci PBC hızlı eksenine karşı döndürülebilir 45 ° ise bir λ / 4 dalga plakası yerleştirilmesi, dairesel bir polarizasyon içine doğrusal dönüştürür. İletilen ışığın yoğunluğunu şimdi ikinci küp dönme bağımsız olmalıdır. Analiz bileşenleri Çıkarma ve ikincil ışın genişletici ile bunların yerine doğru ışın çapı pompalama hücresi aydınlatmak için verir. Hücre dışında bir ısıtıcı açıldıktan sonra bu hücre oturmakta olan rubidyum damlacık kısmen buharlaştırılır. Ksenon gaz karışımı lazer ışını distr için ters yönde işlemi boyunca akanTüm hücre üzerinde bu buharı ibutes. Bir manyetik alan olmadan, bu Rb atomları ve lazer ışığı emme güçlü genel D 1 uyarma neden olur. Üzerinde manyetik açılması şimdi tanımlanmış manyetik alt düzeyler arasında yalnızca tek bir geçiş pompalanması için seçici izin verir. Bunun bir sonucu olarak, sadece atomların sayısı azaltılmış lazer ışık ve transmisyon tekrar artmıştır emer. filmi görmek için buraya tıklayın .

CEST etkilerinin açıklanmasında Movie 2. Animasyon. Moleküler bilgisayarlar bu bağlama olayı (-> yeşil geçiş mavi) üzerine kendi rezonans frekansını değiştirmek Xe atomları tuzak olarak Cryptophane kafeslere hizmet vermektedir. İlk NMR edinimi bir referans sinyali olarak ilişkisiz Xe miktarını belirler. Sonra, sadece kafesli atomları etkileyen seçici satürasyon darbe onların manyetizasyon yok. Xe bağlayıcı geri dönüşümlü bir süreç olduğu için, uzun bir darbe iptalnın birçok atomları ve ikinci NMR edinimi mıknatıslanma referans sinyali ile karşılaştırıldığında ücretsiz Xe anlamlı bir sinyal azalma saptanır. filmi görmek için buraya tıklayın .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Hyperpolarized ksenon hazırlanmasında kritik açıdan pompalama hücre ve dairesel polarize ışık ile hücrenin yeterli aydınlatma içeren gaz manifoldu oksijen yabancı maddeleri bulunmaktadır. Yukarıda bahsedilen ampul testi rubidyum aktarımı yaparken zararlı oksijen konsantrasyonlarının saptanması için basit bir yoludur. Alkali metal hücrenin polarize takılı zaman, parlak yüzeye kaybedebilirsiniz. . Bir defa, ancak, non-okside Rb, yeterli düşük buharlaşma lazer transmisyon (ilk kez için taze bir hücre ısıtma zaman, bu ca ek bir sıcaklık artışı 20 ° C buharlaşma sürecini başlatmak için gerekli olabilir tarafından izlenebilir lazer emme) ayar noktası azaltılmalıdır başlatır. Manyetik alan varlığında, hemen hemen tam bir lazer emme homojen olmayan hücre aydınlatma ve kötü Xe yutturmaca neden olabilir aşırı Rb buhar yoğunlukları ile hücre içinde en az bir bölge var olduğunu gösterirrpolarization. Hücre yoluyla yaklaşık% 30 iletim kalmayıncaya kadar bu olursa ısıtıcısının sıcaklığını azaltın.

Optimal sıcaklık, basınç, gaz karışımı ve akım hızları bu özel geometri ve optik hücre ve bireysel polarize lazer çizgi genişliği ve güç ısı iletimi bağlıdır gibi deneysel her kurulum için belirlenmelidir. Özellikle, Rb dan Xe spin değiş tokuş düşük basınç 12 en etkili olduğu gösterilmiştir. Ancak, diyot lazerlerin nispeten büyük çizgi genişliği nedeniyle, Rb kutuplaşma büyük basınçlarda 1 genellikle daha verimlidir. Bu iki faktör, belirli bir kurulum için maksimum polarizasyon ulaşmak için birbirlerine karşı oynanması gerekir.

Pompalama Alternatif optik 780 nm 'de bir lazer ışığı veren Rb D 2 geçiş ile ya da 894 nm'de 13 ve D 2 onun D 1 geçişi ile Cs kullanılarak elde edilebilir 14 de> geçiş. Lazer sisteminin durumu ile ilgili olarak, dört yaklaşımlardan biri optimum koşullar pompalanması için seçilebilir.

Kurma ve Seop kurulum operasyon için iyi bir sorun giderme listesini de 15 bulunabilir. Polarize manifoldu vakum ve basınç kontrolü için bazı daha fazla bileşenleri ve tahliye adımı 3,5 kullanılan stand ekipmanları tabloda listelenmiştir.

Xe ve kutuplaşma korumak için, bir manyetik alanda tutulmalıdır. Bir NMR spektrometre parazit alanı bunun için yeterlidir. Gaz fazda Xe, T 1 birçok saattir. Bu, taşıma için özellikle avantajlıdır örnek, dondurma ile arttırılabilir. Duvar etkileşimleri Xe gaz depolarizasyon en önemli nedenlerinden biridir. Bu malzemeler dikkatli seçimi (kaplama cam 16 örn) azaldı ve temas alanı betw azaltarak edilebilireen gaz ve kabı.

Çözeltilerinden NMR verileri alımı köpüren dönem ya da bekleme gecikmeden sonra sıvı içinde kalan kabarcıkları sırasında köpürme aşırı tarafından engel olabilir. Bu ciddi alan homojensizliklerin ve önemli sinyal kaybına neden olur. Bu durumda kütle akış kontrol ayar noktası azaltın.

Burada sunulan kutuplaşma kurulum uzun süre üzerinde hyperpolarized xenon kolay NMR çalışmaları için izin verir. Bu nedenle, düşük hedef konsantrasyonlarıyla koşullar için ortalama sinyal kolayca mümkündür. Sinyal istikrar spektrometre tarafından tetiklenen kütle akış kontrol kullanımı yoluyla garanti edilir.

Fonksiyonlu Xe bir sinyal lokal sıcaklık, pH ve çözücü kompozisyonu gibi parametreleri de dahil olmak üzere, mikro-ortam çeşitli yönleri, bağlı olduğu rapor edilmiştir. Bu nedenle bu yaklaşım vitro bir hem de çeşitli potansiyel uygulamalar vardırin vivo teşhis nd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgments

Bu araştırma projesi Avrupa Topluluğu Yedinci Çerçeve Programı (FP7/2007-2013) / ERC hibe anlaşması n ° 242710 altında Avrupa Araştırma Konseyi fon aldı ve ayrıca İnsan Frontier Bilim Programı ve Alman Emmy Noether Programı tarafından desteklenmiştir Araştırma Vakfı (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Schröder, L. Xenon for NMR biosensing - Inert but alert. Phys Med. (2011).
  2. 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).
  3. Walker, T. G., Happer, W. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei. Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).
  4. 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).
  5. Cherubini, A., Bifone, A. Hyperpolarised xenon in biology. Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).
  6. Goodson, B. M. Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms. J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Zhou, X. Hyperpolarized noble gases as contrast agents. Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).
  16. 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).
NMR ve MRG Uygulamaları için Hyperpolarized Xenon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Witte, C., Kunth, M., Döpfert, J., Rossella, F., Schröder, L. Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications. J. Vis. Exp. (67), e4268, doi:10.3791/4268 (2012).More

Witte, C., Kunth, M., Döpfert, J., Rossella, F., Schröder, L. Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications. J. Vis. Exp. (67), e4268, doi:10.3791/4268 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter