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Engineering

NMR과 MRI 응용 프로그램 용 Hyperpolarized 지논

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

광학 스핀 교환 (SEOP) 펌프에 의해 hyperpolarized 크세논의 생산 설명되어 있습니다. 이 방법은 XE-129의 핵 스핀 분극의 ~ 10,000 배 향상을 산출하고 핵 자기 공명 분광법 및 이미징에 응용 프로그램이 있습니다. 기상 및 솔루션 상태 실험의 예는 주어집니다.

Abstract

~ 10 T의 강한 외부 자기장은 실내 온도 1의 샘플 만 작은 감지 그물 자화를 생성하기 때문에 핵 자기 공명 (NMR) 분광법 및 이미징 (MRI)는 고유 낮은 감도로 고통 받고 있습니다. 따라서, 대부분의 NMR과 MRI 응용 프로그램은 상대적으로 높은 농도 (예를 들면, 물 생물 조직의 이미징을위한)에서 분자의 검출에 의존하거나 과도한 수집 시간을 필요로합니다. 이것은 많은 생화학 및 의료 응용 프로그램에 대한 NMR 신호의 매우 유용한 분자 특이성을 악용 할 수있는 능력을 제한한다. 그러나 소설의 접근 방식은 지난 몇 년간에 부상 : 감지 스핀 종의 조작을 사전에 NMR / MRI 자석 내부의 검출에 크게 자화를 증가하기 때문에 훨씬 낮은 농도 2 분자의 검출을 허용 할 수 있습니다.

여기, 우리는 크세논 가스 혼합물 (2-5% XE, 10 %의 편광하기위한 방법을 제시N 2, CA와 컴팩트 설정에서 그는 균형). 16,000 배 신호 강화. 고귀한 가스가 다른 구성 요소에서 분리되지 않은 경우에도 현대적인 라인 좁혀 다이오드 레이저는 효율적인 편광 7 가스 혼합물의 즉시 사용 할 수 있습니다. SEOP 장치가 설명되어 있으며 달성 스핀 분극의 결정은 방법의 성능 제어 시연합니다.

hyperpolarized 가스는 가스 유량 영상 또는 기타 자료 8,9와 인터페이스의 확산 연구 등의 무효 공간 영상에 사용할 수 있습니다. 또한, XE NMR 신호는 분자 환경 6 매우 민감합니다. 이 일시적으로 가스에게 10,11 함정에 작용 분자 호스트와 수용액에 용해 할 때 NMR / MRI 대비 에이전트로 사용 할 수있는 옵션이 있습니다. 직접 감지 및 구조의 높은 감도 간접적으로 감지 spectroscopic 및 이미징 모두 모드에서 증명된다. </ P>

Introduction

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사람들이 특정 상황에서 2 감도 문제를 해결할 수 있기 때문에 Hyperpolarized 요원이 NMR / MRI 응용 프로그램 증가 관심을 받고있다. 모두가 전에 실제 분광이나 이미징 실험 NMR 자석 밖에서 인위적으로 증가 스핀 인구 차이를 준비하는 세 가지 주요 방법은 현재 (및 교환 광학 펌핑, SEOP를 돌리다; 파라 수소 유도 분극, PHIP 동적 핵 분극, DNP) 사용 . 여기 솔루션 상태 실험에 사용 hyperpolarized 129 XE의 생산에 최적화 된 SEOP 설정의 기능과 작동에 대해 설명합니다.

필수 구성 요소는 795 nm의에서 적외선 광자를 방출 강렬한 광원입니다. 레이저 다이오드 어레이 (LDA)는 높은 전력 출력을 저렴한 비용으로> 100 W를 제공 편리한 장치입니다. 많은 설정에서 LDA는 더 많거나 적은이 일의 편광을 유지하는 광학 섬유로 배출된다전자 레이저 빛. 충분한 SEOP 과정을 보장하는 방법이 타원형 양극화는 고순도의 원형 편광으로 변환해야합니다. 편광 광학의 주요 구성 요소는 그림 1과 2에 표시된 시스템을 설정하는 것은 보충 영화 1 개략적으로 설명되어 있습니다.

circularly 빛을 극성을하기 위해 먼저 전력 밀도를 줄이기위한 기본 빔 확장 광학 (예를 들어, 섬유 콜리메이터)에 섬유 끝을 연결합니다. 빛는 선형 편광을 생성, 편광 빔 스플리터 큐브를 통과한다. 이 큐브를 회전함으로써 우리는 파워 미터와 나머지 양극화의 기본 축을 결정할 수 있습니다. 최대 전송 큐브의 빠른 축이 주요 빛의 편광 축과 정렬되어있는 상황에 해당합니다. 높은 흡광 계수 (100,000 : 1 이상)의 조각은 편광 구성 요소의 좋은 분리를 얻을 수 있습니다. 이것은 테스트 할 수 있습니다첫 번째는 특별히 일반 빔의 최대 전송을 위해 정렬하는 동안 회전 분석기로 두 번째 빔 스플리터 큐브를 사용합니다.

전송 빛의 선형 편광이 확정되면, 795 nm의 설계 λ / 4 파장 판은 원형 편광으로 선형 변환 할 수있는 매우 일반적인 빔에 소개되어 있습니다. 이러한 목적을 위해, 파장 판의 빠른 축이 45 ° 빔 스플리터 큐브 빠른 축에 상대적으로 회전합니다. (원하는 경우, 추가 - 일반 빔에의 선형 편광 축 수직으로 반영 일반 빔의 원형 편광은 비슷한 방식으로 달성 될 수있다.)

원형 편광의 품질은 회전시 일정한 전송을 얻을 수 있어야 두 번째 빔 스플리터 큐브로 테스트 할 수 있습니다. 보조 빔 확장 광학 (갈릴리 망원경 구성의 예를 들어 두 렌즈는) 다음 완전히 전으로 빔 직경을 증가오븐 상자 안에 펌핑 프로세스의 유리 셀을 lluminate. 셀에 RB 증기에 의한 레이저 빛의 흡수는 상자의 끝에있는 펌핑 셀 뒤에 핀 구멍을 통해 모니터링됩니다 콜리메이터는 (셀 설치를 펌핑을위한 그림 3 참조 광학 분석기로 분석 할 수있는 감쇠 IR 빔을 수집 ).

펌핑 셀 외부 가열 메커니즘은 부분적으로 세포 (그림 4A) 안에 앉아 RB 비말을 증발하기 때문에 레이저 광 흡수가 발생합니다. 증기의 밀도는 각각의 PID 컨트롤러의 가열 세트 포인트를 통해 조정할 수 있습니다. 높은 온도 (ca. 190 ° C) 크세논가 양극화를 구축 할 시간을 제한 금액이 작은 설정을위한 좋은 수 있습니다. XE, N 2, 그는이 포함 된 가스 혼합물은 레이저 빔 방향에 반대 펌핑 셀 (그림 3)을 통해 흐른다. 레이저 빔으로 정렬 외부 자기장은 그 일을 보장합니다전자 IR의 광자는 하나 RB의 전환을 펌핑하고 있습니다. 전자 상태의 휴식은 빠른과 '잘못된'양극화와 IR 광자의 방출을 피하기 위해 비 발광해야합니다. 여기서, N 2는 잃게 가스로서 플레이에 있습니다. 다른 하나가 지속적으로 레이저 (그림 5)에 의해 소모되는 동안 결국, RB 시스템은 지상 상태 sublevels 중 하나의 인구 과잉을 구축합니다. RB 원자에 가까운 접촉 점점 크세논은 스핀 - 스핀 상호 작용을 경험과 전자 스핀 분극은 플립 플롭 과정에서 XE의 핵에 전송됩니다.

펌핑 감방에서 흐르는 hyperpolarized 가스. 생체 응용 프로그램에서는 그러나, 추가 제거를 낮은 온도 (4B 파악하기 위해 이와 유사한 것)으로 인해 콘센트 몇 cm 내에서 튜브 벽에 응축이 필요한 것을 RB 증기의 흔적 금액이 포함되어 알칼리 금속 (감기에 트랩을 통해 예를 들어)의 체외 experime의 반면이 hyperpolarizer를 떠나는 즉시 국세청은 가스와 안전하게 수행 할 수 있습니다. 테플론 튜브 테스트 솔루션에 NMR 실험을 수행 할 수있는 유리 장치의 입구와 편광판 콘센트를 연결합니다. 질량 유량 컨트롤러는 NMR 설치에 흐르는 XE의 양을 조정하는 데 사용됩니다. 그들은 NMR 펄스 시퀀스 명령을에 의해 실행됩니다. 달성 편광 향상을 확인 후, 가스 솔루션 상태 실험에서 NMR / MRI 대비 에이전트로 사용할 수 있습니다.

XE는 물에 특정 용해도 (4.5 MM / ATM) 및 기타 용제가 있습니다. 따라서 이미 액체의 분포를 표시 할 수 대비 요원으로 자체 검색 할 수 있습니다. 그러나, 다른 불활성 가스를 통해 분자 특정 정보를 취득하기 위해 특정 분자에 NMR-활성 핵을 연결하는 것도 가능합니다. 용해 XE에 대한 분자 호스트를 제공함으로써, XE NMR 신호에 분자 특이성을 부여 할 수 있습니다. 이 할 수있는 기회를 제공디자인 작용 대비 에이전트 - 또한, 바이오 센서라고 - 같은 호스트 구조가 생명 관심의 특정 analytes (그림 6)에 바인딩 대상 장치에 연결된다.

바이오 센서는 MR 대비 에이전트 (<100 μM)에 대한 낮은 농도에서 감지해야 할 때 추가로 감도를 향상이 필요합니다. 이것은 화학 교환 포화 전송 (중부 유럽 표준시)에 의해 달성 될 수있다. 이 방법은 갇힌 XE의 자화를 파괴 및 솔루션에서 무료로 XE의 신호 변화를 관찰하여 간접적으로 바이오 센서를 감지합니다. hyperpolarized 핵은 지속적으로 감지 수영장로 일부 10 밀리, 많은 100-1000 핵 전송 정보를 한 후 교체 및 신호 CA를 증폭되기 때문입니다. 10 3 배 (영화 2 참조).

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Protocol

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1. SEOP 설정의 작성

루비듐은 크세논에 레이저 빛의 편광의 전송을 촉진하기 위하여, 광학 도가니 셀에 가져해야합니다. 높은 반응성 때문에이 과정은 RB 산소 나 물과 접촉으로 들어오는없이 발생하며, 그렇지 않으면 산화 될 것입니다 그리고 XE를 극성하지 않습니다. RB는 물과 격렬하게 반응으로 특히주의를 취한다.

  1. 광 전지는 이전에 사용 된 경우 그림 4b에 도시 된 바와 같이, RB와 RB 산화물의 층으로 코팅됩니다. 셀 처음 사용하기 전에 청소해야합니다. 광 셀의 입구와 출구 튜브를 닫습니다. 을 유지하는 것은 기압 있지만, 화학 후드에 셀을 수송. 적절한 개인 보호 장비를 사용하여 후드에서 분위기를 셀을 열고 RB의 표면이 산화 할 수 있도록 약 시간을 기다립니다.
  2. 셀에 부드럽게 피펫 순수 이소프로판올. 이를 해산합니다RB 산화물 층과 반짝이는 RB의 방울은 핫 플레이트에 물방울 같은 이소프로판올의 표면으로 이동합니다. 비커에 이소프로판올 (및 그것으로 제공하는 RB) 네요. 모든 RB가 제거 될 때까지 반복합니다.
  3. 이 아직도 RB를 제거하지 않는 경우, 10 %의 물 솔루션 90 % 이소프로판올을 모든 RB가 제거 될 때까지 물 비율 (10 %의 단계에서) 증가 단계 1.2) 반복합니다.
  4. 모든 RB가 제거되면, 아세톤과 광 셀을 씻어.
  5. 아르곤 분위기의 글로브 박스에 이전에 철수 한 후 아르곤 가득 광 펌핑 셀을 가져와. 또한 루비듐의 앰풀, 앰풀, 파스퇴르 피펫, Kimwipes 및 열 총을 깰 수있는 도구가 포함되어 있습니다. 글러브 박스에 드라이 분위기를 유지하기 위해 건조제로 인의 pentoxide와 페트리 접시를 놓습니다. 산소 원치 않는 흔적의 존재는 유리 전구는 글로브 박스의 분위기에 필라멘트를 노출 열 전구로 모니터링 할 수 있습니다.빛이 켜져과 연기가 발생하지 않기 때문에 조건 한은 좋아요.
  6. 펌핑 셀의 충전 포트를 열고, RB의 앰풀을 해제하고 열 총을 알칼리 금속을 용해. 피펫와 함께 액체 RB을 만끽하고 펌핑 셀에 삽입.
  7. 편광판 설정에 전송 펌핑 셀에 약간의 압력을 유지하기 위해 글러브 박스에서 아르곤 압력을 증가 후 충전 포트를 닫습니다. 글러브 박스의 셀을 꺼내주세요.
  8. 이 (이은 가시 광선을 목표로 빔, 그림 7과 함께 수행 할 수 있습니다) 펌핑 과정에서 레이저 빔 라인 조명 셀 정렬되도록 편광판 매니 폴드에 셀을 연결하고 열전쌍과 가열 장치가 있는지 확인 세포 (그림 4a에 등) 적절한 열 접촉. 셀의 상단에 열전대를 부착합니다.
  9. 최대 입구 및 펌핑 셀의 출구 밸브에 튜브 연결을 대피하십시오. 후<30x10 -3 mbar의 압력에 도달, 고순도 아르곤 (또는 질소)를 선 뿌리를 뽑아야. 이 세 번 반복합니다.
  10. 펌핑 셀 입구에 열려있는 아르곤 탱크로 천천히 입구와 셀의 출구 밸브를 엽니 다. 조심스럽게 CA의 아르곤의 흐름을 구축하기 위해 편광판 출구 밸브에게 작은 비트를 엽니 다. 매니 폴드를 통해 한 SLM. 2 분이 흐름을 유지하고 있습니다. 지금까지는 산소 불순물이 실질적으로 RB의 산화를 방지하기 위해 제거해야합니다. 편광판 출구 밸브와 아르곤 탱크에 유입 연결을 닫습니다.
  11. 펌핑 셀의 히터를 켜십시오 (세트 온도 CA. 180-190 ° C 셀 아래에 장착 된 가열 스트립 용). 이 RB 비말의 일부를 증발합니다.
  12. 편광판 설정에 XE 가스 혼합물 연결을 엽니 다. 탱크 레귤레이터는 CA로 설정해야합니다. 3.5 바 과압.
  13. 에 레이저를 켜고 CA에의 발광 파장을 조정. 다이오드 냉각수의 설정 온도를 조정하여 794.8 nm의. 라를 모니터링광학 분광계를 통해 버리는 프로필.
  14. RB의 연속 기화가 증가 레이저 흡수가 발생합니다. 레이저 방출 프로필이 (다시 조정 냉각수 온도 필요한 경우) 대칭 흡수되어 있는지 확인하십시오. 일단 세포의 상단에있는 온도 센서는 CA를 읽습니다. 100 ° C, 당신은 (그림 8 참조) 크게 감소 레이저 전송을 준수해야합니다.
  15. 레이저 흡수도 따라서 셀에 압력을 증가 추가 가열이 발생합니다. 세포 조건을 모니터링하고주의 깊게 값이 펌핑 셀에 대해 평가하는 한계에 접근 할 때마다 압력을 방출 할 수있는 편광판 콘센트 (정상 작동에서와 같이)에서 가스를 환기 (5 줄 배에 힘을. 우리 설정에).
  16. 레이저 프로필을 모니터링하면서 펌핑 셀 주위의 자기장 (ca. 2-3 MT)를 켭니다. 필드 (그림 8 참조) 펌핑 선택적 광학의 원인으로 전송 즉시 이동해야합니다.
  17. 모든 온도가 안정화 기다립니다.편광판은 이제 사용할 수 있습니다.

