Waiting
Login processing...

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

Engineering

Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

De productie van gehyperpolariseerde xenon door middel van spin-uitwisseling optisch pompen (SEOP) beschreven. Deze methode levert een ~ 10.000-voudige versterking van de kernspin polarisatie van Xe-129 en heeft toepassingen in nucleaire magnetische resonantie spectroscopie en imaging. Voorbeelden van gasfase en oplossingstoestand proeven zijn.

Abstract

Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en imaging (MRI) lijden intrinsieke lage gevoeligheid omdat zelfs sterk extern magnetisch veld van ~ 10 T genereren slechts een klein detecteerbaar netto-magnetisatie van het monster bij kamertemperatuur 1. Vandaar dat de meeste NMR en MRI applicaties op de detectie van moleculen in relatief hoge concentratie (bijv. water voor beeldvorming van biologisch weefsel) of al te veel Zoektijden. Dit beperkt ons vermogen om de zeer nuttige moleculaire specificiteit van NMR signalen voor vele biochemische en medische applicaties. Echter, nieuwe benaderingen zijn ontstaan ​​in de afgelopen jaren: Manipulatie van de gedetecteerde rotatie species voor detectie in de NMR / MRI magneet belangrijke verhoging van de magnetisatie en dus kan de aanwezigheid van moleculen bij veel lagere concentratie 2.

Hier geven we een werkwijze voor polarisatie van een gasmengsel xenon (Xe 2-5%, 10%N2, He balans) in een compacte opstelling met een ca. 16000-voudige verbetering van het signaal. Modern line-versmald diodelasers een efficiënte polarisatie 7 en onmiddellijk gebruik van gasmengsel, zelfs als het edelgas is niet gescheiden van de andere componenten. De SEOP inrichting wordt uitgelegd en bepaling van de bereikte spinpolarisatie is aangetoond voor controlefuncties van de werkwijze.

Het gehyperpolariseerde gas kan worden gebruikt voor lege ruimte beeldvorming, met inbegrip gasstroom imaging of diffusie studies van de interfaces met andere materialen 8,9. Bovendien is de Xe NMR signaal uiterst gevoelig voor de moleculaire omgeving 6. Hierdoor kan de optie om het te gebruiken als een NMR / MRI contrastmiddel wanneer opgelost in waterige oplossing met gefunctionaliseerde moleculaire hosts die tijdelijk de val gas 10,11. Directe detectie en hoge gevoeligheid indirecte detectie van dergelijke constructen is aangetoond in zowel spectroscopische en imaging mode. </ P>

Introduction

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

Hypergepolariseerde agents steeds meer aandacht voor NMR / MRI toepassingen omdat ze de gevoeligheid oplossen onder bepaalde omstandigheden 2. Drie belangrijke benaderingen worden momenteel gebruikt (dynamische nucleaire polarisatie, DNP, para-waterstof geïnduceerde polarisatie PhIP en spinuitwisseling optisch pompen, SEOP) dat een kunstmatig toegenomen spin Verschil populatie buiten een NMR magneet bereiden voorafgaand aan de eigenlijke spectroscopie of imagingexperiment . Hier beschrijven we de functie en werking van een SEOP setup dat is geoptimaliseerd voor de productie van hypergepolariseerd 129 Xe gebruikt in oplossing staat experimenten.

Een essentieel onderdeel is een intense lichtbron infrarode fotonen op 795 nm. Laserdiodestelsels (LDA) zijn eenvoudige apparaten die hoog vermogen> 100 W tegen redelijke kostprijs. In vele opstellingen wordt de LDA uitzendt in een optische vezel die min of meer de polarisatie van e behoudte laserlicht. Voldoende SEOP proces garanderen elliptische polarisatie worden omgezet in circulaire polarisatie van hoge zuiverheid. Hoofdbestanddelen van de polarisatie optiek figuren 1 en 2 en het opzetten van het systeem schematisch toegelicht in aanvullende film 1.

Om circulair polariseren het licht dat we eerst de juiste vezel einde aan een primaire bundel uitbreiding optiek (bijvoorbeeld een vezel collimator) voor het verminderen van vermogensdichtheid. Het licht gaat vervolgens door een polariserende bundelsplitser kubus genereren lineair gepolariseerd licht. Door het roteren deze kubus kunnen we de voorkeur as van de resterende polarisatie met een vermogensmeter. Maximum Transmission overeen met de situatie waarin de snelle as van de kubus is uitgelijnd met de polarisatieas hoofdlichtstraal. Kubussen met hoge extinctiecoëfficiënten (100.000: 1 of beter) geven een goede scheiding van polarisatiecomponenten. Dit kan getestgebruik van een tweede bundelsplitser kubus als een analyzer die wordt gedraaid, terwijl de eerste in lijn voor een maximale overdracht van de buitengewone bundel.

