פרויקט מחקר זה קבל מימון ממועצת המחקר האירופית תחת התכנית של הקהילה האירופית השביעית מסגרת (FP7/2007-2013) / המענק ERC ההסכם n ° 242710 ובנוסף נתמך על ידי תכנית האדם Frontier מדע והתכנית של אמי נטר הגרמני קרן מחקר (SCHR 995/2-1).

<ol>
	<li>Schr&#246;der, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Xenon+for+NMR+biosensing+-+Inert+but+alert.">Xenon for NMR biosensing - Inert but alert.</a> Phys Med. , (2011).</li><li>Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+agents+for+advanced+MRI+investigations.">Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations.</a> Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).</li><li>Walker, T. G., Happer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-exchange+optical+pumping+of+noble-gas+nuclei.">Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei.</a> Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).</li><li>Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S., Wishnia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+magnetic+resonance+imaging+using+laser-polarized+129Xe.">Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe.</a> Nature. 370, 199-201 (1994).</li><li>Cherubini, A., Bifone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarised+xenon+in+biology.">Hyperpolarised xenon in biology.</a> Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).</li><li>Goodson, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+magnetic+resonance+of+laser-polarized+noble+gases+in+molecules,+materials,+and+organisms.">Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms.</a> J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).</li><li>Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+laser-polarized+xenon+using+fiber-coupled+laser-diode+arrays+narrowed+with+integrated+volume+holographic+gratings.">Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings.</a> J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).</li><li>Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+lung+physiology+with+xenon+polarization+transfer+contrast+(XTC).">Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC).</a> Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).</li><li>Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+alveolar-capillary+gas+transfer+using+hyperpolarized+129Xe+MRI.">Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionalized+xenon+as+a+biosensor.">Functionalized xenon as a biosensor.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).</li><li>Schr&#246;der, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+imaging+using+a+targeted+magnetic+resonance+hyperpolarized+biosensor.">Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor.</a> Science. 314, 446-449 (2006).</li><li>Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+a+low-pressure+high-capacity+129Xe+flow-through+polarizer.">Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer.</a> Phys. Rev. A. 80, 063424 (2009).</li><li>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., M&#246;ller, H. E., Chen, X. J., Cofer, G. P., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+hyperpolarized+129Xe+produced+by+spin+exchange+with+diode-laser+pumped+Cs.">Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs.</a> Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).</li><li>Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+Hyperpolarized+129Xe+Gas+Without+Nitrogen+by+Optical+Pumping+at+133Cs+D2+Line+in+Flow+System.">Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System.</a> Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).</li><li>Zhou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+noble+gases+as+contrast+agents.">Hyperpolarized noble gases as contrast agents.</a> Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+antirelaxation+coatings+for+alkali-metal+vapor+cells+using+surface+science+techniques.">Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques.</a> J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).</li></ol>

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

היבטים קריטיים בהכנה של קסנון hyperpolarized הם זיהומי חמצן בסעפת הגז כולל תא השאיבה ותאורה מספקת בתא עם אור מקוטב מעגלי. מבחן הנורה שהוזכר לעיל הוא דרך פשוטה לזהות ריכוזי חמצן מזיקים בעת העברת רובידיום. מתכת אלקלי עלולה לאבד המשטח המבריק שלה על ידי זמן התא מותקן במקטב. עם זאת, אידוי מספק של Rb אינם מתחמצן-ניתן לנטר באמצעות שידור ליזר מופחת (כאשר מחמם תא טרי בפעם הראשונה, יכולה להיות שעלייה נוספת בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס בקירוב נדרשה כדי להתחיל את תהליך האידוי;. פעם קליטת ליזר מתחילה, הנקודה להגדיר צריכה להיות מופחתת). קליטת ליזר כמעט מוחלטת בנוכחות השדה המגנטי מצביעה על כך שקיימת לפחות אזור אחד בתא עם צפיפות אדי RB עודפת שעלול לגרום לתאורת תא הומוגניות וההייפ Xe רעrpolarization. מוריד את החום של התנור, אם זה קורה עד שיש כ 30% העברה דרך התא. שיעורי טמפרטורה אופטימלית, לחץ, תערובת גז וזרימה צריכים להיקבע באופן ניסיוני עבור כל התקנה כמו אלה יהיו תלויים בגיאומטריה הספציפית והולכת תרמית של התא האופטי וליזר קו הרוחב ועצמה של מקטבים בודדים. במיוחד זה הוכח כי חילופי ספין מRb לXe הוא יעילים ביותר בלחץ נמוך 12. עם זאת, בשל רוחב הקו הגדול יחסית של לייזרי דיודה, קיטוב Rb הוא לעתים קרובות יעיל יותר בלחצים גדולים 1. שני גורמים אלה חייבים להיות שחקו זה נגד זה כדי להגיע לקיטוב מרבי להגדרת נתונה. אופטי אלטרנטיבי שאיבה יכולה להיות מושגת על ידי שימוש במעבר 2 D Rb עם פולט ליזר ב780 ננומטר או באמצעות Cs עם מעבר 1 D שלה ב 894 ננומטר 13 ו D 2 </sub&gt; מעבר ב852 ננומטר 14. בהתאם לזמינות של מערכות ליזר, אחד מארבע הגישות יכולה להיבחר לתנאי שאיבה אופטימליים. רשימת ירי צרות טובה להקמת ותפעול של מערך סאופ ניתן למצוא גם ב 15. עוד כמה רכיבים לבקרת ואקום וoverpressure בסעפת המקטב והפינוי לעמוד בשימוש בצעד 3.5 מפורטים בטבלת הציוד. כדי לשמר את הקיטוב של Xe, הוא חייב להיות כל זמן בשדה מגנטי. השדה התועה של ספקטרומטר תמ&quot;ג מספיק לכך. הגז בשלב 1 T של Xe הוא שעות רבות. זה יכול להיות מוגבר על ידי הקפאת המדגם, שהוא יתרון במיוחד להובלה. אינטראקציות קיר הן אחד מהגורמים העיקריים לשלילת הקוטביות של גז Xe. אלה יכולים להיות מופחתים על ידי בחירה זהירה של חומרים (לדוגמה על ידי ציפוי הזכוכית 16) וצמצום שטח המגע between הגז והמכל שלו. רכישת נתוני NMR מפתרונות יכולה להיות הקשתה על ידי ההקצפה מוגזמת בתקופה המבעבעת או הבועות שנותרו בנוזל לאחר העיכוב מחכה. זה גורם inhomogeneities הרציני בשטח ואובדן אות משמעותית. הפחת את נקודת הסט של בקר הזרימה ההמונית במקרה זה. התקנת הקיטוב הציגה כאן מאפשרת ללימודי NMR קלים עם קסנון hyperpolarized על פני תקופות זמן ארוכים. לפיכך, אות ממוצע לתנאים עם ריכוזי היעד נמוכים בקלות אפשרית. יציבות אות מובטחת באמצעות השימוש בבקרי זרימה המוניים מופעלים על ידי ספקטרומטר. האות של Xe הפונקציונלי דווחה תלויה במספר היבטים של סביבת מייקרו, כוללים פרמטרים כמו טמפרטורה, חומציות והרכב של הממס מקומי. לכן גישה זו יש יישומים פוטנציאליים שונים בשניהם במבחנהnd באבחון vivo.

סוכני hyperpolarized צוברים תשומת לב הולך וגובר ליישומי NMR / MRI מאחר שהם יכולים לפתור את בעית הרגישות בנסיבות מסוימות 2. שלוש גישות עיקריות משמשות כיום (קיטוב דינמי גרעיני, DNP; קיטוב פסק מימן מושרה, PHIP; וספין חילופים אופטי שאיבה, סאופ) שכל להכין הבדל אוכלוסיית ספין גדל באופן מלאכותי מחוץ מגנט NMR לפני ספקטרוסקופיה בפועל או ניסוי הדמיה . כאן אנו מתארים את התפקוד והתפעול של התקנת סאופ כי כבר מותאם לייצור של 129 Xe hyperpolarized משמש בניסויי מדינת פתרונות. מרכיב חיוני הוא מקור אור חזק פולט פוטונים באינפרא אדום 795 ננומטר. מערכי דיודת ליזר (LDA) הם מכשירים נוחים המספקים הספק גבוה&gt; 100 ואט ובעלות סבירה. במערכים רבים, LDA הוא פולט לתוך סיב אופטי שפחות או יותר שומר על הקיטוב של הדואר אור ליזר. כדי להבטיח תהליך סאופ מספיק קיטוב אליפטי זה חייב להיות מומר לקיטוב מעגלי של טוהר גבוה. מרכיבים עיקריים של אופטיקה הקיטוב מוצגים באיורי 1 ו 2 והקמת המערכה מוסברת אופן סכמטי בסרט משלים 1. מעגלי לקטב את האור שאנו מייחסים בהתחלה את קצה הסיב לאופטיקה הרחבת קורה עיקרית (למשל, collimator סיבים) להפחתת צפיפות הספק. אור ואז עובר דרך קוביית קיטוב קרן מפצל, יצירת אור מקוטב לינארית. על ידי סיבוב קובייה זו אנו יכולים לקבוע את הציר המועדף של הקיטוב שנותר עם מד כוח. שידור מרבי מתאים למצב שבו הציר המהיר של הקובייה מיושר עם ציר קיטוב האור העיקרי. קוביות עם מקדמי הכחדה גבוהים (100000: 1 או יותר) תנבנה הפרדה טובה של רכיבי קיטוב. זה יכול להיבדקבאמצעות קוביית מפצל קורה שנייה כמנתח שהוא הסתובב בזמן הראשון מיושר לשידור מרבי של הקרן המיוחדת הזה. ברגע הקיטוב לינארי של האור המועבר אושר, צלחת גל λ / 4 מיועדות ל795 ננומטר מוחדרת לקרן המיוחדת הזה להמיר יניארית לקיטוב מעגלי. לצורך כך, הציר המהיר של צלחת הגל הוא לסובב על ידי 45 מעלות יחסית לציר המהיר קוביית מפצל הקורה. (אם תרצה, קיטוב מעגלי של הקרן הרגילה משתקפת בניצבה יניארי קיטוב הציר לקרן המיוחדת הזה יכול להיות מושגת באופן דומה.) איכות הקיטוב המעגלי, ניתן לבדוק עם קוביית מפצל קורה שנייה שאמורים להניב שידור קבוע על המחזור. אופטיקה הרחבת קורה משנית (שתי עדשות למשל בתצורת הטלסקופ גלילית) ואז מגדילה את קוטר האלומה ללחלוטיןlluminate תא הזכוכית לתהליך השאיבה בתוך תיבת תנור. קליטה של אור הליזר על ידי Rb אדים בתא מנוטרת דרך חור סיכה מאחורי תא השאיבה בסוף התיבה: collimator אוסף קרן IR נחלש להיות מנותח בספקטרומטר אופטי (ראה איור 3 לשאיבת התקנת תא ). מנגנון חימום מחוץ לתא השאיבה חלקי מאדה טיפת Rb יושב בתוך התא (איור 4 א) ולכן גורם לספיגת אור ליזר. צפיפות האדים יכולה להיות מותאמת דרך נקודת סט החימום של בקר PID המתאים. טמפרטורות גבוהות (בערך 190 מעלות צלזיוס) הן טובות עבור setups הקומפקטי בי קסנון יש כמות מוגבלת של זמן כדי לבנות את הקיטוב. תערובת הגז המכילה Xe, N 2 והוא זורם דרך התא ההפוך לכיוון קרן ליזר השאיבה (איור 3). שדה מגנטי חיצוני מיושרים עם קרן הליזר מבטיח כי הדואר פוטוני IR רק שאיבת מעבר Rb אחד. ההרפיה של מדינות האלקטרונים היא מהירה וצריכה להיות ללא קרינה, כדי למנוע פליטה של ​​פוטוני IR עם קיטוב &quot;לא בסדר&quot;. כאן, N 2 נכנסו לשחק כגז להרוות. סופו של דבר, מערכת Rb בונה את התפוצצות אוכלוסין של אחד מsublevels מצב הקרקע ואילו השני מתרוקן ברציפות על ידי הליזר (איור 5). קסנון מקבל בקשר הדוק לאטומי RB חווה אינטראקציות ספין ספין וקיטוב ספין האלקטרון מועבר אל גרעיני Xe בתהליכי שנוי. גז hyperpolarized זורם אל מחוץ לתא השאיבה מכיל כמויות זעירות של Rb אדים מעובים שעל קיר הצינורות בתוך כמה סנטימטרים של המשקע בשל הטמפרטורה הנמוכה (דומה לאיור 4 ב). ביישומי vivo, לעומת זאת, היה דורשים חיסול נוסף של מתכת אלקלי (למשל באמצעות מלכודת קרה) ואילו במבחנה experimeNTS יכול להתבצע בבטחה עם הגז כפי שהוא עוזב hyperpolarizer. צינורות טפלון מתחברים לשקע מקטב עם כניסתו של מנגנון זכוכית לבצע ניסויי NMR בפתרוני בדיקה. בקרי זרימה המונית משמשים כדי להתאים את כמות Xe זורמת לתוך הגדרת NMR. הם מופעלים על ידי פקודות ברצף דופק NMR. לאחר שבדק את שיפור הקיטוב הושג, ניתן להשתמש בגז כחומר ניגוד NMR / MRI בניסויי מדינת פתרונות. Xe יש מסיסות מסוימת במים (4.5 מ&quot;מ / אטמוספרות) וממסים אחרים. לפיכך, כבר יכול לשמש בעצמו כסוכן בניגוד להצגת ההפצה של נוזלים מסוימים. עם זאת, אפשר גם לקשר את גרעיני NMR הפעילים למולקולות מסוימות על מנת להשיג מידע מולקולרי ספציפי באמצעות גז אינרטי אחרת. על ידי מתן מארח מולקולרי לXe המומס, אפשר להעניק סגולי מולקולרית לאות תמ&quot;ג Xe. זה מספק את ההזדמנותסוכני עיצוב פונקציונליים ניגוד - הנקרא גם חיישנים ביולוגיים - כאשר מבנה מארח כזה מצמיד את יחידת מיקוד שנקשרה לanalytes הספציפי של העניין ביו (איור 6). שיפור רגישות יתר נדרש כאשר צריך להיות מזוהה biosensor בריכוזים שאינם נמוכים לסוכנים בניגוד MR (&lt;100 מיקרומטר). זו יכולה להיות מושגת על ידי העברת רווית חילופים כימיים (CEST). שיטה זו מזהה biosensor בעקיפין על ידי השמדת המגנטיזציה של Xe כלוב והתבוננות בשינוי האות של Xe החופשי בתמיסה. מאז גרעיני hyperpolarized מוחלפים ברציפות לאחר כ 10 אלפיות רבת 100-1000 העברה, גרעיני מידע על הברכה זוהתה ולהגביר את אות CA. 10 פי 3 (ראה סרט 2).

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> שם המגיב </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגים </td><td> תגובות (אופציונלי) </td></tr><tr><td> מטיל Rb </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 276332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 79610-500G </td><td></td></tr><tr><td> אר </td><td> Praxair </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Xe </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 00472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> 00476-1EA </td><td></td></tr><tr><td> ליזר מערכת </td><td> לייזרי QPC / תפעול ליזר </td><td> Brightlock 50 </td><td></td></tr><tr><td> מערכת ואקום </td><td> פייפר </td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td> צמדים תרמיים </td><td> ניופורטאומגה </td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td> דוד הסיליקון </td><td> ניופורט אומגה </td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td> מתמר לחץ </td><td> ניופורט אומגה </td><td> יחסי הציבור 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td> מטר תהליך </td><td> ניופורט אומגה </td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td> בקרי זרימה המונית </td><td> ניופורט אומגה </td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> רגולטורי PID </td><td> ניופורט אומגה </td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td> תוכנת בקרה </td><td> ניופורט אומגה </td><td> DasyLab </td><td></td></tr><tr><td> רכישת נתונים </td><td> ניופורט אומגה </td><td> Daqboard 3000 </td><td></td></tr><tr><td> חיישן ואקום </td><td> Oerlikon </td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td> בקר אבק </td><td> Vacom </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td> הקרן collimator </td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td> קיטוב קרן ספליטר קובייה </td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ צלחת / 4 גל </td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td> עדשות רחבות Beam </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> ספקטרומטר אופטי </td><td> אופטיקה האוקיינוס </td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td> סיבים אופטיים </td><td> אופטיקה האוקיינוס </td><td></td><td></td></tr><tr><td> צינור לחץ נמוך NMR </td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> צינור NMR 5mm </td><td> סיגמה אולדריץ </td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td> סלילי הלמהולץ </td><td> Phywe </td><td> 06960-00 </td><td></td></tr><tr><td> sili התמזגca נימים </td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

hyperpolarized xenon for nmr and mri applications

תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ספקטרוסקופיה והדמיה (MRI) סובלים מרגישות נמוכה מהותית משום ששדות מגנטיים חיצוניים אפילו חזקים של ~ 10 T לייצר רק נטו המגנטיזציה גילוי קטנה של המדגם בטמפרטורת חדר 1. לפיכך, NMR ו-MRI שרוב היישומים לסמוך על זיהוי של מולקולות בריכוז גבוה יחסית (למשל, מים להדמיה של רקמות ביולוגיות) או לדרוש פעמי רכישה מוגזמות. זה מגביל את היכולת שלנו לנצל את הספציפיות המולקולריות מאוד שימושיות של אותות NMR ליישומים רבים ביוכימיים ורפואיים. עם זאת, גישות חדשות צמחו בשנים האחרונות: מניפולציה של מין הספין אותר לפני הגילוי בתוך מגנט NMR / MRI יכול להגדיל באופן משמעותי את המגנטיזציה ולכן מאפשר זיהוי של מולקולות בריכוז נמוך בהרבה 2. כאן, אנו מציגים שיטה לקיטוב של תערובת גז קסנון (2-5% Xe, 10%N 2, הוא מאזן) בהגדרה קומפקטית עם CA. שיפור אות 16,000 כפול. לייזרי דיודה מודרני קו מוצרות-לאפשר קיטוב יעיל 7 ושימוש מיידי בתערובת גז גם אם לא הופרד הגז האציל מהמרכיבים האחרים. מנגנון סאופ מוסבר ונחישות של קיטוב הספין השיג הוא הוכיח לבקרת ביצועים של השיטה. ניתן להשתמש בגז hyperpolarized להדמית חלל הריק, כולל הדמית זרימת גז או לימודי דיפוזיה בממשקים עם חומרים אחרים 8,9. יתר על כן, אות תמ&quot;ג Xe היא מאוד רגישה לסביבתו המולקולרית 6. זה מאפשר את האפשרות להשתמש בו כחומר ניגוד NMR / MRI כשהם מומסים בתמיסה מימית עם מארחים מולקולריים פונקציונליים שאופן זמני לכידת הגז 10,11. זיהוי ישיר ועקיף גילוי רגישות גבוהה של מבנים כאלה באו לידי ביטוי במצב שניהם ספקטרוסקופיות והדמיה. &lt;/ P&gt;

Watch this Scientific Journal Video about Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications at JoVE.com

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

הייצור של קסנון hyperpolarized באמצעות ספין חילופים אופטיים שאיבה (סאופ) מתואר. שיטה זו מניבה ~ 10,000 שיפור של פי קיטוב הספין הגרעיני של Xe-129 ויש יישומים בספקטרוסקופיה תהודה המגנטית הגרעיניות והדמיה. דוגמאות למצב גזים וניסויי פתרון מדינה מקבלות.

קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 ...

hyperpolarized-xenon-for-nmr-and-mri-applications

Google

Research

JoVE Journal

Engineering

19.4K Views.  Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie. הייצור של קסנון hyperpolarized באמצעות ספין חילופים אופטיים שאיבה (סאופ) מתואר. שיטה זו מניבה ~ 10,000 שיפור של פי קיטוב הספין הגרעיני של Xe-129 ויש יישומים בספקטרוסקופיה תהודה המגנטית הגרעיניות והדמיה. דוגמאות למצב גזים וניסויי פתרון מדינה מקבלות.

Video: Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 &deg;C), flammable, and volatile organic electrolytes. These organic based electrolyte systems are viable at ambient temperatures, but require a cooling system to ensure that temperatures do not exceed 80 &deg;C. These cooling systems tend to increase battery costs and can malfunction which can lead to battery malfunction and explosions, thus endangering human life. Increases in petroleum prices lead to a huge demand for safe, electric hybrid vehicles that are more economically viable to operate as oil prices continue to rise. Existing organic based electrolytes used in lithium ion batteries are not applicable to high temperature automotive applications. A safer alternative to organic electrolytes is solid polymer electrolytes. This work will highlight the synthesis for a graft copolymer electrolyte (GCE) poly(oxyethylene) methacrylate (POEM) to a block with a lower glass transition temperature (Tg) poly(oxyethylene) acrylate (POEA). The conduction mechanism has been discussed and it has been demonstrated the relationship between polymer segmental motion and ionic conductivity indeed has a Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) dependence. Batteries containing commercially available LP30 organic (LiPF6 in ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) at a 1:1 ratio) and GCE were cycled at ambient temperature. It was found that at ambient temperature, the batteries containing GCE showed a greater overpotential when compared to LP30 electrolyte. However at temperatures greater than 60 &deg;C, the GCE cell exhibited much lower overpotential due to fast polymer electrolyte conductivity and nearly the full theoretical specific capacity of 170 mAh/g was accessed.

Lithium ion batteries employ flammable and volatile organic electrolytes that are suitable for ambient temperature applications. A safer alternative to organic electrolytes are solid polymer batteries. Solid polymer batteries operate safely at high temperatures (&gt;120 &deg;C), thus making them applicable to high temperature applications such as deep oil drilling and hybrid electric vehicles. This paper will discuss (a) the polymer synthesis, (b) the polymer conduction mechanism, and (c) provide temperature cycling for both solid polymer and organic electrolytes.

אלקטרוליטים קופולימר שתל מצב מוצק עבור יישומי סוללת ליתיום

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

שימוש פנטום אנזים יחיד דינמי רב-תא ללימודים של סוכני תהודה מגנטית Hyperpolarized

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

סינתזה קולואיד של אנטנות Nanopatch עבור יישומים plasmonics ו Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

ייצור של פולימרים microspheres עבור מהוד אופטי ויישומי לייזר

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Protocol for the Evaluation of MRI Artifacts Caused by Metal Implants to Assess the Suitability of Implants and the Vulnerability of Pulse Sequences

As the number of magnetic resonance imaging (MRI) scanners and patients with medical implants is constantly growing, radiologists increasingly encounter metallic implant-related artifacts in MRI, resulting in reduced image quality. Therefore, the MRI suitability of implants in terms of artifact volume, as well as the development of pulse sequences to reduce image artifacts, are becoming more and more important. Here, we present a comprehensive protocol which allows for a standardized evaluation of the artifact volume of implants on MRI. Furthermore, this protocol can be used to analyze the vulnerability of different pulse sequences to artifacts. The proposed protocol can be applied to T1- and T2-weighted images with or without fat-suppression and all passive implants. Furthermore, the procedure enables the separate and three-dimensional identification of signal loss and pile-up artifacts. As previous investigations differed greatly in evaluation methods, the comparability of their results was limited. Thus, standardized measurements of MRI artifact volumes are necessary to provide better comparability. This may improve the development of the MRI suitability of implants and better pulse sequences to finally improve patient care.

We describe a standardized method to evaluate magnetic resonance imaging artifacts caused by implants to estimate the suitability of the implants for magnetic resonance imaging and/or the vulnerability of different pulse sequences to metallic artifacts simultaneously.

פרוטוקול על ההערכה של חפצים MRI הנגרמת על ידי מתכת שתלים להערכת ההתאמה של השתלים ואת הפגיעות של רצפים של הדופק

As the number of magnetic resonance imaging (MRI) scanners and patients with medical implants is constantly growing, radiologists increasingly encounter ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

ייצור של משטחי מתכת Superhydrophobic עבור יישומים ציפוי אנטי

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...

Controllable Nucleation of Cavitation from Plasmonic Gold Nanoparticles for Enhancing High Intensity Focused Ultrasound Applications

In this study, plasmonic gold nanoparticles were simultaneously exposed to pulsed near-infrared laser light and high intensity focused ultrasound (HIFU) for the controllable nucleation of cavitation in tissue-mimicking gel phantoms. This in vitro protocol was developed to demonstrate the feasibility of this approach, for both enhancement of imaging and therapeutic applications for cancer. The same apparatus can be used for both imaging and therapeutic applications by varying the exposure duration of the HIFU system. For short duration exposures (10 &#181;s), broadband acoustic emissions were generated through the controlled nucleation of inertial cavitation around the gold nanoparticles. These emissions provide direct localization of nanoparticles. For future applications, these particles may be functionalized with molecular-targeting antibodies (e.g. anti-HER2 for breast cancer) and can provide precise localization of cancerous regions, complementing routine diagnostic ultrasound imaging. For continuous wave (CW) exposures, the cavitation activity was used to increase the localized heating from the HIFU exposures resulting in larger thermal damage in the gel phantoms. The acoustic emissions generated from inertial cavitation activity during these CW exposures was monitored using a passive cavitation detection (PCD) system to provide feedback of cavitation activity. Increased localized heating was only achieved through the unique combination of nanoparticles, laser light and HIFU. Further validation of this technique in pre-clinical models of cancer is necessary.

This protocol demonstrates the controllable nucleation of cavitation in gel phantoms, through simultaneous exposure to both near-infrared pulsed laser light and high intensity focused ultrasound (HIFU). The cavitation activity can then be used for enhancing imaging and/or therapeutic uses of HIFU.

התגרענות לשליטה של קוויטציה מן Plasmonic חלקיקי זהב לשיפור בעוצמה גבוהה ממוקד יישומים אולטרסאונד

In this study, plasmonic gold nanoparticles were simultaneously exposed to pulsed near-infrared laser light and high intensity focused ultrasound (HIFU) ...

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without attendance and adjustment. Thermochemical thrusters which utilize thermodynamic properties of gases as a means of acceleration have physical limitations on their exhaust gas velocity, resulting in low efficiency. Moreover, these engines demonstrate extremely low efficiency at small thrusts and may be unsuitable for continuously operating systems which provide real-time adaptive control of the spacecraft orientation, velocity and position. In contrast, electric propulsion systems which use electromagnetic fields to accelerate ionized gases (i.e., plasmas) do not have any physical limitation in terms of exhaust velocity, allowing virtually any mass efficiency and specific impulse. Low-thrust Hall thrusters have a lifetime of several thousand hours. Their discharge voltage ranges between 100 and 300 V, operating at a nominal power of &lt;1 kW. They vary from 20 to 100 mm in size. Large Hall thrusters can provide fractions of millinewton of thrust. Over the past few decades, there has been an increasing interest in small mass, low power, and high efficiency propulsion systems to drive satellites of 50-200 kg. In this work, we will demonstrate how to build, test, and optimize a small (30 mm) Hall thruster capable of propelling a small satellite weighing about 50 kg. We will show the thruster operating in a large space environment simulator, and describe how thrust is measured and electric parameters, including plasma characteristics, are collected and processed to assess key thruster parameters. We will also demonstrate how the thruster is optimized to make it one of the most efficient small thrusters ever built. We will also address challenges and opportunities presented by new thruster materials.

Here, we present a protocol to test and optimize space propulsion systems based on miniaturized Hall-type thrusters.

אופטימיזציה, בדיקה ואבחון של הול ולמחקר מדחפים

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites

In this work, an easy, low-cost, and widely applicable method was developed to improve the compatibility between the ceramic fillers and the polymer matrix by adding 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) as a coupling agent during the fabrication process of BaTiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites through solution casting. Results show that the use of KH550 can modify the surface of ceramic nanofillers; therefore, good wettability on the ceramic-polymer interface was achieved, and the enhanced energy storage performances were obtained by a suitable amount of the coupling agent. This method can be used to prepare flexible composites, which is highly desirable for the production of high-performance film capacitors. If an excessive amount of coupling agent is used in the process, the non-attached coupling agent can participate in complex reactions, which leads to a decrease in dielectric constant and an increase in dielectric loss.

Here, we demonstrate a simple and low-cost solution-casting process to improve the compatibility between the filler and the matrix of polymer-based nanocomposites using surface modified BaTiO3 fillers, which can effectively enhance the energy density of the composites.

יישום של סוכן צימוד כדי לשפר את המאפיינים דילטריים של Nanocomposites מבוסס פולימר

In this work, an easy, low-cost, and widely applicable method was developed to improve the compatibility between the ceramic fillers and the polymer ...