2. NMR 설정의 작성

  1. NMR 프로브 헤드에 물과 함께 테스트 튜브를 삽입하고 무선 주파수 (RF) 양성자와 크세논 채널에 대한 회로의 튜닝과 일치를 수행합니다.
  2. MRI 사용자 인터페이스의 자동 심 루틴과 물 신호에 심.

3. Hyperpolarization의 정량화

  1. 그 CA와 시험 팬텀의 입구에 편광판 출구 관을 연결합니다. 5 모세 혈관은 질량 유량 컨트롤러와의 연결에 XE와 가스 벤트 튜브를 삽입합니다.
  2. 가스 흐름 컨트롤러 '폐쇄'로 설정하고 천천히 팬텀의 기압을 편광판 출구 밸브를 열어되어 있는지 확인하십시오. CA에 유량을 설정합니다. 유령을 통해 지속적인 흐름을 시작하기 0.5 SLM. 환상의 볼륨과 완전히 가스 볼륨을 교체하는 데 걸리는 시간을 가스 유량에서 견적. 우리의 설치 프로그램에서이 CA입니다. 2 초.
  3. (예 : 5-100 μsec)의 하드 펄스를 사용하여 NMR 분광계와 신호 일련의 취득. 추가 매개 변수는 다음과 같습니다 SW의 스펙트럼 폭 = 10 kHz로, 취득 시간이 타 = 1 초 및 단계 3.2 계산 교체 시간보다 긴 반복 시간 TR. 9.4 T의 XE 가스 여기 펄스의 주파수는 CA입니다. 110.683 MHz의. 가장 강한 신호 FID는 당신에게 최대 신호에 대한 펄스 전력 및 길이의 올바른 조합을 제공합니다.
  4. hyperpolarized XE는 샘플 흐르는 동안 15 초 (단계 3.7와 비교 될)에 TR을 증가하고, 다른 매개 변수가 변경되지두고, 0.1 SLM에 흐름을 감소 후, 16 FID 검사와 데이터 세트를 취득. 푸리에 변환을 수행하고 스펙트럼의 피크 진폭을 측정합니다. 이 hyperpolarized 크세논 가스 mixt에 대한 신호 강도입니다우레. 또한, Hz에서의 가스 피크의 공진 주파수를 확인합니다.
  5. 저압 밀봉을위한 밸브가 장착 된 무거운 벽 NMR 관을 벗어나 CA로 입력합니다. 순수 크세논 2 바 과압.
  6. NMR 관을 가지고있는 가스 매니 폴드을 벗어나 CA를 입력합니다. NMR 튜브 (즉, 2.2 바 압력에 O 압력을 조정)에 XE의 꼭대기에서 순수 산소의 0.2 바. 산소 무선 주파수 (RF) 여기 (; 가스 단계 3.4에서와 같이 다음 여기에 대체되지 않은 경우 프로세스가 달리 매우 긴 TR 필요가 우리 TR = 15 초에서 작동 할 수 있습니다) 후 XE의 자화의 완화를 강화합니다.
  7. 이 저압 NMR 튜브와 함께 NMR 자석에 이전에 사용한 가스 유량 팬텀를 교체하고 3.4에서와 같이 NMR 펄스 시퀀스를 수행합니다. 이렇게하면 열 양극화 높은 농도 XE에 대한 NMR 신호 강도를 제공합니다.
  8. 열 및 hyperpolarized XE의 신호 강도를 비교하여 신호가 향상 계산ment는 계정에 서로 다른 농도와 압력을 하는것. 다음과 같이 스핀 분극을 계산 :

열 스핀 편광 P의 일이 참고로 첫번째 결정해야합니다. 이것은 인구의 합, 이상 두 스핀 상태의 인구 차이로 정의됩니다

수식 1
실온에서,이는 다음과 같이 높은 온도 근사하고 인구 비율 R 주어집니다

수식이
(k는 T 절대 온도, 볼츠만의 상수이며 γ magnetogyric 비율). 열 에너지 KT는에 의해 지금까지 지배적 인 요소이기 때문에, R은 B 0 = 9.4 T.이 수율 P (9.4 T) = 8.9 10 -7에서 XE에 대한 즉, 0.999982232 1 가깝습니다.

다음으로 정규화 된 신호 개선 요소 ε는 hyperpolarized 신호 S HP와 열 편광 S (모든 NMR 펄스 시퀀스 매개 변수가 모두 응용 프로그램에 대한 동일 가정)에서 신호의 비율로부터 계산 할 수있다 :

수식 3
C와 P는 기체 혼합물에서 XE의 농도 (%) 및 열 및 hyperpolarized XE와 실험, 각각 모두 가스 혼합물의 압력을 나타내는 곳. 달성 hyperpolarization는 다음의 제품 εP의 일에 의해 주어진다.

4. 작용 지논 솔루션 주 분광학

  1. (작용) 크세논 호스트 (예를 들어, cryptophane-A 타겟 장치 포함)의 50-200 μM 솔루션을 준비합니다. 케이지 공동의 소수성에 따라더 또는 용매로 물에 덜 DMSO를 추가 nstruct. cryptophane-A monoacid 케이지와의 시범에서는 순수한 DMSO를 사용하는 가장 쉬운 방법입니다. CA보십시오. 1.5이 솔루션의 ML과 5 용융 실리카 모세 혈관은 XE 가스 혼합물과 솔루션의 충분한 버블 링을 허용 있도록, 가스 흐름 팬텀에를 채 웁니다. 0.1 SLM과 함께 NMR 자석 외부 버블 링 테스트를 수행하고 원치 않는 과도한 거품이 있는지 확인합니다.
  2. NMR 프로브 및 조정에 팬텀를 삽입하고 양자 및 X-채널 모두에서 일치 단계 2.2과 같은 자동화 된 심을 수행합니다.
  3. 질량 흐름 컨트롤러를 열고 닫습니다 분광계에서 적절한 지연과 트리거 펄스와 FID 획득을 사용합니다. CA에 대한 수 있습니다. 0.1 SLM 및 RF 여기와 FID 판독 다음 사라 할 수있는 거품에 대한 후속 5-8 초 대기 지연 15-20 초 버블 링.
  4. CA 중심 SW = 40 kHz에서 16 또는 32 반복 (귀하 케이지 농도에 따라), 수행합니다. 11 kHz에서 다운단계 3.4에서 결정된 가스 공진 주파수에서 필드입니다. FID 판독은 500-1,000 m해야합니다. 푸리에는 스펙트럼을 얻을 FID를 변환 할 수 있습니다.
  5. 대부분의 오른쪽 신호에 대한 화학 이동 값 (가스 상태) 0 PPM으로 설정합니다. Hz에서와 PPM의 강렬한 솔루션 신호 (대부분 왼쪽 신호)의 주파수를 기록해 두십시오. 또한 유의 δ 솔루션에서이 신호 δ 케이지 ~ 60에서 캡슐화 XE의 신호 사이에 오프셋 - PPM 80 PPM. 이 오프셋은 Δω (또한 대표 결과를 참조)라고합니다.

5. 하이퍼 중부 유럽 표준시 영상

  1. 크세논 호스트 분자의 대비 에이전트 기능을 테스트하기 위해, 두 칸 팬텀과 실험을 수행 할 수 있습니다. 이렇게하려면, CA보십시오. 50 제 4 항에서 테스트 솔루션의 %와 5mm NMR 튜브에를 채 웁니다. 섹션 4에서 10 밀리미터 버블 링 설정에이 튜브를 삽입합니다. 내부 공동과 같은 수준으로 만 용매와 외부 구획없이 케이지를 작성mpartment. 내부 구획으로 외부 2 모세 혈관에 버블 링 모세 혈관의 3을 삽입합니다.
  2. 버블 설정에 튜브를 다시 연결하고 단계 4.2를 반복합니다.
  3. 빠른 영상에 대한 단일 샷 에피 순서를 선택합니다. 이 시퀀스는 어쩌면 질량 흐름 컨트롤러를 열고 닫습니다 분광계의 지연과 트리거 펄스를 포함하도록 수정해야합니다. CA에 대한 수 있습니다. 15-0.1 SLM 및 이후 5 20 초 버블 링 - MRI 인코딩 다음 사라 할 수있는 거품, 8 초 대기 지연이 발생할 수 있습니다.
  4. 단계 4.5에서 솔루션 신호를 결정 값으로 X-채널 및 송신기 / 관찰자 주파수에 129 XE로 감지 핵을 설정합니다. RF 펄스 계산기 도구를 사용하여 이미지 시퀀스에 사용 된 여기에 단계 3.3에서 (진폭 및 기간) 펄스 매개 변수를 변환합니다.
  5. 다음과 같이 우리의 예에서 영상 형상은 다음과 같습니다 : 10~20mm의 슬라이스 두께, 가로 방향, 경쟁하다 20 X 20mm 필드w, 매트릭스의 크기 32x32, 더블 샘플링 (유물을 방지하기 위해)와 부분 푸리에 인코딩 팩터 (만 19 32 위상 인코딩 단계가 실제로 취득되는 경우) 가속 인수에 대해 1.68로 설정합니다.
  6. 신호 준비를 위해 중부 유럽 표준시 모듈을 (수정 자화 전송 모듈) 열고 CW presaturation 펄스를 (매개 변수, 예를 들어, 2 초 시간, 5 μT 진폭) 수 있습니다. Δω 한 번 δ 제어 = δ 솔루션 + Δω -. 한 번 δ 케이지로 설정하고 = δ 솔루션에게이 포화 펄스 반송파 주파수와 횡 방향 2 스캔을 수행
  7. 이미지 후 처리 도구를 사용 δ 컨트롤의 채도와 하나 δ 케이지에서 채도와 이미지를 차감하여 하이퍼 중부 유럽 표준시 차이 이미지를 생성합니다. 그 결과는 XE 호스트는 (또한 대표 결과를 참조) 존재 영역을 강조 표시해야합니다.

6. 대표 결과

레이저 흡수에 전지 및 해제 주위에 자기장을 전환하여 모니터링 할 수 있습니다. 거의 흡수가 자장과 관찰, 레이저 전력 및 셀 온도에있다 따라 꺼 및 CA. 30 % 전송에 필드 (비교는 그림 8에 표시됩니다)과 발생합니다.