Zodra de lineaire polarisatie van het uitgezonden licht is bevestigd, is een λ / 4 golfplaat Geschikt voor 795 nm ingebracht in de buitengewone straal om te zetten in lineair circulaire polarisatie. Hiertoe de snelle as van de golf plaat geroteerd met 45 ° ten opzichte van de bundeldeler kubus snelle as. (Desgewenst kan circulaire polarisatie van de gereflecteerde bundel met gewone lineaire polarisatie loodrecht op de buitengewone bundel worden gerealiseerd op soortgelijke wijze.)

De kwaliteit van de circulaire polarisatie kan worden getest met een tweede bundelsplitser kubus constant transmissie moet opleveren bij rotatie. Een secundaire bundel uitbreiding optiek (bv twee lenzen in een Galilese telescoop configuratie) neemt dan de bundeldiameter volledig illuminate het glas cel voor het pompen in een oven box. Absorptie van het laserlicht door Rb damp in de cel wordt gecontroleerd door een pengat achter de pompcel eind van de doos: een collimator verzamelt een verzwakt infraroodstraal te analyseren met een optische spectrometer (zie figuur 3 voor pompcel setup ).

Een verwarmingsmechanisme buiten de pompcel verdampt gedeeltelijk een druppeltje Rb zitten in de cel (figuur 4a) en veroorzaakt daardoor laserlicht absorberende. Dichtheid van de damp kan worden aangepast via de verwarming setpoint van de respectievelijke PID-regelaar. Hoge temperaturen (ca. 190 ° C) zijn geschikt voor situaties waar de compact xenon een beperkte tijd te bouwen polarisatie. Het gasmengsel dat Xe, N2 en hij stroomt door de pompcel tegenover de laserstraal richting (figuur 3). Een extern magnetisch veld uitgelijnd met de laserstraal zorgt the IR fotonen slechts een pomp Rb overgang. Versoepeling van het elektron staten is snel en moeten niet-stralende om de emissie van IR-fotonen met 'verkeerde' polarisatie te voorkomen. Hier, de N 2 in het spel komt als een quench gas. Uiteindelijk de Rb systeem bouwt overbevolkt een van de grondtoestand subniveaus terwijl de andere continu uitgeput door de laser (figuur 5). Xenon om in nauw contact met de Rb atomen ervaart spin-spin interacties en de electron spin polarisatie wordt overgebracht op Xe kernen in flip-flop processen.

Het hypergepolariseerde gas stroomt uit de pompcel sporenhoeveelheden Rb damp die condens op de buizenstelselmuur binnen enkele cm van de uitlaat door de lage temperatuur (vergelijkbaar met figuur 4b). In vivo toepassingen zou echter aanvullende verwijdering vereisen van de alkali-metaal (bijvoorbeeld door middel van een koude val), terwijl in vitro experimegen veilig kan worden uitgevoerd met het gas bij het verlaten van de hyperpolarisator. Teflon buis verbindt de uitlaat polarisator met de inlaat van een glazen apparaat voor NMR experimenten op testoplossingen. Massastroomregelaars worden gebruikt om de hoeveelheid Xe stroomt in de NMR opstelling te verstellen. Ze geactiveerd door commando in de NMR pulssequentie. Na controle van de bereikte verbetering polarisatie kan het gas worden gebruikt als een NMR / MRI contrastmiddel in oplossing state experimenten.

Xe een bepaalde oplosbaarheid in water (4,5 mM / atm) en andere oplosmiddelen. Daarom kan al dienen op zichzelf als een contrastmiddel voor de verdeling van sommige vloeistoffen geven. Het is echter ook mogelijk om de NMR-actieve kernen koppelen aan bepaalde moleculen om moleculaire specifieke informatie verkrijgen door het anders inert gas. Door een moleculaire gastheer voor de opgeloste Xe, is het mogelijk om moleculaire specificiteit verlenen aan de Xe NMR signaal. Dit biedt de mogelijkheid omontwerp gefunctionaliseerde contrastmiddelen - ook wel biosensoren - wanneer deze een host structuur is gekoppeld met een targeting-eenheid die bindt aan specifieke analyten biomedisch belang (Figuur 6).

Verdere verbetering gevoeligheid is vereist wanneer de biosensor moet worden gedetecteerd bij concentraties die laag voor MR contrastmiddelen (<100 uM). Dit kan worden bereikt door chemische uitwisseling verzadiging overdracht (CEST). Deze werkwijze detecteert de biosensor indirect door het vernietigen van de magnetisatie van de gekooide Xe en waarneming van de signaalverandering van vrije Xe in oplossing. Aangezien het gehyperpolariseerde kernen continu vervangen na ongeveer 10 ms, 100 tot 1000 vele kernen overdracht van de informatie op de gedetecteerde pool en versterken het signaal ca. 10 3-voudig (zie filmpje 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. Voorbereiding van de SEOP Setup

Rubidium moet worden gebracht de optische pompcel, de overdracht van polarisatie van het laserlicht xenon vergemakkelijken. Vanwege de hoge reactiviteit dit proces moet plaatsvinden zonder Rb in contact met zuurstof of water, anders wordt geoxideerd en niet polariseren Xe. Extra voorzichtigheid is geboden als Rb reageert heftig met water.

