Name: hyperpolarized xenon for nmr and mri applications
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00
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本研究项目已获得欧洲研究委员会的资助下在欧盟的第七框架计划（FP7/2007-2013）赠款协议/ ERC N°242710，并额外支援的人类前沿科学计划和埃米诺特计划的德国研究基金会（SCHR 995/2-1）。

1。下游燮设置的铷必须纳入光泵的单元格，以便传递的偏振从激光光的氙气。由于其高反应性的发生这一过程必须不与氧或水进入接触的Rb的情况下，否则它会成为氧化，不会极化的Xe。应该采取额外谨慎，如Rb与水反应剧烈。 <ol><li>如果先前所使用的光电池，它会被涂覆与Rb和Rb氧化物的层，可以看出，在图4b。使用前，首先必须是干净的细胞。关闭光学单元的...

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	<li>Schr&#246;der, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Xenon+for+NMR+biosensing+-+Inert+but+alert.">Xenon for NMR biosensing - Inert but alert.</a> Phys Med. , (2011).</li><li>Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+agents+for+advanced+MRI+investigations.">Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations.</a> Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).</li><li>Walker, T. G., Happer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-exchange+optical+pumping+of+noble-gas+nuclei.">Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei.</a> Rev. Mod. 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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+magnetic+resonance+of+laser-polarized+noble+gases+in+molecules,+materials,+and+organisms.">Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms.</a> J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).</li><li>Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+laser-polarized+xenon+using+fiber-coupled+laser-diode+arrays+narrowed+with+integrated+volume+holographic+gratings.">Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings.</a> J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).</li><li>Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+lung+physiology+with+xenon+polarization+transfer+contrast+(XTC).">Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC).</a> Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).</li><li>Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+alveolar-capillary+gas+transfer+using+hyperpolarized+129Xe+MRI.">Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).</li><li>Spence, M. M., Rubin, S. M., Dimitrov, I. E., Ruiz, E. J., Wemmer, D. E., Pines, A., Yao, S. Q., Tian, F., Schultz, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionalized+xenon+as+a+biosensor.">Functionalized xenon as a biosensor.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).</li><li>Schr&#246;der, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. 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A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+hyperpolarized+129Xe+produced+by+spin+exchange+with+diode-laser+pumped+Cs.">Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs.</a> Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).</li><li>Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+Hyperpolarized+129Xe+Gas+Without+Nitrogen+by+Optical+Pumping+at+133Cs+D2+Line+in+Flow+System.">Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System.</a> Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).</li><li>Zhou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+noble+gases+as+contrast+agents.">Hyperpolarized noble gases as contrast agents.</a> Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).</li><li>Seltzer, S. J., Michalak, D. J., Donaldson, M. H., Balabas, M. V., Barber, S. K., Bernasek, S. L., Bouchiat, M. A., Hexemer, A., Hibberd, A. M., Kimball, D. F., Jaye, C., Karaulanov, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+antirelaxation+coatings+for+alkali-metal+vapor+cells+using+surface+science+techniques.">Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques.</a> J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).</li></ol>

超极化的氙的制备中的关键方面是，包括泵送小区和足够的照明的圆偏振光的细胞与氧气的气体歧管中的杂质。上述的灯泡测试是一个简单的方法来检测有害的氧浓度，同时转印铷。的碱金属，可能会失去其表面有光泽的时间的单元被安装在偏振片。然而，非氧化的Rb的足够的汽化可以减少激光传输（加热新鲜细胞的第一次时，它可能是一个附加的温度增加了约20℃需要启动的汽化过程，一旦监测...

超极化剂的NMR / MRI的应用得到越来越多的关注，因为他们可以在某些情况下，解决了敏感的问题2。目前使用三种主要方法（动态核极化，DNP，仲氢诱导极化，PHIP和自旋交换光抽运燮）的实际光谱成像实验前准备人为地增加核磁共振磁体的自旋群体差异外。在这里，我们描述的燮设定的功能和操作进行了优化，在溶液状态的实验中使用的超极化129 Xe的生产。 的一个重要组成部分，是一种强烈的光源，发射红外光子在795 nm处。激光二极管阵列（LDA）是方便的设备，提供高输出功率&gt; 100 W，在合理的成本。在许多设置中，LDA是发射到光纤中，更多或更少的偏振保持的日E激光光。为了保证足够燮过程，这个椭圆偏振必须将其转换成高纯度的圆极化。在图1和图2所示的偏光光学系统的主要组成部分的，和设置系统的补充电影1中示意性说明。 为圆极化光，我们首先将光纤末端，一个主要的光学扩束（ 例如 ，光纤准直器），以减少功率密度。然后，光穿过偏振分束器立方体，产生直线偏振光。我们可以通过旋转这个立方体确定最佳的剩余极化轴用功率计。最大传输对应于多维数据集的快轴的对齐的情况下，与主要的光的偏振轴。立方体的高消光系数（10万：1或更好）的偏振分量产生了良好的分离。这可通过而旋转，而第一个额外的普通光束的最大传输对准作为分析仪使用的第二束分光器立方体。 一旦已被证实的线性偏振的透射光，设计为795 nm的λ/ 4波片被引入额外的普通光束转换成圆偏振的线性。为了这个目的，波片的快轴的是由45°相对于分束器立方体快轴转动。 （如果需要的话，其线性偏振轴垂直于额外的寻常光束反射的普通光束的圆偏振的可以以类似的方式实现的。） 圆偏振的质量可与第二分束器立方体旋转时，应该得到恒定的传输进行测试。一个二次光学扩束（ 例如，两个镜片在伽利略望远镜配置），然后增加的光束直径，完全我lluminate的玻璃烤箱箱内抽水过程中的细胞。 Rb蒸气在单元格中的激光的吸收进行监测，通过泵送小区后面的销孔在底框：准直器收集的减毒的红外光束，用光学光谱仪进行分析（参见图3，用于泵送单元设置）。 泵送小区甲外侧加热机构部分坐在里面的细胞（ 图4a）的Rb液滴蒸发，并因此使激光吸收。的蒸气的密度可以通过调整各自的PID控制器的加热设定点。高温（约190℃），良好的紧凑型设置，氙气在有限的时间来建立极化。含有氙，N 2和He的气体混合物流经泵送的细胞（ 图3）的激光束方向相反。用激光束对准的外部磁场确保第Ë红外光子只抽一个RB过渡的。电子态的放宽是快速和必须以避免非辐射发射红外光子与“错误”偏振。这里，作为骤冷气体的N 2进场。最终，其Rb系统建立人口过剩之一的接地状态次能级的激光（ 图5），而另一种是连续地耗尽。氙气中的铷原子的紧密联系，以体验转移到触发器过程的氙原子核自旋相互作用的电子自旋极化。 泵送小区流出的超极化气体中含有微量的Rb蒸气冷凝液上的管壁内的低温（类似于图4b）的出口，由于几个厘米， 在体内应用，但是，会需要额外的消除碱金属（ 例如，通过冷阱）而在体外 experime，个核苷酸可以安全地执行与气体当它离开hyperpolarizer。聚四氟乙烯管连接偏振器出口与入口的玻璃装置执行NMR实验测试解决方案。使用质量流量控制器的NMR设置流入量进行调整的Xe。他们通过NMR脉冲序列中的命令被触发。检查实现极化增强后，气体可以被用作一个NMR / MRI造影剂，在溶液状态下实验。 氙具有一定的在水中的溶解度（4.5毫摩尔/ ATM）和其他溶剂。因此，它已经可以在其自己的服务作为造影剂显示的分布的一些液体。然而，它也能够连结NMR活性核，以便获得通过其他惰性气体的分子的特定信息的某些分子。通过提供一个分子溶解的Xe主机，它是可能的，赋予分子特异性的Xe NMR信号。这提供了机会，设计官能造影剂-也被称为生物传感器-时，这样的主机结构靶向绑定到特定的分析物的生物医学的兴趣（ 图6）的单元，其被耦合到。 需要进一步的灵敏度增强MR造影剂（&lt;100μM），低浓度的生物传感器时，应当被检测到。通过化学交换饱和转移（CEST），这样就可以实现。此方法检测的生物传感器间接由破坏的笼中的Xe的磁化和观察的信号改变在溶液中的游离的Xe。由于超极化核的不断更换后约10毫秒，100多到1000细胞核转移到检测池的信息，放大信号CA。 10倍（见电影2）。

<table border="1"><tbody><tr><td> 的试剂的名称 </td><td> 公司 </td><td> 目录编号 </td><td> 评论（可选） </td></tr><tr><td>铷锭</td><td> Sigma-Aldrich公司</td><td> 276332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td> Sigma-Aldrich公司</td><td> 79610-500G </td><td></td></tr><tr><td>氩</td><td>普莱克斯</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氙气</td><td> Sigma-Aldrich公司</td><td> 00472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> Sigma-Aldrich公司</td><td> 00476-1EA </td><td></td></tr><tr><td>激光系统</td><td> QPC激光/激光手术</td><td> Brightlock 50 </td><td></td></tr><tr><td>真空系统</td><td>菲佛</td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td>热电偶</td><td>新港欧米茄</td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td>硅加热器</td><td>新港欧米茄</td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td>压力传感器</td><td>新港欧米茄</td><td> PR 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td>流程米</td><td>新港欧米茄</td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td>质量流量控制器</td><td>新港欧米茄</td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> PID调节器</td><td>新港欧米茄</td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td>控制软件</td><td>新港欧米茄</td><td> DasyLab </td><td></td></tr><tr><td>数据采集</td><td>新港欧米茄</td><td> Daqboard 3000 </td><td></td></tr><tr><td>真空传感器</td><td>欧瑞康</td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td>真空控制器</td><td> VACOM </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td>光束准直器</td><td> Thorlabs公司</td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td>偏振光束分光器立方体</td><td> Thorlabs公司</td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ/ 4波片</td><td> Thorlabs公司</td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td>扩束镜头</td><td> Thorlabs公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>光纤光谱仪</td><td>海洋光学</td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>海洋光学</td><td></td><td></td></tr><tr><td>低压NMR管</td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV - 7 </td><td></td></tr><tr><td> 5mm的NMR管</td><td> Sigma-Aldrich公司</td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td>亥姆霍兹线圈</td><td> Phywe </td><td> 06960-00 </td><td></td></tr><tr><td>熔融硅CA毛细血管</td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

hyperpolarized xenon for nmr and mri applications

核磁共振（NMR）光谱和成像（MRI）遭受从固有的低灵敏度，因为即使是强烈的外部磁场产生只有一个小的可检测的净磁化强度的样品在室温下1〜10 T。因此，大多数NMR和MRI的应用程序依赖于分子的检测，在相对 ​​高浓度（ 例如 ，水生物组织成像）或需要过多的采集时间。这限制了我们的能力，利用NMR信号非常有用的分子特异性的许多生化和医疗应用。然而，新方法，在过去的几年中已经出现：所检测到的自旋物种的操纵之前检测到的NMR / MRI磁体内部，可以显着地增加的磁化，并因此允许在低得多的浓度为2分子的检测。 在这里，我们提出了一个方法了氙气的混合气体（2-5％的氙气，10％的极化N 2，平衡）与CA在一个紧凑的设置。 16000倍的信号增强。现代线变窄的二极管激光器允许高效偏振7和立即使用的气体混合物，即使没有的其它组分分离，稀有气体。解释燮设备和决心展示了所取得的自旋极化性能控制的方法。 超极化气体可用于空隙空间成像，包括气体流成像或扩散的研究，在与其他材料的接口8,9。此外，Xe的NMR信号是极为敏感，其分子环境6。这使得使用它作为一个NMR / MRI造影剂，溶解在水溶液中与官能化的分子主机暂时捕获的气体10,11时的选项。直接检测和高灵敏度的间接检测这样的构造中演示了光谱和成像模式。&lt;/ P&gt;

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Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

自旋交换光抽（燮）通过超极化的氙的制造进行说明。此方法产生的核自旋极化的Xe-129〜10000倍的增强，和核磁共振光谱和成像中的应用程序。气相和溶液状态的实验。

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