9.4 T (1 H 400 MHz의, 129 XE 110 MHz의)에서 NMR 시스템 운영의 경우, 신호 향상은 CA해야합니다. 16,000 배 hyperpolarized 크세논과 열 편광 크세논을 비교합니다. 단계 3.8에 따르면,이 CA의 스핀 분극에 해당합니다. 15%. 값> 줄을 사용하면 10 % 달성해야이> 100 W.의 CW ​​출력을 다이오드 레이저를 좁혀

분자 호스트의 213 μM를 포함하는 DMSO 솔루션의 129 XE NMR 스펙트럼은 함께 갇힌 크세논의 신호를 전시한다CA의 신호 대 잡음 비율입니다. 16 인수 10 (그림 9, 실온에서 10 Hz의 확대 라인 사용).

하이퍼 중부 유럽 표준시 MRI 데이터 세트는 온 - 공진 포화 이미지에 XE 호스트 분자를 포함하는 지역에서 오프 공진 제어 이미지 및 신호 고갈에 대한 전체 신호 강도를 보여줍니다. 차이 이미지는 독점적 채도 펄스 (그림 10)에 대응 영역을 표시합니다.

그림 1
circularly 편광 달성을위한 광학 부품의 그림 1. 측면보기. 레이저 광은 왼쪽에있는 광학 섬유를 통해 시스템에 연결된다. 편광 빔 스플리터 큐브 (PBC)와 λ / 4 파장 판 모두 빠른 도끼를 조정하는 마운트를 회전에 설치되어circularly 편광을 (영화 1 참조) 생산을위한 s입니다. PBC에 반영 일반 빔 (미도시) 빔 덤프에 종료 할 수있는 거울에 의해 우회 할 수 있습니다.

그림 2
그림 2. circularly 편광 달성을위한 광학 부품의 평면도. 이보기는 일반 빔의 빔 덤프가 포함됩니다. 안전을 위해, 열전대는 주 빔 확장기, 빔 덤프 및 편광 빔 스플리터 큐브의 온도를 모니터링합니다.

그림 3
그림 3. 오븐 상자의 측면 벽과 셀을 펌핑의 측면보기 열었다. 라경 빛은 병렬 유리 창문을 통해 왼쪽에서 상자를 입력합니다. 오른쪽 끝에 핀홀은 콜리메이터와 광 섬유를 통해 빛을받는 광학 분광계를 보호하기 위해 전송 레이저 전원을 attenuates. XE 가스 혼합물은 레이저 빛의 방향에 반대 이동 : 그 왼쪽에있는 오른쪽 다리와 출구를 통해 셀을 입력합니다.

그림 4
펌핑 셀 내부 RB 비말의 그림 4.) 닫기 - 쉽게 볼 수 있습니다. 오렌지 실리콘 히터는 (PID 조절기에 의해 제어) 유리 셀의 하단에 부착되어 있습니다. 상단에 열전쌍은 셀 온도를 모니터링합니다. incr과 중간 세 펌핑 셀의 가스 유입 지역의 B) 닫기 - 업보기유리 벽에 응축 구축 업 완화. B의 동일한 펌핑 셀에 C) 남은 RB 비말) 등의 유리 벽 코팅의 가시성을 억제하기 위해 뒤쪽에서 짧은 노출 시간으로 셀을 조명하여 보았다.

그림 5
그림 5. 알칼리 금속 증기의 에너지 전환됩니다. ) B-필드에 외부 않고, 자기 하위 수준 (단지 회색으로 그림) 정의되어 있지 않으며, 따라서 바닥 상태에있는 원자는 빛을 흡수. B) 외부 필드를 켜기은 쌍극자 선택 규칙에 따라 제만 수준과 하나의 전환 펌핑 원인을 정의합니다. 다른 바닥 상태의 하위 수준에서 원자의 감소 번호가 레이저 빛을 흡수하는 동안이 하위 레벨 중 하나에 원자의 축적을 초래합니다.


그림 6. 생화학 관심의 특정 목표를 검출하기위한 작용 cryptophane 케이지. XE NMR 신호는 구체적으로 타겟팅 단위의 바인딩 이벤트에 변경됩니다.

그림 7
그림 7. 공개 펌핑 셀의 정렬에 대한 빔 (붉은 빛)을 목표로 펌핑 볼륨의 전체 조명을 보장합니다.

그림 8
다른 도가니 셀에 대해 그림 8. 레이저 프로필조건. 더 RB 증기가 존재 없을 때 더 흡수가 추운 셀 (실내 온도)에 관찰되지 않습니다. 우리는 우리의 다이오드 레이저에서 두 방출 행 (함께 제조업체의 사양 이내의 거리에 있습니다 0.5 nm의 FWHM 포함) 관찰합니다. 세포가 설정 온도 (180 ° C)에 도달하고 자기장이 해제 될 때, 일반적으로 D 여진은 레이저 빛의 거의 완전한 흡수가 발생합니다. 에 자기장을 전환하면 하나의 전환 펌핑 선택 유도하고 전송 강도를 증가시킵니다.

그림 9
그림 9. XE 케이지로 cryptophane-A monoacid (구조도 표시)을 포함하는 DMSO 솔루션의 129 XE NMR 스펙트럼. 가스 피크는 0 ppm으로로 참조됩니다. 솔루션에서의 자유 XE는 δ 솔루션 = 245에 나타납니다0.7 PPM 및 δ 케이지 = 79.2 ppm으로의 갇힌 XE. 하이퍼 중부 유럽 표준시 실험은 포화 펄스가 한 번 솔루션 피크를 감소 번 = 412.2 ppm으로는 뺄셈을위한 기준 신호를 수집하기 위해 δ 컨트롤에 설정하는 채도 전송을 조장하는 δ 케이지로 설정되어 있습니다. 실험 매개 변수 : 295 K, 32.3 kHz에서 밴드 폭 16 인수의 DMSO에 213 μM 케이지, 772 밀리 FID는 읽기, XE는 20 초에 0.1 SLM에서 솔루션으로 부풀어 오른 모양이었다.

그림 10
그림 10. DMSO에 용해 크세논의 129 XE MR 이미지. 유령은 cryptophane-A monoacid을 (50 μm의 농도에서) 포함하는 내부 구획으로 두 개의 구획으로 구성되어 있습니다. 각 에피 이미지가 촬영되기 전에 5 μT 연속 파 saturat이온 펄스가 2 초에 적용됩니다. ) 포화 펄스이 해제, δ 컨트롤에서 XE @ 케이지 정상과 공진 즉이며, 우리는 모두 구획에서 강한 신호를 관찰합니다. B) 채도가 δ 케이지에서 XE @ 케이지 피크와 공진에 거의 완전히 내부 격실에서 신호를 파괴. 뺄셈 이미지) - b)는 XE 호스트 분자의 위치를​​ 보여줍니다. 이미지는 20 X 20mm의 FOV, 10mm, 32 X 32 픽셀의 슬라이스 두께 인수했다. 그리고 나서 thresholded 256 X 256 픽셀 보간했다.

SEOP에 대한 설정을 조립 영화 1. 애니메이션. 레이저 빔 먼저 기본 빔 확장기의 직경 증가와 편광 빔 스플리터 큐브 (PBC)를 통해 전달됩니다. 이 입방체의 회전은 일반 및 추가 - 일반 빔의 상대적 농도를 변경합니다. 최대 전송과 위치에 대해 PBC의 빠른 축 마님으로 정렬되어 있습니다들어오는 빛의 NT의 편광 축. 전송 빛의 선형 편광 - PBC의 품질 / 멸종 비율에 의해 영향을하는이 - 분석기로 두 번째 PBC를 사용하여 테스트 할 수 있습니다. 첫 번째 큐브의 빠른 축과의 빠른 축에 정렬하면 90 °에서 더 회전 반면 최대 전송을 제공해야하는 것은 제로 전송 및 전체 반사를 제공해야합니다. 그 빠른 축이 첫 번째 PBC의 빠른 축에 대한 회전 45 ° 인 경우 λ / 4 파장 판의 삽입은 원형 편광으로 선형 변환합니다. 전송 빛의 강도는 이제 두 번째 큐브의 회전과는 독립적이어야합니다. 분석 구성 요소를 제거하고 보조 빔 확장기으로 대체하면 오른쪽 빔 직경 도가니 셀을 밝히는 산출. 세포 외부 히터가 켜져되면이 셀에 앉아 루비듐 물방울이 부분적으로 기화됩니다. 크세논 가스 혼합물은 레이저 빔 distr에 반대 방향으로 설치를 통해 흐르는모든 셀에서이 증기를 ibutes. 자기장이 없었다면, 이것은 RB의 원자와 레이저 빛의 강한 흡수의 일반적인 D 여진이 발생합니다. 에 자기을 사용하면 현재 정의 된 자성 하위 수준 사이에 하나의 전환 펌핑 선택 할 수 있습니다. 결과적으로, 원자 만 감소 숫자는 레이저 광 및 전송이 다시 증가 흡수합니다. 동영상을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

중부 유럽 표준시 효과를 설명하는 동영상 2. 애니메이션. 분자 호스트이 결합 이벤트 (-> 녹색 전환 파란색)시의 공진 주파수를 변경 XE 원자를 추적하기로 Cryptophane 케이지가 제공하고 있습니다. 첫째 NMR의 인수 기준 신호와 같은 언 바운드 XE의 양을 결정합니다. 다음은 갇힌 원자에 영향을 미치는 선택적 포화 펄스는 자화를 파괴합니다. XE 바인딩이 치료 과정이기 때문에, 긴 맥박 취소S는 많은 원자와 두 번째 NMR 획득의 자화는 기준 신호에 비해 무료로 XE에서 중요한 신호 감소 보여준다. 동영상을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

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Discussion

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hyperpolarized 크세논의 준비에 중요한 측면은 펌핑 셀 및 circularly 편광과 세포의 충분한 조명을 포함한 가스 매니 폴드에 산소 불순물 수 있습니다. 위에서 언급 한 전구 검사 루비듐를 전송하는 동안 해로운 산소 농도를 감지하는 간단한 방법입니다. 알칼리 금속은 셀이 편광판에 설치되어있는 시간까지의 반짝이는 표면을 상실 할 수 있습니다. . 한 번, 그러나, 비 산화 RB의 충분한 기화가 감소 레이저 전송 (처음으로 신선한 셀을 가열 때, 그 CA의 추가 온도 상승 20 ° C는 기화 과정을 시작하는 데 필요한 될 수에 의해 모니터링 할 수 있습니다 레이저 흡수)는 세트 포인트가 감소해야 시작합니다. 자기장의 존재에 거의 완벽한 레이저 흡수 inhomogeneous 세포 조명과 나쁜 XE의 과대을 일으킬 수 초과 RB 증기 밀도와 셀에 하나 이상의 지역을가 있다는 것을 나타냅니다rpolarization. 셀을 통해 약 30 %의 전송이 될 때까지 이러한 상황이 발생할 경우 히터의 온도를 줄입니다.

