この作品は、CPRITグラント（RP140021-P5）とジュリア・ジョーンズ・マシューズがん研究奨学生CPRIT研究研修賞（RP140106、CMW）によってサポートされていました。

注：（ファントムデザイン）2 3ミリリットル室はウルテムから機械加工、射出と排気用のPEEKチューブ（1.5875ミリメートル外径および0.762ミリメートルのID）を装着しました。チャンバは水（ 図1）を充填した50mLの遠心分離管に入れました。気泡によって作成された信号の空隙を回避するために、チャンバおよびラインは、脱イオン水（のdH 2 O）を充填した事前ました。 1.溶液の調製<ol><li> 1 L緩衝液（81.3 mMトリスpHは7.6、203.3のNaCl）を準備します。うち11.38グラムのTrizmaプリセット結晶pHは7.6と11.88グラムのNaClを計り、 の dH 2 Oの1 Lに溶解します</li><li> 50 mMのNADH溶液を調製します。 β-ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）、還元ジカリウム塩の17.8ミリグラムを秤量し、ステップ1で調製した緩衝液の280μlの溶解。 </li><li> 250 U / mlの酵素溶液を調製します。乳酸デヒドロゲナーゼ（LDH）の78.75活性単位を秤量およびSから315μlの緩衝液中に溶解TEP 1。 </li><li>ピルビン酸ミックスを調製します。 21.4 mgのOx063トリチルラジカルを秤量し、1.26グラム（〜1ミリリットル）[1- 13 C]ピルビン酸に溶解します。 </li><li>溶解媒体を準備します（40 mMトリスpHは7.6、40mMのNaOHを、0.27 mMのEDTAおよび50mMのNaCl）。トリズマプリセット結晶性pH 7.6の5.96グラム、NaOHを1.6グラム、0.1グラムエチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩の水和物（EDTA）および2.9グラムのNaClを秤量し、1 LののdH 2 Oに溶解します</li><li> 1時10ガドテリドール溶液（50 mm）を準備します。 dH 2 Oの9μlのガドテリドール1μlのミックス8 M [13 C]尿素の調製。 1.465 5 [13 C]尿素を秤量し、3ミリリットルのdH 2 Oに溶解します</li></ol>過分極ピルビン酸の調製<ol><li>動的核分極（DNP）システム、ピペットガドテリドール液の0.3μlのピルビン酸溶液の13ミリグラム（〜10μl）をするためのサンプルカップで。 </li><li>簡単に言うとピペットチップでサンプルカップにこの混合物を攪拌。&lt;/李&gt; <li> DNPシステムにサンプルを挿入します。 <ol><li> DNPシステムへの扉を確認してください閉じています。 DNPシステム・コンソールに挿入サンプルボタンをクリックすることにより、サンプルの挿入プロセスを開始します。サンプル・ウィザードでは次の通常のサンプルを選択し、を押します。 </li><li>サンプルカップを維持する垂直優しくサンプルカップの上に挿入ロッドを配置します。プロンプトが表示されたら、DNPシステムを開き、挿入ロッドを使用して、温度可変インサート（VTI）にカップを挿入します。 </li><li>温度可変インデックスにサンプルを解放するために、サンプル挿入ロッドの終わりにプランジャーに引き出します。システムからのサンプル挿入ロッドを取り外し、DNPシステム・コンソールに次のボタンをクリックします。 </li></ol></li><li>偏光を開始します。 <ol><li> DNPシステムのコンソール上でスタート分極ボタンをクリックします。偏光監視ソフトウェアを起動するRINMRソフトウェアで型.HYPERSENSENMR。 1に設定を構築し、Enterキーを押します設定します。次に、固体のビルド]をクリックしますuのP。 </li><li>保存ファイルの場所と名前を設定します。 DNPシステムのコンソール上のタブのドロップダウンで13-C用のプロファイルを選択し、次へ]をクリックします。 300秒に、ビルドアップ時に設定サンプル時間をサンプリングし、[完了]をクリックするチェックボックスをオンにします。 </li></ol></li><li> 3.85グラムを測定する（〜4ミリリットル）溶解媒体のいずれかの5ミリリットルの注射器との体積やスケールを使用して重量。 </li></ol>酵素ファントムの調製<ol><li> 〜3ミリリットル[13 C]尿素水溶液でマイクロ遠心チューブを記入し、50ミリリットルの遠心分離管に入れてください。 dH 2 Oで50mlの遠心分離管を埋めます</li><li>形成された泡を洗い流すように注意しながら、ファントムの注入ラインへ〜3ミリリットルのdH 2 Oを注入することによって、2つの酵素室とのdH 2 Oを持つ行を事前に記入してください。 </li><li>注入ラインに簡単にアクセス磁石の中心にファントムを置きます。トンに出ベントます液体をキャッチするためにいくつかのコンテナがあることを確認してください<html>排気ラインを彼。 </li><li>高活性の酵素混合物（17.14 mMのNADH、44.57 U / mLのLDH）を準備します。一緒に240μlのNADH溶液を、125μlのLDH溶液および335μlの緩衝液を混合し、注入ラインに結合させることができる3ミリリットル注射器に保ちます。 注：DNPシステムからの40mMピルビン酸500μlのと合わせたら、最終的なファントム量は16.7 mMのピルビン酸、10 mMのNADHの​​濃度が1.2ミリリットルであること、およびpHを有するトリス緩衝溶液中で26 U / LのLDHます〜 7.5。 </li><li>低活性酵素混合物（17.14 mMのNADH 26.79 U / mLのLDH）を一緒に240μlのNADH溶液を、75μlのLDH溶液および385μlの緩衝液を混合し、注入ラインに取り付けることができる別個の3ミリリットル注射器に保管を準備します。 注：DNPシステムからの40mMピルビン酸500μlのと合わせたら、最終的なファントムのボリュームは16.7 mMのピルビン酸、10 mMのNADHの​​濃度が1.2ミリリットルであること、およびpH約7.5でトリス緩衝溶液中で15.625 U / LのLDHます。 </li></ol>jove_title &quot;&gt; 4。任意の品質保証（QA）とポジショニングスキャンを実行します。 <ol><li>最初のポジショニング。 <ol><li>動作モード[1 H] TX / RXボリュームモードで新規FLASH位置決めスキャンをロードします。 2に設定さ寸法を変更します。分光計コントロールツールを - &gt;編集GS - &gt;セットアップ寸法 - &gt; 2.分光器制御に関するGSPと磁石の中央までのファントムを移動します。分光器制御上を押してSTOPを押しGOP。 </li></ol></li><li>パイロットスキャン。 <ol><li>動作モード[1 H] TX / RXボリュームモードで新規TriPiolt位置決めスキャンをロードします。位置スライス：スキャン制御 - &gt;スライス工具類 - &gt;は（;スライスパッケージスライダーで移動するには、スライスを選択し、Mキーをクリックしてドラッグを保持）スライスを移動します。 </li><li>ウォブル1 Hコイル：分光計コントロールツール- &gt; ACQ - &gt;ぐらつき。磁石と押してSTOP背後にある1 Hコイルをチューニングし、一致します。シフトキーを押しにスキャンコントロールウィンドウ上のトラフィックの光を保持したまま。 </li></ol></li></ol><pクラス= &quot;jove_title&quot;&gt; 5。ラジアルエコープラナー分光イメージングスキャンの設定<ol><li>動作モードの[13 C] TX / RXボリュームモードをスキャンし、新しいラジアルエコープラナー分光イメージング（radEPSI）をロードします。位置スライス：スライスツールスキャン制御上のスライスを移動（Mキークリックとドラッグを保持し、スライスパッケージスライダーで移動するには、スライスを選択します）。 </li><li>分光計コントロールツールをクリックしてウォブル13 Cコイル- &gt; ACQ - &gt;ぐらつき。スペクトロメーター上で1,000〜2,000に受信ゲインを設定します。 </li><li>最終的なシステムチェックを実行します。配列に依存して、スカウトプロトコルにおける尿素室から炭素13の信号を観察します。 注：これは、システムが不可逆的な溶解プロセスを開始する前に適切に設定されることを保証します。 </li></ol> 6.ファイル名を指定して実行解散<ol><li>ピルビン酸は、&gt; 90％の偏光（〜1時間）を達成した場合には、ソリューションおよびファントムは準備ができている、とスキャンがDNP SY上で実行溶解ボタンをクリックして構成されていますコンソールを食い止めます。 </li><li>その動作位置への溶解スティックを移動し、溶解媒体を注入するプロンプトが表示されたら。 DNPシステムを閉じ、DNPシステム・コンソールに完成したボタンをクリックします。 [完了]をクリックし、プロンプトが表示されたら休止位置に戻す溶解スティックを移動します。 </li><li> （加熱開始後〜2分）DNPシステムは、過分極ピルビン酸を配信する場合、それぞれ高いおよび低い酵素濃度溶液をシリンジにピルビン酸溶液500μlを撤回。ゆっくりと（〜10秒）注​​入ラインにそれぞれ注射器を注入します。 注：スキャンは、注射前に、またはいつでも使用するスキャンプロトコルに応じて3分後に注射まで開始されている可能性があります。 </li></ol> 7.画像処理注：このファントムは、多くのイメージング戦略で使用するために設計されました。 RAD-EPSIの画像はMATLABを使用して処理した方法の例として、 図2を参照してください。 <ol><li> FIDファイルから生データをロードします。 Resha実部と虚ペアとして格納されたデータのためのポイント、エコーやアカウントを読み出し、突起の数と一致するデータをPE。偶数と奇数エコーポイントを分離。 </li><li>フーリエ変換は、エコー次元に沿って偶数か奇数エコーのいずれかを変換します。視覚ピルビン酸および乳酸のための周波数帯域を特定します。簡単にするために、スペクトルの絶対値を用いました。 </li><li>各代謝産物のバンドを分離し、フーリエ変換は、各代謝物のために孤立したサイノグラムを生成する周波数エンコード方向に沿って変換します。逆ラドンは、乳酸やピルビン酸のいずれかの画像を生成するために別個のサイノグラムを変換します。 </li></ol>

<ol>
	<li>Merritt, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+13C+allows+a+direct+measure+of+flux+through+a+single+enzyme-catalyzed+step+by+NMR.">Hyperpolarized 13C allows a direct measure of flux through a single enzyme-catalyzed step by NMR.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104. 104, 19773-19777 (2007).</li><li>Rodrigues, T. B., et al. <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+tumor+glycolysis+using+hyperpolarized+13C-labeled+glucose.">Magnetic resonance imaging of tumor glycolysis using hyperpolarized 13C-labeled glucose.</a> Nature medicine. 20, 93-97 (2014).</li><li>Day, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+tumor+response+to+treatment+using+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+imaging+and+spectroscopy.">Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy.</a> Nature medicine. 13, 1382-1387 (2007).</li><li>Keshari, K. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+13C+dehydroascorbate+as+an+endogenous+redox+sensor+for+in+vivo+metabolic+imaging.">Hyperpolarized 13C dehydroascorbate as an endogenous redox sensor for in vivo metabolic imaging.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, 18606-18611 (2011).</li><li>Gallagher, F. 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H., Dominguez Viqueira, W., Hurd, R. E., Chen, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+correction+method+for+improved+spatial+correlation+of+hyperpolarized+13C+metabolites+and+anatomy.">Frequency correction method for improved spatial correlation of hyperpolarized 13C metabolites and anatomy.</a> NMR in biomedicine. 27, 212-218 (2014).</li><li>Larson, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+dynamic+3D+MR+spectroscopic+imaging+with+compressed+sensing+and+multiband+excitation+pulses+for+hyperpolarized+13C+studies.">Fast dynamic 3D MR spectroscopic imaging with compressed sensing and multiband excitation pulses for hyperpolarized 13C studies.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 65, 610-619 (2011).</li><li>Mayer, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+subsecond+spiral+chemical+shift+imaging+to+real-time+multislice+metabolic+imaging+of+the+rat+in+vivo+after+injection+of+hyperpolarized+13C1-pyruvate.">Application of subsecond spiral chemical shift imaging to real-time multislice metabolic imaging of the rat in vivo after injection of hyperpolarized 13C1-pyruvate.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 62, 557-564 (2009).</li><li>Walker, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Catalyzing+Phantom+for+Reproducible+Dynamic+Conversion+of+Hyperpolarized+[1-C-13]-Pyruvate.">A Catalyzing Phantom for Reproducible Dynamic Conversion of Hyperpolarized [1-C-13]-Pyruvate.</a> PloS one. 8, e71274 (2013).</li><li>Levin, Y. S., Mayer, D., Yen, Y. F., Hurd, R. E., Spielman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+fast+spiral+chemical+shift+imaging+using+least+squares+reconstruction:+application+for+hyperpolarized+(13)C+metabolic+imaging.">Optimization of fast spiral chemical shift imaging using least squares reconstruction: application for hyperpolarized (13)C metabolic imaging.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 58, 245-252 (2007).</li><li>von Morze, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+multiagent+hyperpolarized+(13)C+perfusion+imaging.">Simultaneous multiagent hyperpolarized (13)C perfusion imaging.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 72, 1599-1609 (2014).</li><li>Sogaard, L. V., Schilling, F., Janich, M. A., Menzel, M. I., Ardenkjaer-Larsen, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+measurement+of+apparent+diffusion+coefficients+of+hyperpolarized+(1)(3)C-labeled+metabolites.">In vivo measurement of apparent diffusion coefficients of hyperpolarized (1)(3)C-labeled metabolites.</a> NMR in biomedicine. 27, 561-569 (2014).</li><li>Patrick, P. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+transgene+expression+using+hyperpolarized+13C+urea+and+diffusion-weighted+magnetic+resonance+spectroscopy.">Detection of transgene expression using hyperpolarized 13C urea and diffusion-weighted magnetic resonance spectroscopy.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 73, 1401-1406 (2015).</li></ol>