  1. Indien de optische cel eerder gebruikt wordt bekleed met een laag van Rb en Rb oxide, zoals te zien in figuur 4b. De cel moet eerst schoon voor gebruik. Sluit de inlaat-en uitlaatbuizen van de optische cel. Terwijl het druk, transporteren de cel een chemische afzuigkap. Onder de motorkap met behulp van passende persoonlijke beschermingsmiddelen, opent u de cel in de atmosfeer en wacht ongeveer een uur om de Rb oppervlak oxideren.
  2. Voorzichtig pipet zuivere isopropanol in de cel. Dat lost deRb oxidelaag en glanzend Rb druppeltjes bewegen over het oppervlak van de waterdruppeltjes isopropanol zoals op een hete plaat. Giet de isopropanol (en eventuele Rb die daarmee gepaard gaat) in een bekerglas. Herhaal dit tot alle Rb verwijderd.
  3. Als dit nog steeds niet alle Rb, maak een oplossing van 10% water en 90% isopropanol en herhaal stap 1.2) verhoging van het percentage van water (in stappen van 10%) tot alle Rb wordt verwijderd.
  4. Zodra alle Rb is verwijderd, spoel de optische cel met aceton.
  5. Breng een eerder geëvacueerd en dan argon gevulde optische pompcel in een handschoenenkastje met argon atmosfeer. Ook een ampul rubidium, een middel om de ampul, pasteurpipetten, Kimwipes en een heteluchtpistool breken. Om een ​​droge atmosfeer in het handschoenenkastje behouden plaats een petrischaal met fosforpentoxide als droogmiddel. De aanwezigheid van ongewenste sporen van zuurstof kan worden gevolgd met een lamp waarbij het lampglas wordt geopend zodat het filament bloot te stellen aan het handschoenenkastje atmosfeer.De omstandigheden zijn prima, zolang er geen rook ontstaat met het licht ingeschakeld.
  6. Open de vulopening van de pompcel, breek de Rb ampul en smelt de alkalimetaal met de heat gun. Geniet van wat vloeistof Rb met een pipet en injecteren in het pompcel.
  7. Sluit de vulopening na het verhogen van de argon druk in het dashboardkastje een lichte overdruk in de pompcel voor het vervoer naar de polarisator setup te behouden. Neem de cel uit het handschoenenkastje.
  8. Sluit de cel om de polarisator verdeelstuk, zodat deze is uitgelijnd met de laserbundel lijn lichtdoorlatende de cel tijdens het pompen (dit kan met zichtbaar licht richtstraal, figuur 7) en controleer of de verwarmingsinrichting met thermokoppel heeft goed thermisch contact met de cel (zoals in figuur 4a). Bevestig een thermokoppel om de bovenkant van de cel.
  9. Evacueren de buisverbinding tot de inlaat-en uitlaatklep van de pompcel. Natot een druk van <30x10 -3 mbar, zuiveren lijnen met hoge zuiverheid Ar (of stikstof). Herhaal dit drie keer.
  10. De Ar tank open voor pompcel inlaat, langzaam de inlaat-en uitlaatklep van de cel. Open voorzichtig de polarisator uitlaatklep een klein beetje aan een Ar stroom van ca vast te stellen. 1 SLM via het spruitstuk. Houd deze stroom gedurende 2 minuten. Door nu, moet zuurstof onzuiverheden aanzienlijk worden geëlimineerd Rb oxidatie te voorkomen. Sluit de polarisator uitlaatklep en de inlaat van de Ar tank.
  11. Zet de verwarming van de pompcel (ingestelde temperatuur ca. 180-190 ° C voor een verhittingsband gemonteerd onder de cel). Dit zal verdampen van het Rb druppel.
  12. Open de Xe gasmengsel aansluiting in de polarisator setup. De tank regelaar moet worden ingesteld op ca. 3,5 bar overdruk.
  13. Zet de laser aan en af ​​te stemmen zijn emitterende golflengte tot ca.. 794,8 nm door aanpassing van de ingestelde temperatuur van de diode koelvloeistof. Bewaak de laser profiel door een optische spectrometer.
  14. Continu verdampen van Rb een toenemende laser absorptie. Zorg ervoor dat de laseremissie profiel symmetrisch geabsorbeerd (bijstellen watertemperatuur indien nodig). Zodra de temperatuursensor bovenop de cel leest ca. 100 ° C, dient u zich aan een aanzienlijk verminderd laser overbrenging (zie figuur 8).
  15. Laser absorptie veroorzaakt ook extra verhitting, dus de druk in de cel. Bewaken van de cel voorwaarden en zorgvuldig gas wegstromen van de polarisator uitlaat (zoals in normaal bedrijf) om een ​​aantal druk te laten ontsnappen wanneer de waarde nadert de grens van de pompcel is geschikt voor (5 bar abs.. In onze setup).
  16. Zet de magnetische veld (ca. 2-3 mT) in de pompcel onder controle van de laser profiel. De toezending dient onmiddellijk omhoog gaan als het veld veroorzaakt selectieve optisch pompen (zie figuur 8).
  17. Wacht totdat alle temperaturen te stabiliseren.De polarisator is nu klaar voor gebruik.

