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Engineering

Xénon hyperpolarisé pour la RMN et l'IRM Applications

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

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

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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).

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Protocol

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1. Préparation de la configuration PDES

Rubidium doit être introduit dans la cellule de pompage optique, pour faciliter le transfert de polarisation de la lumière laser à xénon. En raison de sa grande réactivité de ce processus doit avoir lieu sans la Rb venant en contact avec de l'oxygène ou de l'eau, sinon il sera oxydé et ne polarise Xe. Des précautions particulières doivent être prises comme Rb réagit violemment avec l'eau.

  1. Si la cellule optique a déjà été utilisé, il sera revêtue d'une couche d'oxyde de Rb et Rb, comme on le voit sur ​​la figure 4b. La cellule doit d'abord être propre avant de l'utiliser. Fermer l'orifice d'entrée et les tubes de sortie de la cellule optique. Tout en le mettant sous pression, le transport de la cellule à une hotte chimique. Sous le capot en utilisant un équipement de protection individuelle, ouvrez la cellule à l'atmosphère et attendre environ une heure pour permettre à la surface Rb pour oxyder.
  2. Doucement pipette isopropanol pur dans la cellule. Cela permettra de dissoudre leCouche d'oxyde Rb, Rb et des gouttelettes brillantes se déplacer sur la surface de l'isopropanol comme des gouttes d'eau sur une plaque chauffante. Verser l'isopropanol (Rb et tout ce qui va avec) dans un bécher. Répétez jusqu'à ce que tous Rb est retiré.
  3. Si cela ne fonctionne toujours pas supprimer tous Rb, préparer une solution de 10% d'eau et 90% d'isopropanol et répétez l'étape 1.2) l'augmentation du pourcentage d'eau (par pas de 10%) jusqu'à ce que tous Rb est retiré.
  4. Une fois que tous Rb est enlevée, rincer la cellule optique avec de l'acétone.
  5. Apportez un préalable évacué et ensuite rempli d'argon cellule de pompage optique dans une boîte à gants avec atmosphère d'argon. Également inclure une ampoule de rubidium, un outil pour casser l'ampoule, pipettes Pasteur, Kimwipes, et un pistolet à air chaud. Afin de maintenir une atmosphère sèche dans la boîte à gants, placer une boîte de Petri avec du pentoxyde de phosphore comme agent desséchant. La présence de traces indésirables de l'oxygène peut être contrôlée au moyen d'une ampoule lorsque l'ampoule de verre est ouvert pour exposer le filament à l'atmosphère boîte à gants.Les conditions sont très bien tant que pas de fumée se pose avec la lumière allumée.
  6. Ouvrez l'orifice de remplissage de la cellule de pompage, casser l'ampoule Rb et faire fondre le métal alcalin avec le pistolet à air chaud. Imprégnez-vous Rb liquide avec une pipette et de l'injecter dans la cellule de pompage.
  7. Fermer l'orifice de remplissage après augmentation de la pression d'argon dans la boîte à gants pour maintenir une légère surpression dans la cellule de pompage pour le transport de l'installation polariseur. Prenez la cellule de la boîte à gants.
  8. Raccorder la cellule vers le collecteur polariseur, veillant à ce qu'il soit aligné avec la ligne laser faisceau éclairant la cellule au cours du processus de pompage (ce qui peut être fait avec le faisceau de lumière visible visant, figure 7) et vérifier que le dispositif de chauffage avec son thermocouple a bon contact thermique avec la cellule (comme dans la figure 4a). Fixer un thermocouple à la partie supérieure de la cellule.
  9. Évacuer les raccords de tuyaux jusqu'à l'orifice d'entrée et la vanne de sortie de la cellule de pompage. Aprèspour atteindre une pression de <30x10 -3 mbar, purger les conduites de grande pureté avec Ar (ou d'azote). Répétez ceci trois fois.
  10. Avec le réservoir Ar ouverte à l'entrée de la cellule de pompage, ouvrir lentement la vanne d'entrée et de sortie de la cellule. Ouvrez avec précaution la vanne de sortie polariseur un tout petit peu pour établir un flux d'Ar de ca. 1 SLM à travers le collecteur. Maintenir ce flux pendant 2 min. A l'heure actuelle, les impuretés d'oxygène devrait être pratiquement éliminée pour éviter l'oxydation Rb. Fermer la soupape de sortie polariseur et le raccord d'entrée de la cuve Ar.
  11. Activer le dispositif de chauffage de la cellule de pompage (température de consigne CA. 180-190 ° C pour une bande de chauffage monté au-dessous de la cellule). Cela vaporiser une partie de la gouttelette Rb.
  12. Ouvrez la connexion Xe mélange gazeux dans la configuration polariseur. Le régulateur du réservoir doit être réglé à env. 3,5 bar de surpression.
  13. Allumer le laser et régler sa longueur d'onde d'émission d'env. 794,8 nm en ajustant la température de consigne de l'agent de refroidissement diode. Surveiller le lamaintenant ser à travers un spectromètre optique.
  14. Vaporisation continue de Rb provoque l'absorption laser augmente. Assurez-vous que le profil d'émission du laser est absorbée de façon symétrique (température du liquide de refroidissement réajuster si nécessaire). Une fois que le capteur de température au-dessus de la cellule de lecture ca. 100 ° C, vous devriez observer une émission laser réduit de façon significative (voir figure 8).
  15. Absorption laser provoque également un chauffage supplémentaire, ce qui augmente la pression dans la cellule. Surveiller les conditions de la cellule et soigneusement évacuer le gaz de la prise polariseur (comme en fonctionnement normal) pour libérer un peu de pression lorsque la valeur se rapproche de la limite de la cellule de pompage est conçu pour (bar abs 5. Dans notre configuration).
  16. Activer le champ magnétique (environ 2-3 mT) autour de la cellule de pompage tout en contrôlant le profil de laser. La transmission devrait aller immédiatement que le champ optique provoque pompage sélectif (voir figure 8).
  17. Attendez que toutes les températures se stabilisent.Le polariseur est maintenant prêt à être utilisé.

2. Préparation de la configuration RMN

  1. Insérer un tube à essai avec de l'eau dans la tête de mesure RMN et effectuer un accord et d'adaptation de la fréquence radio (RF) pour le circuit de proton et le canal de xénon.
  2. Cale sur le signal de l'eau avec la routine cale automatique de l'interface utilisateur IRM.

3. Quantification hyperpolarisation

  1. Raccorder le tuyau de sortie polariseur à l'entrée du fantôme d'essai avec son ca. 5 capillaires pour injecter le Xe et le tube d'évacuation de gaz pour la connexion avec le régulateur de débit massique.
  2. Assurez-vous que les régulateurs de débit de gaz sont réglés sur «fermé» et ouvrir lentement la vanne de sortie polariseur faire pression sur le fantôme. Régler le débit d'env. 0,5 SLM pour démarrer un flux continu à travers le fantôme. Estimation du volume fantôme et le débit de gaz combien de temps il faut pour remplacer la totalité du volume de gaz. Dans notre configuration, c'est ca. 2 sec.
  3. exemple 5-100 ps). D'autres paramètres sont: largeur spectrale de sw = 10 kHz, le temps d'acquisition TA = 1 s et un temps de répétition TR qui est plus long que le temps de remplacement calculé à l'étape 3,2. La fréquence de l'impulsion d'excitation de gaz Xe à 9,4 T est ca. 110,683 MHz. La FID avec le signal le plus fort vous donnera la bonne combinaison de puissance de l'impulsion et la longueur de signal maximum.
  4. Après avoir diminué le débit à 0,1 SLM, l'augmentation de TR à 15 sec (pour être comparable à l'étape 3.7), et en laissant les autres paramètres inchangés, d'acquérir un ensemble de données avec des scans FID 16 tandis que le Xe hyperpolarisé circule à travers l'échantillon. Effectuer la transformation de Fourier et de mesurer l'amplitude de crête dans le spectre. C'est l'intensité du signal pour le gaz xénon hyperpolarisé mixture. En outre, notez la fréquence de résonance du pic du gaz en Hz.
  5. Evacuer un tube de RMN mur lourd équipé d'une vanne pour l'étanchéité à basse pression et le remplir avec ca. 2 bar de surpression du xénon pur.
  6. Evacuer le collecteur de gaz en maintenant le tube RMN et de remplir ca. 0,2 bar d'oxygène pur sur le dessus du Xe dans le tube RMN (c.-à ajuster la pression de O 2 à 2,2 bar de surpression). L'oxygène améliorera la relaxation de l'aimantation Xe après excitation RF (il nous permet de travailler avec TR = 15 sec, le processus n'exige une interprétation différente TR très long si le gaz n'est pas remplacé pour l'excitation suivant comme à l'étape 3.4).
  7. Remplacer le fantôme gaz précédemment utilisé des flux de l'aimant de RMN avec ce tube RMN à basse pression et d'effectuer la séquence d'impulsions RMN en 3.4. Cela vous donnera l'intensité du signal RMN pour polarisée thermique à haute concentration Xe.
  8. Comparer les intensités de signal thermique et hyperpolarisé Xe et calculer le signal de renforcer lament en prenant les différentes concentrations et pressions en compte. Calculer la polarisation de spin comme suit:

