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.
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>
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).
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 opvar…
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |