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Engineering

Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

La produzione di xeno iperpolarizzato mediante scambio di spin ottica di pompaggio (SEOP) è descritto. Questo metodo produce un 10000-volte valorizzazione ~ della polarizzazione di spin nucleare di Xe-129 e ha applicazioni in spettroscopia di risonanza magnetica nucleare e di imaging. Esempi di fase gas ed esperimenti stato di soluzione sono dati.

Abstract

Risonanza magnetica nucleare (NMR) e di imaging (MRI) che soffrono di bassa sensibilità intrinseca perché i campi magnetici esterni, anche forti di ~ 10 T generare solo un piccolo rilevabile rete magnetizzazione del campione a temperatura ambiente 1. Quindi, la maggior parte delle applicazioni NMR e MRI basano sulla rilevazione di molecole ad alta concentrazione relativa (ad esempio, acqua per l'imaging di tessuto biologico) o richiedono tempi di acquisizione eccessivi. Questo limita la nostra capacità di sfruttare la specificità molto utile molecolare di segnali NMR per molte applicazioni biochimiche e mediche. Tuttavia, nuovi approcci sono emersi negli ultimi anni: Manipolazione delle specie di spin identificati prima del rilevamento all'interno del NMR / MRI magnete in grado di aumentare la magnetizzazione e quindi consente il rilevamento di molecole in concentrazione molto più bassa 2.

Qui, presentiamo un metodo di polarizzazione di una miscela di gas xenon (Xe 2-5%, 10%N 2, Egli saldo) in una configurazione compatta con un ca. 16000-volte amplificazione dei segnali. Moderna linea criterio diodi laser consentono polarizzazione efficiente 7 e immediato utilizzo di miscela di gas anche se il gas nobile non è separato dagli altri componenti. L'apparato SEOP è spiegato e determinazione della polarizzazione di spin raggiunta è dimostrata per il controllo delle prestazioni del metodo.

Il gas iperpolarizzato può essere utilizzata per l'imaging spazio vuoto, tra cui l'imaging del flusso di gas o studi di diffusione alle interfacce con altri materiali 8,9. Inoltre, il segnale Xe NMR è estremamente sensibile al suo ambiente molecolare 6. In questo modo la possibilità di utilizzarlo come NMR / MRI agente di contrasto quando disciolto in soluzione acquosa con funzionalizzati host molecolari che temporaneamente intrappolare il gas 10,11. Rilevazione diretta e ad alta sensibilità di rilevazione indiretta di tali costrutti è dimostrato sia in modalità spettroscopica e di imaging. </ P>

Introduction

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Agenti iperpolarizzato stanno guadagnando crescente attenzione per NMR / MRI applicazioni poiché possono risolvere il problema della sensibilità in determinate circostanze 2. Tre approcci principali sono attualmente utilizzati (polarizzazione nucleare dinamica, DNP, para-idrogeno polarizzazione indotta, PHIP e girare lo scambio pompaggio ottico, SEOP) che tutti preparare un aumentato artificialmente differenza di popolazione di spin di fuori di un magnete NMR prima della spettroscopia reale o esperimento di imaging . Qui si descrive la funzione e il funzionamento di una configurazione SEOP che è stato ottimizzato per la produzione di 129 Xe iperpolarizzato usati negli esperimenti stato di soluzione.

Un componente essenziale è una fonte di luce intensa che emette fotoni infrarossi a 795 nm. Array di diodi laser (LDA) sono dispositivi convenienti che offrono un'elevata potenza> 100 W a costi ragionevoli. In molte configurazioni, la LDA emette in una fibra ottica che più o meno mantiene la polarizzazione di the luce laser. Per garantire un processo sufficiente SEOP questa polarizzazione ellittica deve essere convertito in polarizzazione circolare di elevata purezza. Componenti principali delle ottiche di polarizzazione sono mostrate nelle Figure 1 e 2 e la configurazione del sistema è illustrata schematicamente in film complementare 1.

Per polarizzare la luce circolarmente abbiamo prima collegare l'estremità della fibra ottica primaria di un fascio di espansione (ad esempio, un collimatore di fibre) per ridurre la densità di potenza. La luce passa attraverso un cubo beam splitter polarizzatore, generando luce linearmente polarizzata. Ruotando questo cubo si può determinare l'asse preferita della polarizzazione residua con un misuratore di potenza. Trasmissione massimo corrisponde alla situazione in cui è allineato all'asse veloce del cubo con l'asse principale polarizzazione della luce. Cubi con coefficienti di estinzione elevate (100.000: 1 o superiore) ottenere una buona separazione di componenti di polarizzazione. Questo può essere testatoutilizzando un secondo divisore di fascio cubo come un analizzatore che viene ruotato mentre la prima è allineata per la massima trasmissione del fascio straordinario.

Una volta che la polarizzazione lineare della luce trasmessa è stato confermato, un onda λ / 4 piastra progettato per 795 nm viene introdotto nella straordinaria fascio lineare per convertire in polarizzazione circolare. A questo scopo, l'asse veloce della piastra onda è ruotato di 45 ° rispetto all'asse del fascio cubo splitter veloce. (Se desiderato, polarizzazione circolare del fascio riflesso ordinaria con asse di polarizzazione lineare perpendicolare alla straordinaria fascio può essere realizzato in modo simile.)

La qualità della polarizzazione circolare può essere testato con un cubo secondo divisore di fascio che deve cedere alla rotazione di trasmissione costante. A secondarie ottica di espansione del fascio (ad esempio due lenti in una configurazione telescopio galileiano) aumenta quindi il diametro del fascio per lo illuminate la cella di vetro per il processo di pompaggio all'interno di una scatola forno. Assorbimento della luce laser da Rb vapore nella cella viene monitorata attraverso un foro di perno dietro la cella di pompaggio alla fine della scatola: un collimatore raccoglie un fascio IR attenuato da analizzare con uno spettrometro ottico (vedere Figura 3 per il pompaggio di impostazione cella ).

Un meccanismo di riscaldamento all'esterno della cella di pompaggio vaporizza parzialmente una gocciolina Rb seduto all'interno della cellula (figura 4a) e pertanto causa di assorbimento della luce laser. Densità del vapore può essere regolato tramite il punto di riscaldamento impostata del regolatore PID corrispondente. Le alte temperature (ca. 190 ° C) sono buoni per configurazioni compatte in cui il xeno ha una quantità limitata di tempo per costruire la polarizzazione. La miscela di gas contenente Xe, N 2 e Lui scorre attraverso la cella di pompaggio opposta alla direzione del fascio laser (Figura 3). Un campo magnetico esterno allineato con il raggio laser assicura che esimoelettroniche fotoni IR sono solo pompando una transizione Rb. Rilassamento degli stati dell'elettrone è veloce e deve essere non radiativo per evitare l'emissione di fotoni IR con polarizzazione 'sbagliato'. Qui, il 2 N entra in gioco come gas quench. Alla fine, il sistema Rb costruisce una sovrappopolazione di uno dei sottolivelli esporre il motivo mentre l'altra viene continuamente impoverito dal laser (Figura 5). Xenon entrare in stretto contatto con gli atomi di Rb esperienze di spin-spin interazioni e la polarizzazione di spin dell'elettrone è trasferito su nuclei Xe in flip-flop processi.

Il gas iperpolarizzato fuoriesce dalla cella di pompaggio contiene tracce di Rb vapore che condensa sulla parete dei condotti entro pochi cm di presa a causa della bassa temperatura (simile alla Figura 4b). In applicazioni in vivo, tuttavia, richiederebbe ulteriore eliminazione del metallo alcalino (ad esempio attraverso una trappola a freddo), mentre in vitro experiments possono essere effettuati in modo sicuro con il gas come lascia il hyperpolarizer. Tubazione Teflon collega l'uscita polarizzatore con l'ingresso di un apparato di vetro per eseguire esperimenti NMR su soluzioni di test. Controllori di flusso di massa sono utilizzati per regolare la quantità di Xe scorre nella configurazione NMR. Essi sono attivati ​​da comandi nella sequenza di impulsi NMR. Dopo aver controllato la valorizzazione polarizzazione raggiunto, il gas può essere utilizzato come NMR / MRI agente di contrasto in esperimenti stato di soluzione.

Xe ha una certa solubilità in acqua (4,5 mM / atm) e altri solventi. Pertanto, esso può già fungere da solo come agente di contrasto per visualizzare la distribuzione di alcuni liquidi. Tuttavia, è anche possibile collegare la NMR-attivo nuclei di certe molecole per acquisire informazioni specifiche molecolare attraverso il gas altrimenti inerte. Fornendo un host molecolare per la disciolto Xe, è possibile conferire specificità molecolare al segnale Xe NMR. Ciò offre l'opportunità diprogettazione agenti di contrasto funzionalizzati - chiamato anche biosensori - quando una tale struttura ospitante è accoppiato ad un'unità di targeting che si lega a specifici analiti di interesse biomedico (Figura 6).

Ulteriore miglioramento della sensibilità è necessaria quando il biosensore deve essere rilevata a concentrazioni che sono bassi per mezzi di contrasto MR (<100 pM). Ciò può essere ottenuto mediante trasferimento scambio chimico saturazione (CEST). Questo metodo rileva il biosensore indirettamente distruggendo la magnetizzazione della gabbia Xe e osservando la variazione del segnale di Xe libera in soluzione. Dal momento che i nuclei iperpolarizzato sono continuamente sostituite dopo qualche ms 10, molti 100-1000 trasferimento di nuclei le informazioni sulla piscina rilevato e amplificare il segnale di ca. 10 3 volte (vedi filmato 2).

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Protocol

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1. Preparazione del programma di installazione SEOP

Rubidio deve essere portato nella cella ottica di pompaggio, per facilitare il trasferimento di polarizzazione dalla luce laser a xenon. Grazie alla sua elevata reattività questo processo deve avvenire senza l'Rb entrare in contatto con l'ossigeno o l'acqua, altrimenti si ossida e non polarizzare Xe. Prestare particolare attenzione dovrebbe essere presa come Rb reagisce violentemente con l'acqua.

  1. Se la cella ottica è stato utilizzato in precedenza verrà rivestita con uno strato di ossido di Rb e Rb, come si può vedere in Figura 4b. La cella deve essere pulita prima dell'uso. Chiudere l'ingresso e tubi d'uscita della cella ottica. Mantenendolo pressurizzato, trasportare la cella di una cappa chimica. Sotto il cofano utilizzando adeguati dispositivi di protezione, aprire la cella di atmosfera e aspettare circa un ora per permettere alla superficie Rb per ossidare.
  2. Delicatamente pipetta puro isopropanolo nella cella. Questo dissolveranno laStrato di ossido Rb e Rb goccioline lucide si sposta sulla superficie del isopropanolo come gocce d'acqua su una piastra calda. Versare il isopropanolo (e qualsiasi Rb che viene con esso) in un becher. Ripetere finché tutti Rb viene rimosso.
  3. Se questo ancora non rimuove tutti Rb, fare una soluzione di 10% di acqua e 90% di isopropanolo e ripetere il passo 1.2) aumentando la percentuale di acqua (in passi di 10%) fino a quando tutto Rb viene rimosso.
  4. Una volta che tutti Rb viene rimosso, lavare la cella ottica con acetone.
  5. Portare una precedentemente evacuato e poi riempito di argon-cella ottica di pompaggio in un cassetto portaoggetti con atmosfera di argon. Includere anche una fiala di rubidio, uno strumento per rompere la fiala, pipette Pasteur, Kimwipes, e una pistola termica. Per mantenere un'atmosfera secca nel vano portaoggetti, posizionare una piastra di Petri con pentossido di fosforo come essiccante. La presenza di tracce indesiderate di ossigeno possono essere controllati con una lampadina in cui viene aperto il bulbo di vetro per esporre il filamento all'atmosfera vano portaoggetti.Le condizioni sono bene finché non si pone il fumo con la luce accesa.
  6. Aprire la porta di riempimento della cella di pompaggio, rompere la fiala Rb e fondere il metallo alcalino con la pistola termica. Godetevi un po 'di Rb liquido con una pipetta e iniettare nella cella di pompaggio.
  7. Chiudere la porta di riempimento dopo aver aumentato la pressione argon nel vano portaoggetti per mantenere una leggera sovrapressione nella cella di pompaggio per il trasporto alla configurazione polarizzatore. Prendete il cellulare fuori del vano portaoggetti.
  8. Collegare la cella al collettore polarizzatore, assicurandosi che sia allineato con la linea illuminante raggio laser cella durante il processo di pompaggio (questo può essere fatto con il fascio di luce visibile mira, Figura 7) e verificare che il dispositivo di riscaldamento con la termocoppia ha adeguato contatto termico con la cella (come in figura 4a). Collegare una termocoppia per la parte superiore della cella.
  9. Evacuare i raccordi dei tubi fino alla valvola di ingresso e di uscita della cella di pompaggio. Doporaggiungimento di una pressione di <30x10 -3 mbar, pulire le linee con elevata purezza Ar (o azoto). Ripetere questa operazione per tre volte.
  10. Con il serbatoio Ar aperta verso l'ingresso della cella di pompaggio, aprire lentamente la valvola di ingresso e di uscita della cella. Aprire con cautela la valvola di uscita polarizzatore un po 'piccolo per stabilire un flusso di Ar di ca. SLM 1 attraverso il collettore. Mantenere questo flusso per 2 min. A questo punto, le impurità di ossigeno dovrebbe essere sostanzialmente eliminato per evitare ossidazione Rb. Chiudere la valvola di scarico polarizzatore e il raccordo di ingresso al serbatoio Ar.
  11. Acceso il riscaldamento della cella di pompaggio (temperatura impostata ca. 180-190 ° C per una striscia di riscaldamento montato sotto la cella). Questo vaporizza parte della goccia Rb.
  12. Aprire il collegamento del gas Xe composto nella configurazione polarizzatore. Il regolatore del serbatoio deve essere impostato su ca. 3,5 bar di sovrapressione.
  13. Accendere il laser e mettere a punto la sua lunghezza d'onda di emissione di ca. 794,8 nm regolando la temperatura impostata del refrigerante diodo. Monitorare la laprofilo ser attraverso uno spettrometro ottico.
  14. Vaporizzazione continua di Rb provoca assorbimento laser crescente. Verificare che il profilo di emissione del laser viene assorbito simmetricamente (temperatura del liquido di raffreddamento la macchina se necessario). Una volta che il sensore di temperatura sulla parte superiore della cella letture ca. 100 ° C, si dovrebbe osservare una trasmissione laser significativamente ridotto (vedi Figura 8).
  15. Assorbimento laser provoca anche riscaldamento aggiuntivo, aumentando quindi la pressione all'interno della cella. Monitorare le condizioni cellulari e accuratamente sfiatare gas dalla presa polarizzatore (come nel normale funzionamento) per rilasciare una certa pressione quando il valore si avvicina al limite è di pompaggio per la cella (5 bar ass. Nel nostro setup).
  16. Attivare il campo magnetico (ca. 2-3 mT) intorno alla cella di pompaggio durante il monitoraggio del profilo laser. Trasmissione dovrebbe andare immediatamente come il campo provoca pompaggio ottico selettivo (vedi Figura 8).
  17. Attendere che tutte le temperature si stabilizzino.Il polarizzatore è ora pronto per l'uso.

2. Preparazione del programma di installazione NMR

  1. Inserire una provetta con acqua nella testa della sonda NMR ed eseguire la sintonizzazione e la congruenza della frequenza radio (RF) circuito per il protone e il canale xenon.
  2. Shim sul segnale acqua con la routine shim automatico dell'interfaccia utente MRI.

3. Iperpolarizzazione quantificazione

  1. Collegare il tubo di uscita polarizzatore all'ingresso del fantoccio esame con il suo ca. 5 capillari per iniettare il Xe e il tubo di sfiato del gas per il collegamento con il controllore di flusso di massa.
  2. Accertarsi che i regolatori di flusso di gas sono impostati su 'chiuso' e aprire lentamente la valvola di uscita polarizzatore per pressurizzare il fantasma. Impostare la portata di ca. 0,5 SLM per avviare un flusso continuo attraverso il fantasma. Stimare dal volume fantasma e la portata di gas il tempo necessario per sostituire interamente il volume di gas. Nella nostra impostazione, questo è ca. 2 sec.
  3. esempio 5-100 msec). Ulteriori parametri sono: larghezza spettrale di sw = 10 kHz, tempo di acquisizione ta = 1 sec e un tempo di ripetizione TR che è più lungo il tempo di sostituzione calcolato nella fase 3.2. La frequenza degli impulsi di eccitazione per gas Xe a 9,4 T è ca. 110,683 MHz. Il FID con il segnale più forte vi darà la giusta combinazione di potenza dell'impulso e la lunghezza massima per il segnale.
  4. Dopo diminuendo il flusso di 0,1 SLM, aumentando TR per 15 sec (comparabili con passo 3,7), e lasciando invariati gli altri parametri, acquisire un insieme di dati con 16 scansioni FID mentre il Xe iperpolarizzato fluisce attraverso il campione. Eseguire la trasformazione di Fourier e misurare l'ampiezza picco nello spettro. Questo è l'intensità del segnale per il gas xeno iperpolarizzato mixture. Inoltre, nota la frequenza di risonanza del picco gas in Hz.
  5. Evacuare un pesante tubo NMR parete dotata di una valvola di tenuta a bassa pressione e riempirlo con ca. 2 bar di sovrapressione di puro xenon.
  6. Evacuare il collettore gas tenendo il tubo NMR e riempire ca. 0,2 bar di ossigeno puro in cima al Xe nel tubo NMR (cioè, regolando la pressione di O 2 a 2,2 bar di sovrapressione). L'ossigeno migliorerà il rilassamento della magnetizzazione Xe dopo l'eccitazione RF (ci permette di lavorare con TR = 15 sec, il processo non richieda una diversa TR molto lungo se il gas non viene sostituito per l'eccitazione successiva come al punto 3.4).
  7. Sostituire il precedentemente utilizzato phantom flusso di gas nel magnete NMR con questo tubo NMR bassa pressione ed eseguire la sequenza di impulsi NMR come in 3.4. Questo vi darà l'intensità del segnale NMR per termicamente polarizzato ad alta concentrazione di Xe.
  8. Confronta le intensità dei segnali dei termicamente e iperpolarizzato Xe e calcolare il segnale di miglioraremento prendendo le diverse concentrazioni e pressioni in considerazione. Calcolare la polarizzazione di spin come segue:

La termica polarizzazione di spin P ° deve essere determinata in primo luogo come riferimento. Essa è definita come la differenza popolazione dei due stati di spin sulla somma delle popolazioni, cioè,

Equazione 1
A temperatura ambiente, questo è dato dal ravvicinamento alta temperatura e il rapporto R popolazione

Equazione 2
(K è la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta, e γ il rapporto magnetogyric). Poiché l'energia termica kT è di gran lunga il fattore dominante, R è vicino a 1, cioè per 0,999,982232 millions Xe a B 0 = 9,4 T. Questo produce P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Successivamente, il segnale normalizzato enhancement ε fattore deve essere calcolata dal rapporto tra il segnale CV iperpolarizzato S e il segnale da th polarizzazione termica S (assumendo che tutti i parametri di impulso di sequenza NMR erano identici per entrambe le applicazioni):

Equazione 3
Dove c e p rappresenta la concentrazione di Xe nella miscela di gas (in%) e la pressione della miscela di gas per entrambi gli esperimenti con termicamente e Xe iperpolarizzato, rispettivamente. La iperpolarizzazione ottenuto viene quindi proposta dal secolo εP prodotto.

4. Funzionalizzati Xenon Soluzione Stato Spettroscopia

  1. Preparare una soluzione di 50-200 uM di un (funzionalizzato) ospite allo xeno (ad esempio, cryptophane-A con un gruppo di targeting). A seconda della idrofobicità del co gabbianstruct, aggiungere più o meno DMSO ad acqua come solvente. Nella nostra dimostrazione con un cryptophane-Una gabbia monoacido, è più facile da usare DMSO puro. Prendere ca. 1,5 ml di questa soluzione e riempirlo nel fantasma flusso di gas, assicurando che il 5 silice capillari permettono gorgogliamento sufficiente della soluzione con la miscela di gas Xe. Eseguire un test di bolle al di fuori del magnete NMR con 0,1 SLM e verificare la presenza di indesiderati eccessiva formazione di schiuma.
  2. Inserire il corpo nella sonda NMR e sintonia e corrispondenza sia sul protone e X-canali ed eseguire uno spessore automatizzato come nella fase 2.2.
  3. Utilizzare una acquisizione FID, con ritardi appropriati e gli impulsi di trigger dal spettrometro per aprire e chiudere i controllori di flusso di massa. Consenti per ca. 15-20 bubbling sec con 0.1 SLM e successive 5-8 secondi di ritardo in attesa che le bolle scompaiono, seguiti da eccitazione RF e la lettura FID.
  4. Eseguire 16 o 32 ripetizioni (a seconda della concentrazione di gabbia) con sw = 40 kHz, presa a ca. 11 kHz verso il bassocampo dalla frequenza di risonanza del gas determinato al punto 3.4. Lettura FID deve essere 500-1000 m. Trasformata di Fourier del FID per ottenere lo spettro.
  5. Impostare il valore di spostamento chimico per il segnale più a destra (fase gas) a 0 ppm. Scrivere la frequenza del segnale di soluzione intenso (segnale più a sinistra) in Hz e ppm. Si noti inoltre la differenza tra questo segnale a δ soluzione e il segnale di Xe incapsulato in gabbia δ ~ 60 - 80 ppm in ppm. Questo offset è chiamato Δω (vedere i risultati anche di rappresentanza).

5. Hyper-CEST Imaging

  1. Al fine di testare la capacità di un agente di contrasto molecola ospite xeno, un esperimento con due vano fantasma può essere eseguita. Per fare questo, prendere ca. 50% della soluzione campione dalla sezione 4 e riempirlo in un tubo NMR 5mm. Inserire questo tubo nel setup 10 mm a partire da bolle sezione 4. Riempire il compartimento esterno con il solo solvente e senza gabbia fino allo stesso livello come il co internompartment. Inserire 3 del gorgogliamento capillari nella esterno e due capillari nel vano interno.
  2. Ricollegare il tubo al setup bolle e ripetere il punto 4.2.
  3. Selezionare un singolo piano sequenza EPI per l'imaging veloce. Questa sequenza deve eventualmente essere modificato per includere i ritardi e gli impulsi di attivazione del spettrometro per aprire e chiudere i controllori di flusso di massa. Consenti per ca. 15-20 spumeggiante con 0.1 sec SLM e successive 5-8 secondi di ritardo in attesa che le bolle scompaiono, seguito da codifica MRI.
  4. Impostare il nucleo di rilevamento 129 Xe sulla X-canale e il trasmettitore / osservatore frequenza al valore determinato per il segnale in fase di soluzione 4,5. Utilizzando lo strumento di impulso RF calcolatrice, convertire i parametri di pulsazione (ampiezza e durata) dal passaggio dalla 3.3 alla eccitazione utilizzato nella sequenza di imaging.
  5. La geometria di imaging nel nostro esempio è la seguente: 10 - 20 millimetri spessore di strato, orientamento trasversale; 20 x 20 mm Campo di view; dimensione della matrice 32x32; campionamento doppio (per evitare artefatti) e parziale fattore di impostare la codifica di Fourier a 1,68 per gli acquisti accelerati (per esempio, solo 19 dei passaggi di fase 32 di codifica effettivamente acquisite).
  6. Aprire il modulo CEST (una versione modificata del modulo di trasferimento di magnetizzazione) per la preparazione del segnale, e garantire una cw presaturazione impulso (parametri, ad esempio, durata 2 sec, 5 microtesla ampiezza). Eseguire 2 scansioni in orientamento trasversale con la frequenza portante di questo impulso di saturazione una volta che viene impostato a gabbia soluzione δ = δ - Δω e una volta al controllo δ = δ + Δω soluzione.
  7. Utilizzando uno strumento di immagine di post-elaborazione, generare il Hyper-CEST immagine differenza sottraendo l'immagine con saturazione a gabbia δ da quello con il controllo di saturazione a δ. Il risultato deve evidenziare le aree in cui l'host Xe era presente (vedere i risultati anche di rappresentanza).

6. Risultati rappresentativi

L'assorbimento laser può essere monitorato commutazione del campo magnetico attorno alla cella e spegnimento. A seconda della potenza del laser e la temperatura della cella, l'assorbimento quasi completo è osservato con il campo magnetico spento e ca. 30% di trasmissione si verifica con il campo di (confronto è mostrato in Figura 8).

Per un sistema operativo a 9,4 T NMR (400 MHz per 1 h, 110 MHz per 129 Xe), il miglioramento del segnale dovrebbe essere ca. 16000-volte quando si confrontano termicamente polarizzato allo xeno con iperpolarizzato xeno. Secondo punto 3,8, ciò corrisponde ad una polarizzazione di spin di ca. 15%. Valori> 10% dovrebbe essere ottenibile utilizzando una linea ristretta laser a diodi con uscita CW di> 100 W.

Il 129 Xe spettro NMR di una soluzione di DMSO contenente 213 pM di un host molecolare dovrebbe esibire un segnale di xeno con una gabbiasegnale-rumore di ca. 10 per 16 acquisizioni (Figura 9; a temperatura ambiente, la linea allargamento di 10 Hz usata).

L'Hyper-CEST set di dati MRI mostra piena intensità del segnale per l'off-risonante immagine di controllo e di impoverimento del segnale in aree contenenti la molecola ospite Xe nell'ambiente on-risonante immagine saturazione. L'immagine differenza visualizza esclusivamente le aree che hanno risposto al polso saturazione (Figura 10).

Figura 1
Figura 1. Vista laterale di componenti ottici per ottenere luce polarizzata circolarmente. La luce laser viene accoppiato nel sistema attraverso la fibra ottica a sinistra. Sia il divisore di fascio polarizzante cubo (PBC) e il λ / 4 d'onda piastra sono installati su supporti rotanti per regolare la scure veloces per la produzione di luce polarizzata circolarmente (vedi filmato 1). Il fascio riflesso dalla ordinaria PBC può essere deviato da uno specchio a finire in una discarica fascio (non mostrato).

Figura 2
Figura 2. Vista dall'alto di componenti ottici per ottenere luce polarizzata circolarmente. Questa visualizzazione include la discarica fascio per il fascio ordinario. Come misura di sicurezza, termocoppie sono il monitoraggio della temperatura dell'espansore fascio primario, la discarica fascio, e il divisore di fascio polarizzante cubo.

Figura 3
Figura 3. Vista laterale della cella di pompaggio con la parete laterale della scatola forno aperto. Il laser luce entra in area dalla sinistra, attraverso una finestra di vetro parallelo. Il foro sull'estremità destra attenua la potenza trasmessa laser per proteggere la spettrometro ottico che riceve la luce attraverso un collimatore e fibra ottica. La miscela di gas Xe viaggia opposta alla direzione della luce laser: essa entra nella cellula attraverso la gamba destra ed esce sul lato sinistro.

Figura 4
Figura 4. A) Close-up vista di Rb goccia all'interno della cella di pompaggio. Il riscaldatore silicio arancione (controllato da un regolatore PID) è attaccata al fondo della cella di vetro. Una termocoppia sopra controlla la temperatura della cella. b) Close-up vista della zona di entrata del gas di una cella di media età di pompaggio con incrfacilitando l'accumulo di condensa sulla parete di vetro. c) Rb goccia rimanente nella stessa cella di pompaggio come in b), come visto illuminando la cella dal retro e con breve tempo di esposizione per sopprimere la visibilità del rivestimento parete di vetro.

Figura 5
Figura 5. Transizioni Energia a vapore di metallo alcalino. a) Senza esterno B-campo magnetico sotto livelli non sono definiti (illustrato solo in grigio), da cui qualsiasi atomo nello stato fondamentale assorbe la luce. b) Attivazione di un campo esterno definisce i livelli Zeeman e le cause di pompaggio di una sola transizione secondo le regole di selezione dipolo. Questo causa accumulo di atomi in una delle sub-livelli mentre un ridotto numero di atomi nello stato fondamentale altre sub-livello assorbe la luce laser.


Figura 6. Gabbia cryptophane funzionalizzati per rilevare un obiettivo di interesse specifico biochimica. Il segnale NMR Xe cambia al verificarsi legame della specifica unità di targeting.