Le th rotation thermique polarisation P doit être déterminée d'abord comme une référence. Elle est définie comme la différence de population de ces deux états de spin sur la somme des populations, à savoir,

L'équation 1
A température ambiante, est donnée par l'approximation à haute température et le rapport R population

Équation 2
(K est la constante de Boltzmann, T la température absolue, et le rapport gyromagnétique γ). Depuis l'énergie thermique kT est de loin le facteur dominant, R est proche de 1, c'est-à 0,999982232 pour Xe à B 0 = 9,4 T. On obtient P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Ensuite, le signal normalisé ε amélioration facteur doit être calculé à partir du rapport entre le signal hyperpolarisé ch S et le signal de polarisation thermique e S (en supposant que tous les paramètres de séquence d'impulsions RMN étaient identiques pour les deux applications):

L'équation 3
c et p représente la concentration de Xe dans le mélange gazeux (en%) et la pression du mélange de gaz pour les deux expériences avec thermiquement et Xe hyperpolarisé, respectivement. L'hyperpolarisation obtenu est alors donnée par l'e εP produit.

4. Fonctionnalisé xénon Solution Etat spectroscopie

  1. Préparer une solution de 50-200 pM d'un hôte (fonctionnalisé) xénon (par exemple, cryptophane-A avec une unité de ciblage). En fonction de l'hydrophobicité de la cage construct, ajouter plus ou moins d'eau DMSO comme solvant. Dans notre démonstration avec un cryptophane-Une cage monoacide, il est plus facile d'utiliser du DMSO pur. Prenez ca. 1,5 ml de cette solution et de le remplir dans le fantôme d'écoulement de gaz, en sorte que la 5 capillaires de silice fondue permettre barbotage suffisante de la solution avec le mélange de gaz xénon. Effectuer un test de bullage extérieur de l'aimant RMN à 0,1 SLM et vérifier indésirables excès de mousse.
  2. Insérez le fantôme dans la sonde RMN et tune et correspondre à la fois sur le proton et le X-canaux et effectuer une cale automatisé comme à l'étape 2.2.
  3. Utilisez une acquisition FID avec des délais appropriés et de légumineuses de déclenchement du spectromètre pour ouvrir et fermer les contrôleurs de débit massique. Prévoir env. 15-20 bouillonnant sec avec 0,1 SLM et après 5-8 sec attente d'attente pour les bulles de disparaître, suivie par une excitation RF et la lecture FID.
  4. Effectuer 16 ou 32 répétitions (selon votre concentration cage) avec sw = 40 kHz, centrée à environ. 11 kHz vers le basdomaine de la fréquence de résonance déterminée dans l'étape de gaz 3,4. Lecture FID doit être 500-1,000 m. Transformée de Fourier de la FID pour obtenir le spectre.
  5. Réglez la valeur du déplacement chimique du signal le plus à droite (en phase gazeuse) à 0 ppm. Écrire la fréquence du signal solution intense (signal le plus à gauche) et en Hz ppm. Notons également le décalage entre ce signal à δ solution et le signal de Xe encapsulé à cage δ ~ 60 -. 80 ppm en ppm Ce décalage est appelé Δω (voir les résultats aussi représentatifs).

5. Hyper-CEST Imaging

  1. Pour tester la capacité de l'agent de contraste d'une molécule hôte xénon, une expérience avec un fantôme à deux compartiments peut être effectuée. Pour ce faire, prenez ca. 50% de la solution de test de l'article 4 et le remplir dans un tube RMN de 5 mm. Insérer ce tube dans l'installation 10 mm bouillonnement de l'article 4. Remplir le compartiment extérieur uniquement le solvant et sans cage jusqu'à la même hauteur que le co intérieurempartment. Insérer les capillaires 3 de barbotage dans l'extérieur et 2 capillaires dans le compartiment intérieur.
  2. Rebranchez le tuyau à la configuration des bulles et répétez l'étape 4.2.
  3. Sélectionner une séquence EPI mono-coup pour l'imagerie rapide. Cette séquence doit éventuellement être modifié pour inclure des retards et des impulsions de déclenchement du spectromètre pour ouvrir et fermer les contrôleurs de débit massique. Prévoir env. 15 à 20 bulles sec avec 0,1 et 5 SLM ultérieure - 8 sec attente d'attente pour les bulles de disparaître, suivi par le codage IRM.
  4. Fixer le noyau de détection de 129 Xe à la X-canal et la fréquence de l'émetteur / observateur à la valeur calculée pour le signal de solution de l'étape 4,5. Utilisation de l'outil RF calculateur de pouls, convertir les paramètres d'impulsion (amplitude et la durée) de l'étape 3.3 dans l'excitation utilisée dans votre séquence d'imagerie.
  5. La géométrie de l'image dans notre exemple est la suivante: 10 - 20 mm épaisseur de coupe, l'orientation transversale, 20 x 20 mm champ de view; matrice d'une taille 32x32, double échantillonnage (pour éviter les artefacts) et partielle codant pour le facteur de Fourier mis à 1,68 pour les acquisitions accélérées (ie, seulement 19 des 32 étapes de codage de phase sont effectivement acquises).
  6. Ouvrez le module CEST (un module de transfert d'aimantation modifiée) pour la préparation des signaux et permettre un cw présaturation impulsion (paramètres, par exemple, durée 2 sec, 5 μT amplitude). Effectuer des balayages 2 dans une orientation transversale à la fréquence porteuse de cette impulsion de saturation fois étant réglée à cage δ = δ solution - Δω et une fois pour le contrôle δ solution δ = + Δω.
  7. Utilisation d'une image outil de post-traitement, de générer l'image de différence Hyper-CEST par soustraction de l'image avec une saturation à cage δ de l'une à saturation à commande δ. Le résultat ne doit mettre en évidence les domaines où l'hôte Xe était présent (voir les résultats aussi représentatifs).

6. Les résultats représentatifs

L'absorption laser peut être contrôlée en changeant le champ magnétique autour de la cellule et hors tension. En fonction de la puissance du laser et une température de cellule, une absorption quasi complète est observée avec le champ magnétique éteint et ca. 30% de transmission se produit avec le champ (une comparaison est illustré à la figure 8).

Pour un système d'exploitation RMN à 9,4 T (400 MHz pour 1H, 110 MHz pour 129 Xe), le rehaussement du signal doit être ca. 16000-pli lorsque l'on compare thermique du xénon polarisé avec xénon hyperpolarisé. Selon l'étape 3.8, ce qui correspond à une polarisation de spin de ca. 15%. Les valeurs> 10% devraient être obtenus en utilisant une ligne rétréci diode laser avec sortie cw> 100 W.

Le spectre RMN 129 Xe d'une solution de DMSO contenant 213 uM d'un hôte moléculaire doit présenter un signal de xénon avec une cagerapport signal-bruit de ca. 10 à 16 acquisitions (figure 9; à la température ambiante, l'élargissement des raies de 10 Hz utilisé).

L'Hyper-CEST IRM ensemble des données montre l'intensité du signal complet pour l'image de contrôle hors résonance et l'épuisement signal dans les zones contenant la molécule hôte Xe dans l'image de saturation en résonance. L'image de différence affiche uniquement les zones qui ont répondu à l'impulsion de saturation (Figure 10).

Figure 1
Vue de côté Figure 1. De composants optiques pour la réalisation de la lumière polarisée circulairement. La lumière laser est couplée dans le système à travers la fibre optique sur la gauche. À la fois le faisceau polarisant cube séparateur (PBC) et la lame d'onde λ / 4 sont installés sur supports en rotation pour ajuster l'axe rapides pour produire une lumière polarisée circulairement (voir film 1). Le faisceau réfléchi par l'ordinaire PBC peut être dévié par un miroir pour se retrouver dans une décharge de faisceau (non représentée).

Figure 2
Figure 2. Vue de dessus des composants optiques pour la réalisation de la lumière polarisée circulairement. Cette vue inclut la décharge de faisceau pour le faisceau ordinaire. Par mesure de sécurité, les thermocouples sont à surveiller la température de l'élargisseur de faisceau primaire, l'arrêt de faisceau, et le cube séparateur de polarisation.

Figure 3
La figure 3. Vue de côté de cellule de pompage avec la paroi latérale de la boîte de four ouvert. Le laser la lumière pénètre dans la zone de la gauche à travers une vitre parallèle. Le trou d'épingle à l'extrémité droite atténue la puissance laser transmise à protéger le spectromètre optique qui reçoit la lumière à travers un collimateur et de la fibre optique. Le mélange gazeux circule Xe opposée à la direction de la lumière laser: elle pénètre dans la cellule par la jambe droite et sort sur le côté gauche.

Figure 4
Figure 4. A) Vue rapprochée de Rb gouttelettes à l'intérieur de la cellule de pompage. Le chauffage de silicium orange (commandé par un régulateur PID) est fixé au fond de la cuve de verre. Un thermocouple sur le dessus surveille la température de la cellule. b) Gros plan sur la zone d'entrée de gaz d'un milieu cellule de pompage d'âge avec incrfaciliter condensat s'accumule sur la paroi de verre. c) des gouttelettes Rb restant dans la même cellule de pompage selon b), comme on le voit en éclairant la cellule à partir de l'arrière et avec court temps d'exposition pour supprimer la visibilité de la paroi de verre de revêtement.

Figure 5
Figure 5. Transitions d'énergie en vapeur de métal alcalin. a) Sans externe B-terrain, les sous-niveaux magnétiques ne sont pas définis (illustrées en gris seulement), d'où aucun atome dans l'état fondamental absorbe la lumière. b) La mise sur un champ externe définit les niveaux de Zeeman et des causes de pompage d'une seule transition, conformément aux règles de sélection dipolaires. Cela provoque l'accumulation d'atomes dans l'un des sous-niveaux tout en un nombre réduit d'atomes dans l'état fondamental autre sous-niveau absorbe la lumière laser.


Figure 6. Cage cryptophane fonctionnalisé pour détecter une cible spécifique d'intérêt biochimique. Le signal RMN Xe va changer lors de l'événement de liaison de l'unité de ciblage spécifique.

Figure 7
La figure 7. Visible visant faisceau (rouge) pour l'alignement de la cellule de pompage pour assurer un éclairage complet du volume de pompage.

Figure 8
Profils laser Figure 8. Cellule de pompage pour différentesconditions. Aucune absorption n'est observée pour la cellule froide (température ambiante) en l'absence de vapeur d'Rb est présent. On observe deux raies d'émission de notre laser à diode (avec une FWHM de 0,5 nm qui est conforme aux spécifications du fabricant). Lorsque la cellule atteint sa température de consigne (180 ° C) et le champ magnétique est coupé, en général D 1 excitation provoque l'absorption quasi-totale de la lumière laser. La commutation du champ magnétique induit sur pompage sélectif de seulement une transition et augmente l'intensité de transmission.

