Este trabalho foi apoiado pela concessão CPRIT (RP140021-P5) e um prêmio Julia Jones Cancer Research Scholar Matthews CPRIT formação em investigação (RP140106, CMW).

NOTA: (Fantasma de Design) Dois 3 ml câmaras foram usinadas fora de Ultem e equipado com um tubo de PEEK (1,5875 milímetros OD e 0,762 mm de diâmetro) para injecção e de escape. As câmaras foram colocados num tubo de centrífuga de 50 ml cheia de água (Figura 1). Para evitar espaços vazios criados pelo sinal bolhas, as câmaras e as linhas foram pré cheia com água desionizada (dH2O). 1. Preparação de Soluções <ol><li> Prepare 1 litro solução tampão (Tris 81,3 mM pH 7,6, NaCl 203,3 mM). Pesar 11,38 g de Trizma cristais predefinidos pH 7,6 e 11,88 g de NaCl e dissolvem-se em 1 L de dH2O </li><li> Preparar solução de 50 mM de NADH. Pesar 17,8 mg de sal de dipotássio β-nicotinamida-adenina-dinucleótido (NADH), reduzida e dissolve-se em 280 ul de solução tampão que foi preparado no passo um. </li><li> Preparar solução de 250 U / ml de enzima. Pesar 78,75 unidades de actividade de lactato desidrogenase (LDH) e dissolve-se em 315 ul de tampão de step uma. </li><li> Prepare mistura de ácido pirúvico. Pesar 21,4 mg Ox063 radical tritilo e dissolve-se em 1,26 g (~ 1 ml) [1- 13 C] ácido pirúvico. </li><li> Prepare meio de dissolução (40 mM Tris pH 7,6, NaOH 40 mM, EDTA 0,27 mM e NaCl 50 mM). Pesar 5,96 g de Trizma cristais predefinidos pH 7,6, 1,6 g de NaOH, 0,1 g de ácido etilenodiaminotetracético di-hidratado sal dissódico (EDTA) e 2,9 g de NaCl e dissolvem-se em 1 L de dH2O </li><li> Preparar solução 1:10 gadoteridol (50 mM). Misture 1 ml de gadoteridol em 9 mL de dH 2 O. Preparação de 8 M de [13 C] ureia. Pesar 1,465 5 [13 C] ureia e dissolvem-se em 3 ml de dH 2 O. </li></ol> 2. Preparação de hyperpolarized Piruvato <ol><li> Em um copo de amostra de um sistema dinâmico de polarização Nuclear (DNP), pipeta de 0,3 ul da solução gadoteridol e 13 mg (~ 10 ul) da solução de ácido pirúvico. </li><li> Resumidamente agitar esta mistura no copo de amostra com a ponta da pipeta. &lt;/ Li&gt; <li> Insira amostras para o sistema DNP. <ol><li> Assegurar a porta do sistema de DNP é fechada. Iniciar o processo de inserção de amostra clicando no botão amostra inserção no console do sistema DNP. No assistente de amostra selecionar amostra normal e pressione próximo. </li><li> Mantendo o copo de amostra vertical, coloque delicadamente a haste de inserção sobre o topo do copo de amostra. Quando solicitado, abra o sistema DNP e inserir o copo na inserção de temperatura variável (VTI) com a cavilha de inserção. </li><li> Puxar o êmbolo na extremidade da vareta de inserção da amostra para libertar a amostra do índice de temperatura variável. Retire a vareta de inserção amostra do sistema e clique no botão junto no console do sistema DNP. </li></ol></li><li> Inicia-se a polarização. <ol><li> Clique no botão Iniciar polarização no console do sistema DNP. No RINMR tipo de software .HYPERSENSENMR para lançar polarização software de monitoramento. Definir construir configuração para 1 e pressione enter. Em seguida, clique construção sólida up. </li><li> Definir o local eo nome do arquivo salvo. Selecione o perfil de 13-C na queda de guia no console do sistema DNP para baixo e clique em Avançar. Marque a caixa para provar durante a preparação, tempo de amostra definida para 300 segundos e clique em Concluir. </li></ol></li><li> Medir-se 3,85 g (~ 4 ml) do meio de dissolução, quer por volume com uma seringa de 5 ml ou em peso, utilizando uma balança. </li></ol> 3. Preparação da Enzima Fantasma <ol><li> Encher um tubo de microcentrífuga com ~ 3 ml de [13 C] a solução de ureia e colocá-lo no tubo de centrífuga de 50 ml. Encha o tubo de centrífuga de 50 ml com dH 2 O. </li><li> Pré-preencher as duas câmaras de enzimas e as linhas com dH2O, injetando ~ 3 ml de dH2O para as linhas de injeção do fantasma, tendo o cuidado de lavar quaisquer bolhas formadas. </li><li> Coloque o fantasma no centro do magneto, com fácil acesso às linhas de injeção. Verifique se há algum recipiente para pegar o líquido que vai exalar para fora para t<html> ele linha de escape. </li><li> Prepare mistura de enzimas de alta atividade (NADH 17,14 mM, 44.57 U / ml LDH). Misture a solução NADH 240 ul, 125 ul de solução de LDH e 335 ul de tampão e manter-se em uma seringa de 3 ml, que pode ser ligado à linha de injecção. Observação: Uma vez combinados com os 500 ul de piruvato de 40 mm a partir do sistema de DNP, o volume fantasma final será de 1,2 ml com concentrações de piruvato 16,7 mM, NADH 10 mM, e 26 U L LDH de / em uma solução tamponada com Tris com pH ~ 7.5. </li><li> Prepare baixo mistura actividade enzima (17,14 mM de NADH 26,79 U / ml LDH) Misturar 240 ul de solução de NADH, 75 ul de solução de LDH e 385 ul de tampão e manter-se em separado uma seringa de 3 ml, que pode ser ligado à linha de injecção. Observação: Uma vez combinados com os 500 ul de piruvato 40 mM a partir do sistema de DNP o volume fantasma final será de 1,2 ml com concentrações de piruvato 16,7 mM, NADH 10 mM, e 15.625 U L LDH de / em uma solução tamponada com Tris com pH ~ 7,5 . </li></ol>jove_title &quot;&gt; 4. executar qualquer Quality Assurance (QA) e de posicionamento Scans <ol><li> posicionamento inicial. <ol><li> Carregar uma nova varredura posicionamento FLASH no modo de operação [1 H] TX / RX modo de Volume. Alterar criados dimensões a 2: Ferramenta de Controle Spectrometer -&gt; Editar GS -&gt; Configuração Dimensões -&gt; 2. Pressione GSP no Controle Spectrometer e mover phantom até centrado no ímã. Prima STOP, em seguida, pressione GOP sobre o Controle Spectrometer. </li></ol></li><li> Piloto Scan. <ol><li> Carregar uma nova varredura posicionamento TriPiolt no modo de operação [1 H] TX / RX modo de Volume. Posição Slice: Controle de Digitalização -&gt; Slice Tool-&gt; mover as fatias (segure M clique de tecla e arrasto; selecione fatia para mover-se com o controle deslizante pacote de fatia). </li><li> Wobble H bobina 1: Ferramenta de Controle Spectrometer -&gt; Acq -&gt; Wobble. Tune and match 1 H bobina atrás do ímã e pressione STOP. Enquanto mantém a tecla Shift pressione o semáforo na janela de controle de digitalização. </li></ol></li></ol><pclass = &quot;jove_title&quot;&gt; 5. Setup Radial eco Planar espectral de imagem de digitalização <ol><li> Carregar um planar echo imagens espectroscópicas nova radial (radEPSI) digitalizar no modo de operação [13 C] TX / RX modo de Volume. Posição Slice: Slice Tool no controlo de digitalização e mover as fatias (segure M clique de tecla e arrasto; selecione fatia para mover-se com o controle deslizante pacote de fatia). </li><li> Wobble 13 C bobina clicando Ferramenta de Controle Spectrometer -&gt; Acq -&gt; Wobble. Defina o ganho do receptor para 1000-2000 na Spectrometer. </li><li> Realizar a verificação final do sistema. Dependendo da sequência, observar o sinal de carbono 13 da câmara de ureia num protocolo de batedor. NOTA: Isso garante que o sistema está configurado corretamente antes de iniciar o processo de dissolução irreversível. </li></ol> 6. Run Dissolução <ol><li> Quando o piruvato alcançou&gt; 90% de polarização (~ 1 hora), as soluções e phantom estão prontos, ea digitalização é configurado clique no botão de execução dissolução na sy DNP-tronco console. </li><li> Quando solicitado mover a alavanca de dissolução em posição de funcionamento e injetar meios de dissolução. Feche o sistema de DNP e clique no botão acabado no console do sistema DNP. Mova vara dissolução de volta à posição de repouso quando solicitado, em seguida, clique em Concluir. </li><li> Quando o sistema proporciona o DNP piruvato hiperpolarizado (~ 2 min após o início do aquecimento) retirar a 500 ul da solução de piruvato para cada uma das seringas solução de alta e baixa concentração de enzima. Lentamente (~ 10 seg) injectar cada seringa para uma linha de injecção. Nota: A digitalização pode ter sido iniciada antes da injecção ou a qualquer momento se a injecção de pós 3 minutos, dependendo do protocolo de verificação utilizado. </li></ol> Processamento 7. Imagem NOTA: Este simulador foi projetado para uso com muitas estratégias de imagem. Ver Figura 2, como um exemplo de como as imagens Rad-Epsi foram processados ​​usando Matlab. <ol><li> Carregar dados brutos a partir do arquivo FID. Reshape os dados para coincidir com o número de projeções, leu pontos, ecos e conta para os dados armazenados como pares reais e imaginários. Separar os pontos de eco pares e ímpares. </li><li> Transformada de Fourier, quer os ecos pares ou ímpares ao longo das dimensões de eco. identificar visualmente as faixas de frequências para piruvato e lactato. Para simplicidade foi utilizado o valor absoluto do espectro. </li><li> Separe cada banda metabólito e transformada de Fourier ao longo da direção de codificação de frequência para produzir sinograms isoladas para cada metabólito. radon inversa transformar as sinograms separadas para produzir uma imagem de lactato ou piruvato. </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. 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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>

A publicação deste vídeo-artigo é apoiado por Bruker corporação.

imagens em tempo real de metabólitos hiperpolarizados tem muitos desafios únicos para o projeto de sequência, validação e controle de qualidade. A capacidade de resolver a heterogeneidade espaço-temporal e espectral oferece potencial clínico substancial, mas opõe-se a métodos de controle de qualidade e validação associados com a RM convencional. sequências de imagens complexas ou algoritmos de reconstrução pode ter dependências sutis que os tornam difíceis de caracterizar ou validar fora da experiência de imagem. Heterogeneidade biológica e outras preocupações práticas limitar o uso de in vivo e modelos in vitro para caracterizar ou validar sequências, hardware ou algoritmos de processamento de dados. Com múltiplos compartimentos espaciais e evolução química dinâmica, é possível recapitulam as características críticas associadas com substratos hiperpolarizados imagiologia in vivo, mas de uma maneira controlada. Regiões de alta e baixa atividade da enzima fornecer reproducicontraste dinâmico ble para a avaliação de biomarcadores de imagem qualitativos e quantitativos. As variações espaciais garantir distorções geométricas, desalinhamentos e outras fontes comuns de erro são contabilizados corretamente. Enquanto mais controlável do que os sistemas vivos as taxas de reação catalisada pela LDH ainda são condições experimentais muito sensíveis e são uma importante fonte de incerteza. Criticamente, LDH é sensível à temperatura. Se as medições posteriores devem ser comparadas grande cuidado deve ser tomado para que o quarto e temperaturas líquidas permanecem constantes em todas as medições. Além disso, as elevadas concentrações de piruvato associada com estudos hiperpolarizados obriga a utilização de concentrações elevadas do coenzima NADH e a enzima LDH. Estas concentrações elevadas geralmente não permitem que os pressupostos de pouca ou nenhuma inibição da enzima ou um substrato particular, estar em excesso de concentração. Se a caracterização rigorosa das cinética química foi desejado provávelAs concentrações de diferença de reagentes seriam necessárias para recuperar esses pressupostos. No entanto, esta formulação irá resultar na produção de lactato hiperpolarizado a taxas variáveis ​​em cada compartimento que deverá ser suficiente para a validação de mais imagens. Se pouco ou nenhum sinal de lactato é observado um primeiro lugar para verificar seria a actividade da enzima, que podem precisar de ser substituído. Adicionalmente variação na distribuição nos compartimentos fantasmas provoca incerteza no valor de sinal de hiperpolarizado. Para reduzir estas fontes de variabilidade que é crítico que a quantidade de piruvato hiperpolarizado adicionados a cada câmara é medido com precisão e é adicionado suavemente. O decaimento do sinal inerente de piruvato hyperpolarized complica essa tarefa, colocando prazos rigorosos na injeção. O trabalho futuro incidirá sobre a implementação de um mecanismo de injecção automatizado que permitirá que o processo de introdução piruvato hyperpolarized à mistura enzimáticae injeção subseqüente no fantasma para ser máquina controlada. Este sistema irá remover o erro humano na medição da quantidade de piruvato adicionado a cada câmara, bem como aumentar a velocidade de entrega para o scanner. Nomeadamente, o piruvato hiperpolarizado foi retirada para as seringas contendo a mistura de enzima antes de todo o volume foi injectada para dentro das câmaras. Isto foi feito para permitir que o processo de injecção, para auxiliar na mistura do piruvato com a mistura de enzima. Uma limitação deste método é que a reacção de piruvato em lactato é iniciado antes da mistura está no scanner e, por conseguinte, a parte inicial da reacção não é medido. Futuro refinamento da concepção da câmara terá como objectivo permitir que as câmaras de ser pré preenchido com a mistura de enzimas e apenas a piruvato hiperpolarizado injectado enquanto ainda assegurar uma mistura suficiente dos conteúdos da câmara como piruvato chega. Em comparação com fantasmas estáticos este sistema tem algumas limitações. a dependence em alguma reação química dinâmica limita esses fantasmas para uso individual. Após a injecção as linhas e as câmaras terão de ser limpo e soluções de reagentes frescos terá de ser utilizada, ou a partir de alíquotas descongelados. Enquanto o único fantasma enzima captura alguns de comportamento químico dinâmico não fielmente recapitular um sistema biológico real. Em sistemas vivos piruvato está envolvido em várias vias bioquímicas complexas e simples a conversão de piruvato em lactato, na presença de co-enzima com um único isoforma enzimática é uma simplificação substancial. Além disso, se vascular ou alguma outra forma de entrega, bem como qualquer tipo de absorção celular são críticos para a medição de este sistema será provavelmente um modelo insuficiente. O único fantasma enzima é um compromisso que se concentra em alguma reação química, não é tão repetitivo ou prático como um fantasma estática, mas ainda é mais repetível que os sistemas vivos. A reprodutibilidade deste sistema é caracterizado bY variação na medição repetida, de 15 a 20 por cento, em comparação com os estudos em animais que têm entre 25 a 40 por cento grupo Variabilidade intra 10. Além disso, ele não modelar cada aspecto de células ou tecidos vivos, mas mantém o comportamento dinâmico crítico que é perdida quando se utiliza um fantasma estática. Este sistema fantasma foi concebido para funcionar com uma variedade de técnicas de imagiologia. Com uma plataforma tão flexível os exames de controle de qualidade e aquisições hiperpolarizados desempenho acima são intercambiáveis ​​com a sequência ou protocolos utilizados por outra instituição. Para ilustrar isso foi realizado um estudo semelhante sobre um scanner GE 3T utilizando uma sequência personalizada IDEAL com resultados semelhantes. Hiperpolarizado MRI de [1- 13 C] -pyruvate mostra uma grande promessa devido à sua capacidade para investigar in vivo metabolismo do câncer em tempo real. Curiosamente, a sensibilidade desta técnica é um grande desafio ao desenvolver ou validar measuremtécnicas ENT. Utilizando uma única enzima fantasma é possível recriar as dinâmicas temporais e espaciais que são críticos para a medição de agentes hiperpolarizados por ressonância magnética de uma maneira prática, controlável e reproduzível necessário para ser útil para o desenvolvimento e verificação.

O impacto clínico da ressonância magnética hyperpolarized (MRI) de 13 compostos C-rotulados é criticamente dependente da sua capacidade de medir as taxas de conversão química através de tempo real de ressonância magnética e espectroscopia espectroscopia de imagem 1-5. Durante o desenvolvimento e sequência de verificação, de conversão química dinâmica é geralmente conseguida através do in vivo ou in vitro modelos 6-9 que oferecem controlo limitado e reprodutibilidade. Para o ensaio robusto e de garantia de qualidade, um sistema mais controlado que preserva a conversão química endémica para esta medição seria preferido. Nós descrevem um método para alcançar essa conversão de uma forma reproduzível usando um único fantasma enzima dinâmico. A maioria dos estudos com agentes hiperpolarizados 13 C concentrar em imagiologia de substratos hiperpolarizados num ambiente biológico em funcionamento. Esta é a escolha óbvia se o objetivo é estudar biológicaal processa ou determinar o potencial de impacto sobre cuidados clínicos. No entanto, se a caracterização de algum algoritmo de processamento de sistema de medição ou de dados é desejada, modelos biológicos têm inúmeras desvantagens, tais como variabilidade espacial e temporal inerente 10. No entanto, fantasmas estáticos convencionais não têm a conversão química que conduz o interesse clínico primário em MRI de substratos hiperpolarizados, e não pode ser utilizado para caracterizar a detecção das taxas de conversão e outros parâmetros dinâmicos 11. Usando um único sistema enzimático que possamos fornecer conversão química controlável e reprodutível, permitindo uma análise rigorosa das estratégias de imagem dinâmicos. Este sistema é dirigido aos investigadores que estão a desenvolver estratégias de imagem para substratos hiperpolarizados e desejam para caracterizar o desempenho para comparação com abordagens alternativas. Se as medições estáticas são o ponto final desejado, em seguida, estático 13 metabólito labled-C fantasmas wivai bastar 11. Na outra extremidade se mais caracterização biológica complexa é crítico para o método (a entrega, a densidade celular, etc), então os modelos biológicos reais será necessário 14/12. Este sistema é ideal para a avaliação das estratégias de imagem que visam fornecer uma medida quantitativa das taxas de conversão química aparentes.

<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

Imagiologia de substratos hiperpolarizados por ressonância magnética mostra uma grande promessa clínica para avaliação de processos bioquímicos críticos em tempo real. Devido a restrições fundamentais impostas pelo estado hiperpolarizado, técnicas de imagem e reconstrução exóticas são comumente usados. Um sistema prático para a caracterização de, métodos de imagem multi-espectral dinâmicos é extremamente necessárias. Este sistema deve reproducibly recapitular a dinâmica químicos relevantes dos tecidos normais e patológicos. O substrato mais amplamente utilizado para data é hyperpolarized [1- 13 C] -pyruvate para avaliação do metabolismo do câncer. Descreve-se um sistema de fantasma à base de enzima que medeia a conversão de piruvato em lactato. A reacção é iniciada pela injecção do agente de hiperpolarizado em câmaras múltiplas dentro do fantasma, cada um dos quais contém diferentes concentrações de reagentes que controlam a velocidade de reacção. Vários compartimentos são necessárias para garantir que imasequências ging fielmente capturar a heterogeneidade espacial e metabólica do tecido. Este sistema vai ajudar o desenvolvimento ea validação de estratégias avançadas de imagem, fornecendo dinâmica química que não estão disponíveis a partir de fantasmas convencionais, bem como controle e reprodutibilidade que não é possível in vivo.

imagens 2D fatia selectivos foram adquiridos utilizando uma sequência instantâneo radEPSI. imagens de metabólitos foram reconstruídos usando filtrada volta projeção. As imagens metabolito foram bem alinhados com as imagens de protões, como se vê na Figura 2. Nesta sinal lactato hyperpolarized sistema só pode ser gerado a partir da conversão enzimática de piruvato hiperpolarizado. Na Figura 4, a câmara de fundo, com a maior concentração de LDH, tem uma forte lactato e piruvato de sinal mais fraco, em comparação com a câmara superior. Utilizando os sinais relativos metabolitos como uma estimativa da concentração de enzima do lactato para piruvato proporção é de 1,47 vezes mais elevada na câmara inferior. A proporção da concentração de enzima real entre os compartimentos inferior e superior foi de 1,66 vezes o que está de acordo com os rácios áspera de sinal (Figura 4). imagens curso de tempo foram geneclassificado utilizando uma sequência ideais (Figura 3). foi novamente observada concordância forte entre as imagens de metabólitos e a referência de protões. Observe que nenhum fantasma ureia estava presente para este estudo. Na câmara alta enzima à direita, um sinal muito forte de lactato inicial é observado. A reacção foi catalisada quase completamente no momento em que foi entregue no interior da câmara (9 entrega seg, 12 seg pico de lactato). A reacção progrediu mais lentamente na câmara de baixa concentração de enzima (à esquerda). É também notável que menos sinal de piruvato foi observada na câmara de enzima elevada como mais do que o sinal foi convertida em lactato. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/53607/53607fig1.jpg" /> Figura 1. Fantasma esquemática: (A) Diagrama mostrando o desenho da câmara. Câmaras A e B equipado para injectáveis ​​e linhas de escape. A câmara é selada ureia, uma vez que não necessita de ser injectared durante a aquisição. (B) Foto de phantom desmontada mostrando as câmaras, linhas de injeção e tubo de 50 ml. O sistema fantasma montado com as linhas de injeção envolvidos em torno de modo que os conectores de seringa no final das linhas está no frame (C). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53607/53607fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53607/53607fig2.jpg" /> Figura 2. Imagens metabolitos usando rad-EPSI. Imagens coronais geradas a partir de duas bandas espectrais separadas, piruvato (centro) e lactato (direita). A câmara superior tem sinal visivelmente mais piruvato e menos sinal de lactato do que a câmara inferior. Uma imagem de protões (à esquerda) foi adquirida após imagiologia agentes hiperpolarizados. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53607/53607fig2large.jpg" target="_blank">Por favor,</a><html> clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53607/53607fig3.jpg" /> Figura 3. Curso de imagens em tempo metabolito usando uma sequência IDEAL. Axial imagens desta série foram adquiridos em 3-sec intervalos. Piruvato (parte superior) e lactato (em baixo) são exibidos sobre a imagem de prótons em tons de cinza. lactato forte e sinais mais fracos piruvato são observados na câmara direita que contém a concentração de enzima mais elevada. A câmara de esquerda, com concentração de enzima inferior, mostrou menos lactato e piruvato de sinal mais forte. As câmaras são nulas de sinal hyperpolarized pela primeira 9 seg porque a verificação foi iniciada antes da injeção. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53607/53607fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A Figura 4 &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 53607 / 53607fig4.jpg &quot;/&gt; Figura 4. imagens processadas: as magnitudes médias de sinal para cada câmara mostrado sobre as imagens de metabólitos combinados (à esquerda). A diferença na concentração de lactato para piruvato proporções para as câmaras superior e inferior qualitativamente coincidir com a diferença de actividades enzimáticas usadas, mostrados como gráficos de barras (direita).

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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.

O uso de um compartimento Multi-dinâmica única enzima Fantasma de Estudos de hyperpolarized agentes Ressonância Magnética

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

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

6.8K visualizações.  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.

Xenon hiperpolarizada para RMN e Aplicações de ressonância magnética

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

Engenharia

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.

Análise de Contato Interfaces para únicos dispositivos de nanofios de GaN

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.

Nanoespirais escaláveis ​​para estudos de previsão e melhor visualização 3D

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.

Alta Sensibilidade de Ressonância Magnética Nuclear em Giga-Pascal Pressões: uma nova ferramenta para sondar propriedades eletrônicas e químicas da Matéria Condensada sob condições extremas

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.

Um Método de Estudar a dependência da temperatura da fratura dinâmica e fragmentação

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.

Um método custo-efetivo e confiável para prever a tensão mecânica em uso único e bombas standard

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.

Concepção e utilização de um sistema de amostragem total do fluxo (FFS) para a quantificação das emissões de metano

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.

Uma tecnologia Microfluidic Modular para estudos sistemáticos de nanocristais semicondutores coloidal

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.

Fabricação de nanoestruturas magnéticas nas membranas de nitreto de silício para estudos de vórtice magnético utilizando técnicas de microscopia de transmissão

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.

Um propulsor Magnetoplasmadynamic aplicada-campo de 100 KW classe

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