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Engineering

NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

光ポンピングスピン交換(ヒソプ)により過分極キセノンの生産が記載されている。このメソッドは、Xe-129の核スピン偏極の約10000倍増強をもたらし、核磁気共鳴分光法とイメージングのアプリケーションを持っています。気相と溶液状態実験の例が出されます。

Abstract

〜10Tのさえ強い外部磁界が室温1の検体のごく検出正味磁化を生成するため、核磁気共鳴(NMR)分光法とイメージング法(MRI)は、内因性の低感度に悩まされている。したがって、ほとんどのNMRやMRIのアプリケーションでは、相対的に高濃度の分子の検出( 例えば 、生体組織のイメージングのための水)に依存するか、または過度の取得時間を必要とします。これは、多くの生化学的および医療用アプリケーションのためのNMR信号の非常に有用な分子の特異性を利用する当社の能力を制限しています。しかし、斬新なアプローチは、過去数年間で浮上している:前NMR / MRI磁石内部の検出、検出されたスピン種の操作が劇的に磁化を高めることができ、したがって、はるかに低い濃度で2分子の検出を可能にします。

ここでは、キセノンガス混合物(2〜5%のXe、10%の偏光するための方法を提示するCAとコンパクトなセットアップで、N 2、彼はバランス)。 16000倍の信号増強。近代的なライン狭めダイオードレーザーは、希ガスは他の成分から分離されていない場合でも、効率的な分極7およびガス混合物の直接の使用を許可します。燮装置について説明されており、達成スピン偏極の測定は、メソッドのパフォーマンス制御に実証されている。

超偏極ガスは、ガス流イメージングまたは他の材料8,9とのインタフェースでの拡散の研究を含めて、ボイドスペースイメージングのために使用することができます。また、XeのNMR信号は、その分子環境6に非常に敏感です。一時的にガス10,11を捕捉官能分子のホストとの水溶液に溶解したときにこれはNMR / MRI造影剤として使用するオプションを有効にします。直接検出するとこのような構築物の高感度間接的な検出は、分光とイメージングの両方のモードで示されています</ P>

Introduction

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彼らは、特定の状況下で2感度の問題を解決することができるので、過分極剤は、NMR / MRIのアプリケーションのために注目を集めている。すべてが前に実際分光やイメージング実験にNMRマグネット外人為的に増加したスピン集団間の差異を準備している3つの主要なアプローチは、現在(そして交換光ポンピング、ヒソプをスピン;、パラ水素誘起分極、PHIP動的核分極は、DNP)が使用されている。ここでは、溶液状態の実験で使用した超偏極129 Xeの製造用に最適化されてい燮セットアップの機能と動作について説明します。

必須成分は795 nmで赤外線光子を発する強烈な光源である。レーザダイオードアレイ(LDA)は、高出力、合理的なコストで> 100 Wを提供する便利なデバイスです。多くのセットアップでは、LDAは多かれ少なかれ目の偏光を保持していることを光ファイバに放出している電子レーザー光。十分燮プロセスを保証するために、この楕円偏光は、高純度の円偏光に変換する必要があります。偏光光学系の主要な構成要素は、 図1および図2に示されており、システムのセットアップは補足ムービー1に模式的に説明されています。

円偏光を偏光させるために、我々は最初の電力密度を低減するための一次ビーム拡大光学素子( 例えば 、ファイバコリメータ)にファイバ端を取り付けます。光は、直線偏光を発生させると、偏光ビームスプリッタキューブを通過します。このキューブを回転させることにより、我々は、パワー·メータと残留分極の好ましい軸を決定することができます。最大伝送は、キューブの速い軸は主光線の偏光軸と一致させている状況に対応しています。高い吸光係数を持つキューブ(10万:1以上)は、偏光成分の良好な分離が得られます。これは、テストすることができます最初のものは並外れたビームの最大伝送のために整列されている間回転させアナライザとして第2のビームスプリッタキューブを使用しています。

透過光の直線偏光が確認された後、795 nmのために設計され、λ/ 4波長板を円偏光に線形変換する超常光線に導入される。この目的のために、波長板の高速軸は45°ビームスプリッタキューブ速い軸に対してにより回転される。 (必要に応じて、その直線偏光軸に垂直と超常光線に対する反射普通の光の円偏光は、同様の方法で達成することができます。)

