Waiting
Login processing...

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

Engineering

Xenon hiperpolarizada para RMN e Aplicações de ressonância magnética

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

A produção de xénon hiperpolarizado através da troca de spin bombeamento óptico (Seop) é descrita. Este método produz um realce ~ 10000 vezes da polarização do spin nuclear do Xe-129 e tem aplicações em espectroscopia de ressonância magnética nuclear e de imagem. Exemplos de fase gasosa e em solução são as experiências de estado dado.

Abstract

Ressonância magnética nuclear (RMN) e de imagem (MRI) sofrem de baixa sensibilidade intrínseca, porque mesmo fortes campos magnéticos externos de ~ 10 T gerar apenas uma pequena detectável líquido magnetização da amostra à temperatura ambiente 1. Assim, a maioria das aplicações de RMN e RM se baseiam na detecção de moléculas com uma concentração relativamente alta (por exemplo, água para a imagiologia de tecido biológico) ou requerem tempos de aquisição excessivos. Isto limita a capacidade de explorar a especificidade molecular muito útil de sinais de RMN para muitas aplicações bioquímicos e médicos. No entanto, novas abordagens têm surgido nos últimos anos: Manipulação da espécie de spin detectadas antes da detecção dentro do magneto RMN / RM pode aumentar dramaticamente a magnetização e, portanto, permite a detecção de moléculas com uma concentração muito mais baixa 2.

A seguir, apresentamos um processo para a polarização de uma mistura de gás de xénon (Xe 2-5%, 10%N 2, Ele equilíbrio) em uma configuração compacta com um ca. 16.000 vezes o aumento do sinal. Modern lasers de diodo-linha estreitadas permitir polarização 7 e eficiente utilização imediata da mistura de gás, mesmo que o gás nobre não é separado dos outros componentes. O aparelho de Seop é explicado e determinação da polarização do spin alcançado é demonstrada pelo controlo do desempenho do método.

O gás hiperpolarizado pode ser usado para imagiologia de espaço vazio, incluindo imagiologia de fluxo de gás ou de estudos de difusão nas interfaces com outros materiais 8,9. Além disso, o sinal de RMN de Xe é extremamente sensível ao seu ambiente molecular 6. Isto permite a opção de utilizar como um agente de contraste de RMN / RM quando dissolvido numa solução aquosa com funcionalizados hospedeiros moleculares que aprisionam o gás temporariamente 10,11. A detecção directa e de alta sensibilidade de detecção indirecta de tais construções é demonstrada tanto em modo de espectroscopia e de imagem. </ P>

Introduction

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

Hiperpolarizados agentes estão ganhando cada vez mais atenção por RMN / RM aplicações, uma vez que pode resolver o problema de sensibilidade em certas circunstâncias 2. Três principais abordagens são usados ​​atualmente (polarização nuclear dinâmica, DNP, para-hidrogênio polarização induzida, PHIP e troca de spin bombeamento óptico, Seop) que todas as preparar uma diferença de população aumentada artificialmente rodada fora de um ímã RMN antes da espectroscopia real ou experiência de imagem . Aqui descreve-se a função e operação de uma instalação de Seop que foi optimizada para a produção de 129Xe hiperpolarizado utilizado em experiências de estado de solução.

Um componente essencial é uma intensa fonte de luz que emite fótons infravermelhos em 795 nm. Matrizes laser de diodo (LDA) são dispositivos que fornecem convenientes alta potência> W 100 a um custo razoável. Em muitas configurações, o LDA é emissor para uma fibra óptica, que mais ou menos mantém a polarização do the luz laser. Para garantir um processo de Seop suficiente dessa polarização elíptica deve ser convertido em polarização circular de alta pureza. Os principais componentes do sistema óptico de polarização são mostrados nas Figuras 1 e 2 e a configuração do sistema é explicada esquematicamente em filme suplementar 1.

Para circularmente polarizar a luz que primeiro fixe a extremidade da fibra óptica para um feixe primário de expansão (por exemplo, um colimador da fibra) para reduzir a densidade de potência. A luz passa através de um divisor de feixe polarizador cubo, a geração de luz polarizada linearmente. Rodando este cubo, podemos determinar o eixo preferencial da polarização remanescente com um medidor de potência. Máximo de transmissão corresponde à situação em que o eixo rápido de o cubo está alinhado com o eixo principal de luz de polarização. Cubos com coeficientes de extinção elevados (100000: 1 ou superior) produzir uma boa separação de componentes de polarização. Isto pode ser testadoutilizando um divisor de cubo segundo feixe como um analisador que é rodado enquanto a primeira está alinhada para a transmissão máxima do feixe de extra-ordinária.

Uma vez que a polarização linear da luz transmitida tenha sido confirmada, uma placa de onda λ / 4 concebido para 795 nm introduz-se o feixe de extraordinária para converter linear em polarização circular. Para este efeito, o eixo rápido da placa de onda é girado em 45 ° em relação ao eixo do cubo separador de feixes rápido. (Se desejado, a polarização circular do feixe reflectido comum com o seu eixo perpendicular a polarização linear do feixe de extra-ordinária pode ser conseguida de uma maneira semelhante.)

A qualidade da polarização circular pode ser testado com um segundo cubo separador de feixes, que deve produzir transmissão constante durante a rotação. A óptica de feixe secundário de expansão (por exemplo, duas lentes em uma configuração telescópio Galileu), em seguida, aumenta o diâmetro do feixe de completamente illuminate a célula de vidro para o processo de bombeamento dentro de uma caixa de forno. A absorção da luz do laser por Rb vapor na célula é monitorada por meio de um furo de fixação atrás da célula de bombagem na extremidade da caixa: um colimador recolhe um feixe de luz infravermelha atenuado a ser analisado, com um espectrómetro de óptica (ver Figura 3 para o bombeamento de configuração celular ).

Um mecanismo de aquecimento para fora da célula de bombagem parcialmente vaporiza uma gotícula Rb sentado no interior da célula (Figura 4-A) e, portanto, faz com que a absorção de luz laser. Densidade do vapor pode ser ajustado por meio do ponto de regulação de aquecimento do controlador PID correspondente. As altas temperaturas (cerca de 190 ° C) são boas para configurações compactas, onde o xenon tem uma quantidade limitada de tempo para construir polarização. A mistura de gás contendo Xe, N2 e ele flui através da célula de bombagem oposta à direcção do feixe laser (Figura 3). Um campo magnético externo alinhada com o feixe de laser que garante thfotões E IR só são bombeando uma transição Rb. Relaxamento dos estados de elétrons é rápido e devem ser não-radiativos para evitar a emissão de fótons com polarização IR "errado". Aqui, a 2 N entra em jogo na forma de gás de têmpera. Eventualmente, o sistema Rb constrói uma superpopulação de um dos sub-níveis de estado de terra, enquanto o outro é continuamente descarregada pelo laser (Figura 5). Xenon ficando em contacto estreito com os átomos de Rb experimenta interacções spin-spin e a polarização do spin electrónico é transferido para Xe núcleos em flip-flop processos.

O gás hiperpolarizado fluir para fora da célula de bombagem contém traços de vapor de Rb que o condensado sobre a parede de tubo dentro de alguns cm de saída, devido à temperatura baixa (semelhante à Figura 4b). As aplicações in vivo, no entanto, exigiria eliminação adicional do de metal alcalino (por exemplo, através de uma câmara de frio), enquanto in vitro experiments pode ser realizada de forma segura com o gás que sai do hiperpolarizadora. Tubagem de Teflon liga a saída polarizador com a entrada de um aparelho de vidro para realizar experiências de RMN em soluções de teste. Os controladores de fluxo de massa são usados ​​para ajustar a quantidade de Xe fluir para a instalação de RMN. Eles são acionados por comandos na seqüência de pulsos de RMN. Depois de verificar o aumento de polarização atingida, o gás pode ser usado como um agente de contraste de RMN / RM em experimentos de estado de solução.

Xe tem uma solubilidade em água de certo (4,5 mM / atm) e outros solventes. É, por conseguinte, podem servir já por si só como um agente de contraste para obter a distribuição de alguns líquidos. No entanto, é também possível ligar o núcleo de RMN-activo a certas moléculas, a fim de adquirir molecular informações específicas através do gás de outra forma inerte. Ao proporcionar um hospedeiro molecular para o Xe dissolvido, é possível conferir especificidade molecular para o sinal de RMN de XE. Isto oferece a oportunidade deOs agentes de contraste de design funcionalizadas - também chamado de biossensores - quando a estrutura de um tal hospedeiro é acoplado a uma unidade de direccionamento que se liga a analitos específicos de interesse biomédico (Figura 6).

Aumento de sensibilidade adicional é necessária quando o biossensor deve ser detectado em concentrações que são de baixo para os agentes de contraste para RM (<100 | iM). Isto pode ser conseguido por transferência de produtos químicos de saturação de câmbio (CET). Este método detecta a biossensor indirectamente através da destruição da magnetização do Xe enjaulado e observando a alteração de sinais de Xe livre em solução. Uma vez que os núcleos são continuamente substituídos hiperpolarizado, após cerca de 10 ms de transferência de núcleo, muitas 100-1000 a informação para a piscina detectado e amplificar o sinal ca. 10 3 vezes (ver o filme 2).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

1. Preparação do Setup Seop

Rubídio deve ser trazido para dentro da célula óptica de bombagem, a fim de facilitar a transferência de polarização da luz laser de xenon. Devido à sua elevada reactividade este processo deve ser realizado sem o Rb que entram em contacto com oxigénio ou água, ou poderá tornar-se oxidado e não vai polarizar Xe. Cuidado extra deve ser tomado como Rb reage violentamente com água.

  1. Se a célula óptica tenha sido previamente utilizado, que será revestida com uma camada de óxido de Rb e Rb, como pode ser visto na Figura 4b. A célula deve primeiro ser limpa antes da utilização. Fechar a entrada e tubos de saída da célula óptica. , Mantendo-o sob pressão, transportar a célula a um capuz química. Sob o capô usando equipamento de proteção individual, abrir a cela para a atmosfera e aguarde cerca de uma hora para permitir que a superfície Rb para oxidar.
  2. Gentilmente pipeta puro isopropanol para dentro da célula. Isto irá dissolver oRb camada de óxido, e gotículas Rb brilhante vai passar por cima da superfície do isopropanol como gotas de água sobre uma chapa quente. Despeje a isopropanol (e qualquer Rb que vem com ele) para um copo. Repetir até que todo o Rb é removido.
  3. Se isso ainda não remove todo o Rb, fazer uma solução de 10% de água e 90% de isopropanol e repetir o passo 1.2) aumentando a percentagem de água (em passos de 10%) até todo o Rb é removido.
  4. Uma vez que todos os Rb é removido, enxaguar a célula óptica com acetona.
  5. Trazer uma previamente evacuado e, em seguida, cheio de árgon-célula óptica de bombeamento para uma caixa de luvas com uma atmosfera de árgon. Também incluem uma ampola de rubidio, uma ferramenta para quebrar a ampola, pipetas de Pasteur, Kimwipes, e uma pistola de calor. A fim de manter uma atmosfera seca no porta-luvas, colocar uma placa de Petri com pentóxido de fósforo como um dessecante. A presença de vestígios de oxigénio indesejáveis ​​pode ser monitorada com uma lâmpada de luz em que a ampola de vidro é aberta para expor o filamento para a atmosfera caixa de luva.As condições são muito bem contanto que não fumo surge com a luz ligada.
  6. Abra a porta de enchimento da célula de bombagem, quebrar a ampola Rb e fundir o metal alcalino com a pistola de calor. Absorver alguns Rb líquido com uma pipeta e injetá-lo para dentro da célula de bombeamento.
  7. Fechar a porta de enchimento, após o aumento da pressão de árgon, no porta-luvas para manter uma leve sobrepressão na célula de bombagem para o transporte para a instalação do polarizador. Pegue o celular fora do porta-luvas.
  8. Ligue a célula para o colector polarizador, garantindo que ela esteja alinhada com o feixe de laser de linha de iluminação da célula durante o processo de bombeamento (isto pode ser feito com o feixe de luz visível vista, a Figura 7), e verificar se o dispositivo de aquecimento com o termopar tenha um contacto térmico adequado com a célula (como na Figura 4a). Anexar um termopar para a parte superior da célula.
  9. Evacuar as ligações do tubo até a entrada e a válvula de saída da célula de bombagem. Depoisalcançar uma pressão de <30x10 -3 mbar, purgar as linhas com elevada pureza Ar (ou azoto). Repita isso três vezes.
  10. Com o tanque de Ar aberto para a entrada da célula de bombagem, abrir lentamente a válvula de entrada e de saída da célula. Cuidadosamente abra a válvula de saída polarizador um pouquinho para estabelecer um fluxo de Ar de ca. 1 SLM através do colector. Manter esse fluxo durante 2 min. Até agora, as impurezas de oxigênio deverá ser substancialmente eliminadas para evitar a oxidação Rb. Fechar a válvula de saída e o polarizador de ligação de entrada para o tanque de Ar.
  11. Ligar o aquecedor da célula de bombagem (temperatura ajustada ca. 180-190 ° C por uma tira de aquecimento montado por baixo da célula). Isto irá vaporizar parte da gotícula de Rb.
  12. Abra o Xe ligação da mistura de gases para a instalação do polarizador. O regulador tanque deve ser definido para ca. 3,5 bar de sobrepressão.
  13. Ligue o laser e ajustar seu comprimento de onda de emissão de ca. 794,8 nm, ajustando a temperatura do líquido de arrefecimento do diodo. Monitorar a laservi perfil através de um espectrómetro de óptica.
  14. Vaporização contínua de Rb provoca a absorção do laser aumenta. Verifique se o perfil de emissão de laser é absorvido de forma simétrica (temperatura do líquido refrigerante reajuste se necessário). Uma vez que o sensor de temperatura no topo da célula lê ca. 100 ° C, deve observar uma transmissão de laser significativamente reduzida (ver Figura 8).
  15. Absorção a laser também provoca um aquecimento adicional, aumentando assim a pressão na célula. Monitorar as condições celulares e cuidadosamente ventilar o gás a partir da saída do polarizador (como em operação normal) para libertar alguma pressão sempre que o valor se aproxima do limite da célula de bombagem deve ser avaliado por (5 bar abs. Na nossa configuração).
  16. Ligue o campo magnético (ca. 2-3 mT) em torno da célula de bombagem durante a monitorização do perfil de laser. O envio deverá subir imediatamente como o campo causa óptico seletiva de bombeamento (ver Figura 8).
  17. Espere até que todas as temperaturas se estabilizem.O polarizador agora está pronto para usar.

