Waiting
Login processing...

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

Engineering

Hyperpolariserad xenon för NMR och MRI applikationer

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

Produktionen av hyperpolariserad xenon genom spinnutbyte optisk pumpning (SEOP) beskrives. Denna metod ger ett ~ 10000-faldig förbättring av kärnspinn polarisering av Xe-129 och har tillämpningar inom NMR-spektroskopi och avbildning. Exempel på gasfas och lösning experiment statliga ges.

Abstract

Kärnmagnetisk resonans (NMR)-spektroskopi och avbildning (MRI) lider inre låg känslighet eftersom även starka yttre magnetfält ~ 10 T genererar endast en liten detekterbar nät-magnetisering av provet vid rumstemperatur 1. Följaktligen flesta NMR och MRI tillämpningar bygger på detektion av molekyler vid relativt hög koncentration (t.ex. vatten för avbildning av biologisk vävnad) eller kräva överdrivna Hämtningstider. Detta begränsar vår förmåga att utnyttja den mycket användbara molekylära specificitet NMR-signaler för många biokemiska och medicinska tillämpningar. Dock har nya metoder fram under de senaste åren: Manipulering av de upptäckta spin arten före detektion inuti NMR / MRI magneten kan dramatiskt öka magnetiseringen och därmed möjliggör detektion av molekyler i mycket lägre koncentration 2.

Här presenterar vi en metod för polarisering av en xenon-gas-blandning (2-5% Xe, 10%N 2, Han balans) i en kompakt installation med en ca. 16000-faldig signalförstärkning. Moderna linje avsmalnande diodlasrar medger effektiv polarisering 7 och omedelbar användning av gasblandning även om ädelgasen inte separeras från de andra komponenterna. Den SEOP apparaten förklaras och bestämning av den uppnådda spinpolarisation visas för prestanda kontroll av metoden.

Den hyperpolariserade gasen kan användas för hålrummet avbildning, inklusive gas flow imaging eller studier diffusion vid gränsytorna med andra material 8,9. Dessutom är Xe-NMR-signalen extremt känslig för dess molekylära omgivning 6. Detta möjliggör alternativet att använda det som ett NMR / MRI-kontrastmedel vid upplösning i vattenlösning med funktionaliserade molekylära värdar som tillfälligt fånga gasen 10,11. Direkt detektion och högkänsliga indirekt detektion av sådana konstruktioner visas i både spektroskopiska och bildåtergivningsläge. </ P>

Introduction

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

Hyperpolariserad agenter får allt större uppmärksamhet för NMR / MRI applikationer eftersom de kan lösa känslighet problemet under vissa omständigheter 2. Tre huvudinriktningar för närvarande används (dynamisk kärn polarisering, DNP, para-väte inducerad polarisation, PhIP och snurra utbyte optisk pumpning, SEOP) som alla förbereder ett artificiellt ökad skillnad spinn befolkningen utanför en NMR magnet före själva spektroskopi eller avbildning experiment . Här beskriver vi funktionen och driften av en SEOP installation som har optimerats för produktion av hyperpolariserad 129 Xe som används i experiment lösning state.

En väsentlig komponent är en intensiv ljuskälla avger infraröda fotoner vid 795 nm. Laserdiod kedjor (LDA) är bekväma enheter som ger hög uteffekt> 100 W till en rimlig kostnad. I många uppsättningar har LDA avger till en optisk fiber som mer eller mindre bibehåller polarisationen av the laserljus. För att garantera en tillräcklig SEOP Bearbeta detta elliptisk polarisation måste omvandlas till cirkulär polarisering av hög renhet. Viktiga komponenter i polarisering optik visas i figurerna 1 och 2 och ställa in systemet förklaras schematiskt i kompletterande film 1.

Att cirkulärt polarisera ljuset vi lägger först fiberänden till en primär optik strålexpansion (t.ex. en fiber kollimator) för att minska effekttäthet. Ljuset passerar sedan genom en polariserande stråldelare kub, genererar linjärt polariserat ljus. Genom att rotera denna kub kan vi bestämma önskad axel återstående polarisering med en kraftmätare. Maximal överföring motsvarar situationen där den snabba axeln hos kuben är i linje med den huvudsakliga ljus polarisationsaxeln. Kuber med höga extinktionskoefficienter (100.000: 1 eller bättre) ger en god separation av polarisationskomponenter. Detta kan testasmed en andra kub stråldelare som en analysator som roteras medan den första är inriktad för maximal överföring av extraordinära strålen.

När den linjära polarisationen av det transmitterade ljuset har bekräftats, är en λ / 4 våg platta avsedd för 795 nm införs i extraordinära strålen att omvandla linjär till cirkulär polarisation. För detta ändamål, är den snabba axeln hos vågen plattan roteras 45 ° i förhållande till stråldelaren kub snabb axel. (Om så önskas, kan cirkulär polarisation av den reflekterade strålen vanliga med sin linjära polarisation vinkelrät mot den extraordinära strålen uppnås på ett liknande sätt.)

Kvaliteten på den cirkulära polarisationen kan testas med en andra stråldelare kub som bör ge konstant överföring vid rotation. En sekundär strålexpansion optik (t.ex. två linser i en galileisk teleskop konfiguration) ökar sedan stråldiametern helt illuminate glaskuvetten för pumpprocessen inuti en ugn låda. Absorption av laserljuset genom Rb-ångan i cellen övervakas via en tapp hål bakom den pumpande cellen i slutet av lådan: en kollimator samlar ett försvagat IR-strålen som skall analyseras med en optisk spektrometer (se figur 3 för pumpcellen inställning ).

En värmemekanism utanför pumpningscellen förångas delvis en Rb droppe som sitter inne i cellen (fig. 4a) och orsakar därför absorptionen laserljus. Densitet av ångan kan justeras via uppvärmning börvärde för respektive PID-regulatorn. Höga temperaturer (ca 190 ° C) är bra för kompakta konfigurationer där xenon har en begränsad tid för att bygga upp polarisering. Den gasblandning innehållande Xe, N 2 och han flyter genom den pumpande cellen motsatt laserstrålen riktning (figur 3). Ett externt magnetfält i linje med laserstrålen säkerställer att the IR fotoner bara pumpar en Rb övergång. Relaxation av elektronen staterna är snabb och måste vara icke-radiativ att undvika utsläpp av IR fotoner med "fel" polarisation. Här kommer N 2 i spel som kylgas. Slutligen bygger Rb systemet upp en överbefolkning av en av undernivåer grundtillståndet medan den andra kontinuerligt utarmas av lasern (Figur 5). Xenon komma i nära kontakt med RB atomer upplever spin-spin interaktioner och elektronens spinn polarisering överförs till Xe kärnor i flip-flop processer.

Den hyperpolariserade gasen strömmar ut ur pumpningscellen innehåller spårmängder av Rb-ångan som kondensat på rörväggen inom några cm av utloppet på grund av den låga temperaturen (liknande fig. 4b). In vivo applikationer, skulle emellertid kräva ytterligare eliminering av alkalimetall (t.ex. genom en köldfälla) för in vitro experimeNTS kan utföras säkert med gasen när den lämnar hyperpolarisatorn. Teflon förbinder polarisatorn utlopp med inloppet hos en glas apparat för att utföra NMR-experiment på testlösningar. Massflödes-kontrollorgan används för att justera mängden av Xe som strömmar in i NMR-installationen. De utlöses av kommandon i NMR-pulssekvensen. Efter kontroll av uppnått polarisering förbättring, kan gasen användas som ett NMR / MRI kontrastmedel i experiment lösning state.

Xe har en viss löslighet i vatten (4,5 mM / atm) och andra lösningsmedel. Det kan därför redan tjänstgöra på egen hand som ett kontrastmedel för att visa fördelningen av vissa vätskor. Emellertid är det också möjligt att koppla NMR-aktiva kärnor till vissa molekyler för att få molekylär-specifik information genom den annars inerta gasen. Genom att tillhandahålla en molekylär värd för den upplösta Xe, är det möjligt att ge molekylär specificitet till Xe-NMR-signalen. Detta ger möjlighet attkonstruktion funktionaliserade kontrastmedel - även kallade biosensorer - när en sådan värd struktur är kopplad till en målsökande enhet som binder till specifika analyter av biomedicinska intresse (figur 6).

Ytterligare känslighet förbättring krävs när biosensorn bör upptäckas vid koncentrationer som är låga för MR kontrastmedel (<100 nM). Detta kan uppnås genom kemiskt utbyte mättnad överföring (CEST). Denna metod detekterar biosensorn indirekt genom att förstöra magnetiseringen av bur Xe och observera signalen ändringen av fri Xe i lösning. Eftersom det hyperpolariserade kärnorna kontinuerligt byts ut efter cirka 10 ms, många 100 till 1000 kärnor överföra informationen på den detekterade poolen och förstärka signalen ca. 10 3-faldigt (se film 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. Beredning av SEOP Setup

Rubidium måste föras in i den optiska pumpningscellen, för att underlätta överföringen av polarisering från laserljuset till xenon. På grund av dess höga reaktivitet denna process måste ske utan Rb kommer i kontakt med syre eller vatten, annars kommer det att bli oxiderade och kommer inte polarisera Xe. Extra försiktighet bör tas som Rb reagerar häftigt med vatten.

  1. Om den optiska cellen har tidigare använts kommer det att beläggas med ett skikt av Rb och Rb oxid, såsom kan ses i figur 4b. Cellen måste först vara rena före användningen. Stäng inlopps-och utloppsrören för den optiska cellen. Samtidigt hålla den trycksatt, transportera cellen till ett dragskåp. Under huven med lämplig personlig skyddsutrustning, öppna cellen atmosfären och vänta ungefär en timme för att låta Rb yta att oxidera.
  2. Försiktigt pipettera ren isopropanol i cellen. Detta kommer att upplösaRb oxidskikt, och blanka droppar Rb flyttar över ytan av isopropanolen som vattendroppar på en värmeplatta. Häll isopropanol (och eventuella Rb som kommer med det) i en bägare. Upprepa tills allt Rb avlägsnas.
  3. Om detta fortfarande inte avlägsna all Rb, göra en lösning av 10% vatten och 90% isopropanol och upprepa steg 1,2) öka andelen vatten (i steg om 10%) tills allt Rb avlägsnas.
  4. När allt Rb avlägsnas, skölj den optiska cellen med aceton.
  5. Ta en tidigare evakuerad och argon-fyllda optiska pumpningscellen i en handskbox med argon. Även omfatta en ampull rubidium, ett verktyg för att bryta ampullen, Pasteur pipetter, Kimwipes och en värmepistol. För att upprätthålla en torr atmosfär i handskbox, placera en petriskål med fosforpentoxid som torkmedel. Närvaron av oönskade spår av syre kan övervakas med en glödlampa där glaskolven öppnas för att exponera tråden till handskfacket atmosfären.Förutsättningarna är bra så länge ingen rök uppstår med ljuset påslaget.
  6. Öppna påfyllningsöppning av pumpningscellen, bryta ampullen Rb och smälta alkalimetallen med värmepistol. Njut lite vätska Rb med en pipett och spruta in den pumpande cellen.
  7. Stäng påfyllningsöppning efter ökning av argontrycket i handskfacket att upprätthålla ett lätt övertryck i pumpningscellen för transport till polarisatorn installationen. Ta cellen ur handskfacket.
  8. Anslut cellen till polarisatorn grenrör, se till att den är i linje med laserstrålen linjen belysande cellen under pumpprocessen (detta kan göras med det synliga ljuset syftar balk, Figur 7) och kontrollera att uppvärmningsanordning med termoelement har ordentlig termisk kontakt med cellen (som i figur 4a). Fäst ett termoelement till toppen av cellen.
  9. Utrymma röranslutningar upp till inloppet och utloppsventilen av pumpningscellen. Efternå ett tryck av <30x10 -3 mbar, rensa ledningarna med hög renhet Ar (eller kväve). Upprepa detta tre gånger.
  10. Med Ar tanken öppen för pumpningscellen inloppet långsamt öppna inloppet och utloppsventilen av cellen. Öppna försiktigt polarisatorn utloppsventil en liten bit för att upprätta en Ar-flöde på ca. 1 SLM genom grenröret. Behåll denna flöde i 2 min. Vid det här laget bör syre föroreningar väsentligen elimineras för att undvika Rb oxidering. Stäng ventilen polarisatorn utlopp och inlopp anslutning till Ar tanken.
  11. Slå på värmaren av pumpningscellen (inställd temperatur ca. 180-190 ° C under en värmeremsan monterad under cellen). Detta kommer att förånga en del av Rb droppen.
  12. Öppna Xe-anslutningen gasblandningen i polarisatorn installationen. Tanken regulatorn ska vara inställd på ca. 3,5 bar övertryck.
  13. Slå lasern på och ställa sin avger våglängd till ca. 794,8 nm genom att justera den inställda temperaturen på dioden kylmedel. Övervaka laSer profil genom en optisk spektrometer.
  14. Kontinuerlig förångning av Rb orsakar ökande laser absorptionen. Se till laseremissionen profilen absorberas symmetriskt (Justera kylvätsketemperatur om nödvändigt). När temperatursensorn ovanpå cellen läser ca. 100 ° C, bör du observera en signifikant minskad laser transmission (se diagram 8).
  15. Laser absorption orsakar också extra värme, därför ökar trycket i cellen. Övervaka cell förhållanden och försiktigt ventilera gas från polarisatorn utlopp (som vid normal drift) för att frigöra visst tryck när värdet närmar sig gränsvärdet pumpningscellen är klassad för (5 bar abs. I vår konfiguration).
  16. Slå på det magnetiska fältet (ca 2-3 mT) omkring pumpningscellen under övervakning lasern profilen. Överföring bör gå upp omedelbart som fältet orsakar selektiv optisk pumpning (se figur 8).
  17. Vänta tills alla temperaturer stabiliseras.Polarisatorn är nu klar att användas.

2. Framställning av NMR-Setup

  1. Sätt ett provrör med vatten i NMR-sondhuvudet och utföra inställning och matchning av radiofrekvens (RF)-krets för protonen och xenon-kanalen.
  2. Shim på vattnet signalen med den automatiserade shims rutinen av MRI användargränssnittet.

3. Hyperpolarisering Kvantifiering

  1. Anslut röret polarisatorn utlopp till inloppet av testet fantom med ca. 5 kapillärer att injicera Xe och gas ventilationsröret till anslutningen med massflödesstyrenheten.
  2. Se till att gasflödeshastighetsreglerdonen är inställda på "slutna" och sakta öppna ventilen polarisatorn utlopp för att trycksätta fantom. Ställ in flödeshastigheten till ca. 0,5 SLM att starta ett kontinuerligt flöde genom fantomen. Uppskatta från fantom volymen och gasflödeshastigheten hur lång tid det tar att helt ersätta gasvolymen. I vår inställning, är detta ca. 2 sek.
  3. (t.ex. 5-100 ^ sek). Ytterligare parametrar är: spektralbredd av sw = 10 kHz, förvärv tid ta = 1 sek och en repetitionstid TR som är längre än den ersättande tid beräknats i steg 3,2. Frekvensen hos excitationspulsen för Xe gas vid 9,4 T är ca. 110,683 MHz. Flamjoniseringsdetektorn med den starkaste signalen kommer att ge dig den rätta kombinationen av pulseffekt och längd för maximal signal.
  4. Efter att ha minskat flödet till 0,1 SLM, ökar TR till 15 sek (för att vara jämförbar med steg 3,7), och lämnar de andra parametrarna oförändrade förvärva en datamängd med 16 FID skanningar när hyperpolariserad Xe flödar genom provet. Utför Fourier transformationen och mäta toppamplituden i spektrumet. Detta är signalintensiteten för den hyperpolariserade xenongas Mixture. Observera även resonansfrekvensen för gasen toppen i Hz.
  5. Evakuera en tung vägg NMR-rör utrustat med en ventil för lågt tryck tätning och fyll den med ca. 2 bar övertryck av ren xenon.
  6. Evakuera gasrörsystemet håller NMR-röret och fylla ca. 0,2 bar rent syre ovanpå Xe i NMR-röret (dvs., justera O 2 trycket till 2,2 bar övertryck). Syret kommer att öka uppmjukning av Xe magnetiseringen efter RF excitation (det ger oss möjlighet att arbeta med TR = 15 sek, processen kräver annat mycket lång TR om gasen inte ersätts för nästa excitation som i steg 3,4).
  7. Ersätta den tidigare använda streckade gasflödet i NMR-magneten med denna låga tryck NMR-rör och utför NMR-pulssekvensen som i 3,4. Detta kommer att ge dig intensiteten NMR-signalen för termiskt polariserat hög koncentration Xe.
  8. Jämföra signalintensiteterna av termiskt och hyperpolariserad Xe och beräkna signal förbättraning ta olika koncentrationer och tryck i beräkningen. Beräkna spinpolarisation enligt följande:

Den termiska spinpolarisation P e måste bestämmas först som en referens. Det definieras som befolkningen skillnaden mellan de två spinntillstånd över summan av befolkningen, det vill säga

Ekvation 1
Vid rumstemperatur, detta ges av den höga temperaturen tillnärmning och befolkningen förhållandet R som

Ekvation 2
(K är Boltzmanns konstant, T är den absoluta temperaturen och γ den magnetogyric förhållande). Eftersom den värmeenergi kT är den absolut dominerande faktorn är R nära 1, dvs 0,999982232 för Xe vid B 0 = 9,4 T. Detta ger P e (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Därefter har den normaliserade signalen förstärkningsfaktor ε beräknas från förhållandet mellan den hyperpolariserade signalen hk och signalen från termiska polarisation S e (förutsatt att alla NMR pulssekvens parametrar var identiska för båda ansökningarna):

Ekvation 3
Där c och p representerar koncentrationen av Xe i gasblandningen (i%) och trycket av gasblandningen både experimenten med termiskt och hyperpolariserad Xe resp. Den uppnådda hyperpolarisering sedan ges av produkten εP e.

4. Funktionaliserad Xenon Lösning State spektroskopi

  1. Förbered en 50-200 uM lösning av en (funktionaliserad) xenon värd (t.ex. cryptophane-A med en målsökande enhet). Beroende på hydrofobiciteten av buren construkt, lägga till mer eller mindre DMSO till vatten som lösningsmedel. I vår demonstration med cryptophane A monosyra bur, är det enklast att använda ren DMSO. Ta ca. 1,5 ml av denna lösning och fyll det i gasflödet fantom, säkerställer att 5 kvartsglas kapillärer tillräcklig bubbling av lösningen med Xe-gas blandningen. Gör en bubblande prov utanför NMR-magneten med 0,1 SLM och kontrollera oönskad överdriven skumbildning.
  2. Sätt in fantom i NMR-sond och melodi och matcha både protonen och X-kanalerna och utföra en automatisk mellanlägg som i steg 2,2.
  3. Använd en FID förvärv med lämpliga förseningar och baljväxter utlösa från spektrometern för att öppna och stänga massflödes-styrenheter. Tillåt för ca. 15-20 sek bubblande med 0,1 SLM och efterföljande 5-8 sek väntar fördröjning för bubblorna att försvinna, följt av RF-excitation och FID avläsning.
  4. Utför 16 eller 32 repetitioner (beroende på bur koncentration) med SW = 40 kHz, centrerad vid ca. 11 kHz nedfältet från gasen resonansfrekvens bestäms i steg 3,4. FID avläsning ska vara 500-1000 meter. Fouriertransformen FID att få spektrumet.
  5. Ställ in värdet kemiska förskjutningen för de flesta rätt signal (gasfas) till 0 ppm. Skriv ner hur ofta den intensiva lösningen signalen (längst till vänster signal) i Hz och ppm. Notera också förskjutningen mellan denna signal vid δ lösning och signalen inkapslat Xe vid δ bur ~ 60 till 80 ppm i ppm. Denna förskjutning kallas Δω (se även representativa resultat).

5. Hyper-CEST Imaging

  1. För att testa förmågan kontrastmedlet av en xenon värdmolekyl, kan ett experiment med två fack fantom utföras. För att göra detta, ta ca. 50% av testlösningen från avsnitt 4 och fylla den i en 5 mm NMR-rör. Sätt detta rör i 10 mm bubblande inställning från avsnitt 4. Fyll den yttre avdelningen med endast lösningsmedlet och ingen bur upp till samma nivå som den inre compartment. Sätt 3 av den bubblande kapillärerna i den yttre och 2 kapillärer i det inre utrymmet.
  2. Anslut slangen till bubblande inställningar och upprepa steg 4,2.
  3. Välj en single-shot EPI sekvens för snabb avbildning. Denna sekvens behöver kanske ändras för att inkludera förseningar och baljväxter utlösa från spektrometern för att öppna och stänga massflödes-styrenheter. Tillåt för ca. 15 till 20 sekunder bubblande med 0,1 SLM och efterföljande 5 till 8 sekunder väntar fördröjning för bubblorna att försvinna, följt av MRT-kodning.
  4. Ställ detekteringen kärnan till 129 Xe på X-kanalen och sändaren / observatör frekvens till det värde som bestäms för lösningen signalen i steg 4,5. Använda RF-pulsen oddsuträknare, konvertera pulsparametrar (amplitud och varaktighet) från steg 3,3 till excitation används i bildbehandling sekvens.
  5. Den bildgivande geometri i vårt exempel är följande: 10 - 20 mm skivtjocklek, tvärgående orientering, 20 x 20 mm område view, matrisstorlek 32x32, dubbel provtagning (för att undvika artefakter) och partiell Fourier-kodning faktor satt till 1,68 för accelererade förvärv (dvs endast 19 av de 32 stegen faskodning faktiskt förvärvas).
  6. Öppna CEST modulen (en modifierad magnetisering överföringsmodulen) för signal förberedelse och möjliggöra en cw presaturation puls (parametrar, t ex 2 sek varaktighet, 5 pT amplitud). Utför 2 skanningar i tvärgående orientering med bärvågsfrekvensen av denna mättnad puls en gång sätts till δ bur = δ lösning - Δω och en gång till δ kontroll = δ lösning + Δω.
  7. Använda en bild efterbearbetning verktyg generera Hyper-CEST skillnad bild genom att subtrahera bilden med mättnad vid δ bur från en med mättnad vid δ kontroll. Resultatet bör endast belysa områden där Xe värd var närvarande (se även representativa resultat).

6. Representativa resultat

Lasern absorptionen kan övervakas genom omkoppling av magnetfält runt cellen på och av. Beroende på lasereffekten och cell temperatur, nästan fullständig absorption observerades med magnetfältet avstängd och ca. 30% överföring sker med fältet på (en jämförelse visas i figur 8).

För ett NMR-system som arbetar vid 9,4 T (400 MHz för 1 H, 110 MHz för 129 Xe), bör signalförstärkning vara ca. 16000-faldigt vid en jämförelse termiskt polariserat xenon med hyperpolariserad xenon. Enligt steg 3,8, motsvarar detta en spin polarisering av ca. 15%. Värden> 10% ska kunna uppnås vid användning av en rad smalare diodlaser med kontinuerlig utgångseffekt på> 100 W.

Den 129 Xe-NMR-spektrum av en DMSO-lösning innehållande 213 | iM av en molekylär värd bör uppvisa en signal bur xenon med ensignal-till-brus-förhållande på ca. 10 för 16 förvärv (figur 9, vid rumstemperatur, linjebreddning av 10 Hz används).

Hyper-CEST MRT datamängd visar full signalstyrka för off-resonant kontroll image och signal utarmning i områden som innehåller Xe värdmolekyl i on-resonanta mättnad bild. Skillnaden bilden visar enbart de områden som svarade på mättnad puls (figur 10).

Figur 1
Figur 1. Sidovy av optiska komponenter för att uppnå cirkulärt polariserat ljus. Laserljuset kopplas in i systemet genom den optiska fibern till vänster. Både den polariserande stråldelaren kub (PBC) och λ / 4 våg plattan är installerade på roterande fästen för att justera den snabba yxas för framställning cirkulärt polariserat ljus (se film 1). Den vanliga stråle som reflekteras av PBC kan avledas genom en spegel för att hamna i en stråle dump (visas ej).

Figur 2
Figur 2. Ovanifrån av optiska komponenter för att uppnå cirkulärt polariserat ljus. Denna uppfattning innefattar strålen dumpa för den vanliga strålen. Som en säkerhetsåtgärd, är termoelement övervakning av temperaturen hos den primära strålexpanderaren, balken dumpa, och den polariserande stråldelaren kub.

Figur 3
Figur 3. Sidovy av pumpningscellen med sidoväggen i ugnen lådan öppnas. Laser ljus kommer in i boxen från vänster genom en parallell glasfönster. Pinhole på den högra änden dämpar den överförda lasereffekten för att skydda den optiska spektrometer som mottar ljus genom en kollimator och optisk fiber. XE gasblandningen färdas motsatt laserljus riktning: den inträder i cellen genom det högra benet och utträder på vänster sida.

Figur 4
Figur 4. A) Närbild av Rb droppe inuti pumpningscellen. Den orangefärgade kisel värmaren (som styrs av en PID-regulator) är fäst till botten av glaset cellen. Ett termoelement ovanpå övervakar celltemperaturen. b) Närbild av gasinloppet området ett medium åldern pumpningscellen med inkrlätta kondensat byggs upp på glasväggen. c) Återstående Rb droppe i samma pumpningscellen som i b), såsom framgår genom att belysa cellen från baksidan och med kort exponeringstid för att undertrycka synligheten av glasväggen beläggningen.

Figur 5
Figur 5. Energi övergångar i alkalimetall ånga. a) Utan extern B-fältet, är de magnetiska undernivåer inte definierats (illustrerad i grått endast), varför någon atom i grundtillståndet absorberar ljus. b) Slå på en extern fält definierar Zeeman nivåer och orsakar pumpning av endast en övergång enligt dipol urvalsregler. Detta orsakar ansamling av atomer i en av de sub-nivåer medan ett mindre antal atomer i den andra grundtillståndet undernivå absorberar laserljus.


Figur 6. Funktionaliserad cryptophane bur för att detektera ett specifikt mål för biokemisk intresse. XE NMR-signal kommer att ändras vid bindning vid den specifika målsökande enheten.

Figur 7
Figur 7. Synligt syftar stråle (rött ljus) för inriktning av pumpningscellen att säkerställa fullständig belysning av pumpa volymen.

Figur 8
Figur 8. Laser profiler för olika pumpningscellenförhållanden. Ingen absorption observeras för kall cell (rumstemperatur) när ingen Rb-ångan är närvarande. Vi observerar två emissionslinjer från vår diodlaser (tillsammans med en FWHM på 0,5 nm som ligger inom tillverkarens specifikation). När cellen når sin inställda temperatur (180 ° C) och det magnetiska fältet är avstängd, förorsakar allmän D 1 excitering nästan fullständig absorption av laserljuset. Slå magnetfältet på inducerar selektiv pumpning av endast en övergång och ökar överföring intensitet.

Figur 9
Figur 9. 129 Xe NMR-spektrum av en DMSO-lösning innehållande cryptophane A monosyra (struktur även visad) som en Xe bur. Gasen toppen refereras till 0 ppm. Gratis Xe i lösning visas i δ lösning = 2450,7 ppm och bur Xe vid δ bur = 79,2 ppm. För Hyper-CEST experimentet mättnad pulsen en gång inställd på δ bur för att möjliggöra mättnad överföring för att minska lösningens topp och en gång inställd på δ kontroll = 412,2 ppm för att samla referenssignalen för subtraktion. Experimentella parametrar: 213 M bur i DMSO vid 295 K, 16 förvärv med 32,3 kHz bandbredd, läsa 772 ms FID ut bubblade Xe i lösning vid 0,1 SLM för 20 sek.

Figur 10
Figur 10. 129 Xe MR bilder av xenon upplöst i DMSO. Den fantom består av två separata utrymmen med endast det inre utrymmet som innehåller cryptophane A monosyra (vid en koncentration av 50 pM). Före varje EPI bilden tas, en 5 pT kontinuerlig våg saturatjon puls appliceras i 2 sek. a) mättnad pulsen är δ kontroll, det vill säga, av resonans med Xe @ buren topp och vi ser stark signal från båda avdelningarna. b) mättnad på resonant med Xe @ buren topp vid δ bur, nästan helt förstöra signalen från den inre avdelningen. Subtraktion bild a) - b) visar platsen för Xe värdmolekyl. Bilderna förvärvades med FOV på 20 x 20 mm, en bit tjocklek på 10 mm och 32 x 32 pixlar. De därefter trösklas och interpoleras till 256 x 256 pixlar.

Film 1. Animation av montering en inställning för SEOP. Laserstrålen först ökas i diameter genom en primär strålexpander och passerar genom en polariserande stråldelare kub (PBC). Rotation av denna kub ändrar relativa intensiteterna för det vanliga och extraordinära strålen. För läget med maximal överföring, den snabba axel PBC linje med dominant polarisationsaxel av det inkommande ljuset. Den linjära polarisationen av ljus - som påverkas av kvaliteten / utdöende förhållandet PBC - kan testas med en andra PBC som en analysator. Anpassa sin snabba axel med den snabba axeln av den första kuben ska ge maximal överföring, medan ytterligare rotation med 90 ° ska ge noll överföring och full reflektion. Insättning av en λ / 4 våg plattan omvandlar den linjära till cirkulär polarisering om dess snabba axel roteras 45 ° mot den fasta axeln hos den första PBC. Intensiteten hos det transmitterade ljuset bör nu vara oberoende av rotationen hos den andra kuben. Borttagning av analysera komponenterna och ersätta dem med en sekundär strålexpander ger rätt stråldiametern att belysa pumpningscellen. En rubidium droppe som sitter i denna cell är delvis förångas när en varmare utanför cellen är påslagen. Xenon gasblandningen strömmar genom setup i motsatt riktning mot laserstrålen distributes denna ånga över hela cellen. Utan ett magnetfält, orsakar detta allmänna D 1 excitering av Rb atomer och stark absorption av laserljuset. Slå den magnetiska på tillåter selektiv pumpning av endast en övergång mellan de nu fastställda magnetiska undernivåer. Som en konsekvens endast ett minskat antal atomer absorberar laserljuset och transmissionen ökar igen. Klicka här för att se filmen .

Film 2. Animation förklarar CEST effekten. Cryptophane burar fungerar som molekylära värdar för att fånga Xe atomer som ändrar sin resonansfrekvens på denna bindning händelse (övergång blå -> grön). En första NMR-förvärv bestämmer mängden obundet Xe som en referenssignal. Därefter förstör en selektiv mättning puls påverkar endast de caged atomerna deras magnetisering. Eftersom Xe bindningen är en reversibel process, en lång puls avbrytas magnetiseringen av många atomer och en andra NMR-förvärv avslöjar en viktig signal minskning från gratis Xe jämfört med referenssignalen. Klicka här för att se filmen .

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

Kritiska aspekter vid framställningen av hyperpolariserad xenon är syre föroreningar i gasgrenröret inklusive pumpningscellen och tillräcklig belysning av cellen med cirkulärt polariserat ljus. Ovannämnda glödlampan test är ett enkelt sätt att upptäcka skadliga syrehalter under överföring rubidium. Alkalimetallen kan förlora sin blanka yta vid den tidpunkt då cellen är installerad i polarisatorn. Emellertid kan tillräcklig förångning av icke-oxiderad Rb övervakas genom reducerad laser överföring (vid upphettning en ny cell för första gången, kan det vara att en ytterligare temperaturökning av ca 20 ° C krävs för att starta förångningsprocessen,. Gång laser absorption startar börvärdet bör minskas). Nästan fullständig laser absorption i närvaro av det magnetiska fältet indikerar att det finns åtminstone ett område i cellen med överskott Rb ånga densiteter som kan orsaka cell-inhomogen belysning och dålig Xe hyperpolarization. Minska temperaturen hos värmaren om detta händer tills det är ungefär 30% transmission genom cellen.

Optimal temperatur, tryck, gasblandning och flödeshastigheter måste bestämmas experimentellt för varje inställning eftersom dessa kommer att bero på den specifika geometrin och värmeledning hos den optiska cellen och laserlinje bredd och kraft individuella polarisatorer. I synnerhet har det visat sig att spinnutbyte från Rb till Xe är mest effektiva vid lågt tryck 12. Ändå, på grund av den relativt stora linjebredden av diodlasrar, Rb polarisering ofta effektivare vid stora tryck 1. Dessa två faktorer måste spelas ut mot varandra för att nå maximal polarisation för en given installation.

Alternativ optisk pumpning kan uppnås genom att använda Rb D 2 övergång med en laser som emitterar vid 780 nm eller med hjälp av Cs med dess D 1 övergång vid 894 nm 13 och D 2 14. Beroende på tillgängligheten av lasersystem, kan en av de fyra tillvägagångssätten väljas för optimala pumpförhållanden.

En bra felsökning lista för att inrätta och driva ett SEOP inställning kan också hittas i 15. Några fler komponenter för styrning vakuum och övertryck i polarisatorn grenröret och evakueringen står används i steg 3,5 listas i utrustningen tabellen.

För att bevara polariseringen av Xe, måste den hållas i ett magnetfält. Ströfält en NMR-spektrometer är tillräckligt för detta. I gasfasen T 1 av Xe är många timmar. Detta kan ökas genom frysning av provet, vilket är speciellt fördelaktigt för transport. Wall interaktioner är en av de viktigaste orsakerna till depolarisering av Xe gas. Dessa kan minskas genom noggrant val av material (t.ex. genom att belägga glas 16) och minska betw kontaktytaneen gasen och dess behållare.

Förvärvet av NMR-data från lösningar kan hämmas av överdriven skumning under bubblande perioden eller bubblor kvar i vätskan efter den väntande fördröjningen. Detta orsakar allvarliga fält inhomogeniteter och betydande signalförlust. Minska börvärdet på massflödesstyrenheten i detta fall.

Polariseringen inställning presenteras här möjliggör enkel NMR-studier med hyperpolariserad xenon under längre tidsperioder. Därför är signal genomsnitt för förhållanden med låga målkoncentrationer lätt möjligt. Signal stabilitet garanteras genom användning av mass flödesregulatorerna utlöses av spektrometern.

Signalen för funktionaliserade Xe har rapporterats bero på flera aspekter av mikro-miljö, inklusive parametrar som lokal temperatur, pH och sammansättning av lösningsmedlet. Därför detta synsätt har olika potentiella tillämpningar inom både in vitro ennd in vivo diagnostik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

Detta forskningsprojekt har fått finansiering från Europeiska forskningsrådet inom ramen för Europeiska gemenskapens sjunde ramprogram (FP7/2007-2013) / ERC bidragsavtal nr 242.710 och dessutom stöds av Human Frontier Science Program och Emmy Noether Program av den tyska Research Foundation (SCHR 995/2-1).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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