円偏光の質は回転時に一定の伝送が得られるはず第2のビームスプリッタキューブでテストすることができます。二次ビーム拡大光学系(ガリレイ望遠鏡の構成で例えば 2つのレンズが)その後、私は完全にビーム径を増大させるオーブンボックス内のポンピングプロセス用ガラスセルをlluminate。細胞におけるRb蒸気によるレーザ光 ​​の吸収がボックスの末尾にポンプセル背後にピンホールを介して監視されます。コリメータは、光分析装置(ポンピングセルのセットアップについては図3を参照して分析される減衰赤外線ビームを収集)。

ポンプセル外加熱機構が部分的にセルの中に座ったRb滴( 図4a)を気化させ、したがって、レーザー光吸収を引き起こす。蒸気の密度はそれぞれのPIDコントローラの加熱セットポイントを経由して調整することができます。高い温度(約190℃)キセノンは偏光を構築するために、限られた時間を持っているコンパクトなセットアップのために良いです。 Xeを、N 2とHeの混合ガスは、レーザービーム方向と反対ポンピングセル( 図3)を通って流れる。レーザービームで整列外部磁場は、その目を確実にE IR光子は1つだけRbの遷移を励起しています。電子状態の緩和が速く、 "間違った"偏光と赤外線光子の放出を避けるために、非放射性である必要があります。ここで、N 2は、クエンチガスとして場に出る。他の1が連続してレーザー( 図5)により枯渇しながら最終的には、Rbのシステムは、基底状態のサブレベルの1の人口過剰を構築します。 Rb原子の​​経験スピン - スピン相互作用と電子スピン分極に密着取得キセノンは、フリップフロップのプロセスでのXe核に転写される。

ポンピングセルの流出超偏極ガスは低温( 図4b、図のようなもの)に起因するコンセントの数cm内チューブの壁に凝縮そのRbの蒸気の微量が含まれています。vivoアプリケーションでは 、しかし、追加の除去を必要とするであろうアルカリ金属(コールドトラップなどによる) in vitro における experimeに対しそれはhyperpolarizerを離れると国税庁はガスで安全に行うことができる。テフロンチューブは、テスト·ソリューションでNMR実験を行うためにガラス装置の入口と偏光コンセントを接続します。マスフローコントローラは、NMRのセットアップに流入Xeの量を調整するために使用されます。彼らは、NMRパルスシーケンス内のコマンドによってトリガーされます。達成偏強化を確認した後、ガスは溶液状態の実験でNMR / MRI造影剤として使用することができます。

Xeは、水中で一定の溶解度(4.5ミリモル/ atm)および他の溶剤を持っています。したがって、すでにいくつかの液体の分布を表示するために造影剤として単独で機能することができます。しかし、そうでなければ不活性ガスを介して分子固有の情報を取得するために、特定の分子にNMR活性核をリンクさせることも可能である。溶解XEの分子ホストを提供することによって、それは、Xe NMR信号に分子特異性を付与することが可能である。これは、機会を提供していますデザイン官能造影剤-また、バイオセンサーと呼ばれる-このようなホスト構造は生物医学の関心のある特定の分析物( 図6)に結合し、標的ユニットに結合されている。

バイオセンサーは、MR造影剤(<100μM)のために低い濃度で検出されるべきであると、さらに感度の向上が必要となります。これは、化学交換飽和移動(CEST)することによって達成することができる。この方法では、ケージXeの磁化を破壊し、溶液中の遊離Xeのシグナル変化を観察することによって、間接的にバイオセンサーを検出します。超偏極核がいくつか連続して10ミリ秒後に交換されているので、多くの100から1000の核が検出されたプールに情報を転送し、信号CAを増幅する。 10 3倍(動画2参照)。

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Protocol

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1。仲燮のセットアップの準備

ルビジウムは、レーザー光からキセノンへ分極の転送を容易にするために、光ポンピングセル内に提起しなければならない。その高い反応性のために、このプロセスはRbは酸素や水と接触することなく行う必要があり、それ以外の場合は、酸化になるとXeを偏光されません。 Rbは水と激しく反応するよう特別な注意を払う必要があります。

  1. 光学セルが以前に使用されている場合、それは、図4bに見られるように、RbとRbの酸化物の層でコーティングされます。セルは、最初に使用する前に洗浄する必要があります。光学セルの入口と出口のチューブを閉じます。それは加圧に保ちながら、化学フードにセルを輸送。適切な個人保護具を使用して、水面下では、大気中にセルを開くとRbの表面が酸化するまで、約1時間待ちます。
  2. 細胞内にそっとピペット純粋なイソプロパノール。これは溶解しますRbの酸化物層と、光沢のあるRbの滴は、ホットプレート上での水滴のようなイソプロパノールの表面の上に移動します。ビーカーにイソプロパノール(およびそれに付属している任意のRb)を注ぎます。すべてRbが除去されるまで繰り返します。
  3. これはまだすべてのRbを削除されない場合、10%水の溶液と90%のイソプロパノールを加え、すべてのRbが除去されるまで、水の割合(10%刻み)増加工程1.2)を繰り返します。
  4. すべてRbが取り除かれた後、アセトンを用いて光学セルをすすいでください。
  5. アルゴン雰囲気のグローブボックス内に以前に避難した後、アルゴンを充填した光ポンピングセルを持参してください。またルビジウムのアンプル、アンプル、パスツールピペット、キムワイプ、熱銃を破るためのツールが含まれています。グローブボックス内の乾燥雰囲気を維持するために、乾燥剤として五酸化リンとペトリ皿を置きます。酸素の不要な痕跡の存在は、ガラスバルブ、グローブボックス雰囲気にフィラメントを露出するために開かれている電球を使用して監視できます。ライトがオンになっているところに煙が発生しないように条件があれば、大丈夫です。
  6. ポンピングセルの充填口を開き、Rbのアンプルを破ると、ヒートガンでアルカリ金属を溶かす。ピペットを用いていくつかの液体Rbを吸い取り、ポンピングセルに挿入します。
  7. 偏光板のセットアップへの輸送のためのポンピングセルのわずかな過圧を維持するためにグローブボックス内にアルゴン圧力を増加させた後、充填口を閉じます。グローブボックスから電池を取り出してください。
  8. それは(これは可視光エイミングビームは、 図7で実行できます)揚水処理中にレーザービームライン照明セルに揃えられていることを確認しながら、偏光板マニホールドにセルを接続して、熱電対を用いて加熱装置が持っていることを確認セル( 図4aのように)との適切な熱接触。セルの上部に熱電対を取り付けます。
  9. ポンプセルの入口と出口バルブにチューブ接続を避難させる。後に<30×10 -3 mbarの圧力に達し、高純度Ar(または窒素)でラインをパージ。これを3回繰り返します。
  10. ポンプセル入口にオープンArのタンクを、ゆっくりと、セルの入口と出口のバルブを開きます。慎重にCAのAr流量を確立するために偏光出口弁の小さなビットを開きます。マニホールドを通して1 SLM。 2分間、この流れを維持します。今では、酸素不純物を実質的にRbの酸化を避けるために排除されるべきである。偏光板の出口弁およびArタンクへの入口との接続を閉じます。
  11. ポンピングセルのヒーターの電源をオンにします(設定温度約180から190°Cのセルの下に取り付けられた加熱ストリップ用)。これは、Rbの液滴の一部を気化させるでしょう。
  12. 偏光板のセットアップにXeガス混合接続を開きます。タンク·レギュレータは、CAに設定する必要があります。 3.5バールの過圧。
  13. レーザーをオンにして、CAにその発光波長を調整する。ダイオードの冷却水の設定温度を調整することにより、794.8 nmである。ラを監視光学分光器を通してSERプロファイル。
  14. Rbの連続蒸発が増加レーザー吸収を引き起こす。レーザ発光プロファイルは(再調整し、冷却水温度、必要に応じて)対称的に吸収されることを確認してください。いったん細胞の上に温度センサーがCAを読み込みます。 100℃は、大幅に減少レーザー伝送します図8を参照)を観察する必要があります。
  15. レーザー吸収も故にセル内の圧力を増加させる、追加加熱を引き起こす。セルの条件を監視し、慎重に値がポンピングセルの定格されている制限に近づくたびに、いくつかの圧力を解放するために偏光コンセント(通常の動作のように)からガスを逃がす(5バールを。我々の​​セットアップで)。
  16. レーザープロファイルを監視しながらポンピングセルの周りには磁場(約2から3 mT)の電源をオンにします。フィールドが( 図8を参照)選択光ポンピングを引き起こすように、送信はすぐに行く必要があります。
  17. すべての温度が安定するまで待ちます。偏光板を使用する準備が整いました。

2。 NMRのセットアップの準備

  1. NMRプローブヘッドに水で試験管を挿入し、無線周波数(RF)プロトンとキセノンチャンネル用の回路のチューニングとマッチングを行う。
  2. MRIのユーザーインターフェイスの自動シムルーチンと水信号でシム。

3。過分極の定量

  1. そのCAを使用してテストファントムの入口に偏光出口チューブを接続します。マスフローコントローラとの接続にXeやガス抜き管を挿入する5毛細血管。
  2. ガス流量コントローラは "閉じた"に設定されており、徐々にファントムを加圧するために偏光出口バルブを開いていることを確認します。 CAに流量を設定します。ファントムを介して連続フローを開始する0.5 SLM。それは完全にガスボリュームを交換するのにかかる時間ファントム量とガス流量からの推定値。我々のセットアップでは、これはCAです。 2秒。
  3. 例えば 5から100マイクロ秒)のハードパルスを用いたNMR分光計を用いた一連の信号を取得する。さらにパラメータは次のとおりです。SW = 10 kHzで、アクイジション時間ta = 1秒、ステップ3.2で算出した交換時間よりも長い繰り返し時間TRのスペクトル幅。 9.4 TにおけるXeガスの励起パルスの周波数はCAです。 110.683 MHzです。最も強い信号を持つFIDは、あなたの最大信号のパルスパワーと長さ​​の正しい組み合わせを与える。
  4. 超偏極Xeはサンプルを通過している間に15秒(ステップ3.7と同等であること)にTRを増やし、他のパラメータは変更しないまま、0.1 SLMに流れを低減した後、16 FIDのスキャンでデータセットを取得します。フーリエ変換を行い、スペクトルのピーク振幅を測定する。これは、超偏極キセノンガスmixtの信号強度であるURE。また、単位はHzガスピークの共振周波数をメモしておきます。
  5. 低圧封止用バルブを備え重い壁のNMRチューブを避難し、CAでそれを埋める。純粋なキセノン2バールの過圧。
  6. NMRチューブを保持するガスマニホールドを退避させ、CAを埋める。 NMRチューブにXeの上に純粋な酸素の0.2バール( すなわち 、2.2バールの過圧にO 2圧力を調整する)。酸素は、RF励起後のXe磁化の緩和を強化します(それは、私たちは、TR = 15秒で作業することができ、ガス、ステップ3.4のような次の励起のために交換されない場合、プロセスはそうでなければ非常に長いTRが必要です)。
  7. この低圧のNMRチューブにNMRマグネットで以前に使用され、ガス流ファントムを交換して、3.4のように、NMRパルスシーケンスを実行します。これにより、熱的に分極した高濃度のXeのNMR信号強度を与える。
  8. 熱と過分極Xeのシグナル強度を比較し、信号増強を計算リーメントは、アカウントに異なる濃度と圧力を取る。次のようにスピン偏極を計算します。

熱スピン分極P th 基準として最初に決定する必要があります。それは集団の和、 すなわち 、上の2つのスピン状態の人口差として定義される

式(1)
室温では、これは次のように高温近似と人口比Rで与えられます。

式(2)
(kは磁気回転比ボルツマン定数、Tは絶対温度 、γ)です。熱エネルギーkTのは、はるか支配的な要因であるため、RがB 0 = 9.4 T.この利回りp 番目 (9.4 T)= 8.9×10 -7で、Xeのためのすなわち 0.999982232 1に近い。

次に、正規化された信号増強係数εは、過分極信号S 馬力と熱分極のS 番目 (すべてのNMRパルスシーケンスのパラメータは両方のアプリケーション用に同一であったと仮定した場合)からの信号の比から計算しなければなりません:

式(3)
ここ、c、pは気体混合物中のXeの濃度(%)は、それぞれ熱と過分極キセノンとの両方の実験用ガス混合物の圧力を表しています。達成過分極は、その後、製品εP 番目 式で与えられます。

4。官能キセノンソリューションステート分光

  1. (官能)キセノンホスト( 例えば 、cryptophaneターゲティングユニット付)の50〜200μMの溶液を調製します。ケージの共同の疎水性に応じて多かれ溶媒としての水にはあまりDMSOを加える、nstruct。 cryptophane-モノ酸ケージとのデモンストレーションでは、それは純粋なDMSOを使用するのが最も簡単です。 CAがかかる。 1.5この溶液1mlと5溶融シリカキャピラリーはXeガス混合による溶液の十分な泡立ちを可能にすることを確認し、ガス流量ファントムにそれを埋める。 0.1 SLMでNMR磁石外バブテストを実行し、不要な過剰な発泡を確認してください。
  2. NMRプローブとチューンにファントムを挿入し、プロトンとXの両方のチャネルで一致し、ステップ2.2のような自動化されたシムを実行します。
  3. マスフローコントローラを開いたり閉じたりする分光計から適切な遅延とトリガパルスとFIDの取​​得に使用します。 CAが可能になります。 RF励起およびFID読み出し続く泡が消えるのを0.1 SLMとその後の5から8秒の遅延を待っていると15から20秒のバブリング、。
  4. カリフォルニア州を中心とするSW = 40 kHzで16または32の繰り返しを(あなたのケージの濃度に応じて)実行します。 11 kHzのダウンステップ3.4で決定したガス共振周波数からフィールド。 FIDの読み出しは500〜1,000 mとしてください。フーリエスペクトルを得るためにFIDを変換します。
  5. 0 ppmの最も右側の信号(気相)の化学シフト値を設定します。 Hzとppmで強烈なソリューション信号(最も左側の信号)の周波数を書き留めます。また、注意δ ソリューションでは、この信号とδ ケージ 〜60でカプセル化されたXeのシグナル間のオフセット- ppmで80 ppmである。このオフセットは、Δω(また、代表的な結果を参照のこと)と呼ばれています。

5。ハイパーCESTイメージング

  1. キセノン​​ホスト分子の造影剤の能力をテストするためには、2 - コンパートメントファントムを用いた実験を行うことができます。そのためには、CAを取る。 50部4からの試験溶液の%と5mm NMRチューブにそれを埋める。セクション4から10ミリメートルのバブリングセットアップにこのチューブを挿入します。インナー共と同じレベルには溶媒のみを有する外側コンパートメントおよびnoケージを埋めるmpartment。内部のコンパートメントにアウターと2毛細血管にバブリング毛細血管の3を挿入します。
  2. バブリングのセットアップにチューブを再接続し、ステップ4.2を繰り返します。
  3. 高速イメージングのためのシングルショットEPIシーケンスを選択します。このシーケンスは、おそらく、マスフローコントローラを開いたり閉じたりする分光計からの遅延とトリガパルスを含むように変更する必要があります。 CAが可能になります。 15から0.1 SLMとその後の5と20秒のバブリング - MRIのエンコーディング続い消える泡のために8秒待機遅延。
  4. ステップ4.5における溶液信号に対して決定された値にXチャネルとトランスミッタ/オブザーバの周波数で129 Xeに検出核を設定します。 RFパルス計算ツールを使用して、撮像シーケンスで使用される励起にステップ3.3からのパルスパラメータ(振幅と持続時間)に変換します。
  5. 次のように私たちの例の撮像ジオメトリがある:10 - 20mmのスライス厚、横方向、VIEの20×20mmのフィールドワット、マトリクスサイズ32×32、二重サンプリング(アーチファクトを避けるために)および加速買収を1.68に設定部分フーリエ符号化率( すなわち 、唯一の19 32位相エンコードステップのが実際に取得されています)。
  6. 信号準備のためCESTモジュール(修正された磁化転送モジュール)を開き、CW presaturationパルス(パラメータ、 例えば 、2秒持続、5μT振幅)を有効にします。 δ ケージにセットされたら、この飽和パルスのキャリア周波数と横方向の2スキャンを実行するソリューション =δ - δ 制御にΔωとかつて=δ ソリューション +Δω。
  7. 画像後処理ツールを使用すると、δ コントロールで彩度で1からδ ケージで彩度の画像を減算することによってハイパーたCEST差分画像を生成します。結果はXeのホストが(また代表的な結果を参照してください)​​に存在していた領域を強調する必要があります。

