Waiting
Login processing...

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

Engineering

Гиперполяризованного ксенона для ЯМР и МРТ-приложений

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

Производство гиперполяризованного ксенона при помощи спинового обмена оптической накачки (Сеоп) описывается. Этот метод дает ~ 10000-кратного повышения поляризации ядерных спинов Хе-129 и находит применение в спектроскопии ядерного магнитного резонанса и изображений. Примеры газовой фазы и эксперименты решение состояние даны.

Abstract

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) спектроскопии и томографии (МРТ) страдают от внутренней низкую чувствительность, потому что даже сильные внешние магнитные поля ~ 10 т генерировать лишь небольшая обнаружить сеть намагниченность образца при комнатной температуре 1. Таким образом, большинство ЯМР и МРТ приложения полагаются на обнаружение молекул при относительно высокой концентрации (например, вода для визуализации биологических тканей) или требует чрезмерных раз приобретения. Это ограничивает нашу способность использовать очень полезные молекулярные специфику сигналов ЯМР для многих биохимических и медицинских приложений. Тем не менее, новые подходы появились в последние несколько лет: Манипуляция обнаруженных видов спина до обнаружения внутри ЯМР / МРТ магнита может значительно увеличить намагниченность и, следовательно, позволяет обнаруживать молекулы при гораздо более низких концентраций 2.

Здесь мы представляем метод поляризации смесь ксенона (2-5% Xe, 10%N 2, He баланса) в компактную установку с ок. 16000-раза усиления сигнала. Современная линия-сузились диодные лазеры позволяют эффективно поляризации 7 и немедленного использования газовой смеси, даже если благородный газ, не отделены от других компонентов. Устройство Сеоп объясняется и определения достигнутого спиновой поляризации продемонстрировали контроля выполнения метода.

Гиперполяризованного газа может быть использован для визуализации пустоту пространства, включая газовый поток изображений или диффузии исследований на стыке с другими материалами 8,9. Кроме того, сигнал Xe ЯМР чрезвычайно чувствительна к его молекулярной среды 6. Это дает возможность использовать его в качестве ЯМР / МРТ контрастное вещество при растворении в водном растворе с молекулярными функционализированных хозяев, которые временно ловушку газ 10,11. Прямое обнаружение и высокую чувствительность косвенное обнаружение таких конструкций показана как спектроскопические и режим съемки. </ P>

Introduction

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

Гиперполяризованного агенты получают все большее внимание для ЯМР / МРТ приложений, так как они могут решить проблемы чувствительности при определенных обстоятельствах 2. Три основные подходы используются в настоящее время (динамическая поляризация ядер, DNP; пара-водород вызванной поляризации, PHIP и спинового обмена оптической накачки, Сеоп), что все подготовить искусственно увеличить разницу спина населения за пределами магнита ЯМР до ​​фактического спектроскопии или изображений эксперимент . Здесь мы описываем функции и эксплуатации Сеоп установки, которая была оптимизирована для изготовления гиперполяризованного 129 Xe, используемых в экспериментах решение государства.

Важным компонентом является интенсивным источником света излучает инфракрасные фотоны при 795 нм. Лазерный диод массивов (LDA) удобных устройств, которые обеспечивают высокую выходную мощность> 100 Вт при разумных затратах. Во многих установок, LDA излучающих в оптическом волокне, что более или менее сохраняет поляризацию йэлектронной лазерного света. Чтобы гарантировать достаточный процесс Сеоп это эллиптическая поляризация должна быть преобразована в круговой поляризации высокой чистоты. Основные компоненты поляризационной оптики показано на рисунках 1 и 2 и настройке системы объясняется схематически на дополнительное фильм 1.

Для циркулярной поляризации света мы сначала прикрепить конец волокна в первичном пучке расширения оптики (например, волокна коллиматор) для снижения плотности мощности. Затем свет проходит через поляризационный куб светоделитель, генерации линейно поляризованного света. При вращении этого куба можно определить предпочтительный оси оставшиеся поляризации с измерителем мощности. Максимальная передача соответствует ситуации, когда быстрой оси куба совмещен с главной осью поляризации света. Кубики с высокими коэффициентами экстинкции (100.000: 1 или лучше) дают хорошее разделение поляризации компонентов. Это может быть проверенос использованием второго куба светоделителя в качестве анализатора, который вращается в то время как первая выравнивается для максимальной передачи не-обыкновенного луча.

Как только линейной поляризации проходящего света было подтверждено, пластины λ / 4 волны предназначены для 795 нм вводят в не-обыкновенного пучка для преобразования линейного в круговой поляризации. С этой целью быстрой оси пластинка поворачивается на 45 ° по отношению к кубу светоделитель быстрой оси. (При желании, круговой поляризации отраженного луча с обычной своей линейной оси, перпендикулярной поляризацией не-обыкновенного луча может быть достигнуто в подобной манере.)

Качество круговой поляризации может быть проверена со второй куб светоделителя, что должно дать постоянную передачу при вращении. Вторичных пучков расширения оптики (например, две линзы в телескопе Галилея конфигурации), то увеличивается диаметр пучка, чтобы полностью яlluminate стеклянной ячейке для накачки процесса внутри печи окна. Поглощение лазерного излучения на парах Rb в клетке контролируется через отверстие под штифт позади насосной камере в конце коробке: Коллиматор собирает ослабленный ИК-луч для анализа с помощью оптического спектрометра (см. Рисунок 3 для перекачки ячейки установки ).

Механизм нагрева за пределами насосной ячейке частично испаряется Rb капли сидит внутри клетки (рис. 4а) и, следовательно, вызывает поглощение лазерного излучения. Плотность пара можно регулировать с помощью точки отопление набор соответствующих ПИД-регулятора. Высокие температуры (около 190 ° C) являются хорошими для компактных установках, где ксенон имеет ограниченное количество времени, чтобы создать поляризации. Газовой смеси, содержащей Xe, N 2, и Он проходит через насосные клетки, противоположном направлению лазерного луча (рис. 3). Внешнего магнитного поля в соответствие с лазерным лучом гарантирует, что гоэлектронной ИК-фотоны только одна насосная Rb перехода. Релаксация электронных состояний быстро и должны быть не избежать радиационного излучения ИК-фотонов с "неправильным" поляризации. Здесь, N 2 вступает в игру, как охлаждающего газа. В конце концов, система Rb создает перенаселение одного из подуровней основного состояния, а другой постоянно исчерпаны лазера (рис. 5). Ксенон получают в тесном контакте с атомов рубидия испытывает спин-спиновых взаимодействий и спиновой поляризации электронов переносится на Xe ядер в флип-флоп процессов.

Гиперполяризованного газа, вытекающего из насосных ячейка содержит следовые количества паров Rb, что конденсат на стенке НКТ в течение нескольких см от розетки из-за низкой температуры (как на рисунке 4б). В естественных условиях приложений, однако, потребует дополнительных ликвидации щелочных металлов (например, через холодную ловушку), тогда как в пробирке experimeНТС может быть выполнена безопасно с газом, поскольку это оставляет hyperpolarizer. Тефлоновая трубка соединяет поляризатор выход с входом стекло аппарата для выполнения ЯМР экспериментов на тестовых решений. Контроллера массового расхода используются для регулировки количества Xe, впадающих в установке ЯМР. Они вызваны команды в последовательности импульсов ЯМР. После проверки достигнуто повышение поляризации, газ может быть использован в качестве ЯМР / МРТ контрастное вещество в экспериментах решение государства.

Хе имеет определенную растворимость в воде (4,5 ммоль / атм) и другие растворители. В связи с этим уже можно работать в своем собственном качестве контрастного агента для отображения распределения некоторых жидкостей. Тем не менее, это также можно связать ЯМР-активных ядер в определенных молекул с целью получения молекулярных конкретной информации по иным инертным газом. Предоставляя молекулярной хост для растворенного Xe, можно придать молекулярная специфичность сигнала Xe ЯМР. Это дает возможностьДизайн функционализированных контрастные вещества - так называемая биосенсоры - при таком принимающей структуры связан с таргетинг блок, который связывается с конкретным аналитов биомедицинских интерес (рис. 6).

Дальнейшее повышение чувствительности требуется, когда биосенсора должны быть обнаружены в концентрациях, которые являются низкими для MR контрастного вещества (<100 мкм). Это может быть достигнуто путем химического обмена переноса насыщения (CET). Этот метод определяет биосенсора косвенным путем уничтожения намагниченности в клетке Xe и наблюдая изменение сигнала свободной Xe в растворе. С гиперполяризованного ядер постоянно заменен после примерно 10 мс, много от 100 до 1000 ядер передачи информации на обнаруженных бассейн и усиления сигнала ок. 10 3-раза (см. фильм 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. Подготовка к установке Сеоп

Рубидия должны быть приведены в оптической накачки клетку, чтобы облегчить перенос поляризации от лазерного света ксенона. Благодаря своей высокой реакционной этот процесс должен происходить без Rb вступая в контакт с кислородом или водой, в противном случае она станет окисляется и не будет поляризовать Xe. Дополнительная осторожность должна рассматриваться как Rb бурно реагирует с водой.