2. Voorbereiding van de NMR-instelling

  1. Plaats een reageerbuis met water in de NMR probe hoofd en het uitvoeren van afstemming en matching van de radiofrequentie (RF)-circuit voor het proton en de xenon-kanaal.
  2. Shim op het water-signaal met de geautomatiseerde shim routine van de MRI-gebruikersinterface.

3. Hyperpolarisatie Kwantificering

  1. Sluit de polarisator afvoerbuis naar de inlaat van de test fantoom met ca. 5 de capillairen Xe en gas ontluchtingspijp injecteren om de verbinding met de massadebietregelaar.
  2. Zorg ervoor dat de gasstroom regelaars zijn ingesteld op 'gesloten' en open langzaam de polarisator uitlaatklep naar het fantoom onder druk. Stel het debiet tot ca.. 0,5 SLM om een ​​continue stroom starten via het fantoom. Schat van het fantoom volume en het gasdebiet hoe lang het duurt om volledig vervangen het gasvolume. In onze opstelling, dit is ca. 2 sec.
  3. (bijv. 5 tot 100 msec). Verdere parameters zijn: spectrale breedte van sw = 10 kHz, acquisitietijd ta = 1 sec en een herhalingstijd TR die langer is dan de vervangingstijd berekend in stap 3.2. De frequentie van de excitatiepuls voor Xe gas op 9.4 T is ca. 110,683 MHz. De FID met het sterkste signaal geeft je de juiste combinatie van puls kracht en lengte voor een maximale signaal.
  4. Na afkoeling de stroom tot 0,1 SLM, waardoor TR tot 15 sec (vergelijkbaar met stap 3.7), en waarbij de andere parameters ongewijzigd verwerven dataset met 16 scans FID terwijl het hypergepolariseerde Xe stroomt door het monster. Voer de Fourier transformatie en meet de piekamplitude in het spectrum. Dit is de signaalsterkte van het hypergepolariseerde gas xenon mixture. Let ook op de resonantiefrequentie van het gas piek in Hz.
  5. Evacueer een zware muur NMR-buis voorzien van een klep voor lage druk afdichting en vul deze met ca. 2 bar overdruk zuivere xenon.
  6. Evacueer het gas spruitstuk die de NMR-buis en vul ca. 0.2 bar zuivere zuurstof bovenop de Xe in de NMR buis (dwz aanpassing van de O 2 druk tot 2,2 bar overdruk). De zuurstof zal de versoepeling van het Xe magnetisatie na RF excitatie (het laat ons toe om te werken met TR = 15 sec, het proces anders vereist zeer lange TR als het gas niet wordt vervangen voor de volgende excitatie zoals in stap 3.4).
  7. Vervang de eerder gebruikte gasstroom fantoom in de NMR-magneet met deze lage druk NMR buis en het uitvoeren van de NMR-puls sequentie zoals in 3.4. Dit geeft je de NMR signaal intensiteit voor thermisch gepolariseerde hoge concentratie Xe.
  8. Vergelijk het signaal intensiteiten van thermisch en gehyperpolariseerde Xe en bereken het signaal te versterkenment waarbij de verschillende concentraties en druk gehouden. Bereken de spinpolarisatie als volgt:

De thermische spinpolarisatie P e moet eerst worden bepaald als een referentie. Het is gedefinieerd als de bevolking verschil van de twee spin toestanden over de som van de bevolking, dat wil zeggen,

Vergelijking 1
Bij kamertemperatuur wordt dit gegeven door de hoge temperatuur en de onderlinge verhouding R populatie als

Vergelijking 2
(K de Boltzmann constante, T de absolute temperatuur en de γ magnetogyric ratio). Aangezien de thermische energie kT veruit de dominante factor, R dicht bij 1, namelijk 0,999982232 voor Xe bij B 0 = 9,4 T. Dit geeft P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Vervolgens de genormaliseerde signaal versterkingsfactor ε moet worden berekend uit de verhouding van de hp hypergepolariseerde signaal en het signaal uit th thermische polarisatie S (aangenomen dat NMR pulssequentie parameters waren identiek voor beide toepassingen):

Vergelijking 3
Waarbij c en p de concentratie van Xe in het gasmengsel (in%) en de druk van het gasmengsel zowel de experimenten met thermisch en hypergepolariseerde Xe respectievelijk vertegenwoordigen. De bereikte hyperpolarisatie wordt dan gegeven door het product εP th.