6。代表的な結果

レーザー吸収はオンとオフをセルの周囲に磁場を切り替えることにより監視することができます。レーザパワーと電池温度に応じて、ほぼ完全に吸収が磁場で観察されるオフにし、ca。 30%の透過率は、上のフィールド(比較は、図8に示されている)で発生します。

9.4 T(1、Hの場合は400 MHz、129 Xeのための110 MHz)でNMRシステムの動作については、シグナル増強は、CAである必要があります。 16000倍の過分極キセノンと熱的に偏極キセノンを比較するとき。ステップ3.8によると、これはCAのスピン偏極に対応しています。 15%となっている。値>の行を使用する場合、10%が達成可能でなければなりません> 100 WのCW出力とダイオードレーザーを狭め

分子ホストの213μMを含むDMSO溶液の129 Xeの NMRスペクトルは、ケージとキセノンのシグナルを示すべきであるCAの信号対雑音比。 16買収のための10( 図9、室温で、10 Hzの線の広がりが使用された)。

ハイパーCEST MRIデータセットは、オン共振飽和イメージにXeのホスト分子を含む領域における非共鳴の制御画像と信号の枯渇のための完全な信号強度を示しています。差分画像は、排他的に飽和パルス( 図10)に反応エリアが表示されます。

図1
円偏光を得るための光学部品の図1のサイドビュー。レーザ光は、左の光ファイバを介してシステムに接続されている。偏光ビームスプリッタキューブ(PBC)とλ/ 4波長板の両方が高速斧を調整する回転マウントにインストールされている円偏光を生成するための(動画1参照)。 PBCによって反射された通常のビームはビームダンプ(図示せず)内に終わるようにミラーで流用することができます。

図2
図2円偏光を得るための光学部品の上から見た図。このビューには、通常のビーム用ビームダンプが含まれています。安全対策として、熱電対は、一次ビームエキスパンダ、ビームダンプ、偏光ビームスプリッタキューブの温度を監視している。

図3
図3:オーブンボックスの側壁にセルをポンプのサイドビューがオープンしました。ラSER光が平行なガラス窓を通して左からボックスに入る。右端のピンホールコリメータと光ファイバを介して光を受光光学分光計を保護するために、送信されたレーザーパワーを減衰させます。 Xeガス混合物は、レーザー光の方向とは反対の旅:それは左側に、右脚と終了を介して細胞に入る。

図4
ポンピングセル内部のRb滴の4。)クローズアップビュー 。オレンジ色のシリコンヒータ(PIDレギュレータによって制御される)ガラスセルの底部に取り付けられている。上に熱電対は、セル温度を監視します。 incrの持つ媒体高齢ポンプセルのガス入口エリアのb)のクローズアップビューガラスの壁に凝縮ビルドアップ緩和。 C)Bと同様にポンピングセル内の残りのRb滴)のようなガラスの壁のコーティングの視認性を抑制するために戻ってからと短い露光時間で細胞を照射することによって見られる。

図5
図5アルカリ金属蒸気のエネルギー遷移。 a)のBフィールド外部なければ、磁気サブレベル(のみ灰色で示されている)は定義されません。したがって、基底状態の任意の原子は光を吸収する。 b)外部フィールドをオンにすると、双極子選択規則に従って唯一つの遷移のポンピングゼーマンレベルと原因を定義します。他の基底状態のサブレベルの原子の数の減少は、レーザー光を吸収しながら、これはサブのレベルのいずれかの原子の蓄積を引き起こす。


図6生化学的関心のある特定のターゲットを検出するための官能cryptophaneケージ。 XeのNMR信号は、特定の標的ユニットの結合事象によって変更されます。

図7
図7ポンピングボリュームの完全な照明を確保するためにポンピングセルの位置合わせのための可視照準ビーム(赤色光)。

図8
図8異なるポンプセルのためのレーザープロファイルは、条件。全くRbの蒸気が存在しないときには吸収を冷細胞(室温)で観察されていません。私たちは、ダイオードレーザーから2輝線を(一緒に、製造元の仕様の範囲内である0.5nmのFWHMを持つ)を守ってご使用ください。セルがその設定温度(180℃)に達すると磁場がオフになっている場合、一般的なD 1励起レーザ光 ​​のほぼ完全な吸収を引き起こす。に磁場をスイッチングしても、1つのトランジションのポンピング選択誘導し、透過強度を向上させます。

図9
図9 Xeのケージとしてcryptophane-モノ酸(構造も示す)を含むDMSO溶液の129 Xeの NMRスペクトルを示す。ガスのピークは0 ppmに参照されます。溶液中の遊離Xeはδ 溶液 = 245に表示されます0.7 ppmおよびδ ケージ = 79.2 ppmでケージのXe。ハイパーCESTの実験では、飽和パルスがいったんソリューションのピークが減少し、一回= 412.2 ppmは減算の基準信号を収集するためにδ コントロールに設定する飽和移動を可能にするためのδ ケージに設定されています。実験パラメータ:295 K、32.3 kHzの帯域幅を持つ16買収でDMSOに213μMのケージ、772 msのFIDは読み出し、Xeは20秒間0.1 SLMで溶液にバブリング。

図10
図10 DMSOに溶解した129 XeキセノンのMR画像。ファントムはcryptophane-モノ酸を(50μMの濃度で)を含む唯一の内部のコンパートメントを持つ2つの別々の区画で構成されています。各EPIの画像が撮影される前に、5μT連続波saturatイオンパルスが2秒間適用されます。 a)の飽和パルス、 すなわち 、δ 制御でのXe @ケージピークとオフ共振であり、我々は両方の区画から強い信号を観察します。 b)の彩度がδ ケージのXe @ケージのピークと共振であり、ほぼ完全に内部のコンパートメントからの信号を破壊。サブトラクション画像A) - b)は、Xeのホスト分子の位置を明らかにする。画像は20×20ミリメートル、10ミリメートル、32×32ピクセルのスライス厚のFOVで取得しました。次に、これらを閾値処理し、256×256ピクセルに補間した。

ムービー1。燮のセットアップを組み立てるアニメーション。レーザービームは、第一次ビームエキスパンダーで直径が増加し、偏光ビームスプリッタキューブ(PBC)を通過する。このキューブの回転は普通と超常光線の相対強度を変更します。最大伝送との位置については、PBCの速い軸はドミナと整列される入射光のNTの偏光軸。 PBCの品質/消光比に影響される - - 透過光の直線偏光は検光子として第二PBCを使用してテストできます。最初のキューブの高速軸でその速軸を調整することで90がさらに回転するのに対し、最大伝送を与えるべきである°ゼロ透過と全反射を与える必要があります。その高速軸が第PBCの高速軸に対して45°回転であれば、λ/ 4波長板の挿入は、円偏光に線形変換します。透過光の強度は2つ目のキューブの回転の独立している必要があります。分析コンポーネントの取り外しと二次ビームエキスパンダーでそれらを交換してもポンピングセルを照らすための右のビーム径が得られます。細胞外ヒーターの電源がオンになると、このセルに座っルビジウム滴が部分的に気化される。レーザービーム競合製品とは反対の方向にセットアップを流れるキセノンガス混合物この蒸気は、すべてのセルの上ibutes。磁場がなければ、これは一般的なD 1 Rb原子の励起レーザ光 ​​の強い吸収を引き起こす。上の磁気を回すとすぐに定義されている磁気サブレベル間の唯一つの遷移の励起選択することができます。結果として、レーザ光 ​​と透過を原子の数を減らすことだけを吸収して再び増加します。 ムービーを見るにはここをクリック

CEST効果を説明するムービー2。アニメーション。 Cryptophaneケージはこの結合事象( - >緑遷移青)の際、共振周波数を変更Xe原子をトラップするために、分子のホストとして機能します。第一NMRの買収は、基準信号として結合していないXeの量を決定します。次に、原子だけケージに影響を及ぼす選択的飽和パルスは、その磁化を破壊します。 Xeの結合は可逆過程であるため、長パルスはキャンセルsは、多くの原子の磁化および第二NMRの買収は、基準信号と比較して、無料のXeから有意な信号の減少を明らかにします。 ムービーを見るにはここをクリック