2. Preparação do Setup RMN

  1. Inserir um tubo de ensaio com água na cabeça da sonda de RMN e executar o ajuste e combinação de freqüência de rádio (RF) de circuito para o próton e do canal de xenon.
  2. Shim no sinal da água com a rotina de calço automatizado da interface de utilizador de ressonância magnética.

3. Quantificação hiperpolarização

  1. Ligue o tubo de saída para o polarizador de entrada do fantasma de teste com o seu ca. 5 capilares para injectar o Xe e o tubo de purga do gás para a conexão com o controlador de fluxo de massa.
  2. Verifique se os controladores de fluxo de gás estão definidas para "fechado" e abra lentamente a válvula de saída polarizador para pressurizar o fantasma. Definir a taxa de fluxo para ca. 0,5 SLM para iniciar um fluxo contínuo através do fantasma. Estimativa do volume fantasma e da taxa de fluxo de gás quanto tempo leva para substituir o volume de gás. Na nossa configuração, isto é ca. 2 seg.
  3. exemplo, 5-100 ms). Outros parâmetros são: largura espectral de sw = 10 kHz, a aquisição tempo ta = 1 seg e uma TR tempo de repetição que é mais longo do que o tempo de substituição calculada no passo 3.2. A frequência do pulso de excitação para gás Xe em 9,4 T é ca. 110,683 MHz. O FID com o sinal mais forte vai lhe dar a combinação correta de potência de pulso e comprimento para o sinal máximo.
  4. Depois de diminuir o fluxo a 0,1 SLM, aumentando TR a 15 segundos (para ser comparável com o passo 3.7), e deixando os outros parâmetros inalterados, adquirir um conjunto de dados com 16 varrimentos FID enquanto o Xe hiperpolarizado está a fluir através da amostra. Realizar a transformação de Fourier e medir a amplitude de pico no espectro. Esta é a intensidade do sinal para o gás xénon hiperpolarizado mixtUre. Além disso, observe a frequência de ressonância do pico de gás em Hz.
  5. Evacuar um tubo de RMN pesado parede equipada com uma válvula para selagem de baixa pressão e encha-o com ca. 2 bar de sobrepressão de puro xenon.
  6. Evacuar o colector de gás que prende o tubo de NMR e encher ca. 0,2 bar de oxigénio puro no topo do Xe para dentro do tubo de RMN (isto é, ajustando a pressão de 2 O para 2,2 bar de sobrepressão). O oxigênio vai melhorar o relaxamento da magnetização Xe após a RF de excitação (que nos permite trabalhar com TR = 15 seg, o processo contrário TR muito tempo se o gás não é substituído pela excitação próximo como no passo 3.4).
  7. Substitua o fantasma fluxo de gás utilizado anteriormente no ímã RMN com este tubo de baixa pressão RMN e executar a seqüência de pulsos RMN em 3.4. Isto lhe dará a intensidade do sinal de RMN para termicamente polarizada de alta concentração Xe.
  8. Comparar as intensidades de sinal de Xe e termicamente hiperpolarizado e calcular o sinal de aumentarmento tendo as diferentes concentrações e pressões em conta. Calcula-se a polarização de spin como se segue:

A rotação térmica th P polarização necessita de ser determinado em primeiro lugar como uma referência. É definido como a diferença de população dos dois estados de spin sobre a soma das populações, isto é,

Equação 1
À temperatura ambiente, isto é dado pela aproximação de alta temperatura e a relação R população como

Equação 2
(K é a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta, e a proporção γ magnetogyric). Uma vez que a energia térmica kT é, de longe, o factor dominante, R é próxima de 1, isto é, para o Xe a 0,999982232 B 0 = 9,4 T. Isto rende P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Em seguida, o sinal normalizado ε factor de reforço tem de ser calculada a partir da razão entre o sinal de hp hiperpolarizado S e o sinal de polarização th térmico S (assumindo que todas as sequências de impulsos de RMN parâmetros foram idênticos para ambas as aplicações):

Equação 3
Em que c e p representam a concentração de Xe na mistura de gás (em%) e a pressão da mistura de gases para ambas as experiências com termicamente e Xe hiperpolarizado, respectivamente. A hiperpolarização alcançada é então dada pelo ª εP produto.

