Waiting
Login processing...

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

Engineering

Hyperpolariseret xenon for NMR og MRI-anvendelser

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

Fremstilling af hyperpolariseret xenon ved hjælp af spinudveksling optisk pumpning (Seop) er beskrevet. Denne metode giver et ~ 10.000-ganges forøgelse af den nukleare spin-polarisering af Xe-129 og har anvendelser i kernemagnetisk resonans-spektroskopi og billeddannelse. Eksempler på gasfase-og opløsningstilstand eksperimenter.

Abstract

Kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi og billeddannelse (MRI) lider af iboende lav følsomhed, fordi selv kraftige eksterne magnetfelter på ~ 10 T genererer kun en lille detekterbar net-magnetisering af prøven ved stuetemperatur 1. Derfor fleste NMR og MRI anvendelser er afhængige af påvisning af molekyler i relativ høj koncentration (fx vand til afbildning af biologisk væv) eller kræver store erhvervelsestider. Det begrænser vores evne til at udnytte den meget nyttige molekylære specificitet af NMR-signaler for mange biokemiske og medicinske anvendelser. Imidlertid har nye metoder vist sig i de senere år: Manipulation af de detekterede spin-arter før påvisning inde i NMR / MRI magnet kan øge magnetiseringen og muliggør derfor detektion af molekyler med meget lavere koncentration 2.

Her præsenteres en metode til polarisering af en xenon gas blanding (2-5% Xe, 10%N 2, He balance) i et kompakt setup med en ca. 16.000-fold signalforstærkning. Moderne line-indsnævret diodelasere tillader effektiv polarisering 7 og umiddelbar anvendelse af gasblanding selvom ædelgassen er ikke adskilt fra de andre bestanddele. The Seop apparat forklares og bestemmelse af den opnåede spin polarisering påvises for udførelsen styring af fremgangsmåden.

Den hyperpolariserede gas kan anvendes til hulrum billeddannelse, herunder gasstrøm billeddannelse eller diffusion studier grænsefladerne med andre materialer 8,9. Desuden Xe NMR signalet er yderst følsom over for dens molekylære miljø 6. Dette gør det muligt mulighed for at bruge det som et NMR / MRI-kontrastmiddel, når de opløses i vandig opløsning med funktionaliserede molekylære værter, der midlertidigt fange gassen 10,11. Direkte påvisning og høj følsomhed indirekte påvisning af sådanne konstruktioner er demonstreret i både spektroskopiske og billedbehandlingstype. </ P>

Introduction

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

Hyperpolariseret agenter får stigende opmærksomhed for NMR / MRI applikationer, da de kan løse følsomhed problem under visse omstændigheder 2. Tre vigtige fremgangsmåder anvendes for tiden (dynamisk nuklear polarisering, DNP, para-hydrogen-inducerede polarisation, PHIP og spinudveksling optisk pumpning, Seop) at alle forberede en kunstigt forøget centrifugering population forskel uden et NMR magnet før den faktiske spektroskopi eller billeddannelse eksperiment . Her beskrives funktionen og driften af en Seop setup, der er optimeret til produktion af hyperpolariseret 129Xe, der anvendes i opløsningstilstand eksperimenter.

Et væsentligt element er en intens lyskilde udsender infrarøde fotoner ved 795 nm. Laserdiodeopstillingerne (LDA) er bekvemme enheder, der giver høj effekt> 100 W til en rimelig pris. I mange opstillinger, er LDA udsender til en optisk fiber, der mere eller mindre bevarer polarisering af the laserlys. At sikre en tilstrækkelig Seop proces denne elliptisk polarisation skal konverteres til cirkulær polarisation med høj renhed. Hovedkomponenter polarisering optik er vist i figur 1 og 2 og opsætning af systemet forklares skematisk i supplerende film 1.

Til cirkulært polarisere lyset vi først vedhæfte fiberenden til en primær stråle ekspansion optik (fx en fiber kollimator) til at reducere effekttæthed. Lyset passerer så gennem en polariserende stråledeler terning, genererer lineært polariseret lys. Ved at dreje denne terning kan vi bestemme den foretrukne akse af den resterende polarisering med en energimåler. Maksimal transmission svarer til den situation, hvor den hurtige akse i terningen er på linie med det primære lys polarisationsakse. Terninger med høje ekstinktionskoefficienter (100.000: 1 eller bedre) give en god separation af polarisationskomponenter. Dette kan testesved hjælp af en anden stråledeler terning som en analysator, som roteres, mens den første er alignes for maksimal transmission af det ekstraordinære strålebundt.