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Discussion

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過分極キセノンの製造における重要な側面は、ポンプセルと円偏光を持つセルの十分な照明など、ガスマニホールド中の酸素不純物である。上記の電球テストはルビジウムの転送中に有害な酸素濃度を検出するための簡単​​な方法です。アルカリ金属は、セルを偏光子にインストールされた時点で、その光沢のある表面を失う可能性があります。 。一度、しかし、非酸化Rbの十分な気化を減圧レーザー伝送(初めて新鮮な細胞を加熱するとき、それは、そのCAのさらなる温度上昇が20°Cを気化プロセスを開始するために必要とされるかもしれないことで監視することができますレーザー吸収)が、セットポイントを削減すべき開始。磁場の存在下でほぼ完全なレーザーの吸収が不均一な細胞の照明と悪いXeの誇大広告を引き起こす可能性があり、過剰Rbの蒸気密度のセルに少なくとも一つの領域が存在することを示していますrpolarization。セルを通過する約30%の透過率があるまで、この問題が発生した場合、ヒーターの温度を下げます。

最適な温度、圧力、混合ガスとの流量は、これらは個々の偏光板の光学セルとレーザー線幅と消費電力の特定のジオメトリと熱伝導に依存するように実験的に各セットアップのために決定されなければならない。特にそれがRBからのXeのスピン交換は低圧12時が最も効率的であることが示されている。まだ、ダイオードレーザーの比較的大きな線幅のため、Rbの偏光は、大規模な圧力で1しばしばより効率的です。これら二つの要因は、与えられた設定の最大偏光に到達するために互いに対して再生する必要があります。

光ポンピングの代替は、780 nmのレーザー発光とRB D 2トランジションを使用するか、または894 nmの13とD 2でそのD 1遷移でCsを使用することによって達成することができる14で>推移。レーザーシステムの可用性に応じて、4つのアプローチの一つは、最適な励起条件のために選択することができます。

セットアップとヒソプセットアップを操作するための優れたトラブルシューティングのリストも15で見つけることができます。ステップ3.5に用いられる偏光子マニホールドに真空と過圧を制御するためのいくつかのより多くのコンポーネントや避難スタンドは、機器の表に記載されている。

Xeの偏光を維持するためには、磁場中に保持する必要があります。 NMR分光計の漂遊磁界は、このために十分である。気相中でXeのT 1は、多くの時間である。これは、輸送のために特に有利であるサンプルを、凍結することによって増加させることができる。壁の相互作用は、Xeガスの脱分極の主要な原因の1つです。これらは慎重に材料の選択(ガラス器具16コーティングするなど )との接触面積のbetwを減らすことによって減らすことができるEENガス及びその容器。

ソリューションからNMRデータの取得は、バブル期間中または待機中の遅延後に液体中に気泡が残っている時に過剰な泡立ちによって妨げられることがあります。これは深刻な磁場不均一性と実質的な信号損失が発生します。この場合のマスフローコントローラのセットポイントを減らすことができます。

ここに提示された偏光セットアップが長期間にわたって過分極キセノン簡単NMR研究を可能にします。したがって、低い目標濃度の条件で平均化信号が容易に可能である。信号の安定性は、分光計によって引き起こさマスフローコントローラを使用することによって保証されています。

官能Xeのシグナルは、局所的な温度、pHおよび溶媒の組成のようなパラメータを含む微小環境のいくつかの側面に依存することが報告されている。したがって、このアプローチでは、in vitroの両方で様々な応用が期待される生体内診断 ND。

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Disclosures

特別な利害関係は宣言されません。

Acknowledgments

この研究プロジェクト 、欧州共同体の第7次フレームワーク計画(FP7/2007-2013)/ ERCの助成合意N°242710下欧州研究評議会から資金提供を受けており、さらにヒューマン·フロンティア·サイエンス·プログラムとドイツのエミーネーター·プログラムによってサポートされていました研究財団(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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NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン
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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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