4. Gefunctionaliseerde Xenon Solution State Spectroscopy

  1. Bereid een 50 tot 200 uM oplossing van een (gefunctionaliseerd) xenon host (bijvoorbeeld cryptophane-A met een targeting unit). Afhankelijk van de hydrofobiciteit van de kooi construct, voeg meer of minder DMSO water als oplosmiddel. In onze demonstratie met een cryptophane-A monozuur kooi, is het makkelijkst te gebruiken pure DMSO. Neem ca. 1,5 ml van deze oplossing en vul het in de gasstroom fantoom, zodat de 5 gesmolten silica capillairen voldoende borrelen van de oplossing met Xe gasmengsel mogelijk. Voer een borrelende testen buiten de NMR magneet met 0,1 SLM en controleer ongewenste overmatig schuimen.
  2. Steek het fantoom in de NMR probe en stem af en overeenkomen met zowel het proton en X-kanalen en het uitvoeren van een geautomatiseerd shim zoals in stap 2.2.
  3. Gebruik een FID verkrijging passende vertragingen en triggerpulsen van de spectrometer openen en sluiten de mass flow controllers. Zorg voor ca. 15-20 sec borrelen met 0,1 SLM en de daaropvolgende vijf tot acht seconden wachten vertraging voor de bellen om te verdwijnen, gevolgd door RF excitatie en FID uitlezing.
  4. Voer 16 of 32 herhalingen (afhankelijk van uw kooi concentratie) met sw = 40 kHz, gecentreerd op ca.. 11 kHz naar benedenveld van het gas resonantiefrequentie bepaald in stap 3.4. FID uitlezing moet 500-1.000 m bedragen. Fourier-transformatie van de FID op het spectrum te krijgen.
  5. Stel de chemische verschuiving waarde voor de meeste rechts signaal (gasfase) op 0 ppm. Noteer de frequentie van de intense oplossing signaal (meest linkse signaal) in Hz en ppm. Merk ook de offset tussen dit signaal op δ oplossing en het signaal van ingekapselde Xe bij δ kooi ~ 60 tot 80 ppm in ppm. Deze offset wordt genoemd Δω (zie ook representatieve resultaten).

5. Hyper-CEST Imaging

  1. Om het contrastmiddel vermogen van een xenon gastheer molecule testen, kan een experiment met twee compartimenten phantom worden uitgevoerd. Om dit te doen, neem ca. 50% van de testoplossing uit sectie 4 en giet dit in een 5 mm NMR buis. Plaats deze tube in de 10 mm borrelende setup uit sectie 4. Vul het buitenste compartiment met alleen het oplosmiddel en kooi niet op hetzelfde niveau als de binnenste compartment. Plaats 3 van de borrelende haarvaten in de buitenste en 2 haarvaten in de binnenruimte.
  2. Sluit de slang aan op de borrelende setup en herhaal stap 4.2.
  3. Selecteer een single-shot EPI sequentie voor een snelle beeldvorming. Deze sequentie moet eventueel worden gewijzigd om vertragingen en triggerpulsen van de spectrometer omvatten openen en sluiten de mass flow controllers. Zorg voor ca. 15 tot 20 sec borrelen met 0,1 SLM en vervolgens 5-8 sec wachten vertraging de bellen verdwijnen, gevolgd door MRI codering.
  4. Stel de detectie kern tot 129 Xe de X-kanaal en de zender / waarnemer frequentie van de waarde die voor de oplossing signaal in stap 4.5. Met behulp van de RF puls calculatorhulpmiddel, zet de pols parameters (amplitude en duur) vanaf stap 3.3 in de excitatie gebruikt in uw beeldvorming volgorde.
  5. De imaging geometrie in ons voorbeeld is als volgt: 10 - 20 mm plakdikte, dwarsrichting, 20 x 20 mm gebied van view; matrix grootte 32x32, dubbele bemonstering (om artefacten te voorkomen) en de gedeeltelijke Fourier-codering factor ingesteld op 1,68 voor versnelde overnames (dat wil zeggen, slechts 19 van de 32 fasecodering maatregelen ook daadwerkelijk worden verworven).
  6. Open de CEST-module (een gemodificeerde magnetisatie-overdracht module) voor signaal voorbereiding en zorgen voor een cw Voorverzadiging puls (parameters, bijv. 2 sec duur, 5 μT amplitude). Voer 2 scans in dwarsrichting met de draaggolffrequentie van deze verzadiging puls een keer worden ingesteld op δ kooi = δ oplossing - Δω en een keer naar δ-controle = δ oplossing + Δω.
  7. Met behulp van een beeld post-processing tool, het genereren van de Hyper-CEST verschil beeld door het aftrekken van de afbeelding met verzadiging bij δ kooi van degene met verzadiging bij δ controle. Het resultaat mag alleen markeren gebieden waar de Xe gastheer aanwezig was (zie ook representatieve resultaten).

6. Representatieve resultaten

De laser absorptie kan gevolgd worden door het schakelen van de magnetisch veld rond de cel aan en uit. Afhankelijk van het laservermogen en celtemperatuur, bijna complete absorptie waargenomen met het magnetische veld uitgeschakeld en ca. 30% transmissie optreedt met het veld (vergelijking wordt getoond in figuur 8).

Een NMR-systeem werkt bij 9,4 T (400 MHz voor 1H, 110 MHz voor 129 Xe) dient de signaalversterking te ca. 16000-voudig bij het vergelijken van thermisch gepolariseerde xenon met gehyperpolariseerde xenon. Volgens stap 3.8, dit overeen met een spinpolarisatie van ca. 15%. Waarden> 10% haalbaar moet zijn bij het gebruik van een lijn versmald diodelaser met cw vermogen van> 100 W

De 129Xe NMR spectrum van een DMSO oplossing die 213 pM van een moleculaire gastheer vertonen een signaal van gekooide xenon met eensignaal-ruisverhouding van ca. 10 voor 16 acquisities (figuur 9 bij kamertemperatuur lijnverbreding van 10 Hz gebruikt).

De Hyper-CEST MRI dataset toont volledige intensiteit van het signaal voor de off-resonante controle beeld en signaal uitputting in gebieden met de Xe gastheer molecuul in het on-resonante verzadiging beeld. Het verschilbeeld wordt uitsluitend de gebieden die reageerden op de verzadigingspuls (Figuur 10).

Figuur 1
Figuur 1. Zijaanzicht van optische componenten voor het bereiken van circulair gepolariseerd licht. Het laserlicht wordt gekoppeld in het systeem door de optische vezel aan de linkerkant. Zowel de polariserende bundelsplitser cube (PBC) en λ / 4 golfplaat geïnstalleerd op roterende steunen de snelle as aanpassens voor het produceren van circulair gepolariseerd licht (zie filmpje 1). De gewone bundel gereflecteerd door het PBC worden afgeleid door een spiegel om te eindigen in een balk dump (niet getoond).

Figuur 2
Figuur 2. Bovenaanzicht van optische componenten voor het bereiken van circulair gepolariseerd licht. Deze visie omvat de bundel dump voor de gewone bundel. Uit veiligheidsoverwegingen worden thermokoppels bewaken van de temperatuur van de primaire bundel expander, de balk dump en de polariserende bundelsplitser kubus.

Figuur 3
Figuur 3. Zijaanzicht van pompcel met de zijwand van de oven box geopend. De laser licht in de doos van links via een parallelle glazen venster. Pengat aan de rechterkant verzwakt de uitgezonden laservermogen de optische spectrometer die het licht ontvangt door een collimator en optische vezel te beschermen. Het Xe gasmengsel reist tegenover het laserlicht richting: het komt in de cel door het rechterbeen en uitgangen aan de linkerkant.

Figuur 4
Figuur 4. A) Close-up van Rb druppel in de pompcel. De oranje silicium heater (gecontroleerd door een PID-regelaar) is bevestigd aan de onderzijde van de glazen cel. Een thermokoppel op de top bewaakt de celtemperatuur. b) Close-up van de gasinlaat oppervlakte van een medium leeftijd pompcel met incrversoepeling condensaat opbouw op de glazen wand. c) Overige Rb druppel in dezelfde pompcel als in b), zoals gezien door de cel verlichten van achteren en met korte blootstellingstijd aan zichtbaarheid van de glaswand coating onderdrukken.

Figuur 5
Figuur 5. Energie transities in alkalimetaaldamp. a) Zonder externe B-veld, het magnetische subniveaus niet gedefinieerd (afgebeeld in grijs alleen), waaruit elk atoom in de grondtoestand licht absorbeert. b) Inschakelen van een extern veld definieert de Zeeman niveaus en de oorzaken pompen van slechts een overgang naar de dipool selectie regels. Hierdoor accumulatie van atomen in een van de sub-niveaus, terwijl een beperkt aantal atomen in de grondtoestand andere subniveau laserlicht absorbeert.


Figuur 6. Gefunctionaliseerde cryptophane kooi voor het detecteren van een specifieke doelgroep van biochemische belang. Het Xe NMR signaal verandert op de binding bij de specifieke targeting unit.

Figuur 7
Figuur 7. Zichtbare richtstraal (rood licht) voor aanpassing van de pompcel volledige verlichting van het pompvolume waarborgen.