4. Funcionalizada Solução Xenon Estado Espectroscopia

  1. Prepara-se uma solução de 50-200 uM de uma série de xénon (funcionalizado) (por exemplo, cryptophane-A com uma unidade de direccionamento). Dependendo da hidrofobicidade da co gaiolanstruct, adicionar mais ou menos água de DMSO como solvente. Na nossa demonstração com uma gaiola cryptophane-A monoácido, é mais fácil de usar DMSO puro. Tome ca. 1,5 ml desta solução e enchê-lo em fantasma fluxo de gás, assegurando que o 5-capilares de sílica fundida permitir borbulhar suficiente da solução com a mistura de gás Xe. Realizar um teste borbulhando fora do ímã RMN com 0,1 SLM e verificar indesejada formação de espuma excessiva.
  2. Insira o fantasma na sonda RMN e sintonia e corresponder em ambos próton e X-canais e realizar um calço automatizada como no passo 2.2.
  3. Use uma aquisição FID com atrasos apropriadas e pulsos de disparo do espectrômetro para abrir e fechar os controladores de fluxo de massa. Permitir para ca. 15-20 seg borbulhamento com 0,1 SLM e subsequente demora 5-8 segundos de espera para as bolhas desaparecem, seguido por excitação e RF de leitura FID.
  4. Realizar 16 ou 32 repetições (dependendo da sua concentração gaiola) com sw = 40 kHz, centradas em ca. 11 kHz para baixocampo a partir da frequência de ressonância de gás determinado no passo 3.4. FID leitura deve ser 500-1.000 m. Transformada de Fourier do FID para obter o espectro.
  5. Defina o valor do deslocamento químico para o sinal mais à direita (fase gasosa) para 0 ppm. Anote a freqüência do sinal de solução intensa (sinal de mais à esquerda) em Hz e ppm. Observe também a diferença entre o sinal em solução δ eo sinal de encapsulado Xe a gaiola δ ~ 60 -. Ppm 80 ppm em Esse deslocamento é chamado Δω (ver resultados também representativos).

5. CEST hiper-Imaging

  1. A fim de testar a capacidade do agente de contraste de uma molécula hospedeiro xenon, uma experiência com um fantasma de dois compartimentos pode ser realizada. Para isso, tomar ca. 50% da solução de teste a partir da secção 4 e preenchê-lo para um tubo de NMR de 5mm. Insira este tubo para a instalação borbulhando 10 mm de seção 4. Encher o compartimento exterior apenas com o solvente e sem gaiola de protecção até ao mesmo nível que o co internompartment. 3 de inserir o borbulhamento capilares para os capilares e exterior 2 para dentro do compartimento interior.
  2. Reconectar a tubulação para a instalação borbulhante e repita o passo 4.2.
  3. Selecione um único tiro seqüência EPI para imagens rápido. Esta seqüência possivelmente precisa ser modificado para incluir atrasos e pulsos de disparo do espectrômetro para abrir e fechar os controladores de fluxo de massa. Permitir para ca. 15-20 seg borbulhamento com 0,1 e 5 subsequentes SLM - 8 atraso sec espera que as bolhas desaparecem, seguido de codificação de MRI.
  4. Definir o núcleo de detecção a 129 Xe no canal X e a frequência do transmissor / observador para o valor determinado para o sinal de solução no passo 4.5. Usando a ferramenta calculadora pulso RF, converter os parâmetros de pulso (amplitude e duração) de 3,3 passo para a excitação usado em sua seqüência de imagens.
  5. A geometria de imagem no nosso exemplo é a seguinte: 10 - 20 espessura do corte mm, orientação na direcção transversal; campo 20 x 20 mm de view; matriz de tamanho 32x32; amostragem dupla (para evitar artefatos) e fator de codificação parcial de Fourier definido para 1,68 acelerados para aquisições (ou seja, apenas 19 das 32 ​​etapas de codificação de fase são realmente adquirida).
  6. Abra o módulo CEST (um módulo de transferência de magnetização modificados) para a preparação de sinal e permitir uma pré-saturação de pulso cw (parâmetros, por exemplo, 2 segundos de duração, 5 mT amplitude). Faça 2 scans na orientação transversal com a freqüência de portadora deste pulso de saturação, uma vez que está sendo definido para gaiola δ = δ solução - Δω e uma vez para o controle δ = δ + Δω solução.
  7. Usando uma imagem ferramenta de pós-processamento, gerar a imagem diferença Hyper-CEST subtraindo a imagem com saturação em gaiola δ do acordo com a saturação no controle δ. O resultado só deve destacar as áreas onde o anfitrião Xe estava presente (ver resultados também representativos).

6. Resultados representativos

A absorção de laser pode ser controlada mudando o campo magnético em torno da célula de ligado e desligado. Dependendo da potência do laser e da temperatura da célula, a absorção quase completa observa-se com o campo magnético desligada e ca. 30% de transmissão ocorre com o campo na (a comparação é mostrada na Figura 8).

Para um sistema operacional de RMN de 9,4 T (400 MHz para o 1 H, 110 MHz para 129 Xe), o aumento do sinal deve estar ca. 16.000 vezes ao comparar xenon termicamente polarizada com xenon hiperpolarizada. De acordo com o passo 3.8, o que corresponde a uma rotação de polarização de ca. 15%. Valores> 10% devem ser alcançados quando se utiliza uma linha estreitou laser de diodo com cw saída de> 100 W.

O 129Xe espectro RMN de uma solução de DMSO contendo 213 uM de um hospedeiro molecular deve exibir um sinal de xénon com uma gaiolasinal-para-ruído de ca. 10 para 16 aquisições (Figura 9; à temperatura ambiente, a linha de ampliação de 10 Hz utilizado).

O Hyper-CEST conjunto de dados MRI mostra a intensidade do sinal completo para o controle de imagem off-ressonante e exaustão do sinal em áreas que contêm a molécula anfitrião Xe na imagem saturação on-ressonante. A imagem mostra diferença exclusivamente nas áreas que responderam ao pulso de saturação (Figura 10).

Figura 1
Vista lateral Figura 1. De componentes ópticos para alcançar a luz polarizada circularmente. A luz laser é acoplada ao sistema através da fibra óptica no lado esquerdo. Tanto a polarização do feixe de divisão do cubo (PBC) e a placa de onda λ / 4 são instaladas em suportes rotativos para ajustar o machado rápidos para produzir luz polarizada circularmente (ver filme 1). O feixe reflectido pelo ordinário PBC pode ser desviada por um espelho a acabar em um depósito de feixe (não mostrado).

Figura 2
Figura 2. Vista de cima de componentes ópticos para alcançar a luz polarizada circularmente. Esta visão inclui o despejo para o feixe de raio comum. Como medida de segurança, termopares estão a monitorizar a temperatura do expansor de feixe primário, o despejo de feixe, e o cubo de polarização de divisão do feixe.

Figura 3
Figura 3. Vista lateral da célula de bombagem com a parede lateral da caixa do forno aberto. A laSer luz que entra na caixa da esquerda através de uma janela de vidro paralelo. O orifício na extremidade direita atenua a potência do laser transmitido para proteger o espectrômetro óptico que recebe a luz através de um colimador e fibra óptica. A mistura de gás Xe viaja oposta à direcção de luz laser: ele entra na célula através da perna direita e sai do lado esquerdo.

Figura 4
Figura 4. A) vista Close-up de gotas Rb dentro da célula de bombeamento. O aquecedor de silício laranja (controlado por um regulador PID) está ligado à parte inferior da célula de vidro. Um termopar no topo monitora a temperatura da célula. b) vista Close-up da área de entrada de gás de um meio celular idade bombeamento com incrfacilitando condensado construir-se sobre a parede de vidro. c) gota Rb restante na célula de bombagem mesmo que em b), como pode ser visto através da iluminação da célula a partir da volta e com o tempo de exposição curto para suprimir a visibilidade do revestimento de parede de vidro.

Figura 5
Figura 5. Transições de energia em vapor de metal alcalino. a) Sem externa do campo B, os sub-níveis magnéticos não são definidos (ilustrada apenas a cinzento), daí qualquer átomo no estado fundamental absorve a luz. b) Ligar um campo externo define os níveis Zeeman e causas de bombeamento de apenas uma transição de acordo com as regras de seleção de dipolo. Isto faz com que a acumulação de átomos numa das sub-níveis, enquanto um número reduzido de átomos no estado fundamental outro sub-nível absorve a luz laser.


Figura 6. Gaiola cryptophane funcionalizados para a detecção de um alvo específico de interesse bioquímico. O sinal de RMN Xe mudará quando o evento de ligação da unidade específica de segmentação.

Figura 7
Figura 7. Visible visando feixe (luz vermelha) para o alinhamento da célula de bombagem para garantir uma iluminação completa do volume de bombeamento.

Figura 8
Figura 8. Perfis a laser para celular bombeamento diferentecondições. Nenhuma absorção é observado para a célula fria (temperatura ambiente), quando não está presente vapor de Rb. Observamos duas linhas de emissão de nossa laser de diodo (juntamente com uma FWHM de 0,5 nm que está dentro da especificação do fabricante). Quando a célula atinge a temperatura definida (180 ° C) e o campo magnético é desligado, geral D 1 excitação provoca uma absorção quase completa da luz laser. Mudar o campo magnético induz a bombagem selectiva de apenas uma passagem e aumenta a intensidade de transmissão.

Figura 9
Figura 9. 129Xe espectro de RMN de uma solução de DMSO contendo cryptophane-A monoácido (estrutura também mostrado) como uma gaiola de Xe. O pico de gás é referenciada a 0 ppm. Xe livre em solução em solução parece δ = 2450,7 ppm e o Xe enjaulados em gaiolas δ = 79,2 ppm. Para o experimento Hyper-CEST, o pulso de saturação é uma vez definida a gaiola δ para permitir a transferência de saturação para diminuir o pico de solução e uma vez definida a controle δ = 412,2 ppm para coletar o sinal de referência para a subtração. Parâmetros experimentais: 213 uM de gaiola em DMSO a 295 K, 16 aquisições com largura de banda de 32,3 kHz, 772 ms FID lidos, Xe borbulhado numa solução a 0,1 SLM durante 20 segundos.