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過分極代謝産物のリアルタイムイメージングシーケンスの設計、検証、および品質管理のための多くの固有の課題を有しています。時空間およびスペクトル不均一性を解決する能力はかなりの臨床的可能性を提供していますが、従来のMRIに関連したQAおよび検証方法を排除します。複雑な撮像シーケンスまたは再構成アルゴリズムは、撮像実験の外側を特徴付けるか検証するためにそれらが?...

13 C標識化合物の過分極磁気共鳴画像（MRI）の臨床的影響は、リアルタイム磁気共鳴分光法及び分光イメージング1-5を介して化学変換率を測定する能力に決定的に依存します。配列開発および検証中に、動的な化学変換は、一般に、 インビボまたは制限された制御および再現性を提供するin vitroモデル6-9 にすることによって達成されます。堅牢なテストと品質保証のために、この測定に流行して化学変換を維持し、より制御システムが好ましいであろう。我々は、動的単一の酵素のファントムを用いて、再現可能な方法で、この変換を達成するための方法を概説します。 過分極13 C剤とほとんどの研究は、機能生物学的環境で、超偏極基板を画像化に焦点を当てます。目標は、生物学を研究することである場合、これは当然の選択でありますアル・プロセスまたは臨床ケアへの影響の可能性を決定します。いくつかの測定システムまたはデータ処理アルゴリズムの特性が所望される場合には、生物学的モデルは、固有の空間的および時間的可変10のような多数の欠点を有します。しかしながら、従来の静的なファントムは、過分極基質のMRIの主要な臨床的関心を駆動化学変換を欠き、かつ変換率または他の動的パラメータ11の検出を特徴付けるために使用することができません。単一酵素系を使用して、我々は、動的画像化戦略の厳密な検査を可能にする、制御可能かつ再現可能な化学変換を提供することができます。 このシステムは、超偏極基板用のイメージング戦略を開発し、代替的なアプローチとの比較のための性能を特徴づけるために希望している研究者を対象としています。静的測定は、所望の終点である場合には、静的な13 C-標識さ代謝物ファントムのwi11で十分でしょう。もう一方の端に、より複雑な生物学的特徴付けは、実際の生物学的モデルは12月14日を必要とされる方法（配達、細胞密度、 など ）にとって重要である場合。このシステムは、見かけ上の化学的変換率の定量的尺度を提供することを目的とイメージング戦略の評価のために理想的です。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1045">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">BioSpect 7T</td>
			<td style="width:147px;">Bruker</td>
			<td style="width:195px;">BioSpec 70/30 USR</td>
			<td style="width:445px;">7 Tesla Pre-Clinical MRI Scanner</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">HyperSense</td>
			<td style="width:147px;">Oxford Instruments</td>
			<td style="width:195px;">Hypersense DNP Polarizer</td>
			<td>Dynamic Nuclear Polarizer for MRI agents</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">1-13C-Pyrvic Acid</td>
			<td style="width:147px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:195px;">677175</td>
			<td>Carbon 13 labled neat pyruvic acid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Trityl Radical</td>
			<td style="width:147px;">GE Healthcare</td>
			<td style="width:195px;">OX063</td>
			<td>Free radical used in Dynamic Nuclear Polarization</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">NaOH</td>
			<td style="width:147px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:195px;">S8045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">EDTA</td>
			<td style="width:147px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:195px;">E6758</td>
			<td style="width:445px;">Ethylenediaminetetraacetic acid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">LDH</td>
			<td style="width:147px;">Worthingthon</td>
			<td style="width:195px;">LS002755</td>
			<td>Lactate Dehydrogenase from rabbit muscle</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">NADH</td>
			<td style="width:147px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:195px;">N4505</td>
			<td>&#946;-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced dipotassium salt</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Trizma</td>
			<td style="width:147px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:195px;">T7943</td>
			<td>Trizma&#174;&#160;Pre-set crystals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">NaCl</td>
			<td style="width:147px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:195px;">S7653</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

use of a multi-compartment dynamic single enzyme phantom for studies of hyperpolarized magnetic resonance agents

磁気共鳴による過分極基質のイメージングは​​、リアルタイムでの重要な生化学的プロセスの評価のための偉大な臨床約束を示しています。過分極状態によって課される基本的な制約のために、エキゾチックなイメージングおよび再建技術が一般的に使用されています。ダイナミック、マルチスペクトルイメージング法の特性評価のための実用的なシステムは、批判的に必要とされています。このようなシステムは、再現性正常および病的な組織の関連する化学ダイナミクスを再現する必要があります。これまでで最も広く利用されている基板は、がん代謝の評価のための[1- 13 C]ピルビン酸を過分極されています。私たちは、乳酸へのピルビン酸への変換を媒介する酵素ベースファントムシステムを説明します。反応は、反応速度を制​​御する試薬の濃度を変え含ま各々が、ファントム内の複数の室に過分極剤の注入によって開始されます。複数の区画は、IMAを確保するために必要です銀杏の配列は、忠実に組織の空間的および代謝不均一性をキャプチャします。このシステムは、 生体内では不可能である化学従来のファントムからは入手できませんダイナミクスだけでなく、制御と再現性を提供することにより、高度なイメージング戦略の開発と検証を支援します。

スライス選択2D画像は、スナップショットradEPSIシーケンスを用いて取得しました。代謝物の画像はフィルタ逆投影を使用して再構築しました。代謝産物の画像が良く、図2に見られるように、プロトン画像と整列させた。このシステムでは過分極乳酸塩の信号のみが過分極ピルビン酸塩の酵素的変換から生成することができます。 図4は 、下?...

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

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

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

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

use-multi-compartment-dynamic-single-enzyme-phantom-for-studies

Research

JoVE Journal

Engineering

6.8K ビュー.  University of Texas M.D. Anderson Cancer Center. A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

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Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 T generate only a small detectable net-magnetization of the sample at room temperature 1. Hence, most NMR and MRI applications rely on the detection of molecules at relative high concentration (e.g., water for imaging of biological tissue) or require excessive acquisition times. This limits our ability to exploit the very useful molecular specificity of NMR signals for many biochemical and medical applications. However, novel approaches have emerged in the past few years: Manipulation of the detected spin species prior to detection inside the NMR/MRI magnet can dramatically increase the magnetization and therefore allows detection of molecules at much lower concentration 2.
Here, we present a method for polarization of a xenon gas mixture (2-5% Xe, 10% N2, He balance) in a compact setup with a ca. 16000-fold signal enhancement. Modern line-narrowed diode lasers allow efficient polarization 7 and immediate use of gas mixture even if the noble gas is not separated from the other components. The SEOP apparatus is explained and determination of the achieved spin polarization is demonstrated for performance control of the method.
The hyperpolarized gas can be used for void space imaging, including gas flow imaging or diffusion studies at the interfaces with other materials 8,9. Moreover, the Xe NMR signal is extremely sensitive to its molecular environment 6. This enables the option to use it as an NMR/MRI contrast agent when dissolved in aqueous solution with functionalized molecular hosts that temporarily trap the gas 10,11. Direct detection and high-sensitivity indirect detection of such constructs is demonstrated in both spectroscopic and imaging mode.

The production of hyperpolarized xenon by means of spin exchange optical pumping (SEOP) is described. This method yields a ~10000-fold enhancement of the nuclear spin polarization of Xe-129 and has applications in nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging. Examples of gas phase and solution state experiments are given.

NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

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

工学

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit a strong degradation after annealing due to the occurrence of void formation at the contact/SiO2 interface. This void formation can cause cracking and delamination of the metal film, which can increase the resistance or lead to a complete failure of the NW device. In order to address issues associated with void formation, a technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from the substrates to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN NW devices. This procedure determines the degree of adhesion of the contact films to the substrate and NWs and allows for the characterization of the morphology and composition of the contact interface with the substrate and nanowires. This technique is also useful for assessing the amount of residual contamination that remains from the NW suspension and from photolithographic processes on the NW-SiO2 surface prior to metal deposition. The detailed steps of this procedure are presented for the removal of annealed Ni/Au contacts to Mg-doped GaN NWs on a SiO2 substrate.

A technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from their substrate to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN nanowire devices.

シングルGaNナノ細線デバイスのための接触界面の解析

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing applications.&#160; For predictive simulations, it has become increasingly important to be able to model the structure of nanohelices accurately.&#160; To study the effect of local structure on the properties of these complex geometries one must develop realistic models.&#160; To date, software packages are rather limited in creating atomistic helical models.&#160; This work focuses on producing atomistic models of silica glass (SiO2) nanoribbons and nanosprings for molecular dynamics (MD) simulations. Using an MD model of &#8220;bulk&#8221; silica glass, two computational procedures to precisely create the shape of nanoribbons and nanosprings are presented.&#160; The first method employs the AWK programming language and open-source software to effectively carve various shapes of silica nanoribbons from the initial bulk model, using desired dimensions and parametric equations to define a helix.&#160; With this method, accurate atomistic silica nanoribbons can be generated for a range of pitch values and dimensions.&#160; The second method involves a more robust code which allows flexibility in modeling nanohelical structures.&#160; This approach utilizes a C++ code particularly written to implement pre-screening methods as well as the mathematical equations for a helix, resulting in greater precision and efficiency when creating nanospring models.&#160; Using these codes, well-defined and scalable nanoribbons and nanosprings suited for atomistic simulations can be effectively created.&#160; An added value in both open-source codes is that they can be adapted to reproduce different helical structures, independent of material.&#160; In addition, a MATLAB graphical user interface (GUI) is used to enhance learning through visualization and interaction for a general user with the atomistic helical structures.&#160; One application of these methods is the recent study of nanohelices via MD simulations for mechanical energy harvesting purposes.

Accurate modeling of nanohelical structures is important for predictive simulation studies leading to novel nanotechnology applications.&#160; Currently, software packages and codes are limited in creating atomistic helical models.&#160; We present two procedures designed to create atomistic nanohelical models for simulations, and a graphical interface to enhance research through visualization.

予測研究および拡張の3D可視化のためのスケーラブルなNanohelices

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

High-Sensitivity Nuclear Magnetic Resonance at Giga-Pascal Pressures: A New Tool for Probing Electronic and Chemical Properties of Condensed Matter under Extreme Conditions

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the most important techniques for the study of condensed matter systems, their chemical structure, and their electronic properties. The application of high pressure enables one to synthesize new materials, but the response of known materials to high pressure is a very useful tool for studying their electronic structure and developing theories. For example, high-pressure synthesis might be at the origin of life; and understanding the behavior of small molecules under extreme pressure will tell us more about fundamental processes in our universe. It is no wonder that there has always been great interest in having NMR available at high pressures. Unfortunately, the desired pressures are often well into the Giga-Pascal (GPa) range and require special anvil cell devices where only very small, secluded volumes are available. This has restricted the use of NMR almost entirely in the past, and only recently, a new approach to high-sensitivity GPa NMR, which has a resonating micro-coil inside the sample chamber, was put forward. This approach enables us to achieve high sensitivity with experiments that bring the power of NMR to Giga-Pascal pressure condensed matter research. First applications, the detection of a topological electronic transition in ordinary aluminum metal and the closing of the pseudo-gap in high-temperature superconductivity, show the power of such an approach. Meanwhile, the range of achievable pressures was increased tremendously with a new generation of anvil cells (up to 10.1 GPa), that fit standard-bore NMR magnets. This approach might become a new, important tool for the investigation of many condensed matter systems, in chemistry, geochemistry, and in physics, since we can now watch structural changes with the eyes of a very versatile probe.

Nuclear magnetic resonance is one of the most important spectroscopic tools. Here, the development of a new approach under high pressure, currently up to 10.1 GPa, is presented. This opens a new window into condensed matter physics and chemistry, where high-pressure research is of great importance.

極限条件下で凝縮系の電子·化学的性質を探るための新しいツール：ギガパスカルの圧力で高感度核磁気共鳴

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the most important techniques for the study of condensed matter systems, their chemical structure, and their ...

A Method for Studying the Temperature Dependence of Dynamic Fracture and Fragmentation

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform stress and strain rate. This can be produced by evenly loading the inner surface of a cylinder. Due to the axial symmetry, as the cylinder expands the wall is placed into a tensile hoop stress that is uniform around the circumference. While there are various techniques to generate this expansion such as explosives, electromagnetic drive, and existing gas gun techniques they are all limited in the fact that the sample cylinder must be at room temperature. We present a new method using a gas gun that facilitates experiments on cylinders from 150 K to 800 K with a consistent, repeatable loading. These highly diagnosed experiments are used to examine the effect of temperature on the fracture mechanisms responsible for failure, and their resulting influence on fragmentation statistics. The experimental geometry employs a steel ogive located inside the target cylinder, with the tip located about halfway in. A single stage light gas gun is then used to launch a polycarbonate projectile into the cylinder at 1,000 m/sec-1. The projectile impacts and flows around the rigid ogive, driving the sample cylinder from the inside. The use of a non-deforming ogive insert allows us to install temperature control hardware inside the rear of the cylinder. Liquid nitrogen (LN2) is used for cooling and a resistive high current load for heating. Multiple channels of upshifted photon Doppler velocimetry (PDV) track the expansion velocity along the cylinder enabling direct comparison to computer simulations, while High speed imaging is used to measure the strain to failure. The recovered cylinder fragments are also subject to optical and electron microscopy to ascertain the failure mechanism.

Fracture and fragmentation are late stage phenomena in dynamic loading scenarios and are typically studied using explosives. We present a technique for driving expansion using a gas gun which uniquely enables control of both loading rate and sample temperature.

動的破壊と断片化の温度依存性を研究するための方法

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform ...

A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Pumps are mainly used when transferring sterile culture broths in biopharmaceutical and biotechnological production processes. However, during the pumping process shear forces occur which can lead to qualitative and/or quantitative product loss. To calculate the mechanical stress with limited experimental expense, an oil-water emulsion system was used, whose suitability was demonstrated for drop size detections in bioreactors1. As drop breakup of the oil-water emulsion system is a function of mechanical stress, drop sizes need to be counted over the experimental time of shear stress investigations. In previous studies, the inline endoscopy has been shown to be an accurate and reliable measurement technique for drop size detections in liquid/liquid dispersions. The aim of this protocol is to show the suitability of the inline endoscopy technique for drop size measurements in pumping processes. In order to express the drop size, the Sauter mean diameter d32 was used as the representative diameter of drops in the oil-water emulsion. The results showed low variation in the Sauter mean diameters, which were quantified by standard deviations of below 15%, indicating the reliability of the measurement technique.

Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.

シングル利用と標準ポンプに機械的応力を予測するために費用対効果と信頼性の高い方法

Pumps are mainly used when transferring sterile culture broths in biopharmaceutical and biotechnological production processes. However, during the pumping ...

Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas industry faces continued scrutiny for methane emissions from across the supply chain, due to methane&#39;s relatively high global warming potential (25-84x that of carbon dioxide, according to the Energy Information Administration). Currently, a variety of techniques of varied uncertainties exists to measure or estimate methane emissions from components or facilities. Currently, only one commercial system is available for quantification of component level emissions and recent reports have highlighted its weaknesses.
In order to improve accuracy and increase measurement flexibility, we have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases based on transportation emissions measurement principles. The FFS is a modular system that consists of an explosive-proof blower(s), mass airflow sensor(s) (MAF), thermocouple, sample probe, constant volume sampling pump, laser based greenhouse gas sensor, data acquisition device, and analysis software. Dependent upon the blower and hose configuration employed, the current FFS is able to achieve a flow rate ranging from 40 to 1,500 standard cubic feet per minute (SCFM). Utilization of laser-based sensors mitigates interference from higher hydrocarbons (C2+). Co-measurement of water vapor allows for humidity correction. The system is portable, with multiple configurations for a variety of applications ranging from being carried by a person to being mounted in a hand drawn cart, on-road vehicle bed, or from the bed of utility terrain vehicles (UTVs). The FFS is able to quantify methane emission rates with a relative uncertainty of &#177; 4.4%. The FFS has proven, real world operation for the quantification of methane emissions occurring in conventional and remote facilities.

Design and Use of a Full Flow Sampling System FFS for the Quantification of Methane Emissions

We have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases from across the natural gas supply chain.

メタン排出量の定量化のための設計とフルフローサンプリングシステムの利用（FFS）

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas ...

A Modular Microfluidic Technology for Systematic Studies of Colloidal Semiconductor Nanocrystals

Colloidal semiconductor nanocrystals, known as quantum dots (QDs), are a rapidly growing class of materials in commercial electronics, such as light emitting diodes (LEDs) and photovoltaics (PVs). Among this material group, inorganic/organic perovskites have demonstrated significant improvement and potential towards high-efficiency, low-cost PV fabrication due to their high charge carrier mobilities and lifetimes. Despite the opportunities for perovskite QDs in large-scale PV and LED applications, the lack of fundamental and comprehensive understanding of their growth pathways has inhibited their adaptation within continuous nanomanufacturing strategies. Traditional flask-based screening approaches are generally expensive, labor-intensive, and imprecise for effectively characterizing the broad parameter space and synthesis variety relevant to colloidal QD reactions. In this work, a fully autonomous microfluidic platform is developed to systematically study the large parameter space associated with the colloidal synthesis of nanocrystals in a continuous flow format. Through the application of a novel translating three-port flow cell and modular reactor extension units, the system may rapidly collect fluorescence and absorption spectra across reactor lengths ranging 3 - 196 cm. The adjustable reactor length not only decouples the residence time from the velocity-dependent mass transfer, it also substantially improves the sampling rates and chemical consumption due to the characterization of 40 unique spectra within a single equilibrated system. Sample rates may reach up to 30,000 unique spectra per day, and the conditions cover 4 orders of magnitude in residence times ranging 100 ms - 17 min. Further applications of this system would substantially improve the rate and precision of the material discovery and screening in future studies. Detailed within this report are the system materials and assembly protocols with a general description of the automated sampling software and offline data processing.

Detailed herein are the operation and assembly protocols of a modular microfluidic screening platform for the systematic characterization of colloidal semiconductor nanocrystal syntheses. Through fully adjustable system arrangements, highly efficient spectra collection may be carried out across 4 orders of magnitude reaction time scales within a mass transfer-controlled sampling space.

コロイド状半導体ナノ結晶の分類学的研究のためのモジュラー マイクロ流体技術

Colloidal semiconductor nanocrystals, known as quantum dots (QDs), are a rapidly growing class of materials in commercial electronics, such as light ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate plasma to high speed; they have considerable potential for future space applications with the significant advantages of high specific impulse and thrust density. In this paper, we present a series of protocols for designing and manufacturing a 100 kW class of AF-MPD thruster with water-cooling structures, a 130 V maximum discharge voltage, a 800 A maximum discharge current, and a 0.25 T maximum strength of magnetic field. A hollow tantalum tungsten cathode acts as the only propellant inlet to inhibit the radial discharge, and it is positioned axially at the rear of the anode in order to relieve anode starvation. A cylindrical divergent copper anode is employed to decrease anode power deposition, where the length has been reduced to decrease the wall-plasma connecting area. Experiments utilized a vacuum system that can achieve a working vacuum of 0.01 Pa for a total propellant mass flow rate lower than 40 mg/s and a target thrust stand. The thruster tests were carried out to measure the effects of the working parameters such as propellant flow rates, the discharge current, and the strength of applied magnetic field on the performance and to allow appropriate analysis. The thruster could be operated continuously for significant periods of time with little erosion on the hollow cathode surface. The maximum power of the thruster is 100 kW, and the performance of this water-cooled configuration is comparable with that of thrusters reported in the literature.

The goal of this protocol is to introduce the design of a 100 kW class applied-field magnetoplasmadynamic thruster and relevant experimental methods.

100 KW 級適用フィールド ノズル形状スラスター

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

要約

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NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

シングルGaNナノ細線デバイスのための接触界面の解析

予測研究および拡張の3D可視化のためのスケーラブルなNanohelices

極限条件下で凝縮系の電子·化学的性質を探るための新しいツール：ギガパスカルの圧力で高感度核磁気共鳴

動的破壊と断片化の温度依存性を研究するための方法

シングル利用と標準ポンプに機械的応力を予測するために費用対効果と信頼性の高い方法

メタン排出量の定量化のための設計とフルフローサンプリングシステムの利用（FFS）

コロイド状半導体ナノ結晶の分類学的研究のためのモジュラーマイクロ流体技術

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

100 KW 級適用フィールドノズル形状スラスター

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

要約

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NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

シングルGaNナノ細線デバイスのための接触界面の解析

予測研究および拡張の3D可視化のためのスケーラブルなNanohelices

極限条件下で凝縮系の電子·化学的性質を探るための新しいツール：ギガパスカルの圧力で高感度核磁気共鳴

動的破壊と断片化の温度依存性を研究するための方法

シングル利用と標準ポンプに機械的応力を予測するために費用対効果と信頼性の高い方法

メタン排出量の定量化のための設計とフルフローサンプリングシステムの利用（FFS）

コロイド状半導体ナノ結晶の分類学的研究のためのモジュラー マイクロ流体技術

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

100 KW 級適用フィールド ノズル形状スラスター

コロイド状半導体ナノ結晶の分類学的研究のためのモジュラーマイクロ流体技術

100 KW 級適用フィールドノズル形状スラスター