Figuur 8
Figuur 8. Laser profielen voor pompcelvoorwaarden. Geen absorptie waargenomen voor de koelcel (kamertemperatuur) wanneer geen Rb damp aanwezig is. We nemen twee emissielijnen van onze diode laser (met een FWHM van 0,5 nm die binnen de specificaties van de fabrikant). Wanneer de cel de ingestelde temperatuur (180 ° C) bereikt en het magnetische veld wordt uitgeschakeld, algemene D een excitatie veroorzaakt bijna volledige absorptie van het laserlicht. Schakelen het magnetische veld induceert selectief pompen van slechts een overgang en verhoogt de transmissie intensiteit.

Figuur 9
Figuur 9. 129Xe NMR spectrum van een DMSO oplossing die cryptophane-A monozuur (structuur ook weergegeven) als Xe kooi. Het gas piek wordt verwezen naar 0 ppm. Xe in vrije oplossing verschijnt δ oplossing = 2450,7 ppm en de gekooide Xe bij δ kooi = 79,2 ppm. Voor de Hyper-CEST experiment wordt de verzadigingspuls eenmaal op δ kooi waardoor verzadiging overdracht aan de oplossing piek verlagen en eenmaal op δ control = 412,2 ppm het referentiesignaal voor aftrekken verzamelen. Experimentele parameters: 213 uM kooi in DMSO bij 295 K, 16 acquisities 32,3 kHz bandbreedte, 772 ms FID uitgelezen, Xe geborreld oplossing op 0,1 SLM gedurende 20 sec.

Figuur 10
Figuur 10. 129Xe MR beelden van xenon opgelost in DMSO. Het fantoom bestaat uit twee afzonderlijke compartimenten met alleen het binnenste compartiment met cryptophane-A monozuur (bij een concentratie van 50 uM). Voor elke EPI opname wordt gemaakt, een 5 μT continuous-wave saturation puls wordt gegeven gedurende 2 sec. a) De verzadiging puls is δ controle, dat wil zeggen, uit resonante met de Xe @ kooi piek en zien we een sterk signaal uit beide compartimenten. b) De verzadiging is resonant de Xe @ kooi piek bij δ kooi bijna volledig vernietigen het signaal van de binnenruimte. Het subtractiebeeld a) - b) toont de locatie van de Xe gastheer molecule. De beelden werden verkregen met een FOV van 20 x 20 mm, een slice dikte van 10 mm en 32 x 32 pixels. Ze werden vervolgens thresholded en geïnterpoleerd tot 256 x 256 pixels.

Film 1. Animatie van het samenstellen van een setup voor SEOP. De laserstraal wordt eerst grotere diameter door een primaire bundel expander en gaat door een polariserende bundelsplitser cube (PBC). Rotatie van deze kubus verandert de relatieve intensiteiten van de gewone en buitengewone straal. Voor de positie met maximum transmissie, de snelle as van de PBC uitgelijnd met de dominant polarisatie-as van het binnenkomende licht. De lineaire polarisatie van het uitgezonden licht - wordt beïnvloed door de kwaliteit / extinctieverhouding van het PBC - kan worden getest volgens een tweede PBC als analyzer. De aanpassing van zijn snelle as met de snelle as van de eerste kubus moet maximale transmissie terwijl verdere rotatie te geven door 90 ° moeten geven nul transmissie en volledige reflectie. Inbrengen van een λ / 4 golfplaat converteert de lineaire in cirkelvormige polarisatie als de snelle as gedraaid 45 ° tegen de snelle as van de eerste PBC. De intensiteit van het uitgezonden licht moet nu onafhankelijk van de rotatie van de tweede kubus. Verwijderen analyseren componenten en vervangen door een secundaire bundel expander levert het recht bundeldiameter verlicht de pompcel. Een druppel rubidium zitten in de cel gedeeltelijk verdampt eenmaal kachel buiten de cel wordt aangezet. De xenon gas mengsel dat door de opstelling in tegenovergestelde richting van de laserbundel distributes deze damp over de hele cel. Zonder een magnetisch veld, veroorzaakt algemene D 1 excitatie van de Rb atomen en sterke absorptie van het laserlicht. Door de magnetische on maakt selectieve pompen van slechts een overgang tussen de nu gedefinieerd magnetische subniveaus. Bijgevolg slechts een beperkt aantal atomen absorberen laserlicht en transmissie opnieuw verhoogd. Klik hier om film te bekijken .

Movie 2. Animatie uitleggen van de CEST effect. Cryptophane kooien dienen als moleculaire hosts Xe atomen die hun resonantie frequentie te wijzigen op deze binding gebeurtenis (overgang blauw -> groen) te vangen. Een eerste acquisitie NMR bepaalt de hoeveelheid ongebonden Xe als referentiesignaal. Vervolgens wordt een selectieve verzadiging puls die slechts de gekooide atomen vernietigt hun magnetisatie. Omdat de Xe binding is een omkeerbaar proces, een lange puls annulerens de magnetisatie van veel atomen en een tweede NMR overname blijkt dat aanzienlijk signaal daling van gratis Xe ten opzichte van het referentiesignaal. Klik hier om film te bekijken .

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

Kritische aspecten in de bereiding van gehyperpolariseerde xenon zuurstof onzuiverheden in de gasspruitstuk inclusief de pompcel en voldoende verlichting van de cel met circulair gepolariseerd licht. De bovengenoemde gloeilamp test is een eenvoudige manier om schadelijke zuurstofconcentraties te detecteren tijdens het overbrengen van rubidium. Het alkalimetaal kan verliezen het glimmende oppervlak van de tijd de cel wordt in de polarisator. Echter, voldoende verdamping van niet-geoxideerde Rb gecontroleerd door verlaagde lasertransmissie (bij verwarming een nieuwe cel voor het eerst het kan zijn dat een extra temperatuurstijging van ca. 20 ° C nodig is om de verdamping te starten;. Eenmaal laser absorptie begint, het setpoint moet worden verminderd). Bijna volledige laser absorptie in de aanwezigheid van het magnetische veld aangeeft dat er ten minste een zone aanwezig in de cel met overmaat Rb damp dichtheden die inhomogene cel verlichting en slechte Xe hype kanrpolarization. Verlaag de temperatuur van de heater als dit gebeurt totdat er ongeveer 30% transmissie door de cel.

Optimale temperatuur, druk gasmengsel en de gasstromen experimenteel worden bepaald voor elke installatie aangezien deze afhangen van de specifieke geometrie en thermische geleiding van de optische cel en laser lijnbreedte en kracht van individuele polarisatoren. In het bijzonder is aangetoond dat spinuitwisseling van Rb tot Xe het meest efficiënt bij lage druk 12. Maar door de relatief grote lijnbreedte van diode lasers, Rb polarisatie vaak efficiënter in grote druk 1. Deze twee factoren moeten worden uitgespeeld tegen elkaar om maximale polarisatie te komen voor een bepaalde opstelling.

Alternatieve optisch pompen kan worden bereikt door de Rb D 2 overgang met een laser die uitzendt bij 780 nm of door Cs met D 1 overgang bij 894 nm 13 en D 2 14. Afhankelijk van de beschikbaarheid van lasersystemen, kan een van de vier benaderingen worden gekozen voor optimale pompcondities.

Een goede trouble shooting lijst voor het opzetten en exploiteren van een SEOP setup kan ook worden gevonden in 15. Sommige meer componenten voor het regelen vacuüm en overdruk in de polarisator spruitstuk en de evacuatie staan ​​uit stap 3.5 is in het apparaat tabel.

De polarisatie van de Xe behouden moet worden gehouden in een magnetisch veld. Het strooiveld van een NMR spectrometer is voldoende. In de gasfase de T1 van Xe vele hr. Dit kan worden verhoogd door bevriezing het monster, hetgeen bijzonder gunstig is voor transport. Wand-interacties zijn een van de belangrijkste oorzaken van depolarisatie van Xe gas. Deze kunnen worden beperkt door zorgvuldige keuze van materialen (bijvoorbeeld door bekleding van het glaswerk 16) en vermindering van het contactoppervlak tussun het gas en de verpakking.

Verwerving van NMR-gegevens van oplossingen kunnen worden gehinderd door overmatige schuimvorming tijdens het borrelen periode of bellen blijven in de vloeistof na het wachten vertraging. Dit veroorzaakt ernstige veld inhomogeniteiten en substantiële signaalverlies. Verminder het setpunt van de massastroom controller in dit geval.

De polarisatie setup hier gepresenteerd voor eenvoudige NMR studies met hypergepolariseerd xenon gedurende langere perioden. Vandaar dat signaal gemiddeld voor aandoeningen met een lage target 'concentraties is eenvoudig mogelijk. Signaal stabiliteit wordt gewaarborgd door het gebruik van mass flow controllers veroorzaakt door de spectrometer.

Het signaal van gefunctionaliseerde Xe is gerapporteerd afhankelijk van verschillende aspecten van de micro-omgeving, inclusief parameters zoals lokale temperatuur, pH en samenstelling van het oplosmiddel. Daarom deze benadering heeft verschillende potentiële toepassingen in zowel in vitro eennd in vivo diagnostiek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgments

Dit onderzoeksproject heeft financiering ontvangen van de European Research Council onder zevende van de Europese Gemeenschap kaderprogramma (FP7/2007-2013) / ERC-subsidieovereenkomst nr. ​​242710 en werd eveneens ondersteund door de Human Frontier Science Program en de Emmy Noether Programma van het Duitse 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).
Hypergepolariseerde Xenon NMR en MRI toepassingen
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