Figura 10
Figura 10. 129Xe imagens MR de xénon dissolvido em DMSO. O espectro é constituído por dois compartimentos separados, com apenas o compartimento interior que contém cryptophane-A monoácido (a uma concentração de 50 uM). Antes de cada imagem EPI é tirada, a 5 mT saturat de onda contínuaiões de pulso é aplicado por 2 seg. a) O pulso de saturação está no controle δ, ou seja, fora de ressonância com o @ Xe gaiola de pico e observamos um sinal forte de ambos os compartimentos. b) A saturação está em ressonância com o pico Xe @ gaiola em gaiola δ, quase completamente destruindo o sinal a partir do compartimento interior. A imagem de subtração a) - b) revela a localização da molécula de acolhimento Xe. As imagens foram adquiridas com um FOV de 20 x 20 mm, uma espessura de corte de 10 mm e 32 x 32 pixels. Eles foram então limiarizadas e interpolados a 256 x 256 pixels.

Animação Filme 1. Montagem de uma instalação para Seop. O feixe de laser é primeiro aumentada de diâmetro por um expansor de feixe primário e passa através de um divisor de feixe polarizador cubo (PBC). Rotação do cubo muda as intensidades relativas do feixe ordinário e extra-ordinária. Para a posição com o máximo de transmissão, o eixo rápido de o PBC está alinhado com o dominant eixo de polarização da luz incidente. A polarização linear da luz transmitida - que é influenciada pela relação qualidade / extinção da PBC - pode ser testado utilizando uma segunda PBC como um analisador. Alinhando o seu eixo com o eixo rápido rápido do primeiro cubo deve dar máxima transmissão ao passo que a rotação ulterior de 90 ° deve dar transmissão zero e reflexão total. A inserção de uma placa de onda λ / 4 converte a linear em polarização circular, se o seu eixo rápido é rodado de 45 ° em relação ao eixo rápido do PBC primeiro. A intensidade da luz emitida deve agora ser independente da rotação do cubo segundo. A remoção das componentes de análise e substituindo-os por um expansor de feixe secundário produz o diâmetro do feixe direita para iluminar a célula de bombagem. Uma gota de rubídio sentado nesta célula é parcialmente vaporizada uma vez um aquecedor de fora da célula é ligada. A mistura de gás de xénon que flui através da instalação no sentido contrário ao do feixe de laser distributes este vapor por toda a célula. Sem um campo magnético, o que provoca em geral D 1 excitação dos átomos de Rb e absorção forte da luz laser. Girando o magnético sobre selectiva permite o bombeamento de uma única transição entre os já definidos magnéticos sub-níveis. Como conseqüência, apenas um número reduzido de átomos absorvem a luz do laser e transmissão é aumentada novamente. Clique aqui para ver filme .

Filme 2 Animação. Explicando o efeito CEST. Gaiolas cryptophane servem como hospedeiros moleculares para aprisionar átomos de Xe que mudam sua freqüência de ressonância sobre este evento de ligação (azul transição -> verde). A aquisição RMN primeiro determina a quantidade de Xe não ligado como um sinal de referência. Em seguida, um pulso de saturação selectiva afecta apenas os átomos de gaiolas destrói a sua magnetização. Uma vez que a ligação Xe é um processo reversível, um impulso longo cancelars a magnetização de muitos átomos e uma aquisição de RMN segundo revela uma diminuição significativa de sinal livre Xe comparado com o sinal de referência. Clique aqui para ver filme .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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

Aspectos críticos na preparação de xénon hiperpolarizado são impurezas de oxigénio no colector de gás, incluindo a célula de bombagem e iluminação suficiente da célula com luz polarizada circularmente. O teste de lâmpada de luz acima mencionada é uma maneira simples para detectar concentrações de oxigénio deletérios durante a transferência de rubídio. O metal alcalino pode perder a sua superfície brilhante quando a célula está instalado no polarizador. No entanto, a vaporização suficiente de Rb não oxidado pode ser monitorizado por meio de transmissão de laser reduzida (quando o aquecimento de uma célula de fresco, pela primeira vez, pode ser que um aumento de temperatura adicional de cerca de 20 ° C é necessário para iniciar o processo de vaporização,. Uma vez absorção laser começa, o ponto de ajuste deve ser reduzida). Absorção de laser quase completa na presença do campo magnético indica que existe pelo menos uma região na célula com o excesso de vapor de Rb densidades que podem fazer com que a iluminação não uniforme e célula excitar Xe maurpolarization. Reduzir a temperatura do aquecedor, se isso acontecer até que haja cerca de 30% da transmissão através da pilha.