Figure 9
Figure 9. 129 Xe spectre RMN d'une solution dans DMSO contenant cryptophane-A monoacide (structure également montré) comme une cage de Xe. Le pic de gaz est référencé à 0 ppm. Xe gratuit en solution apparaît à la solution δ = 2450,7 ppm et la cage à cage Xe δ = 79,2 ppm. Pour l'expérience Hyper-CEST, l'impulsion de saturation est une fois fixé à la cage pour permettre le transfert δ saturation pour diminuer la solution de crête et une fois la valeur de commande δ = 412,2 ppm pour recueillir le signal de référence pour la soustraction. Les paramètres expérimentaux: 213 cages uM dans du DMSO à 295 K, 16 acquisitions à 32,3 kHz largeur de bande, 772 ms FID lire, Xe barboter dans une solution à 0,1 SLM pendant 20 sec.

Figure 10
Figure 10. 129 Xe MR images du xénon dissous dans du DMSO. Le fantôme est constituée de deux compartiments séparés avec seulement le compartiment interne contenant cryptophane-A monoacide (à une concentration de 50 pM). Avant chaque image est prise PEV, à 5 μT à onde continue saturation impulsion est appliquée pendant 2 sec. a) L'impulsion de saturation est à commande δ, ie, hors résonance avec le pic Xe @ cage et nous observons signal fort des deux compartiments. b) La saturation est en résonance avec la Xe @ pic cage à cage δ, presque complètement détruit le signal provenant du compartiment interne. L'image de soustraction a) - b) révèle l'emplacement de la molécule hôte Xe. Les images ont été acquises avec un champ de vision de 20 x 20 mm, une épaisseur de tranche de 10 mm et 32 ​​x 32 pixels. Ils ont ensuite seuillée et interpolé à 256 x 256 pixels.

Film 1. Animation de l'assemblage d'une configuration de PDES. Le premier faisceau laser est augmentée en diamètre par un élargisseur de faisceau primaire et passe à travers un cube séparateur de faisceau polarisant (PBC). La rotation de ce cube change les intensités relatives du faisceau ordinaire et extraordinaire. Pour la position de transmission maximale, l'axe rapide de la CBP est alignée avec la dominationnt axe de polarisation de la lumière incidente. La polarisation linéaire de la lumière transmise - qui est influencé par le rapport qualité / extinction du PBC - peut être testée à l'aide d'une seconde PBC comme un analyseur. Aligner son axe solidaire de l'axe rapide de la première cube doit donner de transmission maximale tandis que la rotation de plus de 90 ° devrait donner zéro de transmission et de réflexion totale. Insertion d'une λ / 4 d'onde convertit la plaque linéaire en une polarisation circulaire lorsque son axe est mis en rotation rapide 45 ° par rapport à l'axe rapide de la première PBC. L'intensité de la lumière transmise devrait maintenant être indépendant de la rotation de la deuxième cube. L'élimination des composants d'analyse et de les remplacer par un élargisseur de faisceau secondaire donne le diamètre du faisceau à droite à illuminer la cellule de pompage. Une goutte de rubidium assis dans cette cellule est partiellement vaporisé fois un dispositif de chauffage à l'extérieur de la cellule est activée. Le mélange de gaz xénon circulant à travers le montage en sens inverse de la distr faisceau laseributes cette vapeur à travers la cellule. Sans champ magnétique, ce qui provoque en général D 1 excitation des atomes de rubidium et une forte absorption de la lumière laser. En tournant le magnétique sur permet de pompage sélectif d'un seul transition entre les désormais définis magnétiques sous-niveaux. En conséquence, seul un nombre réduit d'atomes absorbent la lumière laser et la transmission est à nouveau augmentée. Cliquez ici pour voir le film .

