Xénon hyperpolarisé pour la RMN et l'IRM Applications
Summary
La production de xénon hyperpolarisé par le biais de spin optique d'échange de pompage (PDES) est décrite. Cette méthode donne une ~ 10000-pli amélioration de la polarisation de spin nucléaire du Xe-129 et a des applications dans la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire et d'imagerie. Exemples de phase gazeuse et expériences état de solution sont donnés.
Abstract
Résonance magnétique nucléaire (RMN) et l'imagerie (IRM) souffrent d'une faible sensibilité intrinsèque en raison même de fortes champs magnétiques externes de ~ 10 T ne génèrent qu'une petite détectable net-aimantation de l'échantillon à température ambiante 1. Par conséquent, la plupart des applications en RMN et IRM reposent sur la détection de molécules à forte concentration relative (par exemple, de l'eau pour l'imagerie des tissus biologiques) ou nécessitent des temps d'acquisition excessifs. Cela limite notre capacité d'exploiter la spécificité moléculaire très utile des signaux RMN pour de nombreuses applications biochimiques et médicaux. Toutefois, de nouvelles approches ont vu le jour dans les dernières années: La manipulation des espèces spin détectés avant la détection à l'intérieur de l'aimant RMN / IRM peut considérablement augmenter l'aimantation et donc permet la détection de molécules à des concentrations beaucoup plus faibles 2.
Ici, nous présentons une méthode de polarisation d'un mélange de gaz xénon (Xe 2-5%, 10%N 2, He équilibre) dans une configuration compacte avec un ca. L'amélioration du signal 16000-pli. Lasers à diodes moderne ligne rétrécies permettre polarisation efficace 7 et une utilisation immédiate du mélange de gaz, même si le gaz noble n'est pas séparé des autres composants. L'appareil est expliqué PDES et la détermination de la polarisation de spin obtenue est mise en évidence pour le contrôle de l'exécution du procédé.
Le gaz hyperpolarisé peut être utilisé pour l'imagerie espace vide, y compris l'imagerie débit de gaz ou les études de diffusion aux interfaces avec d'autres matériaux 8,9. En outre, le signal RMN Xe est extrêmement sensible à son environnement moléculaire 6. Cela permet à la possibilité de l'utiliser comme agent de contraste RMN / IRM lorsqu'il est dissous dans une solution aqueuse avec fonctionnalisés hôtes moléculaires temporairement emprisonner le gaz 10,11. La détection directe et haute sensibilité de détection indirecte de ces constructions est démontré à la fois en mode spectroscopique et d'imagerie. </ P>
Introduction
Hyperpolarisés agents bénéficient d'une attention croissante de RMN / IRM applications, car ils peuvent résoudre le problème de sensibilité dans certaines circonstances 2. Trois grandes approches sont actuellement utilisées (Polarisation dynamique nucléaire, DNP, para-hydrogène polarisation induite, PHIP et tourner échange de pompage optique, PDES) que tout préparer une différence de rotation augmenter artificiellement la population en dehors d'un aimant RMN avant la spectroscopie réelle ou expérience d'imagerie . Nous décrivons ici la fonction et le fonctionnement d'une installation PDES qui a été optimisé pour la production de 129 Xe hyperpolarisé utilisés dans des expériences état de solution.
Un élément essentiel est une source intense de lumière émettant des photons infrarouges à 795 nm. Réseaux de diodes laser (LDA) sont des dispositifs pratiques qui offrent puissance de sortie élevée> 100 W à un coût raisonnable. Dans de nombreuses configurations, l'ADL émet dans une fibre optique qui conserve plus ou moins de la polarisation èmee lumière laser. Afin de garantir un processus PDES suffisamment cette polarisation elliptique doit être convertie en polarisation circulaire d'une grande pureté. Les principaux composants de l'optique de polarisation sont présentés dans les figures 1 et 2 et la mise en place du système est expliqué schématiquement en 1 film supplémentaire.
Pour polariser la lumière circulairement nous attacher d'abord l'extrémité de fibre optique à un faisceau primaire d'extension (par exemple, un collimateur de fibres) pour réduire la densité de puissance. La lumière traverse ensuite un cube séparateur de faisceau polarisant, générer de la lumière polarisée linéairement. En tournant ce cube, nous pouvons déterminer l'axe préférentiel de la polarisation restante avec un wattmètre. Transmission maximale correspond à la situation où l'axe rapide du cube est aligné avec l'axe de polarisation de la lumière principale. Cubes avec des coefficients d'extinction élevés (100.000: 1 ou mieux), on obtient une bonne séparation des composantes de polarisation. Cela peut être testéà l'aide d'un cube séparateur de faisceau en tant que deuxième analyseur qui est mis en rotation alors que le premier est aligné pour la transmission maximale du faisceau extraordinaire.
Une fois la polarisation linéaire de la lumière transmise a été confirmée, d'une lame d'onde λ / 4 conçu pour 795 nm est introduite dans le faisceau extraordinaire pour convertir linéaire en une polarisation circulaire. A cet effet, l'axe rapide de la lame d'onde est mis en rotation par 45 ° par rapport à l'axe du faisceau cube séparateur rapide. (Si on le souhaite, la polarisation circulaire du faisceau réfléchi ordinaire avec son axe perpendiculaire polarisation linéaire du faisceau extraordinaire peut être réalisé d'une manière similaire.)