Når først den lineære polarisation af det transmitterede lys er blevet bekræftet, er et λ / 4 bølge plade udformet til 795 nm indføres i det ekstraordinære strålebundt at konvertere lineær til cirkulær polarisering. Til dette formål er den hurtige akse bølge plade drejes 45 ° i forhold til stråleseparatoren terningen hurtige akse. (Om ønsket kan cirkulære polarisation af det reflekterede almindelige stråle med lineær polarisering vinkelret på det ekstraordinære strålebundt opnås på lignende måde.)

Kvaliteten af ​​den cirkulære polarisation kan testes med en anden stråledeler kube, som skal give konstant transmission ved rotation. En sekundær beam ekspansion optik (fx to linser i en Galilæer teleskop-konfiguration), så øger strålediameteren helt illuminate glasset cellen til pumpning processen inde i en ovn boksen. Absorption af laserlyset fra Rb damp i cellen overvåges gennem en tap hul bag pumpecellen ved afslutningen af boksen: en kollimator indsamler en svækket infrarøde stråle, der skal analyseres med et optisk spektrometer (se figur 3 for pumpecelle setup ).

En varmemekanisme uden pumpecellen delvist fordamper en Rb dråbe sidder inde i cellen (figur 4a) og derfor fremkalder laserlys absorption. Densitet af dampen kan justeres via opvarmning setpunkt af den respektive PID-regulator. Høje temperaturer (ca. 190 ° C) er gode til kompakte opsætninger, hvor xenon har en begrænset tid til at opbygge polarisering. Den gasblanding, der indeholder Xe, N2 og han strømmer gennem pumpecellen modsat laserstrålen retning (figur 3). Et ydre magnetfelt på linie med laserstrålen sikrer, at thE IR fotoner kun pumpe en Rb overgang. Afslapning af elektrontilstande er hurtig og skal være ikke-radiative at undgå emission af IR fotoner med "forkert" polarisering. Her N2 kommer ind som en quench gas. Til sidst, Rb anlægget opbygges en overbefolkning af en af grundtilstanden underniveauer mens den anden kontinuerligt udtømmes af laseren (figur 5). Xenon komme i tæt kontakt til RB-atomer oplever spin-spin-interaktioner og elektron spin polarisering er overført til Xe kerner i flip-flop processer.

Den hyperpolariserede gas strømmer ud af pumpecellen indeholder spormængder af Rb damp at kondensat på rørvæggen indenfor få cm af udløbet som følge af den lave temperatur (svarende til figur 4b). In vivo anvendelser ville imidlertid kræve yderligere eliminering af alkalimetallet (fx gennem en kuldefælde) henviser til in vitro experiments kan udføres sikkert med gassen, når den forlader hyperpolarisatoren. Teflon-rør forbinder polarisator udløbet med indløbet af en glas-apparatur til at udføre NMR-forsøg på testopløsninger. Massestrømsstyreenheder anvendes til at justere mængden af ​​Xe strømmer ind i NMR-setup. De er udløst af kommandoer i NMR-pulssekvens. Efter at kontrollere opnået polarisering ekstraudstyret kan gassen anvendes som et NMR / MRI-kontrastmiddel i opløsningstilstand eksperimenter.

Xe har en vis opløselighed i vand (4,5 mM / atm) og andre opløsningsmidler. Det kan derfor allerede tjene alene som et kontrastmiddel for at vise fordelingen af ​​visse væsker. Det er imidlertid også muligt at forbinde NMR-aktive kerner til visse molekyler for at opnå molekylær-specifikke oplysninger via den ellers inert gas. Ved at tilvejebringe en molekylær vært for det opløste Xe, er det muligt at give molekylære specificitet til Xe NMR-signalet. Dette giver mulighed for atdesign funktionaliserede kontrastmidler - også kaldet biosensorer - når en sådan værtsstrukturen er koblet til et målsøgende enhed, der binder til specifikke analytter af biomedicinsk interesse (Figur 6).

Yderligere følsomhedsforstærkende er påkrævet, når biosensoren bør detekteres ved koncentrationer, der er lav for MR-kontrastmidler (<100 uM). Dette kan opnås ved kemisk udveksling mætning overførsel (CEST). Denne metode detekterer biosensoren indirekte ved at ødelægge magnetiseringen af ​​bur Xe og observere signalændring af fri Xe i opløsning. Da den hyperpolariserede kerner løbende udskiftning efter nogle 10 ms, mange fra 100 til 1000 kerner overføre oplysningerne på den detekterede pool og forstærke signalet ca. 10 3-fold (se film 2).