Figura 7
Figura 7. Visibile mira fascio (luce rossa) per l'allineamento della cella di pompaggio per garantire un'illuminazione completa del volume di pompaggio.

Figura 8
Profili laser Figura 8. Per diverse cellule di pompaggiocondizioni. Nessun assorbimento sono osservati per la cella a freddo (temperatura ambiente) in assenza di vapore Rb è presente. Osserviamo due linee di emissione dei laser a diodi (insieme ad una FWHM di 0,5 nm, che è conforme alle specifiche del produttore). Quando la cella raggiunge la temperatura impostata (180 ° C) e il campo magnetico è spento, generale D 1 eccitazione provoca l'assorbimento quasi completo della luce laser. Commutazione del campo magnetico induce selettiva pompaggio di una sola transizione e aumenta l'intensità di trasmissione.

Figura 9
Figura 9. 129 Xe NMR di una soluzione di DMSO contenente cryptophane-A monoacido (struttura anche mostrato) come una gabbia Xe. Il picco del gas viene fatto riferimento a 0 ppm. Gratuita Xe in soluzione appare soluzione δ = 2450,7 ppm e la gabbia in gabbia Xe δ = 79,2 ppm. Per l'Hyper-CEST esperimento, l'impulso di saturazione è volta impostato gabbia δ per consentire il trasferimento di saturazione per diminuire il picco soluzione e, una volta impostato il controllo δ = 412,2 ppm per raccogliere il segnale di riferimento per la sottrazione. Parametri sperimentali: 213 gabbia mM in DMSO a 295 K, 16 acquisizioni con larghezza di 32,3 kHz banda, 772 ms FID leggere, Xe gorgogliare in una soluzione a 0.1 SLM per 20 sec.

Figura 10
Figura 10. 129 Xe MR immagini di xenon disciolto in DMSO. Il fantasma consiste di due compartimenti separati con solo il vano interno contenente cryptophane-A monoacido (ad una concentrazione di 50 pM). Prima di ogni immagine EPI è presa, a 5 mT onda continua saturation impulso viene applicato per 2 sec. a) L'impulso di saturazione è a controllo δ, cioè disattivato risonante con la @ Xe gabbia di picco e si osserva un segnale forte da entrambi i comparti. b) La saturazione è in risonanza con il picco @ Xe gabbia alla gabbia δ, distruggendo quasi completamente il segnale dal vano interno. L'immagine sottrazione a) - b) rivela la posizione della molecola ospite Xe. Le immagini sono state acquisite con un FOV di 20 x 20 mm, uno spessore di strato di 10 mm e 32 x 32 pixel. Sono stati poi thresholded e interpolati a 256 x 256 pixel.

Movie 1. Animazione di assemblaggio di un setup per SEOP. Il raggio laser viene prima aumentato di diametro da un espansore del fascio primario e passa attraverso un cubo beam splitter polarizzatore (PBC). Rotazione del cubo cambia le intensità relative del fascio ordinaria e straordinaria. Per la posizione di massima di trasmissione, l'asse veloce del PBC è allineata con il Dominant asse di polarizzazione della luce incidente. La polarizzazione lineare della luce trasmessa - che è influenzata dalla qualità / rapporto di estinzione del PBC - possono essere analizzati usando un PBC secondo come analizzatore. Allineare l'asse veloce con l'asse veloce del primo cubo dovrebbe dare massima di trasmissione, mentre ulteriore rotazione di 90 ° dovrebbe dare zero, la trasmissione e la riflessione totale. Inserimento di un λ / 4 piastra converte l'onda lineare in polarizzazione circolare se il suo asse veloce è ruotato di 45 ° rispetto all'asse veloce del PBC prima. L'intensità della luce trasmessa dovrebbe essere indipendente dalla rotazione del secondo cubo. Rimozione dei componenti di analisi e la loro sostituzione con un espansore trave secondaria si ottiene il diametro del fascio diritto di illuminare la cella di pompaggio. Una goccia rubidio seduto in questa cella è parzialmente vaporizzato volta un riscaldatore di fuori della cella è acceso. La miscela di gas xeno che fluisce attraverso la configurazione in direzione opposta al fascio laser distributes questo vapore tutta la cella. Senza un campo magnetico, questo causa generale D 1 eccitazione degli atomi Rb e forte assorbimento della luce laser. Ruotando la magnetica consente di pompaggio selettivo di una sola transizione tra le ora definiti magnetici sottolivelli. Di conseguenza, solo un ridotto numero di atomi di assorbire la luce laser e la trasmissione aumenta di nuovo. Clicca qui per visualizzare filmati .

