Xenón hiperpolarizado para RMN y MRI Aplicaciones
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
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).
Protocol
Discussion
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 s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| 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 |
References
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