La qualité de la polarisation circulaire peut être testé avec un cube séparateur de faisceau deuxième devrait produire de transmission constant lors de la rotation. A optique secondaire d'expansion du faisceau (par exemple, deux lentilles dans une configuration lunette de Galilée) puis augmente le diamètre du faisceau complètement illuminate la cellule de verre pour le processus de pompage à l'intérieur d'une boîte de four. L'absorption de la lumière laser par Rb vapeur dans la cellule est contrôlée par un trou d'épingle derrière la cellule de pompage à la fin de la boîte: un collimateur recueille un faisceau atténué IR pour être analysés avec un spectromètre optique (voir figure 3 pour le pompage de configuration cellule ).
Un mécanisme de chauffage extérieur de la cellule de pompage se vaporise partiellement une goutte Rb assis à l'intérieur de la cellule (figure 4a) et provoque donc l'absorption de la lumière laser. La densité de la vapeur peut être réglée par l'intermédiaire du point de consigne de chauffage du régulateur PID respectif. Des températures élevées (environ 190 ° C) sont bonnes pour les configurations compactes où le xénon a une quantité limitée de temps pour bâtir la polarisation. Le mélange gazeux contenant de Xe, N 2 et il s'écoule à travers la cellule de pompage opposée à la direction du faisceau laser (figure 3). Un champ magnétique externe aligné avec le faisceau laser assure èmee photons infrarouges sont seulement une transition de pompage Rb. Relaxation des états d'électrons est rapide et doivent être non-radiatif d'éviter l'émission de photons IR avec «mauvaise» la polarisation. Ici, le 2 N arrive en jeu comme un gaz de trempe. Finalement, le système Rb s'accumule une surpopulation de l'un des sous-niveaux d'état de base tandis que l'autre est en permanence appauvri par le laser (figure 5). Xénon entrer en contact étroit avec les atomes de Rb expériences de spin-spin et les interactions de la polarisation de spin électronique est transféré sur les noyaux Xe dans la bascule processus.
Le gaz hyperpolarisé sortant de la cellule de pompage contient des traces de vapeur Rb que la condensation sur la paroi du tube à l'intérieur de quelques centimètres de la sortie en raison de la basse température (similaire à la figure 4b). Dans les applications in vivo, cependant, exigerait l'élimination supplémentaire du métal alcalin (par exemple dans un piège à froid), alors que in vitro experiments peut être effectuée en toute sécurité avec le gaz à la sortie de la hyperpolarizer. Tube en téflon relie la sortie avec le polariseur d'entrée d'un appareil en verre pour réaliser des expériences RMN des solutions d'essai. Régulateurs de débit massique sont utilisées pour ajuster la quantité de Xe s'écoulant dans la configuration de RMN. Elles sont déclenchées par des commandes dans la séquence d'impulsions de RMN. Après vérification de la mise en valeur de polarisation atteint, le gaz peut être utilisé comme agent de contraste RMN / IRM dans les expériences de l'état de solution.
Xe a une certaine solubilité dans l'eau (4,5 mM / atm) et d'autres solvants. Il a donc peut déjà servir à lui seul comme agent de contraste pour visualiser la répartition de certains liquides. Toutefois, il est également possible de relier les noyaux de RMN-actif à certaines molécules afin d'acquérir des informations spécifiques moléculaire à travers le gaz inerte par ailleurs. Par la fourniture d'un hôte moléculaire pour la Xe dissous, il est possible de conférer une spécificité moléculaire au signal de RMN Xe. Cela offre la possibilité d'des agents de contraste fonctionnalisés de conception – également appelé biocapteurs – quand une telle structure hôte est couplé à une unité de ciblage qui se lie à des analytes présentant un intérêt biomédical (figure 6).
Accroissement de la sensibilité plus poussée est nécessaire lorsque le biocapteur doit être détecté à des concentrations qui sont faibles pour les agents de contraste IRM (<100 uM). Ceci peut être réalisé par échange chimique saturation de transfert (CET). Cette méthode détecte le biocapteur indirectement par destruction de l'aimantation de la cage Xe et en observant la variation du signal de Xe libre en solution. Depuis les noyaux hyperpolarisés sont continuellement remplacés après quelques 10 ms, un grand nombre de 100 à 1000 germes de transfert de l'information détectée sur la piscine et amplifier le signal de ca. 10 3 fois (voir le film 2).
Protocol
Discussion
Aspects critiques dans la préparation de xénon hyperpolarisé sont des impuretés d'oxygène dans le collecteur de gaz, y compris la cellule de pompage et un éclairage suffisant de la cellule avec une lumière polarisée circulairement. Le test de lumière au-dessus mentionnée ampoule est un moyen simple de détecter des concentrations d'oxygène nuisibles pendant le transfert de rubidium. Le métal alcalin peut perdre sa surface brillante au moment où la cellule est installé dans le polariseur. Cependant,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce projet de recherche a été financée par le Conseil européen de la recherche au titre du programme de la Communauté européenne septième programme-cadre (FP7/2007-2013) / ERC convention de subvention n ° 242710 et a en outre été soutenu par le Human Frontier Science Program et le Programme d'Emmy Noether de l'allemand Research Foundation (SCHR 995/2-1).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| 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
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