Movie 2. Animazione che spiega l'effetto CEST. Gabbie cryptophane servire come host molecolari per intrappolare atomi di Xe che cambiano la loro frequenza di risonanza a questo evento vincolante (blu transizione -> verde). Un acquisizione NMR prima determina la quantità di non legata Xe come segnale di riferimento. Successivamente, un impulso di saturazione selettivo interessano solo gli atomi gabbia distrugge la loro magnetizzazione. Poiché il legame Xe è un processo reversibile, un impulso lungo annullares la magnetizzazione di molti atomi e di acquisizione NMR seconda indica un calo significativo segnale di libero Xe rispetto al segnale di riferimento. Clicca qui per visualizzare filmati .

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Discussion

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Aspetti critici nella preparazione di xeno iperpolarizzato sono impurità ossigeno nel collettore di gas tra la cella di pompaggio ed una sufficiente illuminazione della cella con luce polarizzata circolarmente. La suddetta prova lampadina è un modo semplice per rilevare le concentrazioni di ossigeno deleteri durante il trasferimento rubidio. Il metallo alcalino può perdere la sua superficie lucida dal momento dell'installazione della cella nel polarizzatore. Tuttavia, vaporizzazione sufficiente di Rb non ossidato può essere monitorato mediante trasmissione laser ridotta (quando il riscaldamento di una cella fresca per la prima volta, potrebbe essere che un aumento di temperatura supplementare di circa 20 ° C è necessaria per avviare il processo di vaporizzazione;. Volta assorbimento laser inizia, il set point deve essere ridotto). Assorbimento laser quasi completa in presenza del campo magnetico indica che esiste almeno una zona in cella con eccesso Rb densità di vapore che possono causare l'illuminazione disomogenea cella e cattivi clamore Xerpolarization. Ridurre la temperatura del riscaldatore se questo accade finché vi è circa il 30% di trasmissione attraverso la cella.

Tassi temperatura ottimale, la pressione, miscela di gas e flusso devono essere determinata sperimentalmente per ogni installazione poiché dipendono dalla geometria specifica e conduzione termica della cella ottica e larghezza linea laser e la potenza di polarizzatori individuali. In particolare è stato dimostrato che lo scambio di spin da Rb a Xe è più efficiente a bassa pressione 12. Tuttavia, a causa della larghezza della linea relativamente grande di diodi laser, polarizzazione Rb è spesso più efficiente a pressioni grandi 1. Questi due fattori devono essere messi gli uni contro gli altri per raggiungere la massima polarizzazione per un setup dato.

Alternative pompaggio ottico può essere ottenuto utilizzando il D 2 Rb transizione con un laser che emette a 780 nm o utilizzando Cs con il suo passaggio D 1 a 894 nm 13 e D 2 14. A seconda della disponibilità di sistemi laser, uno dei quattro approcci possono essere scelti per condizioni ottimali di pompaggio.

Una buona lista di risoluzione dei problemi per la costituzione e gestione di una configurazione SEOP si possono trovare anche in 15. Alcuni componenti più per il controllo del vuoto e sovrapressione nel collettore polarizzatore e l'evacuazione riposare utilizzato nel passaggio 3,5 sono elencati nella tabella macchine.

Per preservare la polarizzazione della Xe, deve essere tenuto in un campo magnetico. Il campo di dispersione di uno spettrometro NMR è sufficiente per questo. Nella fase gassosa del T 1 di Xe è hr molti. Questo può essere aumentato congelando il campione, che è particolarmente vantaggioso per il trasporto. Interazioni parete sono una delle cause principali di depolarizzazione del gas Xe. Questi possono essere ridotti accurata selezione dei materiali (ad esempio mediante rivestimento di vetro 16) e ridurre l'area di contatto between il gas e il suo contenitore.

Acquisizione di dati NMR di soluzioni può essere ostacolato da eccessiva formazione di schiuma durante il periodo di bolle o bolle ancora nel liquido dopo il ritardo di attesa. Ciò causa gravi disomogeneità di campo e la perdita del segnale sostanziale. Ridurre il set point del controllore del flusso di massa in questo caso.

La messa a punto di polarizzazione qui presentata consente di studi NMR facili con iperpolarizzato allo xeno per periodi di tempo prolungati. Quindi, il segnale mediato per le condizioni con basse concentrazioni target è facilmente possibile. Stabilità del segnale è garantita attraverso l'uso di controllori di flusso di massa innescati dallo spettrometro.

Il segnale di funzionalizzato Xe è stato riportato a dipendere da vari aspetti del micro-ambiente, compresi parametri locali come temperatura, pH e composizione del solvente. Pertanto questo approccio ha diversi potenziali applicazioni in vitro, sia in unnd diagnostica in vivo.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Questo progetto di ricerca ha beneficiato di un finanziamento del Consiglio europeo della ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro della Comunità europea (FP7/2007-2013) / ERC convenzione di sovvenzione n ° 242710 ed è stata inoltre sostenuta dalla Human Frontier Science Program e il programma Emmy Noether del tedesco 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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Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI
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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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