Movie 2. Animation expliquant l'effet CEST. Cages cryptophane servir d'hôtes moléculaires pour piéger les atomes de Xe qui changent leur fréquence de résonance lors de cet événement contraignant (bleu transition -> vert). Une acquisition RMN détermine d'abord le montant de la Xe non liée comme signal de référence. Ensuite, une impulsion de saturation sélective qui ne touche que les atomes cage détruit leur aimantation. Depuis la liaison Xe est un processus réversible, une impulsion longue annulers l'aimantation de nombreux atomes et une acquisition RMN seconde révèle une diminution significative du signal de la gratuité Xe par rapport au signal de référence. Cliquez ici pour voir le film .

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Discussion

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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, la vaporisation suffit de Rb non-oxydé peut être contrôlé par transmission laser réduite (lorsque le chauffage d'une cellule de frais pour la première fois, il se pourrait que l'augmentation de température supplémentaire d'environ 20 ° C est nécessaire pour démarrer le processus de vaporisation;. Une fois absorption laser démarre, le point de consigne doit être réduite). Absorption laser quasi complète, en présence du champ magnétique indique qu'il existe au moins une région de la cellule avec un excès de densité de vapeur Rb pouvant entraîner un éclairage homogène de cellules et mauvais battage Xerpolarization. Réduire la température de l'élément chauffant si cela se produit jusqu'à ce qu'il y est d'environ 30% de transmission à travers la cellule.

Taux de la température optimale, la pression du gaz de mélange, et le débit doivent être déterminées expérimentalement pour chaque configuration car ceux-ci dépendent de la géométrie spécifique et de conduction thermique de la cellule optique et la largeur de ligne laser et la puissance de polariseurs individuels. En particulier, il a été montré que l'échange de spin à partir Rb Xe est plus efficace à basse pression 12. Pourtant, en raison de la largeur de ligne relativement importante de lasers à diodes, polarisation Rb est souvent plus efficace à des pressions importantes 1. Ces deux facteurs doivent être montés les uns contre les autres pour atteindre la polarisation maximale pour une configuration donnée.

Alternatif de pompage optique peut être obtenue en utilisant la D 2 Rb transition avec un laser émettant à 780 nm ou à l'aide de son Cs à D 1 de transition à 894 nm et 13 D 2 14. En fonction de la disponibilité des systèmes laser, l'une des quatre approches peuvent être choisies pour des conditions optimales de pompage.

Une liste des défectuosités bon tir pour la mise en place et l'exploitation d'une installation PDES peuvent également être trouvés dans 15. Certains composants de plus pour le contrôle de vide et de surpression dans le collecteur d'polariseur et l'évacuation se utilisé dans l'étape 3.5 sont énumérés dans le tableau des équipements.

Afin de préserver la polarisation du Xe, il doit être conservé dans un champ magnétique. Le champ de fuite d'un spectromètre RMN est suffisante pour cela. Dans la phase gazeuse T 1 du Xe est beaucoup h. Ce peut être augmentée par congélation de l'échantillon, ce qui est particulièrement avantageux pour le transport. Interactions murales sont l'une des principales causes de la dépolarisation du gaz Xe. Ceux-ci peuvent être réduits par un choix judicieux des matériaux (par exemple par revêtement de la verrerie 16) et en réduisant la surface de contact entreen du gaz et de son récipient.

Acquisition de données de la RMN de solutions peut être entravée par un excès de mousse pendant la période de formation de bulles ou des bulles dans le liquide restant après le délai d'attente. Cela provoque des inhomogénéités de champ graves et la perte de signal importante. Réduisez le réglage du régulateur de débit massique dans ce cas.

La configuration présentée ici permet de polarisation pour les études RMN faciles avec xénon hyperpolarisé sur des périodes de temps prolongées. Ainsi, la moyenne des signaux pour des conditions où les concentrations cibles faibles est facilement possible. La stabilité du signal est assurée par l'utilisation de régulateurs de débit massique déclenchées par le spectromètre.

Le signal d'fonctionnalisé Xe a été rapporté à dépendre de plusieurs aspects de l'environnement, y compris des micro-paramètres tels que la température, le pH local et la composition du solvant. Par conséquent, cette approche a de nombreuses applications potentielles dans les deux in vitro unee dans le diagnostic in vivo.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgments

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 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

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References

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Xénon hyperpolarisé pour la RMN et l&#39;IRM Applications
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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).

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