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. Fremstilling af Seop Setup

Rubidium skal bringes ind i den optiske pumpecelle, for at lette overførslen af ​​polarisationen fra laserlys til xenon. På grund af sin høje reaktivitet denne proces skal være uden Rb kommer i kontakt med oxygen eller vand, ellers vil det blive oxideret og ikke vil polarisere Xe. Ekstra forsigtighed bør tages som Rb reagerer voldsomt med vand.

  1. Hvis den optiske celle tidligere er blevet anvendt, vil være belagt med et lag af Rb og Rb oxid, som det kan ses i figur 4b. Cellen skal først være rene før brug. Lukke indløbs-og ud rør af den optiske celle. Mens den er under tryk, transportere cellen til en kemisk stinkskab. Under kølerhjelmen ved hjælp af passende personlige værnemidler, skal du åbne cellen til atmosfæren og vente cirka en time for at tillade Rb overflade til at oxidere.
  2. Forsigtigt pipette rent isopropanol i cellen. Dette vil opløseRb oxidlag, og skinnende Rb dråber vil bevæge sig hen over overfladen af ​​isopropanol som små vanddråber på en varm plade. Hæld isopropanol (og enhver Rb, der kommer med det) i et bægerglas. Gentag, indtil alle Rb er fjernet.
  3. Hvis dette stadig ikke fjerner alle Rb, gøre en opløsning af 10% vand og 90% isopropanol og gentage trin 1.2) at øge procentdelen af ​​vand (i trin på 10%), indtil alt Rb er fjernet.
  4. Når alle Rb er fjernet, skylles den optiske celle med acetone.
  5. Bringe en tidligere evakueret og derefter argonfyldt optisk pumpecelle ind i en handskerum med argon atmosfære. Også omfatte en ampul af rubidium, et redskab til at bryde ampullen, Pasteur-pipetter, Kimwipes, og en varmepistol. For at opretholde en tør atmosfære i handskerummet, placere en petriskål med phosphorpentoxid som tørremiddel. Tilstedeværelsen af ​​uønskede spor af oxygen kan overvåges med en pære, hvor glaspæren åbnes for at blotlægge filamentet til handskerummet atmosfære.Forholdene er fint, så længe ingen røg opstår med lyset tændt.
  6. Åbne påfyldningsåbning af pumpecellen, bryde Rb ampul og smelte alkalimetallet med varmepistol. Opsug nogle flydende Rb med en pipette og sprøjt den ned i pumpecelle.
  7. Luk påfyldningsporten efter forøge argontryk i handskerummet at opretholde et lille overtryk i pumpecellen til transport til polarisatoren setup. Tag cellen ud af handskekassen.
  8. Tilslut cellen til polarisatoren manifolden, hvilket sikrer at det flugter med laserstrålen linien lysende cellen under pumpeproces (dette kan gøres med synligt lys sigter stråle, figur 7) og kontroller, at opvarmningsindretningen med termoelement har passende termisk kontakt med cellen (som i figur 4a). Vedhæfte et termoelement til toppen af ​​cellen.
  9. Evakuere rørforbindelserne op til indløbet og udløbet ventil af pumpecellen. Efternåede et tryk på <30x10 -3 mbar, linierne rense med høj renhed Ar (eller nitrogen). Gentag dette tre gange.
  10. Med Ar beholderen åben for pumpecellen indløb, åbnes langsomt indløbet og udløbet ventil af cellen. Åbn forsigtigt polarisatoren udløbsventil en lille smule at etablere en Ar strøm af ca. En SLM gennem manifolden. Oprethold denne strøm i 2 min. Ved nu, bør ilt urenheder reduceres kraftigt for at undgå Rb oxidering. Luk polarisatoren udløbsventil og indløbet forbindelse til Ar tank.
  11. Slå varmelegeme af pumpecellen (indstillet temperatur ca. 180-190 ° C i et opvarmningsbånd monteret under cellen). Dette vil fordampe en del af Rb dråben.
  12. Åbne Xe gasblanding tilslutning til polarisatoren setup. Tanken regulator skal indstilles til ca. 3,5 bar overtryk.
  13. Tænd for laseren og tune sin emitting bølgelængde til ca. 794,8 nm ved at justere den indstillede temperatur diode kølervæske. Overvåg laser nu gennem et optisk spektrometer.
  14. Kontinuerlig fordampning af Rb forårsager stigende laser absorption. Sørg for at laseren emissionsprofil absorberes symmetrisk (genjusteres kølevandstemperatur om nødvendigt). Når temperaturføleren på toppen af ​​cellen læser ca. 100 ° C, bør du observere en signifikant reduceret laser transmission (se figur 8).
  15. Laser absorption forårsager også yderligere opvarmning og derved øge trykket i cellen. Overvåg celle betingelser og omhyggeligt udlufte gas fra polarisatoren stikkontakt (som i normal drift) for at frigive et vist pres, når værdien nærmer sig grænsen pumpecellen er normeret til (5 bar abs. I vores setup).
  16. Tænde magnetfeltet (ca. 2-3 mT) omkring pumpecellen under overvågning laseren profil. Transmission skal gå op med det samme, da feltet forårsager selektiv optisk pumpning (se figur 8).
  17. Vent til alle temperaturer for at stabilisere.Polarisatoren er nu klar til brug.

2. Fremstilling af NMR Setup

  1. Indsætte et reagensglas med vand i NMR sondehovedet og udføre tuning og matchning af radiofrekvens (RF) kredsløb til protonen og xenon-kanalen.
  2. Shim på vandet signal med den automatiserede shim rutine i MRI brugergrænseflade.

3. Hyperpolarisering Kvantificering

  1. Tilslut polarisator udløbsrøret til indløbet af test fantom med ca. 5 kapillarer at injicere Xe og gassen luftrøret til forbindelse med massestrømsstyreenheden.
  2. Sørg for, at gasstrømmen controllere er indstillet til "lukket" og langsomt åbne polarisatoren udløbsventil at presse fantom. Indstille strømningshastigheden til ca. 0,5 SLM at starte en kontinuerlig strøm gennem fantom. Skøn fra den stiplede volumen og gasstrømningshastigheden hvor længe det tager for fuldstændig erstatte gasvolumen. I vores setup, er det ca. 2 sek.
  3. (f.eks 5-100 mikrosekunder). Yderligere parametre er: spektral bredde af SW = 10 kHz, akkvisitionstid ta = 1 sek og gentagelseshastighed tid TR, der er længere end den udskiftes beregnet i trin 3.2. Frekvensen af ​​det exciterende puls for Xe-gas ved 9,4 T er ca. 110,683 MHz. FID-enheden med det stærkeste signal vil give dig den rigtige kombination af puls magt og længde for maksimal signal.
  4. Efter at nedsætte strømmen til 0,1 SLM, øget TR til 15 sek (at være sammenlignelig med trin 3,7), og lade de andre parametre uændrede erhverve et datasæt med 16 FID scanninger, mens den hyperpolariserede Xe strømmer gennem prøven. Udføre Fourier transformation og måle spidsamplituden i spektret. Dette er signalintensiteten for den hyperpolariserede xenon-gas mixture. Bemærk også resonansfrekvensen af ​​gassen top i Hz.
  5. Evakuere en tung væg NMR-rør udstyret med en ventil for lavt tryk tætning og fyld den med ca. 2 bar overtryk af ren xenon.
  6. Evakuere gas manifold at holde NMR-rør og fylde ca. 0,2 bar rent oxygen på toppen af Xe i NMR-rør (dvs. tilpasning af O2 tryk til 2,2 bar overtryk). Ilten vil styrke lempelse af Xe magnetisering efter RF excitation (det giver os mulighed for at arbejde med TR = 15 sek, processen ellers kræver meget lang TR, hvis gassen ikke erstattes for det næste excitation ligesom i trin 3,4).
  7. Erstatte den tidligere anvendte gasstrøm fantom i NMR magnet med lavt tryk NMR-rør og udfører NMR pulssekvens under 3.4. Dette vil give dig den NMR-signalintensitet til termisk polariseret høj koncentration Xe.
  8. Sammenlign signalintensiteter af termisk og hyperpolariseret Xe og beregne signal styrkeling under de forskellige koncentrationer og tryk i betragtning. Beregne spin polarisering som følger:

Den termiske spin polarisering P th skal bestemmes først som en reference. Den er defineret som befolkningen forskellen mellem de to spin-stater over summen af de populationer, dvs,

Ligning 1
Ved stuetemperatur, er dette givet ved den høje temperatur tilnærmelse og befolkningen forholdet R som

Ligning 2
(K er Boltzmann konstant, T er den absolutte temperatur, og γ at magnetogyric ratio). Da termisk energi kT er langt den dominerende faktor, R er tæt på 1, dvs 0,999982232 for Xe ved B 0 = 9,4 T. Dette giver P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Næste, den normaliserede signal forøgelsesfaktor ε skal beregnes ud fra forholdet af den hyperpolariserede signal S hp og signalet fra termiske polarisering S th (forudsat at alle NMR pulssekvens parametre var identiske for begge ansøgninger):

Ligning 3
Hvor c og p repræsenterer den koncentration af Xe i gasblandingen (i%) og trykket af gasblandingen for både forsøgene med termisk og hyperpolariseret Xe hhv. Den opnåede hyperpolarisering er da givet ved produktet εP th.

4. Funktionaliseret Xenon Solution State Spectroscopy

  1. Der fremstilles en 50 til 200 uM opløsning af en (funktionaliseret) xenon host (f.eks cryptophane-A med en målsøgende enhed). Afhængigt af hydrofobiciteten af ​​buret construct, tilføje mere eller mindre DMSO til vand som opløsningsmiddel. I vores demonstration med en cryptophane-A monosyre bur, er det lettest at bruge ren DMSO. Tag ca. 1,5 ml af denne opløsning og fyld den i gasstrømmen fantom, der sikrer, at 5 smeltet silica kapillærer tilstrækkelig gennembobling af opløsningen med Xe gasblanding. Udfør en boblende test udenfor NMR magnet med 0,1 SLM og tjekke for uønsket overdreven skumdannelse.
  2. Sæt fantom i NMR-sonde og tune og match på både proton-og X-kanaler og udføre en automatiseret shim som i trin 2,2.
  3. Brug en FID erhvervelse med passende forsinkelser og triggerimpulser fra spektrometeret at åbne og lukke de massestrømsstyreenheder. Tillad for ca. 15-20 sek boblende med 0,1 SLM og efterfølgende 5-8 sek venter forsinkelse for boblerne til at forsvinde, efterfulgt af RF excitation og FID udlæsning.
  4. Udfør 16 eller 32 gentagelser (afhængig af din bur koncentration) med sw = 40 kHz, centreret ved ca. 11 kHz nedfelt fra gassen resonansfrekvens bestemt i trin 3.4. FID udlæsning skal være 500-1.000 m. Fouriertransformation FID at få spektret.
  5. Indstil kemiske skift værdi for de fleste højre signal (gasfase) til 0 ppm. Skriv ned frekvensen af ​​det intense løsning signal (mest til venstre signal) i Hz og ppm. Bemærk også forskydningen mellem dette signal ved δ opløsning og signalet af indkapslet Xe ved δ bur ~ 60-80 ppm i ppm. Denne forskydning kaldes Δω (se også repræsentative resultater).

5. Hyper-CEST Imaging

  1. For at teste kontrastmidlet ydelsen fra en xenon værtsmolekyle, kan et forsøg med en to-kompartment fantom udføres. For at gøre dette, tage ca. 50% af testopløsningen fra afsnit 4 og fyld det i en 5mm NMR-rør. Sæt dette rør i 10 mm boblende opsætning fra afsnit 4. Fyld det udvendige rum med kun opløsningsmidlet og intet bur op til samme niveau som den indre compartment. Sæt 3 i den boblende kapillærer i det ydre og 2 kapillarer i det indre rum.
  2. Sæt slangen til den boblende opsætning og gentage trin 4.2.
  3. Vælg et single-shot EPI-sekvens for hurtig billeddannelse. Denne sekvens muligvis skal ændres til at omfatte forsinkelser og triggerimpulser fra spektrometeret at åbne og lukke de massestrømsstyreenheder. Tillad for ca. 15 til 20 sek boblende med 0,1 SLM og efterfølgende 5 til 8 sek venter forsinkelse for boblerne til at forsvinde, efterfulgt af MRI-kodning.
  4. Indstil påvisning kernen til 129Xe på X-kanal og senderen / observatør frekvens til værdien bestemt for opløsningen signal i trin 4.5. Brug af RF puls regnemaskine værktøj, de pulsparametre konvertere (amplitude og varighed) fra trin 3,3 til excitation bruges i dit billedprogram sekvens.
  5. Det billeddannende geometri i vores eksempel er som følger: 10 - 20 mm skivetykkelse, tværgående orientering, 20 x 20 mm på view; matrix størrelse 32x32, dobbelt prøvetagning (for at undgå artefakter) og partiel Fourier koder for faktor sat til 1,68 for fremskyndede opkøb (dvs. kun 19 af de 32 fasekodning trin er faktisk erhvervet).
  6. Åbn CEST modulet (en modificeret magnetisering transfer-modul) for signal forberedelse og muliggøre en cw Formaetning puls (parametre, f.eks 2 sek varighed, 5 uT amplitude). Udfør 2 scanninger i tværgående retning med bærebølgefrekvensen af denne mætning puls engang bliver sat til δ bur = δ løsning - Δω og én gang for at δ kontrol = δ løsning + Δω.
  7. Brug et billede postprocessor, Hyper-CEST forskel billede generere ved at trække billedet med mætning ved δ bur fra den ene med mætning ved δ kontrol. Resultatet skulle kun fremhæve områder, hvor Xe værten var til stede (se også repræsentative resultater).

6. Repræsentative resultater

Laseren absorption kan overvåges ved at omskifte magnetfelt omkring cellen til og fra. Afhængigt af lasereffekt og celletemperatur, er næsten fuldstændig absorption observeret med det magnetiske felt slukket og ca. 30% transmission finder sted med hensyn til (en sammenligning er vist i figur 8).

For et NMR-system der arbejder ved 9,4 T (400 MHz for 1H, 110 MHz for 129Xe), bør signalforstærkning være ca. 16000-fold, når man sammenligner termisk polariseret xenon med hyperpolariseret xenon. Ifølge trin 3,8, svarer det til en spin polarisering af ca. 15%. Værdier> 10% burde kunne opnås ved brug af en linje indsnævret diodelaser med CW-udgangseffekt på> 100 W.

The 129Xe-NMR-spektret af en DMSO-opløsning indeholdende 213 uM af en molekylær vært bør udvise et signal af bur xenon med ensignal-støj-forhold på ca. 10 til 16 erhvervelser (figur 9; ved stuetemperatur, anvendes linjeudvidelse på 10 Hz).

Hyper-CEST MRI datasæt viser fuld signalintensitet til off-resonant styring billede og signal udtømning i områder indeholdende Xe værtsmolekyle i on-resonante mætning billede. Forskellen Billedet udelukkende viser de områder, der reagerede på mætning puls (figur 10).

Figur 1
Fig. 1. Set fra siden af optiske komponenter for at opnå cirkulært polariseret lys. Laserlyset er koblet ind i systemet gennem den optiske fiber til venstre. Både den polariserende stråleopdeler cube (PBC) og λ / 4 bølge plade er installeret på roterende mounts at justere hurtige axs til fremstilling af cirkulært polariseret lys (se film 1). Den almindelige stråle reflekteres af PBC kan blive afledt af et spejl for at ende i en stråle dump (ikke vist).

Figur 2
Figur 2. Oven af optiske komponenter for at opnå cirkulært polariseret lys. Denne visning omfatter strålen dump for den almindelige stråle. Som en sikkerhedsforanstaltning, er termoelementer overvågning af temperaturen af ​​den primære stråleekspander, strålen dump, og den polariserende stråleopdeler terning.

Figur 3
Figur 3. Set fra siden pumpecelle med sidevæggen af ovnen kassen åbnes. Den laser lys ind i feltet fra venstre side gennem en parallel glas vindue. Pinhole i højre ende svækker den transmitterede lasereffekt til at beskytte den optiske spektrometer, der modtager lys gennem en kollimator og optisk fiber. The Xe gasblanding bevæger modsat laserlys retning: det kommer ind i cellen gennem det højre ben og går ud på venstre side.

Figur 4
Figur 4. A) Close-up billede af Rb dråbe inde i pumpecelle. Den orange silicium varmelegeme (styres af en PID regulator) er fastgjort til bunden af ​​glascelle. Et termoelement oven overvåger celletemperatur. b) Close-up billede af gasindløbet arealet af en medium alderen pumpecelle med incrlempelse kondensat opbygning på glasvæggen. c) Resterende Rb dråbe i samme pumpecelle som i b), som det ses ved at belyse cellen fra bagsiden og med kort eksponeringstid at undertrykke synligheden af ​​glasvæggen coating.

Figur 5
Figur 5. Energy overgange i alkalimetaldamp. a) Uden ekstern B-felt, er de magnetiske sub-niveauer ikke defineret (illustreret i grå only), og derfor helst atom i grundtilstanden absorberer lys. b) Drejning på et eksternt felt definerer Zeeman niveauer og årsager pumpning af kun en overgang i henhold til de dipol udvælgelse regler. Dette forårsager akkumulering af atomer i et af de sub-niveauer, mens et reduceret antal atomer i den anden grundtilstand sub-niveau absorberer laserlys.


Figur 6. Funktionaliseret cryptophane bur til detektering af et specifikt mål af biokemisk interesse. The Xe NMR-signalet ændres efter binding tilfælde af specifik målretning enhed.

Figur 7
Figur 7. Synlig sigter stråle (rødt lys) til opretning af pumpecellen at sikre fuldstændig belysning af pumpevolumenet.

Figur 8
Figur 8. Laser profiler til forskellige pumpecellebetingelser. Ingen absorption der iagttages for den kolde celle (stuetemperatur), når der ikke Rb damp er til stede. Vi observerer to emission linjer fra vores diode laser (sammen med en FWHM på 0,5 nm, der ligger inden for producentens specifikationer). Når cellen når sin indstillede temperatur (180 ° C) og det magnetiske felt er slukket, generelt D 1 excitation forårsager næsten fuldstændig absorption af laserlyset. Omskiftning af magnetfeltet på inducerer selektiv pumpning af kun en overgang og forøger transmissionen intensitet.

Figur 9
Figur 9. 129Xe-NMR-spektrum af en DMSO opløsning indeholdende cryptophane-A monosyre (struktur også vist), som Xe bur. Gassen top der refereres til 0 ppm. Free Xe i opløsning vises δ opløsning = 2450,7 ppm og anbragt i bur Xe ved δ bur = 79,2 ppm. For Hyper-CEST eksperiment, er mætning puls engang sat til δ bur for, at mætning overførsel at reducere opløsningen peak og en gang sat til δ kontrol = 412,2 ppm til at indsamle referencesignalet for subtraktion. Eksperimentelle parametre: 213 uM bur i DMSO ved 295 K, 16 erhvervelser med 32,3 kHz båndbredde, læser 772 ms FID ud, Xe boblet ind i opløsningen ved 0,1 SLM i 20 sekunder.

Figur 10
Figur 10. 129Xe MR billeder af xenon opløst i DMSO. Fantomet består af to separate rum med kun det indre rum, der indeholder cryptophane-A monosyre (ved en koncentration på 50 uM). Før hver EPI billede er taget, en 5 uT kontinuerlig bølge saturation puls påføres i 2 sek. a) mætning puls er ved δ kontrol, dvs off resonant med Xe @ buret top, og vi observere stærkt signal fra begge rum. b) mætning er i resonans med Xe @ cage top ved δ bur, næsten fuldstændigt ødelægge signalet fra det indre rum. Subtraktionen billede a) - b) viser placeringen af ​​Xe værtsmolekyle. Billederne blev købt med en FOV på 20 x 20 mm, en skive tykkelse på 10 mm og 32 x 32 pixels. De blev derefter tærskelværdisammenlignet og interpoleres til 256 x 256 pixels.

Movie 1. Animation til samling af et setup for Seop. Laserstrålen først forøges i diameter med en primær stråleekspander og passerer gennem en polariserende stråledeler cube (PBC). Rotation af denne terning ændrer de relative intensiteter af den ordinære og ekstraordinære stråle. Til stillingen med maksimal transmission, er den hurtige akse PBC rettet ind efter dominant polarisationsakse for det indkommende lys. Den lineære polarisation af det transmitterede lys - der påvirkes af kvaliteten / ekstinktion forholdet mellem PBC - kan testes ved hjælp af en anden PBC som en analysator. Justering sin hurtige akse med den hurtige akse af den første terning skal give maksimal transmission mens yderligere rotation med 90 ° bør give nul transmission og fuld refleksion. Insertion af et λ / 4 bølge plade konverterer den lineært til cirkulær polarisering, hvis hurtige akse er drejet 45 ° mod den hurtige akse i den første PBC. Intensiteten af ​​det lys, der skulle nu være uafhængig af rotationen af ​​den anden terning. Fjerne analysere komponenterne og erstatte dem med en sekundær stråleekspander giver den rette strålediameter at belyse pumpecelle. En rubidium dråbe sidder i denne celle er delvist fordampes en gang ovnen uden for cellen er tændt. Xenon gasblanding strømmer gennem opsætningen i modsat retning af laserstrålen Distributes denne damp over hele cellen. Uden et magnetfelt, forårsager denne generelle D 1 excitation af Rb atomer og stærk absorption af laserlyset. Tænd for magnetisk på giver mulighed for selektiv pumpning af kun en overgang mellem de nu definerede magnetiske sub-niveauer. Som følge heraf optager kun et reduceret antal atomer laserlyset og transmissionen forøges igen. se filmen .

Movie 2. Animation forklarer CEST virkning. Cryptophane bure tjene som molekylære værter at fange Xe atomer, der ændrer deres resonansfrekvens på denne binding begivenhed (overgang blå -> grøn). En første NMR erhvervelse bestemmer mængden af ​​ubundet Xe som et referencesignal. Dernæst en selektiv mætning puls påvirker kun de bur atomer ødelægger deres magnetisering. Eftersom Xe bindingen er en reversibel proces, en lang impuls annulleres magnetiseringen af mange atomer, og en anden NMR-erhvervelse afslører et markant signal fald fra gratis Xe i forhold til referencesignalet. Klik her for at se film .

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

Kritiske aspekter ved fremstillingen af ​​hyperpolariseret xenon er oxygen urenheder i gasforgreningen herunder pumpecellen og tilstrækkelig belysning af cellen med cirkulært polariseret lys. Ovennævnte pære test er en enkel måde at opdage skadelige oxygenkoncentrationer under overførsel rubidium. Alkalimetallet kan miste sin skinnende overflade på det tidspunkt cellen er installeret i polarisatoren. Dog kan tilstrækkeligt fordampning af ikke-oxideret Rb overvåges ved reduceret laser transmission (ved opvarmning af en ny celle for første gang, kan det være, at en yderligere temperaturstigning på ca 20 ° C er nødvendig for at starte fordampning proces. Gang laser absorption starter, setpunktet bør reduceres). Næsten fuldstændig laser absorption i nærvær af det magnetiske felt indikerer, at der findes mindst en region i cellen med overskydende Rb dampe densiteter, der kan forårsage uhomogene celle belysning og dårlig Xe hyperpolarization. Reducere temperaturen af ​​varmeelementet, hvis det sker, indtil der er ca 30% transmission gennem cellen.

Optimal temperatur, tryk, gasblanding og flow-rates bestemmes eksperimentelt for hver konfiguration, da disse vil afhænge af den specifikke geometri og termisk ledning af den optiske celle og laser linjebredde og strøm af individuelle polarisatorer. Især har det vist sig, at spinudveksling fra Rb til Xe er mest effektivt ved lavt tryk 12. Men på grund af den relativt store linjebredde af diodelasere, Rb polarisering er ofte mere effektive ved store tryk 1. Disse to faktorer skal spilles ud mod hinanden for at opnå maksimal polarisering for en given opsætning.

Alternativt optisk pumpning kan opnås ved hjælp af Rb D 2 overgang med en laser, der emitterer ved 780 nm eller ved anvendelse af Cs med D 1 overgang ved 894 nm 13 og D 2 14. Afhængigt af tilgængeligheden af ​​lasersystemer, kan en af ​​de fire metoder vælges for optimal pumpning betingelser.

En god fejlfinding liste til oprettelse og drift af en Seop setup kan også findes i 15. Nogle flere komponenter til styring af vakuum og overtryk i polarisatoren manifolden og evakuering står anvendt i trin 3.5 er anført i udstyret tabellen.

For at bevare polariseringen af ​​Xe, skal den holdes i et magnetfelt. Det spredningsfelt et NMR spektrometer er tilstrækkelig til dette. I gasfasen T 1 i Xe er mange timer. Dette kan forøges ved frysning af prøven, hvilket er særlig fordelagtigt for transport. Wall-interaktioner er en af ​​de hyppigste årsager til depolarisering af Xe gas. Disse kan reduceres ved omhyggelig udvælgelse af materialer (eksempelvis ved coating af glasvarer 16) og reducere kontaktområdet meleen gassen og dets beholder.

Køb af NMR-data fra opløsninger kan hæmmes ved overdreven skumdannelse under den boblende periode eller bobler tilbage i væsken efter den ventende forsinkelse. Dette forårsager alvorlige felt inhomogeniteter og omfattende tab af signal. Reducere sætpunktet for masseflowstyreindretningen i dette tilfælde.

Polariseringen setup præsenteres her giver mulighed for nem NMR-undersøgelser med hyperpolariseret xenon over længere tidsperioder. Derfor signal gennemsnit for tilstande med lave målkoncentrationer er let muligt. Signalstabilitet er sikret ved hjælp af massestrømsstyreenheder udløses af spektrometeret.

Signalet af funktionaliserede Xe er blevet rapporteret til at afhænge af flere aspekter af den mikro-miljø, herunder parametre som lokal temperatur, pH og sammensætning af opløsningsmidlet. En sådan fremgangsmåde har forskellige potentielle applikationer i både in vitro and in vivo diagnostik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Dette forskningsprojekt har modtaget støtte fra Det Europæiske Forskningsråd under Det Europæiske Fællesskabs syvende rammeprogram (FP7/2007-2013) / ERC-tilskudsaftale nr. 242.710 og blev desuden understøttet af Human Frontier Science Program og Emmy Noether Program for det tyske Research Foundation (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).
Hyperpolariseret xenon for NMR og MRI-anvendelser
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