Taxas de temperatura ideal, a pressão da mistura de gás e fluxo têm de ser determinadas experimentalmente para cada configuração uma vez que estes dependem da geometria específica e condução térmica da célula óptica e largura de laser de linha e poder de polarizadores individuais. Em particular, demonstrou-se que a troca de spin do Rb de Xe é o mais eficiente a baixa pressão 12. Contudo, devido à largura relativamente grande da linha de lasers de diodo, polarização Rb é frequentemente mais eficiente em pressões grandes 1. Esses dois fatores devem ser jogados uns contra os outros para chegar a polarização máxima para um determinado sistema.

Óptico alternativo de bombagem pode ser conseguido usando o Rb D 2 de transição com um laser emitindo a 780 nm ou usando Cs com a sua transição 1 D em 894 nm 13 e D 2 14. Dependendo da disponibilidade de sistemas de laser, um dos quatro abordagens podem ser escolhidas para as melhores condições de bombagem.

Uma lista de tiro bom problema para configurar e operar uma instalação Seop também pode ser encontrado em 15. Alguns componentes adicionais para o controlo do vácuo e sobrepressão no colector polarizador e a evacuação estar usado no passo 3.5 são listados na tabela equipamento.

Para preservar a polarização do Xe, ela deve ser mantida num campo magnético. O campo de dispersão de um espectrómetro de RMN é suficiente para isso. Na fase gasosa do T 1 de Xe é muitas hr. Isto pode ser aumentada por congelação da amostra, o que é particularmente vantajoso para o transporte. Interacções de parede é uma das principais causas de despolarização de gás Xe. Estes podem ser reduzidos através da selecção cuidadosa de materiais (por exemplo, pelo revestimento do material de vidro 16) e reduzindo a área de contacto entre omeen gás e seu recipiente.

Aquisição de dados de RMN de soluções pode ser dificultada pela formação excessiva de espuma durante o período de borbulhamento ou bolhas restantes no líquido após o retardo de espera. Isto faz com que não homogeneidades do campo graves e perda substancial de sinal. Reduzir o ponto de ajuste do controlador de fluxo de massa, neste caso.

A instalação aqui apresentada permite a polarização para estudos de RMN fáceis com xénon hiperpolarizado ao longo de períodos de tempo prolongados. Assim, para as condições de sinal média com concentrações baixas de destino é facilmente possível. Estabilidade de sinal é garantida através da utilização de controladores de fluxo de massa provocadas pelo espectrómetro.

O sinal de Xe funcionalizado tem sido relatado que depender de vários aspectos do micro-ambiente, incluindo parâmetros como o local de pH, temperatura e composição do solvente. Por isso, esta abordagem tem várias aplicações potenciais, tanto in vitro umand em diagnósticos in vivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Este projeto de pesquisa recebeu financiamento do Conselho Europeu de Investigação no âmbito do Programa da Comunidade Europeia Quadro (FP7/2007-2013) / subvenção CEI acordo n ° 242710 e foi ainda o apoio do Programa Ciência das Fronteiras Humanas e do Programa de Emmy Noether do Alemão Research Foundation (SCHR 995/2-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rb ingot Sigma-Aldrich 276332-1G
P4O10 Sigma-Aldrich 79610-500G
Ar Praxair
Xe Sigma-Aldrich 00472-1EA
O2 Sigma-Aldrich 00476-1EA
Laser system QPC Lasers/Laser Operations Brightlock 50
Vacuum system Pfeiffer HiCube
Thermocouples Newport Omega SA2F-KI-3M
Silicon heater Newport Omega FMA5514
Pressure transducer Newport Omega PR 33X-V-10
Process meter Newport Omega INFCP-100B
Mass flow controllers Newport Omega MFC
PID regulators Newport Omega CN7800
Control Software Newport Omega DasyLab
Data acquisition Newport Omega Daqboard 3000
Vacuum sensor Oerlikon TTR91
Vacuum controller Vacom MVC-3
Beam collimator Thorlabs F810SMA-780
Polarizing beam splitter cube Thorlabs GL15-B
λ/4 wave plate Thorlabs WPQ10M-780
Beam expansion lenses Thorlabs
Optical spectrometer Ocean Optics HR4000
Optical fiber Ocean Optics
Low pressure NMR tube Wilmad 513-7LPV-7
5mm NMR tube Sigma-Aldrich HX58.1
Helmholtz coils Phywe 06960-00
Fused silica capillaries Polymicro TSG 250350

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

Witte, C., Kunth, M., Döpfert, J., Rossella, F., Schröder, L. Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications. J. Vis. Exp. (67), e4268, doi:10.3791/4268 (2012).More

Witte, C., Kunth, M., Döpfert, J., Rossella, F., Schröder, L. Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications. J. Vis. Exp. (67), e4268, doi:10.3791/4268 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter