Name: hyperpolarized xenon for nmr and mri applications
Uploaded: 2012-09-06T13:00:00
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Este projeto de pesquisa recebeu financiamento do Conselho Europeu de Investigação no âmbito do Programa da Comunidade Europeia Quadro (FP7/2007-2013) / subvenção CEI acordo n ° 242710 e foi ainda o apoio do Programa Ciência das Fronteiras Humanas e do Programa de Emmy Noether do Alemão Research Foundation (SCHR 995/2-1).

1. Preparação do Setup Seop Rubídio deve ser trazido para dentro da célula óptica de bombagem, a fim de facilitar a transferência de polarização da luz laser de xenon. Devido à sua elevada reactividade este processo deve ser realizado sem o Rb que entram em contacto com oxigénio ou água, ou poderá tornar-se oxidado e não vai polarizar Xe. Cuidado extra deve ser tomado como Rb reage violentamente com água. <ol><li> Se a célula óptica tenha sido previamente utilizado, que ser...

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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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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>

Aspectos críticos na preparação de xénon hiperpolarizado são impurezas de oxigénio no colector de gás, incluindo a célula de bombagem e iluminação suficiente da célula com luz polarizada circularmente. O teste de lâmpada de luz acima mencionada é uma maneira simples para detectar concentrações de oxigénio deletérios durante a transferência de rubídio. O metal alcalino pode perder a sua superfície brilhante quando a célula está instalado no polarizador. No entanto, a vaporização suficiente de Rb n...

Hiperpolarizados agentes estão ganhando cada vez mais atenção por RMN / RM aplicações, uma vez que pode resolver o problema de sensibilidade em certas circunstâncias 2. Três principais abordagens são usados ​​atualmente (polarização nuclear dinâmica, DNP, para-hidrogênio polarização induzida, PHIP e troca de spin bombeamento óptico, Seop) que todas as preparar uma diferença de população aumentada artificialmente rodada fora de um ímã RMN antes da espectroscopia real ou experiência de imagem . Aqui descreve-se a função e operação de uma instalação de Seop que foi optimizada para a produção de 129Xe hiperpolarizado utilizado em experiências de estado de solução. Um componente essencial é uma intensa fonte de luz que emite fótons infravermelhos em 795 nm. Matrizes laser de diodo (LDA) são dispositivos que fornecem convenientes alta potência&gt; W 100 a um custo razoável. Em muitas configurações, o LDA é emissor para uma fibra óptica, que mais ou menos mantém a polarização do the luz laser. Para garantir um processo de Seop suficiente dessa polarização elíptica deve ser convertido em polarização circular de alta pureza. Os principais componentes do sistema óptico de polarização são mostrados nas Figuras 1 e 2 e a configuração do sistema é explicada esquematicamente em filme suplementar 1. Para circularmente polarizar a luz que primeiro fixe a extremidade da fibra óptica para um feixe primário de expansão (por exemplo, um colimador da fibra) para reduzir a densidade de potência. A luz passa através de um divisor de feixe polarizador cubo, a geração de luz polarizada linearmente. Rodando este cubo, podemos determinar o eixo preferencial da polarização remanescente com um medidor de potência. Máximo de transmissão corresponde à situação em que o eixo rápido de o cubo está alinhado com o eixo principal de luz de polarização. Cubos com coeficientes de extinção elevados (100000: 1 ou superior) produzir uma boa separação de componentes de polarização. Isto pode ser testadoutilizando um divisor de cubo segundo feixe como um analisador que é rodado enquanto a primeira está alinhada para a transmissão máxima do feixe de extra-ordinária. Uma vez que a polarização linear da luz transmitida tenha sido confirmada, uma placa de onda λ / 4 concebido para 795 nm introduz-se o feixe de extraordinária para converter linear em polarização circular. Para este efeito, o eixo rápido da placa de onda é girado em 45 ° em relação ao eixo do cubo separador de feixes rápido. (Se desejado, a polarização circular do feixe reflectido comum com o seu eixo perpendicular a polarização linear do feixe de extra-ordinária pode ser conseguida de uma maneira semelhante.) A qualidade da polarização circular pode ser testado com um segundo cubo separador de feixes, que deve produzir transmissão constante durante a rotação. A óptica de feixe secundário de expansão (por exemplo, duas lentes em uma configuração telescópio Galileu), em seguida, aumenta o diâmetro do feixe de completamente illuminate a célula de vidro para o processo de bombeamento dentro de uma caixa de forno. A absorção da luz do laser por Rb vapor na célula é monitorada por meio de um furo de fixação atrás da célula de bombagem na extremidade da caixa: um colimador recolhe um feixe de luz infravermelha atenuado a ser analisado, com um espectrómetro de óptica (ver Figura 3 para o bombeamento de configuração celular ). Um mecanismo de aquecimento para fora da célula de bombagem parcialmente vaporiza uma gotícula Rb sentado no interior da célula (Figura 4-A) e, portanto, faz com que a absorção de luz laser. Densidade do vapor pode ser ajustado por meio do ponto de regulação de aquecimento do controlador PID correspondente. As altas temperaturas (cerca de 190 ° C) são boas para configurações compactas, onde o xenon tem uma quantidade limitada de tempo para construir polarização. A mistura de gás contendo Xe, N2 e ele flui através da célula de bombagem oposta à direcção do feixe laser (Figura 3). Um campo magnético externo alinhada com o feixe de laser que garante thfotões E IR só são bombeando uma transição Rb. Relaxamento dos estados de elétrons é rápido e devem ser não-radiativos para evitar a emissão de fótons com polarização IR &quot;errado&quot;. Aqui, a 2 N entra em jogo na forma de gás de têmpera. Eventualmente, o sistema Rb constrói uma superpopulação de um dos sub-níveis de estado de terra, enquanto o outro é continuamente descarregada pelo laser (Figura 5). Xenon ficando em contacto estreito com os átomos de Rb experimenta interacções spin-spin e a polarização do spin electrónico é transferido para Xe núcleos em flip-flop processos. O gás hiperpolarizado fluir para fora da célula de bombagem contém traços de vapor de Rb que o condensado sobre a parede de tubo dentro de alguns cm de saída, devido à temperatura baixa (semelhante à Figura 4b). As aplicações in vivo, no entanto, exigiria eliminação adicional do de metal alcalino (por exemplo, através de uma câmara de frio), enquanto in vitro experiments pode ser realizada de forma segura com o gás que sai do hiperpolarizadora. Tubagem de Teflon liga a saída polarizador com a entrada de um aparelho de vidro para realizar experiências de RMN em soluções de teste. Os controladores de fluxo de massa são usados ​​para ajustar a quantidade de Xe fluir para a instalação de RMN. Eles são acionados por comandos na seqüência de pulsos de RMN. Depois de verificar o aumento de polarização atingida, o gás pode ser usado como um agente de contraste de RMN / RM em experimentos de estado de solução. Xe tem uma solubilidade em água de certo (4,5 mM / atm) e outros solventes. É, por conseguinte, podem servir já por si só como um agente de contraste para obter a distribuição de alguns líquidos. No entanto, é também possível ligar o núcleo de RMN-activo a certas moléculas, a fim de adquirir molecular informações específicas através do gás de outra forma inerte. Ao proporcionar um hospedeiro molecular para o Xe dissolvido, é possível conferir especificidade molecular para o sinal de RMN de XE. Isto oferece a oportunidade deOs agentes de contraste de design funcionalizadas - também chamado de biossensores - quando a estrutura de um tal hospedeiro é acoplado a uma unidade de direccionamento que se liga a analitos específicos de interesse biomédico (Figura 6). Aumento de sensibilidade adicional é necessária quando o biossensor deve ser detectado em concentrações que são de baixo para os agentes de contraste para RM (&lt;100 | iM). Isto pode ser conseguido por transferência de produtos químicos de saturação de câmbio (CET). Este método detecta a biossensor indirectamente através da destruição da magnetização do Xe enjaulado e observando a alteração de sinais de Xe livre em solução. Uma vez que os núcleos são continuamente substituídos hiperpolarizado, após cerca de 10 ms de transferência de núcleo, muitas 100-1000 a informação para a piscina detectado e amplificar o sinal ca. 10 3 vezes (ver o filme 2).

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome do reagente </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários (opcional) </td></tr><tr><td> Lingote Rb </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 276332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 79610-500G </td><td></td></tr><tr><td> Ar </td><td> Praxair </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Xe </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 00.472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 00.476-1EA </td><td></td></tr><tr><td> Sistema laser </td><td> Lasers QPC / Operações Laser </td><td> Brightlock 50 </td><td></td></tr><tr><td> Sistema de vácuo </td><td> Pfeiffer </td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td> Termopares </td><td> NewportÓmega </td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td> Aquecedor de silício </td><td> Newport Omega </td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td> O transdutor de pressão </td><td> Newport Omega </td><td> PR 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td> Medidor de processo </td><td> Newport Omega </td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td> Fluxo de controladores de massa </td><td> Newport Omega </td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> Reguladores PID </td><td> Newport Omega </td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td> Software de controle </td><td> Newport Omega </td><td> DasyLab </td><td></td></tr><tr><td> A aquisição de dados </td><td> Newport Omega </td><td> Daqboard 3000 </td><td></td></tr><tr><td> Sensor de vácuo </td><td> Oerlikon </td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td> Controlador de vácuo </td><td> Vacom </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td> Feixe colimador </td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td> Divisor de feixe de polarização cubo </td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ placa / 4 onda </td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td> Expansão lentes de feixe </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Espectrômetro óptico </td><td> Ocean Optics </td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td> Fibra ótica </td><td> Ocean Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Tubo de RMN a baixa pressão </td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> Tubo NMR 5 milímetros </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td> Bobinas de Helmholtz </td><td> Phywe </td><td> 06960-00 </td><td></td></tr><tr><td> Sili Fusedca capilares </td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

hyperpolarized xenon for nmr and mri applications

Ressonância magnética nuclear (RMN) e de imagem (MRI) sofrem de baixa sensibilidade intrínseca, porque mesmo fortes campos magnéticos externos de ~ 10 T gerar apenas uma pequena detectável líquido magnetização da amostra à temperatura ambiente 1. Assim, a maioria das aplicações de RMN e RM se baseiam na detecção de moléculas com uma concentração relativamente alta (por exemplo, água para a imagiologia de tecido biológico) ou requerem tempos de aquisição excessivos. Isto limita a capacidade de explorar a especificidade molecular muito útil de sinais de RMN para muitas aplicações bioquímicos e médicos. No entanto, novas abordagens têm surgido nos últimos anos: Manipulação da espécie de spin detectadas antes da detecção dentro do magneto RMN / RM pode aumentar dramaticamente a magnetização e, portanto, permite a detecção de moléculas com uma concentração muito mais baixa 2. A seguir, apresentamos um processo para a polarização de uma mistura de gás de xénon (Xe 2-5%, 10%N 2, Ele equilíbrio) em uma configuração compacta com um ca. 16.000 vezes o aumento do sinal. Modern lasers de diodo-linha estreitadas permitir polarização 7 e eficiente utilização imediata da mistura de gás, mesmo que o gás nobre não é separado dos outros componentes. O aparelho de Seop é explicado e determinação da polarização do spin alcançado é demonstrada pelo controlo do desempenho do método. O gás hiperpolarizado pode ser usado para imagiologia de espaço vazio, incluindo imagiologia de fluxo de gás ou de estudos de difusão nas interfaces com outros materiais 8,9. Além disso, o sinal de RMN de Xe é extremamente sensível ao seu ambiente molecular 6. Isto permite a opção de utilizar como um agente de contraste de RMN / RM quando dissolvido numa solução aquosa com funcionalizados hospedeiros moleculares que aprisionam o gás temporariamente 10,11. A detecção directa e de alta sensibilidade de detecção indirecta de tais construções é demonstrada tanto em modo de espectroscopia e de imagem. &lt;/ P&gt;

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Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

A produção de xénon hiperpolarizado através da troca de spin bombeamento óptico (Seop) é descrita. Este método produz um realce ~ 10000 vezes da polarização do spin nuclear do Xe-129 e tem aplicações em espectroscopia de ressonância magnética nuclear e de imagem. Exemplos de fase gasosa e em solução são as experiências de estado dado.

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