최적의 온도, 압력, 가스 혼합물 및 흐름 요금은 이러한 특정 기하학과 광학 셀과 개인 polarizers의 레이저 라인 폭과 힘의 열 전도에 따라 달라집니다으로 실험적으로 각 설정에 대해 결정해야합니다. 특히 그것은 RB에서 XE로 스핀 교류 저압 12시 가장 효율적인 것으로 나타되었습니다. 그러나, 다이오드 레이저의 상대적으로 큰 선 두께로 인해, RB의 양극화는 큰 압력에서 1 종종 더 효율적입니다. 이 두 요인은 특정 설치에 대해 최대 분극에 도달 할 서로에 대한 해제 재생할 수 있어야합니다.

펌핑 대체 광학는 780 nm의에서 레이저 발광으로 RB D이 전환을 사용하거나 894 나노 미터 13 D 2의 D 전환으로 CS를 사용하여 달성 될 수있다 14> 전환. 레이저 시스템의 가용성에 따라 네 가지 접근법 중 하나는 최적의 펌프 조건을 선택할 수 있습니다.

설정 및 SEOP 설정을 작동하기위한 좋은 문제 해결 목록도 15에서 찾을 수 있습니다. 편광판 매니 폴드의 진공 압력을 제어하기위한 좀 더 구성 요소와 피난 단계 3.5에서 사용 서이 장비 표에 나열되어 있습니다.

XE의 편광을 유지하기 위해, 그것은 자기 분야에 보관해야합니다. NMR 분광계의 길 잃은 필드는이 충분합니다. 가스 단계에서 XE의 T 1은 많은 시간입니다. 이는 교통 특히 바람직하다 샘플을 동결 증가 할 수 있습니다. 벽 상호 작용은 XE 가스의 탈분극의 주요 원인 중 하나입니다. 이러한 물질의주의 선택 (코팅 유리 16 등)에 의해 감소 및 연락처 지역 betw을 감소 할 수 있습니다단다는 가스 및 용기.

솔루션의 NMR 데이터의 취득은 버블 기간 또는 대기 지연 후 액체에 남아 거품이 기간 동안 거품 과도하게 방해 할 수 있습니다. 이 심각한 필드 inhomogeneities과 상당한 신호의 손실이 발생합니다. 이 경우 질량 유량 컨트롤러의 세트 포인트를 줄입니다.

여기에 제시된 양극화 설치가 오랜 기간 동안 hyperpolarized 크세논 쉽게 NMR 연구 할 수 있습니다. 따라서, 낮은 목표 농도와 조건을 평균 신호는 쉽게 가능합니다. 신호 안정성은 분광계에 의해 트리거 질량 흐름 컨트롤러의 사용을 통해 보장됩니다.

작용 XE의 신호는 지역 온도, 산도 및 용매의 조성과 같은 매개 변수를 포함하여 마이크로 환경의 여러 측면에 의존하는 것으로보고되었습니다. 그러므로이 방법은 체외에서 모두에서 다양한 가능성이 응용 프로그램을 가지고생체 진단의 차.

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Disclosures

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

Acknowledgments

이 연구 프로젝트는 유럽 공동체의 7 번째 프레임 워크 프로그램 (FP7/2007-2013) / ERC 보조금 협정 N ° 242710 아래에있는 유럽 연구위원회의 자금 지원을 받아했으며 추가로 인간 프론티어 과학 프로그램과 독일의 에미 Noether 프로그램에 의해 지원되었다 연구 재단 (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

  1. Schröder, L. Xenon for NMR biosensing - Inert but alert. Phys Med. (2011).
  2. Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations. Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).
  3. Walker, T. G., Happer, W. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei. Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).
  4. Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S. Jr, Wishnia, A. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370, 199-201 (1994).
  5. Cherubini, A., Bifone, A. Hyperpolarised xenon in biology. Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).
  6. Goodson, B. M. Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms. J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).
  7. Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings. J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).
  8. Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. III Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC). Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).
  9. Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).
  10. Spence, M. M., Rubin, S. M., Dimitrov, I. E., Ruiz, E. J., Wemmer, D. E., Pines, A., Yao, S. Q., Tian, F., Schultz, P. G. Functionalized xenon as a biosensor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).
  11. Schröder, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor. Science. 314, 446-449 (2006).
  12. Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer. Phys. Rev. A. 80, 063424 (2009).
  13. Levron, D., Walter, D. K., Appelt, S., Fitzgerald, R. J., Kahn, D., Korbly, S. E., Sauer, K. E., Happer, W., Earles, T. L., Mawst, L. J., Botez, D., Harvey, M., DiMarco, L., Connolly, J. C., Möller, H. E., Chen, X. J., Cofer, G. P., Johnson, G. A. Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs. Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).
  14. Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System. Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).
  15. Zhou, X. Hyperpolarized noble gases as contrast agents. Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).
  16. Seltzer, S. J., Michalak, D. J., Donaldson, M. H., Balabas, M. V., Barber, S. K., Bernasek, S. L., Bouchiat, M. A., Hexemer, A., Hibberd, A. M., Kimball, D. F., Jaye, C., Karaulanov, T. Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques. J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).
NMR과 MRI 응용 프로그램 용 Hyperpolarized 지논
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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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