  1. Если оптические ячейки ранее использовался она будет покрыта слоем оксида Rb и Rb, как можно видеть на рисунке 4б. Ячейки должны сначала быть чистым перед использованием. Закрыть входе и выходе трубы оптической ячейки. Держа его под давлением, транспортировки ячейки химического капот. Под капот с использованием соответствующих средств индивидуальной защиты, открыть ячейку в атмосферу и подождите около часа, чтобы позволить Rb поверхность окисляется.
  2. Аккуратно пипетки чистой изопропанола в клетку. Это будет растворятьсяRb оксидного слоя, и блестящие капли Rb будет двигаться по поверхности изопропанола, как капли воды на горячей плите. Залить изопропанол (и любой Rb что происходит с ним) в стакан. Повторяйте, пока все Rb удаляется.
  3. Если это еще не удалит все Rb, сделать раствор из 10% воды и 90% изопропанола и повторите шаг 1,2) увеличение процентного содержания воды (с шагом 10%), пока все Rb удаляется.
  4. После того как все Rb удалена, промойте оптической ячейки с ацетоном.
  5. Принесите ранее эвакуированных, а затем заполнены аргоном-оптической накачке клетки в перчаточном ящике с атмосфере аргона. Кроме того, включать ампулы рубидия, инструмент для подрыва ампулы, пипетки Пастера, Kimwipes и тепловые пушки. Для того чтобы сохранить сухой атмосфере в перчаточном ящике, поместить чашку Петри с пятиокиси фосфора в качестве осушителя. Наличие нежелательные следы кислорода можно контролировать с лампочкой, где стеклянная колба открыто разоблачать нити в атмосфере перчаточный ящик.Условия прекрасные тех пор, пока дым не возникает со светом включен.
  6. Откройте заполнения порта насосной ячейке, разбить ампулу Rb и растопить щелочных металлов с тепловой пушкой. Окунитесь в некоторых жидких Rb с помощью пипетки и внедрить его в насосной камере.
  7. Закройте заполнения порт после увеличения давления аргона в перчаточном ящике для поддержания небольшого избыточного давления в насосной камере для транспорта поляризатор установки. Возьмите клетки из перчаточного ящика.
  8. Подключите клетки поляризатор многообразие, обеспечивая ее соответствие с лазерный луч освещает линию клетки в процессе закачки (это может быть сделано с целью видимого света луч, рисунок 7) и убедитесь, что нагревательный прибор с термопары надлежащего теплового контакта с клеткой (как показано на рисунке 4а). Прикрепить термопары к верхней части ячейки.
  9. Эвакуировать соединений трубопроводов до входе и выходе клапана насосной камере. Последостижении давления <30x10 -3 мбар, очистить линии с высокой чистотой Ar (или азота). Повторите это три раза.
  10. С танка Ar открыты для насосной ячейке входе, медленно открыть входной и выходной клапан клетки. Осторожно открыть клапан поляризатор выходе чуть-чуть, чтобы создать поток Ar ок. 1 SLM через коллектор. Поддерживать этот поток в течение 2 мин. В настоящее время примесей кислорода должна быть существенно устранить, чтобы избежать окисления руб. Закройте клапан поляризатора на выходе и входе подключение к баку Ar.
  11. Включите нагреватель накачки клетки (заданная температура ок. 180-190 ° C для отопления полосы устанавливаются под ячейку). Это будет испаряться часть капли руб.
  12. Откройте смесью Xe подключение газа в поляризатор установки. Бак Регулятор должен быть установлен на ок. 3,5 бар избыточного давления.
  13. Поверните лазером и настроить его излучающие волны до ок. 794,8 нм путем изменения установленной температуры диода охлаждающей жидкости. Мониторинг ла-сер профилю через оптический спектрометр.
  14. Непрерывное испарение Rb вызывает увеличение поглощения лазерного. Убедитесь, что профиль лазерного излучения поглощается симметрично (отрегулируйте температуру охлаждающей жидкости, если это необходимо). Как только датчик температуры на верхней части ячейки читается ок. 100 ° C, вы должны соблюдать значительное снижение лазерной передачи (см. рисунок 8).
  15. Лазерная поглощения также вызывает дополнительный нагрев, поэтому увеличение давления в камере. Мониторинг клетки условий и тщательно отходящих газов от поляризатора розетки (как при нормальной работе), чтобы освободить некоторое давление всякий раз, когда значение приближается к пределу насосной ячейке рассчитан на (5 бар абс. В нашей установке).
  16. Включение магнитного поля (около 2-3 мТл) вокруг насосной клетки, контролируя при этом лазерный анкету. Передача должна идти сразу же, как поля вызывает селективной оптической накачки (см. рисунок 8).
  17. Подождите, пока все температурах стабилизировать.Поляризатор теперь готов к использованию.

2. Подготовка к установке ЯМР

  1. Вставьте пробирку с водой в голову зонд ЯМР и выполнять настройку и согласование радиочастотного (RF) схемы для протона и канал ксенона.
  2. Шим на воде сигнал с автоматизированной рутинной прокладку МРТ пользовательский интерфейс.

3. Гиперполяризация количественного

  1. Подключите трубку поляризатор выхода к входу тест фантомных с его ок. 5 капилляры, чтобы ввести Xe и трубки вентиляционной трубе для связи с контроллером потока массы.
  2. Убедитесь, что регуляторы потока газа установлены на «закрытые» и медленно открыть клапан поляризатор выходе оказать давление на призрак. Установите скорость потока до ок. 0,5 SLM, чтобы начать непрерывный поток через фантом. Оцените от фантома объема и расхода газа, сколько времени потребуется, чтобы полностью заменить объема газа. В нашей установке, это ок. 2 сек.
  3. (например, 5-100 мкс). Дальнейшие параметры: ширина спектра SW = 10 кГц, время сбора та = 1 сек и TR время повторения, что больше, чем время замены рассчитывается в шаге 3.2. Частота импульса возбуждения для Хе газа на 9,4 Т ок. 110,683 МГц. FID с наиболее сильным сигналом даст вам правильное сочетание мощности импульса и длины для максимального сигнала.
  4. После уменьшения потока до 0,1 SLM, повышение TR до 15 сек (сравнимой с шагом 3,7), оставив остальные параметры неизменными, приобретают набор данных с 16 сканирований FID в то время как гиперполяризованного Хе, протекающего через образец. Выполните преобразование Фурье и измерить амплитуду в спектре. Это интенсивность сигнала для гиперполяризованного ксенона микстЮр. Также обратите внимание на резонансной частоте максимальной концентрации газа в Гц.
  5. Эвакуация тяжелой ЯМР стенки трубы оснащена клапаном для низкого давления уплотнение и залейте его ок. 2 бар избыточного давления чистого ксенона.
  6. Эвакуировать из газового коллектора проведения ЯМР трубки и заполнить ок. 0,2 бар чистого кислорода на вершине Xe в трубке ЯМР (т.е., регулируя давление O 2 до 2,2 бар избыточного давления). Кислород будет способствовать повышению релаксации намагниченности Xe после возбуждения РФ (это позволяет нам работать с TR = 15 сек, в противном случае процесс требует очень длительного TR, если газ не заменяется на следующий возбуждения, как в шаге 3,4).
  7. Замените ранее фантомные потока газа в магнит ЯМР с низким давлением трубка ЯМР и выполнять последовательности импульсов ЯМР, как и в 3.4. Это даст вам интенсивность сигнала ЯМР для термически поляризованные высокой концентрации Хе.
  8. Сравните интенсивность сигнала из термически и гиперполяризованного Xe и вычислить сигнал повышенияния с различной концентрацией и давлением во внимание. Вычислить спиновой поляризации следующим образом:

Тепловые спиновой поляризации P-й должно быть определено сначала в качестве ссылки. Она определяется как разность населенностей двух спиновых состояний над суммой населения, т. е.

Уравнение 1
При комнатной температуре эта дается высокая приближении температуры и R численности населения, как

Уравнение 2
(К-постоянная Больцмана, Т-абсолютная температура, и γ magnetogyric отношение). Поскольку тепловой энергии кТ на сегодняшний день является доминирующим фактором, R близко к 1, то есть 0,999982232 для Хе при B 0 = 9,4 T. Это дает P-й (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Далее, нормированного сигнала коэффициент усиления ε должна быть рассчитана из соотношения л.с. гиперполяризованного сигнала S и сигнал от теплового й поляризации S (предполагая, что все ЯМР параметры импульсной последовательности были идентичны для обоих приложений):

Уравнение 3
Где С и Р представляют концентрации ксенона в газовой смеси (в%) и давление газовой смеси для экспериментов с термически и гиперполяризованного Xe соответственно. Достигнутые гиперполяризации затем дается й ЕР продукта.

4. Функционализированных Решение ксеноновые государственный спектроскопии

  1. Подготовка 50-200 мкМ раствора (функционализированный) ксеноновые хозяина (например, cryptophane-таргетинга с единицы). В зависимости от гидрофобности клетки сотрудничестваnstruct, добавить больше или меньше ДМСО с водой в качестве растворителя. В нашей демонстрации с cryptophane-monoacid клетка, проще всего использовать чистый ДМСО. Возьмите ок. 1,5 мл этого раствора и заполнить его в призрак газового потока, гарантируя, что на 5 плавленого кварца капилляров обеспечить достаточное кипение раствора с газовой смесью Xe. Выполните тест кипящей снаружи магнита ЯМР с 0,1 SLM и проверить на нежелательные избыточного пенообразования.
  2. Вставьте фантом в зонд ЯМР и мелодия и соответствуют как на протон и X-каналы и выполнять автоматизированные прокладку, как в шаге 2.2.
  3. Используйте приобретение FID с соответствующими задержками и триггера импульсы от спектрометра для открытия и закрытия и регуляторы массового расхода. Разрешить ок. 15-20 сек кипящем с 0,1 SLM и последующие 5-8 секунд ожидания задержки пузырьки исчезают, а затем РФ возбуждение и FID считывания.
  4. Выполните 16 или 32 повторений (в зависимости от вашей клетке концентрация) с SW = 40 кГц, с центром в ок. 11 кГц внизполе с частотой резонанса газа определяется в шаге 3.4. FID считывания должна быть 500-1000 м. Преобразование Фурье FID, чтобы получить спектр.
  5. Установите значение химического сдвига для большинства правильный сигнал (газовая фаза) в 0 промилле. Запишите частоту интенсивный сигнал решение (самый левый сигнал) в Гц и частей на миллион. Также обратите внимание на смещение между этим сигнал на δ решение и сигнал инкапсулированных Xe при δ клетки ~ 60 - 80 страниц в минуту в минуту. Это смещение называется Δω (см. также представитель результатов).

5. Hyper-CEST изображений

  1. Для того чтобы протестировать возможности контрастного вещества молекулы хозяин ксенон, эксперимент с двумя отсеками призрак может быть выполнена. Чтобы сделать это, возьмите ок. 50% от исследуемого раствора с разделом 4 и заполнить его в 5 мм трубку ЯМР. Вставьте трубки в 10 мм кипящей установки из раздела 4. Заполните внешний отсек только с растворителем и никаких клетку до того же уровня, что и внутреннее сотрудничествоmpartment. Вставьте 3 из кипящей капилляров во внешний и 2 капилляров во внутреннем отсеке.
  2. Подключите трубку к восходящей установки и повторите шаг 4.2.
  3. Выберите один выстрел EPI последовательности для быстрой обработки изображений. Эта последовательность может быть необходимо изменить, чтобы включить задержки и запуска импульсов от спектрометра для открытия и закрытия и регуляторы массового расхода. Разрешить ок. 15 - 20 сек кипящем с 0,1 SLM и последующие 5 - 8 секунд ожидания задержки пузырьки исчезают, а затем с помощью МРТ кодирования.
  4. Установить обнаружения ядра до 129 Хе на X-канала и передатчика / наблюдателя частоты до значения определяются для решения сигнал в шаге 4.5. Использование калькулятора инструмент РЧ импульсов, преобразования параметров импульса (амплитуда и длительность) с шагом 3,3 в возбуждении используются в вашей визуализации последовательности.
  5. Визуализации геометрии в нашем примере выглядит следующим образом: 10 - 20 мм толщина среза, поперечной ориентацией; 20 х 20 мм области соперничаютW; размер матрицы 32х32; двойной выборки (чтобы избежать артефактов) и частичный кодирования Фурье фактором установить до 1,68 для ускоренного приобретения (т.е. только 19 из 32 шагов фазового кодирования фактически приобретенные).
  6. Откройте CEST модуль (модуль изменение намагниченности передачи) для сигнала подготовке и включить непрерывного предварительное насыщение импульсом (параметры, например, 2 сек, 5 мкТл амплитуды). Выполните 2 сканирования в поперечной ориентации с несущей частотой импульса этой насыщенности раз создаются для δ = δ клетки решение - Δω и один раз δ = δ управления решением + Δω.
  7. Использование изображений пост-обработки инструментов, создавать Hyper-CEST разница изображений путем вычитания изображение с насыщением при δ клетки от той, с насыщением при δ управления. В результате только выделить области, где хозяин Xe присутствовал (см. также представитель результатов).

6. Представитель Результаты

Поглощения лазерного можно контролировать с помощью переключения магнитного поля вокруг клетки и выключается. В зависимости от мощности лазера и температура ячейки, почти полное поглощение наблюдается с магнитным полем выключен и ок. 30% передач происходит с поля (сравнение показано на рисунке 8).

Для операционной системы ЯМР на 9,4 T (400 МГц для 1 Н, 110 МГц для 129 Хе), усиление сигнала должно быть ок. 16000-раза при сравнении термически поляризованные ксенона с гиперполяризованного ксенона. Согласно пункту 3.8, это соответствует спиновой поляризации ок. 15%. Значения> 10% должны быть достижимы при использовании линий сузился лазерный диод с непрерывным выходом> 100 Вт

129 Хе ЯМР-спектр раствора ДМСО содержащей 213 мкМ молекулярной хозяин должен наблюдаться сигнал в клетке с ксенономотношение сигнал-шум ок. 10 на 16 приобретений (рис. 9, при комнатной температуре, уширение линии 10 Гц используются).

Hyper-CEST МРТ набор данных показывает полную интенсивность сигнала для офф-резонансного изображения и сигнала управления истощения в областях, содержащих молекулы Xe хост в по-резонансной насыщенности изображения. Разница изображение исключительно отображаются области, которые ответили на насыщение импульса (рис. 10).

Рисунок 1
Рисунок 1. Вид сбоку оптических компонентов для достижения циркулярно поляризованного света. Лазерное излучение вводится в систему через оптическое волокно слева. И поляризационный светоделитель куб (КПБ) и λ / 4 волны пластины установлены на вращающихся креплений для настройки быстрым топоромы для получения циркулярно поляризованного света (см. фильм 1). Обычный луч, отраженный КПБ может быть направлена ​​на зеркало, чтобы в конечном итоге в пучке свалка (не показано).

Рисунок 2
Рисунок 2. Вид сверху оптических компонентов для достижения циркулярно поляризованного света. Этот вид включает в себя луч свалку для обычного пучка. В качестве меры безопасности, термопары контроля температуры первичного расширителем пучка, пучок свалка, и поляризационный куб светоделитель.

Рисунок 3
Рисунок 3. Вид сбоку насосной камере с боковой стенки духовки окно открыто. Ласер свет попадает в окна с левой стороны через параллельный оконное стекло. Отверстием с правой стороны, ослабляет передаваемая мощность лазерного для защиты оптических спектрометров, которая получает свет через коллиматор и оптического волокна. Смеси Xe газ движется противоположно направлению лазерного света: он проникает в клетку через правую ногу и выходит на левой стороне.

Рисунок 4
Рисунок 4.) Крупным планом вид Rb капли внутрь насосной камере. Оранжевый нагреватель кремния (контролируется ПИД-регулятора) крепится к нижней части стеклянной ячейке. Термопары на вершине контролирует температуры ячейки. б) Крупным планом вид на окрестности газа на входе среднего возраста насосной камере с INCRослабление конденсата наращивание на стеклянную стену. в) осталось капли Rb в той же насосной ячейке как в пункте б), как видно, освещая клетку со спины и с короткой выдержкой, чтобы подавить видимость покрытие стеклянной стеной.

Рисунок 5
Рисунок 5. Энергии переходов в парах щелочных металлов. а) без внешних B-поле, магнитные подуровни не определены (как показано в сером только), поэтому любой атом в основном состоянии поглощает свет. б) Включение внешнего поля определяет зеемановских уровней и причин перекачки только один переход в соответствии с дипольными правилами отбора. Это приводит к накоплению атомов в одном из подуровней в то время как меньшее число атомов в основное состояние других суб-уровне поглощает лазерное излучение.


Рисунок 6. Функционализированные клетке cryptophane для определения конкретной цели биохимических интерес. Сигнал Xe ЯМР будет изменяться по обязательным событием конкретных ориентации устройства.

Рисунок 7
Рисунок 7. Видимая цель луча (красный свет) для выравнивания насосной ячейке, чтобы обеспечить полное освещение объем прокачки.

Рисунок 8
Рисунок 8. Лазерные профили для различных накачки клеткиусловиях. Нет поглощения наблюдается для холодной камере (комнатной температуры), когда нет Rb пара присутствует. Мы наблюдаем две линии излучения нашего лазерного диода (вместе с FWHM 0,5 нм, что находится в пределах спецификации производителя). Когда клетка достигает заданной температуры (180 ° C) и магнитное поле выключено, общее D 1 возбуждении вызывает почти полное поглощение лазерного излучения. Включение магнитного поля индуцирует на селективной накачки только один переход и увеличивает интенсивность передачи.

Рисунок 9
Рисунок 9. 129 Хе ЯМР-спектр раствора ДМСО содержащие cryptophane-monoacid (структура также показаны), как Xe клетке. Газа пик ссылается на 0 промилле. Бесплатные Xe в растворе появляется в δ решение = 2450,7 промилле, а в клетке Хе при δ = 79,2 клетке промилле. Для Hyper-CEST эксперимент, импульс насыщения раз установлен на δ клетке для переноса насыщения позволяет уменьшить решения пика и один раз установлен на δ = 412,2 контроля минуту, чтобы собрать опорного сигнала для вычитания. Экспериментальные параметры: 213 мкм клетки в ДМСО при 295 K, 16 приобретений с 32,3 ширина полосы кГц, 772 мс FID зачитал, Xe пропускают в раствор на 0,1 SLM на 20 сек.

Рисунок 10
Рисунок 10. 129 Xe МРТ ксенона, растворенного в ДМСО. Призрак состоит из двух отдельных отсеках только с внутренним отсеком содержащие cryptophane-monoacid (в концентрации 50 мкМ). Перед каждым изображением EPI берется, 5 мкТл непрерывном насыщающегоионный импульс подается на 2 сек. а) насыщение импульса на δ контроля, т.е. вне резонансной с Xe @ клетке пика и мы наблюдаем сильный сигнал от обоих отсеках. б) насыщение по резонансному с Xe @ клетке пик при δ клетки, почти полностью уничтожив сигнала от внутреннего отсека. Изображение вычитания) - б) показывает расположение молекул хозяин Xe. Изображения были получены с FOV 20 х 20 мм, толщина среза 10 мм и 32 х 32 пикселей. Затем они были thresholded и интерполированное до 256 х 256 пикселей.

Фильм 1. Анимация монтаж установки для Сеоп. Лазерный луч сначала увеличивается в диаметре первичных расширителем пучка и проходит через поляризационный светоделитель куб (PBC). Вращение этого куба изменяет относительные интенсивности обыкновенного и не-обыкновенного луча. Для позиции с максимальной передачей, быстрой оси КПБ совмещена с DominaNT оси поляризации падающего света. Линейной поляризации проходящего света - которые влияют на качество / коэффициент затухания КПБ - может быть проверена с использованием второго КПБ в качестве анализатора. Выравнивание его быстрой оси с быстро оси первого куба должна дать максимальную передачу в то время как дальнейший поворот на 90 ° должны дать нулевую передачу и полное отражение. Размещение λ / 4 пластинки преобразуется в линейное круговой поляризации, если его быстрой оси вращается 45 ° по отношению к оси быстрого первой PBC. Интенсивность прошедшего света должна теперь быть независимым от вращения второго куба. Удаление анализ компонентов и замене их вторичной расширителем пучка дает право диаметр луча для освещения насосной камере. Рубидия капли, сидя в этой ячейке частично испаряется раз нагреватель вне клетки включен. Смесь ксенона газа, проходящего через установку в противоположном направлении лазерного луча р-нibutes этот пар по всей клетке. Без магнитного поля, это вызывает общее D 1 возбуждении атомов рубидия и сильного поглощения лазерного излучения. Включение магнитного позволяет на селективной накачки только один переход между теперь определяется магнитными подуровнями. Как следствие, только уменьшенное количество атомов поглощать лазерное излучение и передача вновь увеличился. Щелкните здесь для просмотра фильмов .

Фильм 2. Анимация объясняя CEST эффект. Cryptophane клетки служат молекулярные хостов для улавливания атомов Xe, которые меняют их резонансная частота при этом обязательным событием (переход синие -> зеленый). Первым приобретением ЯМР определяет количество несвязанных Хе в качестве опорного сигнала. Далее, селективный импульс насыщения, влияющие только в клетке атомы разрушает их намагниченности. Так как Xe обязательным является обратимым процессом, длинный импульс отменитьс намагниченностью многих атомов и вторым приобретением ЯМР показывает значительное снижение сигнала от свободной Хе по сравнению с сигналом задания. Щелкните здесь для просмотра фильмов .

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

Важнейшие аспекты в подготовке гиперполяризованного ксенона примесей кислорода в газовом коллекторе в том числе насосных клетки и достаточное освещение ячейки с циркулярно поляризованным светом. Вышеупомянутый тест лампочки простой способ обнаружения вредных концентраций кислорода во время передачи рубидия. Щелочного металла может потерять свою блестящую поверхность к тому времени, ячейка установлена ​​в поляризатором. Тем не менее, достаточное испарение неокисленных Rb можно контролировать с пониженной передачей лазером (при нагревании свежие клетки в первый раз, может быть, что дополнительное увеличение температуры около 20 ° C требуется, чтобы начать процесс испарения;. Один раз поглощения лазерного начинается, уставка должна быть снижена). Почти полное поглощение лазерного излучения в присутствии магнитного поля показывает, что существует по крайней мере одна область в клетке с избыточной плотности паров Rb, которые могут вызвать неоднородное освещение клетки и плохой рекламы Xerpolarization. Уменьшить температуру нагревателя, если это произойдет, пока не будет примерно на 30% передачей через ячейку.

Оптимальная температура, давление смеси газов и расхода должны быть определены экспериментально для каждой установки, как это будет зависеть от конкретной геометрии и теплопроводности оптической ячейки и лазерных ширина линии и власти отдельных поляризаторов. В частности, было показано, что спиновый обмен с Rb в Xe является наиболее эффективным при низком давлении 12. Тем не менее, в связи с относительно большой ширины линии диодных лазеров, Rb поляризации часто является более эффективным при больших давлениях 1. Эти два фактора должны играть друг против друга для достижения максимальной поляризации для данной установки.

Альтернативные оптической накачки может быть достигнуто с помощью Rb D 2 перехода с лазером на 780 нм или с помощью Cs с D 1 переход на 894 нм, 13 и D 2 14. В зависимости от наличия лазерных систем, одна из четырех подходов может быть выбрана для оптимальной насосной условиях.

Хороший список поиска и устранения неисправностей для создания и функционирования Сеоп настройки также могут быть найдены в 15. Некоторые дополнительные компоненты для управления вакуум и избыточное давление в поляризатор многообразие и эвакуации стоять использовали в шаге 3,5 перечисленных в таблице оборудования.

Для сохранения поляризации Xe, следует иметь в магнитном поле. Поля рассеяния ЯМР-спектрометра для этого достаточно. В газовой фазе T 1 Хе на много часов. Это может быть увеличена путем замораживания образца, которая является особенно выгодным для транспортировки. Стена взаимодействия являются одной из основных причин деполяризации газ Xe. Они могут быть снижены путем тщательного подбора материалов (например, путем нанесения на посуду 16) и сокращение площади контакта betwееп газа и его контейнер.

Сбор данных ЯМР от решения может быть затруднено излишнего пенообразования в период пузырьков и пузырей, оставшиеся в жидкости после ожидания задержки. Это вызывает серьезную неоднородности поля и существенной потере сигнала. Уменьшите уставку контроллера массового расхода в этом случае.

Поляризация установки, представленные здесь позволяет легко исследований ЯМР гиперполяризованного ксенона в течение длительного периода времени. Таким образом, сигнал усреднения для условий с низкой концентрацией целевой легко возможно. Сигнал стабильность гарантируется за счет использования регуляторы массового расхода вызвано спектрометра.

Сигнал функционализированных Xe, как сообщается, зависит от нескольких аспектов микро-среды, включая такие параметры, как местные температуры, рН и состава растворителя. Таким образом, этот подход имеет различные возможности применения в как в пробиркем в диагностике естественных условиях.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Этот исследовательский проект получил финансирование от Европейского исследовательского совета по Седьмой рамочной Европейского Сообщества Программы (FP7/2007-2013) / ERC грантового соглашения N ° 242710 и был дополнительно поддерживает программы в области науки пограничной и программы Эмми Нетер в Германии Фонд исследований (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).
Гиперполяризованного ксенона для ЯМР и МРТ-приложений
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