Waiting
Login processing...

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

Engineering

Xenón hiperpolarizado para RMN y MRI Aplicaciones

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

La producción de xenón hiperpolarizado por medio de intercambio de espín óptica de bombeo (SEOP) se describe. Este método produce un ~ 10000-veces el aumento de la polarización de espín nuclear de Xe-129 y tiene aplicaciones en espectroscopia de resonancia magnética nuclear y de imagen. Ejemplos de fase gas y los experimentos solución de estado se dan.

Abstract

Resonancia magnética nuclear (RMN) y espectroscopia de resonancia magnética (RM) sufren de baja sensibilidad intrínseca porque incluso fuertes campos magnéticos externos de ~ 10 T generar sólo una pequeña detectable red de magnetización de la muestra a temperatura ambiente 1. Por lo tanto, la mayoría de las aplicaciones de NMR y MRI se basan en la detección de moléculas en concentración relativamente alta (por ejemplo, agua para la formación de imágenes de tejido biológico), o requieren tiempos excesivos de adquisición. Esto limita nuestra capacidad de explotar la especificidad molecular muy útil de señales de RMN para muchas aplicaciones bioquímicas y médicas. Sin embargo, nuevos enfoques han surgido en los últimos años: La manipulación de las especies de giro detectados antes de la detección en el interior del imán de RMN / MRI puede aumentar drásticamente la magnetización y por lo tanto permite la detección de moléculas a una concentración mucho más baja 2.

Aquí, se presenta un método para la polarización de una mezcla de gas xenón (2-5% Xe, 10%N 2, El balance) en una configuración compacta con una ca. 16000-fold aumento de la señal. Moderna línea de estrechamiento de láseres de diodo de polarización permitir eficiente 7 y el uso inmediato de la mezcla de gas, incluso si el gas noble no se separa de los otros componentes. El aparato SEOP se explica y determinación de la polarización de espín logrado se demuestra para el control de la ejecución del método.

El gas hiperpolarizado se puede utilizar para obtener imágenes de espacio vacío, incluyendo formación de imágenes de flujo de gas o estudios de difusión en las interfaces con otros materiales 8,9. Además, la señal de RMN Xe es extremadamente sensible a su entorno molecular 6. Esto permite la opción de usarlo como un agente de contraste de RMN / RM cuando se disuelve en solución acuosa con funcionalizados anfitriones moleculares que temporalmente atrapar el gas de 10,11. La detección directa y de alta sensibilidad de detección indirecta de tales construcciones se demuestra tanto en modo espectroscópico y de imagen. </ P>

Introduction

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

Agentes hiperpolarizados están ganando cada vez más atención por NMR / MRI aplicaciones ya que puede resolver el problema de la sensibilidad en determinadas circunstancias 2. Tres enfoques principales se utilizan actualmente (polarización nuclear dinámica, DNP, para-hidrógeno polarización inducida, PhIP y girar intercambio bombeo óptico, SEOP) que toda preparar una diferencia de giro población aumentó artificialmente fuera un imán RMN antes de la espectroscopia de imagen real o experimento . Aquí se describe la función y operación de una instalación de SEOP que se ha optimizado para la producción de Xe hiperpolarizado 129 utilizado en los experimentos de estado de solución.

Un componente esencial es una intensa fuente de luz que emiten fotones infrarrojos de 795 nm. Matrices de diodos láser (LDA) son dispositivos convenientes que proporcionan salida de alta potencia> 100 W a un costo razonable. En muchas configuraciones, la LDA está emitiendo en una fibra óptica que más o menos conserva la polarización de the de luz láser. Para garantizar un proceso de SEOP suficiente esta polarización elíptica debe ser convertido en polarización circular de alta pureza. Los principales componentes de la óptica de polarización se muestran en las Figuras 1 y 2 y la configuración del sistema se explica esquemáticamente en la película suplementario 1.

Para polarizar la luz circularmente que sujetar primero el extremo de la fibra óptica a una expansión primaria de haz (por ejemplo, un colimador de fibra) para reducir la densidad de potencia. La luz pasa a través de un divisor de haz polarizante cubo, la generación de luz linealmente polarizada. Mediante la rotación de este cubo se puede determinar el eje preferido de la polarización remanente con un medidor de potencia. Máxima de transmisión corresponde a la situación en la que se alinea el eje rápido del cubo con el eje de polarización de luz principal. Cubos con altos coeficientes de extinción (100.000: 1 o mejor) proporcionar una buena separación de los componentes de polarización. Esto se puede comprobarutilizando un cubo divisor de haz segundos como un analizador que es girado mientras que el primero está alineado para la transmisión máxima de la viga extra-ordinario.

Una vez que la polarización lineal de la luz transmitida ha sido confirmada, una placa en onda λ / 4 diseñado para 795 nm se introduce en el haz extraordinaria para convertir lineal en polarización circular. Para este propósito, el eje rápido de la placa de onda es girado por 45 ° con relación al eje del cubo divisor de haz rápido. (Si se desea, la polarización circular del haz reflejado ordinaria con su eje de polarización lineal perpendicular a la viga extra-ordinaria se puede lograr de una manera similar.)

La calidad de la polarización circular se puede probar con un cubo divisor de haz segundos que debería suministrar la transmisión constante después de la rotación. Una óptica de haz secundario de expansión (por ejemplo, dos lentes en una configuración de telescopio de Galileo), entonces aumenta el diámetro del haz a completamente illuminate la celda de vidrio para el proceso de bombeo en el interior de una caja de horno. La absorción de la luz láser por Rb vapor en la celda se controla a través de un agujero de pasador detrás de la célula de bombeo en el extremo de la caja: un colimador recoge una atenuado haz IR a analizar con un espectrómetro óptico (ver Figura 3 para el bombeo de configuración celular ).

Un mecanismo de calentamiento fuera de la célula de bombeo parcialmente vaporiza una gotita Rb sentado dentro de la célula (Figura 4a) y por lo tanto hace que la absorción de luz láser. Densidad del vapor que se puede ajustar a través del punto de consigna de calefacción del controlador PID respectivo. Las altas temperaturas (aprox. 190 ° C) son buenas para instalaciones compactas en las que el xenón tiene una cantidad limitada de tiempo para construir la polarización. La mezcla de gas que contiene Xe, N 2 y El fluye a través de la célula de bombeo opuesto a la dirección del haz láser (Figura 3). Un campo magnético externo alineado con el haz láser asegura que the fotones infrarrojos están bombeando sólo una transición Rb. La relajación de los estados electrónicos es rápido y debe ser no radiativa para evitar la emisión de fotones IR con "equivocado" polarización. Aquí, el 2 N entra en juego como un gas de enfriamiento rápido. Eventualmente, el sistema Rb se acumula un exceso de población de uno de los subniveles del estado fundamental, mientras que el otro está continuamente agotado por el láser (Figura 5). Xenon ponerse en estrecho contacto con los átomos de Rb experimenta interacciones spin-spin y la polarización de espín de electrones se transfiere a núcleos de Xe en los flip-flops procesos.

El gas hiperpolarizado que fluye hacia fuera de la célula de bombeo contiene trazas de vapor de Rb que el condensado en la pared del tubo dentro de unos pocos cm de la salida debido a la baja temperatura (similar a la Figura 4b). En aplicaciones in vivo, sin embargo, requeriría la eliminación adicional del metal alcalino (por ejemplo, a través de una trampa de frío), mientras que in vitro experimeNTS puede realizarse con seguridad con el gas cuando sale del hiperpolarizador. Tubo de Teflon conecta la salida polarizador con la entrada de un aparato de vidrio para llevar a cabo experimentos de RMN en soluciones de prueba. Controladores de flujo másico se utilizan para ajustar la cantidad de Xe que fluye en la configuración de la RMN. Son provocados por comandos en la secuencia de pulsos de RMN. Después de comprobar la mejora de la polarización alcanzada, el gas puede ser usado como un agente de contraste de RMN / RM experimentos en estado de solución.

Xe tiene una cierta solubilidad en agua (4,5 mM / atm) y otros disolventes. Por lo tanto, ya puede servir por sí mismo como un agente de contraste para visualizar la distribución de algunos líquidos. Sin embargo, también es posible unir los núcleos de RMN-activo a ciertas moléculas con el fin de adquirir molecular específico de información a través del gas inerte lo contrario. Al proporcionar un anfitrión molecular para el Xe disuelto, es posible conferir la especificidad molecular para la señal de Xe NMR. Esto proporciona la oportunidad deagentes de contraste diseño funcionalizadas - también llamado biosensores - cuando dicha estructura de acogida está acoplado a una unidad de dirección que se une a los analitos específicos de interés biomédico (Figura 6).

Mejora de la sensibilidad se requiere más cuando el biosensor debe ser detectado en concentraciones que son bajos para los agentes de contraste de RM (<100 mM). Esto se puede conseguir por intercambio químico de transferencia de saturación (CET). Este método detecta el biosensor indirectamente mediante la destrucción de la magnetización de la jaula Xe y observando el cambio de la señal de Xe libre en solución. Puesto que los núcleos hiperpolarizado se reemplazan continuamente después de algunos 10 ms, la transferencia de muchos núcleos de 100 hasta 1000 la información a la piscina detectado y amplificar la señal de ca. 10 3-veces (ver película 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. Preparación de la instalación de SEOP

Rubidio deben ser llevados en la célula de bombeo óptico, para facilitar la transferencia de polarización de la luz láser para xenón. Debido a su alta reactividad Este proceso debe realizarse sin la Rb entrar en contacto con el oxígeno o el agua, de lo contrario, no se oxidan y se polarizará Xe. Precaución adicional debe ser tomado como Rb reacciona violentamente con el agua.

  1. Si la célula óptica se ha utilizado anteriormente que se recubre con una capa de óxido de Rb y Rb, como se puede ver en la Figura 4b. La célula primero debe estar limpio antes de su uso. Cerrar la entrada y tubos de salida de la célula óptica. Mientras que lo mantiene presionado, el transporte de la celda a una campana química. Bajo el capó con el equipo de protección personal, abrir la celda a la atmósfera y espere aproximadamente una hora para permitir que la superficie Rb a oxidar.
  2. Suavemente pipeta isopropanol puro en la célula. Esto disolverá laRb capa de óxido, y las gotitas brillantes Rb se moverá sobre la superficie de la isopropanol como gotas de agua sobre una placa caliente. Verter la isopropanol (y cualquier Rb que viene con él) en un vaso de precipitados. Repita hasta que todos Rb se retira.
  3. Si esto aún no elimina todo Rb, hacer una solución de 10% de agua y 90% de isopropanol y repita el paso 1,2) aumentar el porcentaje de agua (en pasos de 10%) hasta que todo el Rb se retira.
  4. Una vez que todos Rb se retira, enjuague la célula óptica con acetona.
  5. Traiga una previamente evacuada y luego lleno con argón-célula de bombeo óptico en una caja de guantes con atmósfera de argón. Incluya también una ampolla de rubidio, una herramienta para romper la ampolla, pipetas Pasteur, Kimwipes, y una pistola de calor. A fin de mantener una atmósfera seca en la caja de guantes, colocar una placa de Petri con pentóxido de fósforo como un desecante. La presencia de restos no deseados de oxígeno se puede controlar con una bombilla de luz donde se abre la ampolla de vidrio para exponer el filamento a la atmósfera de la guantera.Las condiciones están bien siempre y cuando no hay humo surge con la luz encendida.
  6. Abrir el puerto de llenado de la célula de bombeo, romper la ampolla Rb y fundir el metal alcalino con la pistola de calor. Tome un poco de Rb líquido con una pipeta y se lo inyecta en la célula de bombeo.
  7. Cerrar el orificio de llenado después de aumentar la presión de argón en la caja de guantes para mantener una ligera sobrepresión en la célula de bombeo para el transporte a la instalación polarizador. Tome la célula de la guantera.
  8. Conectar la célula al colector de polarizador, asegurando que quede alineada con la línea de láser de haz de iluminación de la célula durante el proceso de bombeo (esto se puede hacer con el haz de luz visible de puntería, Figura 7) y verificar que el dispositivo de calentamiento con su termopar tiene buen contacto térmico con la célula (como en la Figura 4a). Adjuntar un termopar a la parte superior de la celda.
  9. Evacuar las conexiones de tubo hasta la entrada y la válvula de salida de la célula de bombeo. Despuésalcanzar una presión de <30x10 -3 mbar, purgar las líneas de alta pureza Ar (o nitrógeno). Repita esto tres veces.
  10. Con el tanque Ar abierto a la entrada de la celda de bombeo, abriendo lentamente la válvula de entrada y de salida de la celda. Abra con cuidado la válvula de salida polarizador un poco pequeña para establecer un flujo de Ar de ca. 1 SLM a través del colector. Mantener este flujo durante 2 min. Por ahora, impurezas de oxígeno debe ser sustancialmente eliminado para evitar la oxidación Rb. Cerrar la válvula de salida polarizador y la conexión de entrada al depósito de Ar.
  11. Encender el calentador de la célula de bombeo (ajuste de la temperatura ca. 180-190 ° C para una tira de calefacción montado debajo de la célula). Esto vaporizar parte de la gotita de Rb.
  12. Abra la conexión de gas Xe mezcla en la configuración del polarizador. El regulador del tanque se debe establecer en ca. 3,5 bar de sobrepresión.
  13. Encienda el láser y ajustar su longitud de onda que emite a ca. 794,8 nm ajustando la temperatura del refrigerante del conjunto de diodo. Supervisar el laSer perfil a través de un espectrómetro óptico.
  14. Vaporización continua de Rb provoca aumento de la absorción de láser. Asegúrese de que el perfil de emisión del láser es absorbida simétricamente (temperatura del refrigerante del reajuste si es necesario). Una vez que el sensor de temperatura en la parte superior de la celda lee ca. 100 ° C, se debe observar una transmisión láser redujo significativamente (ver Figura 8).
  15. Absorción del láser también causa un calentamiento adicional, por lo tanto, el aumento de la presión en la celda. Supervisión de las condiciones celulares y cuidadosamente ventilar gas de la toma de polarizador (como en el funcionamiento normal) para liberar algo de presión cada vez que el valor se acerca al límite tiene la célula de bombeo para (5 bar abs. En nuestra configuración).
  16. Encender el campo magnético (ca. 2-3 mT) en torno a la célula de bombeo mientras se monitoriza el perfil de láser. La transmisión debería ir de inmediato que el campo hace que el bombeo óptico selectivo (véase la Figura 8).
  17. Esperar a que todas las temperaturas se estabilice.El polarizador está ahora listo para usar.

2. Preparación de la instalación de RMN

  1. Insertar un tubo de ensayo con agua en la cabeza de la sonda de RMN y de la sintonización y la congruencia de la frecuencia de radio (RF) del circuito para el protón y el canal de xenón.
  2. Laminilla en la señal de agua con la rutina de cuña automatizada de la interfaz de usuario MRI.

3. Cuantificación Hiperpolarización

  1. Conectar el tubo de salida polarizador a la entrada del fantasma de prueba con su ca. 5 capilares para inyectar el Xe y el tubo de ventilación de gas para la conexión con el controlador de flujo de masa.
  2. Asegúrese de que los controladores de flujo de gas se establece en 'cerrado' y abra lentamente la válvula de salida del polarizador para presurizar el fantasma. Ajuste el caudal de aprox. 0,5 SLM para iniciar un flujo continuo a través del fantasma. Estimación del volumen fantasma y la tasa de flujo de gas cuánto tiempo se tarda en sustituir completamente el volumen de gas. En nuestra configuración, se trata de ca. 2 seg.
  3. (por ejemplo, 5-100 microsegundos). Otros parámetros son: anchura espectral de sw = 10 kHz, tiempo de adquisición ta = 1 segundo y un tiempo de repetición TR que es más largo que el tiempo de sustitución calculado en el paso 3,2. La frecuencia del pulso de excitación para gas Xe a 9,4 T es ca. 110,683 MHz. El FID con la señal más fuerte le dará la combinación correcta de potencia y la duración del pulso de la señal máxima.
  4. Después de disminuir el flujo a 0,1 SLM, el aumento de TR a 15 segundos (para ser comparable con el paso 3,7), y dejar sin cambios los otros parámetros, adquirir un conjunto de datos con 16 exploraciones FID mientras que el Xe hiperpolarizado está fluyendo a través de la muestra. Realizar la transformación de Fourier y medir la amplitud del pico en el espectro. Esta es la intensidad de la señal para el gas xenón hiperpolarizado mixtUre. Además, observe la frecuencia de resonancia del pico de gas en Hz.
  5. Evacuar un pesado tubo de pared RMN equipado con una válvula de sellado de baja presión y llenarlo con ca. 2 bar sobrepresión de xenón puro.
  6. Vacíe el colector de gas que sostiene el tubo de RMN y llenar aprox. 0,2 bar de oxígeno puro en la parte superior de la Xe en el tubo de RMN (es decir, el ajuste de la presión de O 2 bar de sobrepresión 2,2). El oxígeno mejorará la relajación de la magnetización Xe después de la excitación de RF (que nos permite trabajar con TR = 15 seg, el proceso contrario TR mucho tiempo si el gas no se sustituye por la siguiente excitación como en el paso 3.4).
  7. Sustituir el fantasma de flujo de gas utilizado anteriormente en el imán de RMN con este tubo de RMN bajo presión y llevar a cabo la secuencia de pulsos de RMN como en 3,4. Esto le dará la intensidad de la señal de RMN para térmicamente polarizada de alta concentración de Xe.
  8. Comparar las intensidades de señal de térmicamente y Xe hiperpolarizado y calcular la señal de mejorarción de tomar las diferentes concentraciones y presiones en cuenta. Calcular la polarización de espín de la siguiente manera:

La polarización térmica giro th P se debe determinar primero como referencia. Se define como la diferencia de población de los dos estados de espín a través de la suma de las poblaciones, es decir,

Ecuación 1
A temperatura ambiente, esto es dada por la aproximación de alta temperatura y la relación R como población

Ecuación 2
(K es la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, y γ la relación magnetogírica). Puesto que la energía térmica kT es, con mucho, el factor dominante, R se aproxima a 1, es decir 0,999982232 para Xe a 0 B = 9,4 T. Esto produce P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

A continuación, la señal normalizada mejora ε factor tiene que ser calculada a partir de la relación de la señal de HP hiperpolarizado S y la señal de polarización térmica th S (suponiendo que todos los parámetros de RMN de impulsos de secuencias fueron idénticas para ambas aplicaciones):

Ecuación 3
Donde c y p representan la concentración de Xe en la mezcla de gas (en%) y la presión de la mezcla de gas, tanto para los experimentos con térmicamente y Xe hiperpolarizado, respectivamente. La hiperpolarización alcanzado viene dado por el día εP producto.

4. Funcionalizado Xenon Solution Estado Espectroscopia

  1. Preparar una solución 50-200 mM de un host (funcionalizado) de xenón (por ejemplo, cryptophane-A con una unidad de fijación de objetivos). Dependiendo de la hidrofobicidad de la co jaulanstrucc, añadir más o menos DMSO al agua como un disolvente. En nuestra demostración con un cryptophane-A monoácido jaula, es más fácil de usar DMSO puro. Tome ca. 1,5 ml de esta solución y llenarlo en el fantasma de flujo de gas, asegurando que los capilares de sílice fundida 5 permiten burbujeo suficiente de la solución con la mezcla de gas Xe. Realice una prueba de burbujas fuera del imán de RMN con 0,1 SLM y verifique no deseado espuma excesiva.
  2. Inserte el fantasma en la sonda de RMN y melodía y combinar tanto el protón y el X-canales y realizar un calce automático como en el paso 2.2.
  3. Utilice una adquisición FID con retardos apropiados y pulsos de disparo del espectrómetro para abrir y cerrar los controladores de flujo másico. Permitir ca. 15-20 sec burbujeo con 0,1 SLM y posterior 5-8 segundos de retardo de espera a que las burbujas desaparecen, seguido de excitación RF y lectura de FID.
  4. Realizar 16 o 32 repeticiones (dependiendo de su concentración jaula) con sw = 40 kHz, centradas en ca. 11 kHz abajocampo de la frecuencia de resonancia de gas determinado en el paso 3,4. Lectura de FID debe ser 500-1,000 m. Transformada de Fourier de la FID para obtener el espectro.
  5. Establecer el valor del desplazamiento químico de la señal de más a la derecha (fase gaseosa) a 0 ppm. Anote la frecuencia de la señal solución intenso (señal más a la izquierda) en Hz y ppm. También note el desplazamiento entre esta señal a δ solución y la señal de encapsulado Xe en jaula δ ~ 60 -. 80 ppm en ppm Este desplazamiento se denomina Δω (véanse también los resultados representativos).

5. Hyper-CEST imágenes

  1. Con el fin de probar la capacidad de agente de contraste de una molécula huésped xenón, un experimento con un espectro de dos compartimentos se puede realizar. Para ello, tome ca. 50% de la solución de ensayo de la sección 4 y llenarlo en un tubo de RMN de 5 mm. Inserte este tubo en la instalación de 10 mm de burbujas de la sección 4. Llenar el compartimento exterior con sólo el disolvente y la jaula no hasta el mismo nivel que la co interiormpartment. Insertar 3 del burbujeo capilares hacia el exterior y 2 capilares en el compartimento interior.
  2. Vuelva a conectar el tubo a la configuración de burbujas y repita el paso 4.2.
  3. Seleccione una secuencia de disparo único PAI para obtener imágenes rápidamente. Esta secuencia posiblemente tiene que ser modificado para incluir los retrasos y los pulsos de disparo del espectrómetro para abrir y cerrar los controladores de flujo másico. Permitir ca. 15 a 20 seg con burbujeo 0,1 SLM y posterior 5 a 8 segundos de retardo de espera a que las burbujas desaparecen, seguida por la codificación de MRI.
  4. Ajuste el núcleo detección a 129 Xe en el X-canal y la frecuencia del transmisor / observador al valor determinado por la señal de solución en el paso 4,5. Con la herramienta calculadora pulso RF, convierta los parámetros del pulso (amplitud y duración) de la etapa 3.3 en la excitación utilizada en la secuencia de imágenes.
  5. La geometría de la imagen en nuestro ejemplo es el siguiente: 10 - 20 mm grosor de corte, orientación transversal; 20 x 20 mm campo de view; tamaño de matriz 32x32; muestreo doble (para evitar artefactos) y el factor de codificación parcial de Fourier establece en 1,68 para la adquisición acelerada (es decir, sólo 19 de los 32 pasos de codificación de fase son realmente adquirida).
  6. Abrir el módulo CEST (un módulo de transferencia de magnetización modificada) para la preparación de la señal y permiten una cw presaturación pulso (parámetros, por ejemplo, 2 segundos de duración, 5 mT amplitud). Realizar 2 escaneos en orientación transversal con la frecuencia de la portadora de este pulso de saturación una vez que se establece en jaula solución δ = δ - Δω y una vez para el control δ = δ + Δω solución.
  7. Usando una imagen posterior a la herramienta de procesamiento, generar la imagen de diferencia Hyper-CEST restando la imagen con saturación a partir de la jaula δ uno con saturación en el control δ. El único resultado que destacar las áreas donde el anfitrión Xe estaba presente (véanse también los resultados representativos).

6. Los resultados representativos

La absorción del láser se puede controlar cambiando el campo magnético alrededor de la célula de encendido y apagado. Dependiendo de la potencia del láser y la temperatura de la célula, la absorción casi completa se observa con el campo magnético de apagado y ca. 30% de transmisión se produce con el campo en (a comparación se muestra en la Figura 8).

Para un sistema operativo de RMN a 9,4 T (400 MHz para 1 H, 110 MHz para 129 Xe), la mejora de la señal debe ser ca. 16000-veces cuando se comparan térmicamente polarizado xenón con xenón hiperpolarizado. Según la etapa 3,8, esto corresponde a una polarización de espín de ca. 15%. Los valores> 10% debe ser alcanzable cuando se utiliza una línea estrecha de láser diodo con salida de cw> 100 W.

El 129 Xe espectro de RMN de una disolución de DMSO que contiene 213 mM de un host molecular debe exhibir una señal de enjaulado xenón con unaseñal-a-ruido de ca. 10 por 16 adquisiciones (Figura 9; a temperatura ambiente, ensanchamiento de línea de 10 Hz se utiliza).

El conjunto de datos Hyper-CEST MRI muestra la intensidad de señal completa para el control de la imagen fuera de la resonancia y el agotamiento de la señal en áreas que contienen la molécula huésped Xe en la imagen saturación en resonancia. La imagen de diferencia exclusivamente muestra las áreas que respondieron al pulso de saturación (Figura 10).

Figura 1
Figura 1. Vista lateral de los componentes ópticos para conseguir la luz polarizada circularmente. La luz del láser se acopla en el sistema a través de la fibra óptica en el lado izquierdo. Tanto el cubo divisor de haz de polarización (PBC) y la placa de onda λ / 4 se instalan en la rotación de soportes para ajustar el hacha rápidos para producir luz polarizada circularmente (ver película 1). El haz reflejado por el ordinario PBC puede ser desviado por un espejo para terminar en un vertedero de haz (no mostrado).

Figura 2
Figura 2. Vista superior de los componentes ópticos para conseguir la luz polarizada circularmente. Esta visión incluye la descarga haz para el haz ordinario. Como medida de seguridad, los termopares están monitorizando la temperatura de la expansión del haz primario, el volcado de haz, y el cubo divisor de haz de polarización.

Figura 3
Figura 3. Vista lateral de la célula de bombeo con la pared lateral de la caja de horno abierto. El laSer la luz entra en la caja de la izquierda a través de una ventana de cristal en paralelo. El orificio en el extremo derecho atenúa la potencia del láser transmitida a proteger el espectrómetro óptico que recibe la luz a través de un colimador y fibra óptica. La mezcla de gas Xe viaja opuesta a la dirección de la luz láser: entra en la célula a través de la pierna derecha y sale en el lado izquierdo.

Figura 4
Figura 4. A) Primer plano de Rb gota dentro de la célula de bombeo. El calentador de silicio naranja (controlado por un regulador PID) está unida a la parte inferior de la celda de vidrio. Un termopar en la parte superior controla la temperatura de la célula. b) Primer plano de la zona de entrada de gas de un medio envejecido célula de bombeo con incraliviar la acumulación de condensado en la pared de vidrio. c) gotita Rb restante en la misma célula de bombeo como en b), como se ve mediante la iluminación de la célula de la parte posterior y con tiempo de exposición corto para suprimir la visibilidad de la pared de vidrio de revestimiento.

Figura 5
Figura 5. Transiciones de energía en el vapor de metal alcalino. a) Sin externa B-campo, los magnéticos sub-niveles no están definidos (ilustrado en gris solamente), por lo que cualquier átomo en el estado fundamental absorbe la luz. b) Activación de un campo externo define los niveles Zeeman y causas de bombeo de una sola transición de acuerdo con las reglas de selección de dipolo. Esto causa la acumulación de átomos en uno de los niveles sub-mientras que un número reducido de átomos en el otro estado sub-suelo nivel absorbe la luz láser.


Figura 6. Jaula cryptophane funcionalizado para la detección de un objetivo específico de interés bioquímico. La señal de RMN Xe cambiará en el acontecimiento de unión de la unidad de dirección específica.

Figura 7
Figura 7. Visible objetivo del haz (luz roja) para la alineación de la célula de bombeo para asegurar la iluminación completa del volumen de bombeo.

Figura 8
Figura 8. Perfiles láser para célula de bombeo diferentecondiciones. No se observa absorción de la celda fría (temperatura ambiente) cuando no hay vapor de Rb está presente. Se observan dos líneas de emisión de nuestro láser de diodo (junto con una FWHM de 0,5 nm que está dentro de la especificación del fabricante). Cuando la célula alcanza su temperatura establecida (180 º C) y el campo magnético se apaga, general D 1 excitación provoca una absorción casi completa de la luz láser. El cambio del campo magnético induce en selectiva de bombeo de una sola transición y aumenta la intensidad de la transmisión.

Figura 9
Figura 9. 129 Xe espectro de RMN de una disolución de DMSO que contiene cryptophane-A monoácido (estructura también se muestra) como una jaula de Xe. El pico de gas está referenciado a 0 ppm. Xe libre en solución aparece en solución δ = 2450.7 ppm y la jaula en jaula Xe δ = 79,2 ppm. Para el experimento de Hyper-CEST, el pulso de la saturación una vez fijado a la jaula de δ para permitir la transferencia de saturación para disminuir el pico de la solución y una vez ajustado a control δ = 412,2 ppm para recoger la señal de referencia para la resta. Parámetros experimentales: 213 jaula mu M en DMSO a 295 K, 16 adquisiciones con ancho de banda de 32,3 kHz, 772 ms FID lectura, Xe burbujeó en la solución a 0,1 SLM durante 20 s.

Figura 10
Figura 10. 129 Xe MR imágenes de xenón disuelto en DMSO. El fantasma consiste en dos compartimientos separados con sólo el compartimento interior que contiene cryptophane-A monoácido (a una concentración de 50 mM). Antes de cada imagen EPI se toma, a 5 mT onda continua saturation pulso se aplica durante 2 seg. a) El pulso de saturación está en control de δ, es decir, fuera de resonancia con el Xe pico @ jaula y se observa una señal fuerte de ambos compartimentos. b) La saturación está en resonancia con el Xe @ pico de jaula en jaula δ, casi completamente la destrucción de la señal desde el compartimento interior. La sustracción de imágenes a) - b) revela la ubicación de la molécula huésped Xe. Las imágenes se adquirieron con un FOV de 20 x 20 mm, un espesor de corte de 10 mm y 32 x 32 píxeles. Fueron entonces thresholded e interpolados a 256 x 256 píxeles.

Película 1. Animación del montaje de una instalación de SEOP. El rayo láser es primero aumentó de diámetro por un expansor de haz principal y pasa a través de un cubo divisor de haz de polarización (PBC). La rotación de este cubo cambia las intensidades relativas de la viga ordinaria y extraordinarias. Para la posición con máxima de transmisión, el eje rápido de la PBC está alineado con la dominaciónnt eje de polarización de la luz entrante. La polarización lineal de la luz transmitida - que está influida por la relación calidad / extinción de la PBC - pueden ser probados usando un segundo PBC como un analizador. Alineación de su eje rápido con el eje rápido del primer cubo debe dar transmisión máxima, mientras que la rotación adicional de 90 ° debe dar cero de transmisión y la reflexión total. La inserción de un λ / 4 placa de onda convierte la polarización lineal en circular si su eje rápido se gira 45 ° en contra del eje rápido de la primera PBC. La intensidad de la luz transmitida ahora debería ser independiente de la rotación del cubo segundos. Extracción de los componentes de análisis y su sustitución por un expansor de haz secundario se obtiene el diámetro del haz derecho para iluminar la célula de bombeo. Una gotita de rubidio sentado en esta celda está parcialmente vaporizado una vez al calentador fuera de la célula está activada. La mezcla de gas xenón que fluye a través de la configuración en dirección opuesta a la del haz láser distributes este vapor por toda la célula. Sin un campo magnético, esto causa general D 1 excitación de los átomos de Rb y fuerte absorción de la luz láser. Al girar el magnético permite el bombeo selectivo de sólo una transición entre los ahora definidos magnéticos subniveles. Como consecuencia de ello, sólo un número reducido de átomos absorben la luz láser y la transmisión se incrementa de nuevo. Haga clic aquí para ver la película .

Movie 2. Animación que explica el efecto CEST. Jaulas Cryptophane servir como anfitriones moleculares para atrapar átomos de Xe que cambian su frecuencia de resonancia en este enlace de eventos (azul transición -> verde). Una adquisición de RMN primero determina la cantidad de Xe no unido como una señal de referencia. A continuación, un pulso de saturación selectiva que afecta sólo a los átomos enjaulados destruye su magnetización. Puesto que la unión Xe es un proceso reversible, un pulso largo cancelars la magnetización de muchos átomos y una segunda adquisición de RMN revela una disminución significativa de la señal de libre Xe comparación con la señal de referencia. Haga clic aquí para ver la película .

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 en la preparación de xenón hiperpolarizado son impurezas de oxígeno en el colector de gas, incluyendo la célula de bombeo y la iluminación suficiente de la célula con luz polarizada circularmente. La prueba de la bombilla mencionado anteriormente es una manera simple de detectar concentraciones perjudiciales de oxígeno durante la transferencia de rubidio. El metal alcalino puede perder su superficie brillante por la vez que se instala en la celda del polarizador. Sin embargo, la vaporización suficiente de Rb no oxidado puede ser monitoreado por transmisión de láser reducida (cuando se calienta una célula fresco por primera vez, podría ser que un aumento adicional de temperatura de ca 20 ° C es necesario para iniciar el proceso de vaporización;. Una vez absorción láser se inicia, el punto de ajuste debe ser reducida). Absorción de láser casi completa en la presencia del campo magnético indica que existe al menos una región en la célula con el exceso de Rb densidades de vapor que puede ocasionar una iluminación no homogénea de células y mala bombo Xerpolarization. Reducir la temperatura del calentador si esto ocurre hasta que es de aproximadamente 30% de transmisión a través de la célula.

Las tasas de temperatura óptima, la presión, la mezcla de gases y el flujo tiene que ser determinado experimentalmente para cada configuración ya que éstos dependerán de la geometría específica y la conducción térmica de la célula óptica y la anchura de la línea láser y la potencia de polarizadores individuales. En particular, se ha demostrado que el intercambio de espín Rb a Xe es más eficiente a baja presión 12. Sin embargo, debido a la anchura de línea relativamente grande de los láseres de diodo, la polarización de Rb es a menudo más eficaz a presiones grandes 1. Estos dos factores deben ser lanzados unos contra otros para llegar a la polarización máxima para una configuración dada.

Óptico alternativo de bombeo se puede lograr mediante el uso de la Rb D 2 transición con un láser que emite a 780 nm o mediante el uso de Cs con su transición D 1 a 894 nm y D 13 2 14. Dependiendo de la disponibilidad de sistemas de láser, uno de los cuatro enfoques pueden ser elegidos para óptimas condiciones de bombeo.

Una lista de averías bueno para la creación y operación de una instalación SEOP también se puede encontrar en 15. Algunos de los componentes más opciones de control de vacío y sobrepresión en el colector de evacuación polarizador y el soporte utilizado en el paso 3,5 se enumeran en la tabla de equipos.

Para preservar la polarización del Xe, debe mantenerse en un campo magnético. El campo de dispersión de un espectrómetro de RMN es suficiente para esto. En la fase de gas de la T 1 de Xe es hr muchos. Esto se puede aumentar mediante la congelación de la muestra, lo que es particularmente ventajoso para el transporte. Interacciones de pared son una de las causas principales de la despolarización de gas Xe. Estos se pueden reducir mediante la selección cuidadosa de los materiales (por ejemplo, por recubrimiento de la cristalería 16) y reducir el área de contacto entreen el gas y su contenedor.

Adquisición de los datos de RMN de las soluciones puede ser obstaculizada por la excesiva formación de espuma durante el período de burbujeo o burbujas restantes en el líquido después del retardo de espera. Esto causa graves faltas de homogeneidad del campo y la pérdida de señal importante. Reducir el punto de ajuste del controlador de flujo de masa en este caso.

La configuración de polarización que aquí se presenta permite estudios de RMN fáciles con xenón hiperpolarizado durante períodos prolongados de tiempo. Por lo tanto, la señal promedio para condiciones con concentraciones bajas de destino es fácilmente posible. Estabilidad de la señal, se garantiza a través de la utilización de controladores de flujo másico desencadenados por el espectrómetro.

La señal de funcionalizado Xe se ha informado que dependen de varios aspectos de la micro-entorno, incluyendo parámetros como la temperatura local de pH, y la composición del disolvente. Por lo tanto, este enfoque tiene varias aplicaciones potenciales en tanto in vitro unand diagnósticos in vivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

Este proyecto de investigación ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación en el Programa de la Comunidad Europea Séptimo Programa Marco (FP7/2007-2013) / ERC acuerdo de subvención n ° 242710 y fue apoyado además por el Human Frontier Science Program y el Programa Emmy Noether del alemán Research Foundation (CDRH 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).
Xenón hiperpolarizado para RMN y MRI Aplicaciones
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