Hyperpolarized زينون لNMR وتطبيقات التصوير بالرنين المغناطيسي

يوصف إنتاج مصابيح hyperpolarized عن طريق تبادل تدور البصرية ضخ (سيوب). هذه الطريقة تعطي ~ 10000-أضعاف تعزيز الاستقطاب تدور النووية من اكس-129 ولها تطبيقات في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي والتصوير. وهناك أمثلة من تجارب المرحلة الغاز وحل الدولة.

الرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتصوير الطيفي (MRI) يعانون من انخفاض الحساسية المتأصلة بسبب قوية المجالات المغناطيسية الخارجية حتى من T 10 ~ توليد صغيرة فقط للكشف الصافية للمغنطة من العينة في درجة حرارة الغرفة ^1. وبالتالي، فإن معظم NMR وتطبيقات تعتمد على التصوير بالرنين المغناطيسي الكشف عن الجزيئات في تركيز عال نسبيا (على سبيل المثال، الماء لتصوير الأنسجة البيولوجية) أو تتطلب اكتساب مرات المفرطة. وهذا يحد من قدرتنا على استغلال خصوصية مفيدة جدا للإشارات الجزيئية NMR للعديد من تطبيقات الكيمياء الحيوية والطبية. ومع ذلك، نهج جديدة ظهرت في السنوات القليلة الماضية: يمكن التلاعب من الأنواع تدور الكشف قبل الكشف داخل المغناطيس NMR / MRI زيادة كبيرة في مغنطة، وبالتالي يتيح الكشف عن الجزيئات عند تركيز أقل من ذلك بكثير ^2.

هنا، نقدم طريقة لاستقطاب خليط الغاز زينون (XE 2-5٪، و 10٪N _2، والتوازن) في إعداد التعاقد مع كاليفورنيا. 16000 أضعاف تعزيز الإشارات. الليزر الصمام الثنائي الحديثة خط ضاقت تسمح الاستقطاب كفاءة استخدام الفوري ⁷ و خليط من الغاز حتى إذا لم يتم فصل الغازات النبيلة من المكونات الأخرى. وأوضح الجهاز سيوب ويتجلى تحديد الاستقطاب تدور للسيطرة تحقيق أداء الأسلوب.

يمكن استخدام الغاز hyperpolarized للتصوير الفضاء الفراغ، بما في ذلك التصوير تدفق الغاز أو نشرها في الدراسات واجهات مع غيرها من المواد ^8،9. وعلاوة على ذلك، إشارة NMR اكس حساس للغاية لبيئتها الجزيئية ^6. هذا الخيار يتيح لاستخدامها كعامل النقيض NMR / MRI عندما يذوب في محلول مائي مع المضيفين الجزيئية functionalized هذا الفخ مؤقتا الغاز ^10،11. ويتجلى الكشف المباشر والكشف عن حساسية عالية غير المباشرة لمثل هذه التركيبات في وضع كل الطيفية والتصوير. </ P>

وكلاء Hyperpolarized تكتسب اهتماما متزايدا لNMR / MRI التطبيقات نظرا لأنها يمكن أن تحل المشكلة حساسية في ظل ظروف معينة ^2. وتستخدم حاليا ثلاثة مناهج رئيسية (الاستقطاب النووية الحيوية، DNP؛ شبه الهيدروجين الناجم عن الاستقطاب، PHIP، وتدور تبادل البصرية الضخ، سيوب) أن جميع السكان تعد تدور زيادة مصطنعة الفرق خارج المغناطيس NMR قبل الطيفي التجربة الفعلية أو التصوير . نحن هنا وصف وظيفة وتشغيل الإعداد سيوب الذي تم الأمثل لإنتاج ¹²⁹ اكس المستخدمة في التجارب hyperpolarized حل الدولة.

عنصر أساسي هو مصدر انبعاث الضوء المكثف الفوتونات تحت الحمراء في 795 نانومتر. صفائف يزر ديود (LDA) هي الأجهزة التي توفر مريحة ارتفاع انتاج الطاقة> 100 W بتكلفة معقولة. في العديد من الاجهزة، ويتم انبعاث LDA إلى الألياف الضوئية التي يحتفظ أكثر أو أقل من ال الاستقطابه ضوء الليزر. يجب لضمان عملية سيوب كافية يمكن تحويل هذا الاستقطاب إلى بيضاوي الشكل الدائري الاستقطاب بدرجة نقاء عالية. وترد المكونات الرئيسية للبصريات الاستقطاب في أرقام 1 و 2 و إنشاء نظام ويفسر تخطيطي في الفيلم التكميلية 1.

لاستقطاب دائري ضوء نعلق أولا نهاية الألياف البصرية إلى توسيع شعاع الأساسية (على سبيل المثال، وهو تلسكوب الموازاة الألياف) للحد من كثافة الطاقة. ويمر الضوء من خلال المكعب ثم شعاع الاستقطاب الخائن، وتوليد الضوء المستقطب خطيا. عن طريق تناوب هذا المكعب يمكننا تحديد المحور المفضل للالاستقطاب المتبقية مع السلطة متر. الإرسال القصوى يتوافق مع الحالة التي تكون فيها محاذاة محور سريع من المكعب مع محور الاستقطاب ضوء الرئيسية. مكعبات مع معاملات الانقراض عالية (100،000: 1 أو أفضل) تسفر عن فصل مكونات جيدة من الاستقطاب. يمكن اختبار هذهباستخدام الحزمة الخائن 2 مكعب كما أن محلل يتم استدارة بينما يتم محاذاة أول واحد لنقل الحد الأقصى من الحزم غير عادية.

مرة واحدة وقد تم تأكيد الاستقطاب الخطي من الضوء المرسل، هو عرض لوحة الموجة λ / 4 المصممة ل795 نانومتر في شعاع غير عادية لتحويل خطي إلى الاستقطاب الدائري. لهذا الغرض، ومحور سريع من لوحة الموجة يتم استدارة بنسبة 45 ° نسبة إلى شعاع مكعب محور الخائن بسرعة. (إذا رغبت، يمكن أن يتحقق من شعاع الاستقطاب الدائري العادي ينعكس على خطي مع الاستقطاب عمودي إلى محور شعاع غير عادية بطريقة مماثلة.)

ويمكن اختبار نوعية الاستقطاب دائري مع مكعب شعاع الخائن الثانية التي ينبغي أن تسفر انتقال ثابت على التناوب. A توسيع شعاع الثانوية البصريات (على سبيل المثال اثنين من العدسات في تكوين تلسكوب الجليل) ثم يزيد قطرها إلى شعاع تماما طlluminate الخلية الزجاج لعملية الضخ داخل مربع الفرن. ويتم رصد امتصاص ضوء الليزر بواسطة بخار الروبيديوم في الخلية من خلال ثقب دبوس وراء الخلية ضخ في نهاية المربع: لتلسكوب الموازاة يجمع شعاع IR الموهن إلى تحليل الطيف الضوئي مع (انظر الشكل 3 للخلية ضخ الإعداد ).

آلية التسخين خارج الخلية ضخ يبخر جزئيا قطرة الروبيديوم يجلس داخل الخلية (الشكل 4A) وبالتالي يسبب الليزر امتصاص الضوء. ويمكن تعديل كثافة بخار عن طريق تسخين نقطة مجموعة من وحدة تحكم PID منها. درجات حرارة عالية (حوالي 190 درجة مئوية) جيدة للالاجهزة المدمجة حيث زينون لديه كمية محدودة من الوقت لبناء الاستقطاب. تحتوي على خليط الغاز XE، N ₂ وكان يتدفق عبر الخلية ضخ المعاكس لاتجاه الشعاع ليزر (الشكل 3). حقل مغناطيسي خارجي تتماشى مع شعاع الليزر يضمن أن اله الفوتونات IR يتم ضخ واحد فقط الانتقال الروبيديوم. تخفيف الولايات الإلكترون بسرعة ويجب أن تكون غير الإشعاعي لتجنب انبعاث الفوتونات IR مع الاستقطاب "خاطئة". هنا، ₂ N يأتي دور كغاز إخماد. في نهاية المطاف، ونظام الروبيديوم يتراكم على الزيادة السكانية واحد من مستويات ثانوية الحالة الأرضية بينما يتم استنفاد باستمرار الآخر بواسطة الليزر (الشكل 5). زينون الحصول على اتصال وثيق إلى ذرات الروبيديوم الخبرات تدور تدور التفاعلات ويتم نقل الاستقطاب تدور الإلكترونات على النوى اكس في الوجه بالتخبط العمليات.

الغاز hyperpolarized المتدفقة من الخلية ضخ يحتوي على كميات ضئيلة من بخار الروبيديوم أن المكثفات على الحائط داخل أنابيب الطول قليل من منفذ نظرا لدرجة حرارة منخفضة (على غرار الشكل 4B). في التطبيقات الجسم الحي، ومع ذلك، يتطلب القضاء إضافية من الفلزات القلوية (مثل من خلال فخ بارد) في حين أنه في المختبر experimeلا يمكن أن يؤديها اليلة بسلام مع الغاز كما أنها تترك hyperpolarizer. تفلون أنابيب يربط منفذ المستقطب مع مدخل جهاز الزجاج لإجراء تجارب على NMR حلول الاختبار. وتستخدم وحدات تحكم تدفق الشامل لضبط كمية اكس التي تصب في الإعداد NMR. يتم تشغيلها من قبل الأوامر في تسلسل نبض NMR. بعد التحقق من تعزيز الاستقطاب تحقيق ذلك، يمكن استخدام الغاز كعامل النقيض NMR / MRI في التجارب حل الدولة.

XE لديها القابلية للذوبان في الماء بعض (4.5 مم / ATM) وغيرها من المذيبات. ولذلك يمكن أن تكون بالفعل من تلقاء نفسها كعامل النقيض لعرض توزيع بعض السوائل. ومع ذلك، فمن الممكن أيضا ربط نوى NMR-نشطة لجزيئات معينة من أجل الحصول على معلومات محددة الجزيئية من خلال غاز خامل غير ذلك. من خلال توفير مجموعة الجزيئية لاكس المنحل، أنه من الممكن أن يضفي خصوصية الجزيئية للإشارة NMR XE. هذا يتيح الفرصة لوكلاء تصميم النقيض functionalized - وتسمى أيضا أجهزة استشعار العوامل البيولوجية - عندما يقترن هذا الهيكل المضيف إلى وحدة استهداف التي تربط لanalytes محددة من الفائدة الطبية الحيوية (الشكل 6).

مطلوب مزيد من تعزيز الحساسية عند يجب أن يتم الكشف عن و biosensor بتركيزات منخفضة للأن عوامل التباين MR (<100 ميكرومتر). ويمكن تحقيق هذا عن طريق التحويل الكيميائية التشبع الصرف (CEST). هذا الأسلوب يكشف بشكل غير مباشر و biosensor من خلال تدمير مغنطة من زي قفص ومراقبة تغير إشارة اكس الحرة في الحل. منذ يتم استبدال باستمرار نواة hyperpolarized بعد نحو 10 مللي، وكثير النوى نقل 100 حتي 1000 المعلومات على الكشف عن تجمع وتضخيم إشارة كاليفورنيا. 10 ³ أضعاف (انظر فيلم 2).

1. إعداد إعداد سيوب

يجب تقديم الروبيديوم في الخلية ضخ البصرية، لتسهيل نقل الاستقطاب من ضوء الليزر إلى زينون. بسبب تفاعل العالية هذه العملية يجب ان تتم من دون الروبيديوم ملامسة الماء أو الأكسجين، وإلا فإنه سوف تصبح تتأكسد ولن استقطاب XE. وينبغي اتخاذ الحذر والروبيديوم يتفاعل بعنف مع الماء.

1. وإذا كان قد سبق للخلية الضوئية المستخدمة تطلى بطبقة من أكسيد الروبيديوم والروبيديوم، كما يمكن أن يرى في الشكل 4B. يجب أن يكون أول خلية نظيفة قبل الاستعمال. إغلاق مدخل ومخرج أنابيب للخلية الضوئية. مع الحفاظ على ضغط، نقل الخلية إلى غطاء الكيميائية. تحت غطاء محرك السيارة باستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة، فتح الخلية إلى الغلاف الجوي والانتظار ساعة واحدة تقريبا للسماح للسطح الروبيديوم لأكسدة.
2. بلطف ماصة نقية الأيزوبروبانول في الخلية. وهذا حلسوف RB طبقة أكسيد، وقطرات الروبيديوم لامعة تتحرك فوق سطح الأيزوبروبانول مثل قطرات الماء على لوحة الساخن. صب الأيزوبروبانول (أي والروبيديوم التي تأتي معها) في كوب. كرر حتى تتم إزالة جميع الروبيديوم.
3. إذا كانت هذه لا تزال لا يزيل جميع الروبيديوم، وجعل الحل من الماء 10٪ و 90٪ الأيزوبروبانول وكرر الخطوة 1.2) زيادة نسبة المياه (في الخطوات من 10٪) حتى تتم إزالة جميع الروبيديوم.
4. مرة واحدة تتم إزالة جميع الروبيديوم، وشطف الخلية الضوئية مع الأسيتون.
5. جلب اجلاء سابقا ثم الأرجون ملء الخلية الضوئية ضخ في علبة القفازات مع جو الأرجون. وتشمل أيضا أمبولة من الروبيديوم، وأداة لكسر أمبولة، ماصات باستور، Kimwipes، وبندقية الحرارة. من أجل الحفاظ على جو جاف في علبة القفازات، ضع طبق بتري مع خامس أكسيد الفوسفور باعتبارها المجففة. يمكن رصد وجود آثار غير مرغوب فيها من الأكسجين مع لمبة ضوء حيث يتم فتح الزجاج لمبة لفضح خيوط للقفاز جو مربع.الظروف على ما يرام طالما لم ينشأ الدخان مع ضوء قيد التشغيل.
6. فتح المنفذ ملء الخلية الضخ، كسر أمبولة الروبيديوم وإذابة الفلزات القلوية مع بندقية الحرارة. امتصاص بعض الروبيديوم السائل مع ماصة وحقنه في الخلايا الضخ.
7. إغلاق ميناء ملء بعد زيادة الضغط الأرجون في علبة القفازات للحفاظ على الضغط الزائد طفيف في الخلية ضخ لنقل إلى إعداد المستقطب. تأخذ الخلية من خارج منطقة الجزاء القفازات.
8. توصيل الخلية إلى متعددة المستقطب، وضمان أن يتم محاذاة مع خط ليزر شعاع إلقاء الضوء على الخلية أثناء عملية الضخ (ويمكن أن يتم هذا مع شعاع الضوء المرئي تهدف، الشكل 7) وتأكد من أن جهاز التدفئة الحرارية مع فيها قد الحرارية الاتصال السليم مع الخلية (كما في الشكل 4A). إرفاق الحرارية إلى أعلى الخلية.
9. إخلاء اتصالات أنبوب يصل إلى مدخل ومخرج صمام الضخ الخلية. بعدالتوصل إلى ضغط ميليبار 30x10 ^<-3، تطهير خطوط عالية النقاء مع AR (أو النيتروجين). كرر ذلك ثلاث مرات.
10. مع خزان صول مفتوحة للمدخل الخلية الضخ، فتح ببطء مدخل ومخرج صمام للخلية. فتح صمام مأخذ بعناية المستقطب قليلا صغيرة لإنشاء تدفق صول من كاليفورنيا. 1 حركة تحرير السودان من خلال مشعب. الحفاظ على هذا التدفق لمدة 2 دقيقة. حتى الآن، ينبغي القضاء على الشوائب الأكسجين بشكل كبير لتجنب أكسدة الروبيديوم. إغلاق صمام مأخذ المستقطب والاتصال مدخل إلى خزان صول.
11. بدوره على سخان للخلية ضخ (CA مجموعة درجة الحرارة. 180-190 ° C لقطاع التدفئة التي شنت تحت الخلية). وهذا جزء من تبخير قطرات الروبيديوم.
12. فتح خليط الغاز اكس الاتصال إلى الإعداد المستقطب. يجب أن يتم تعيين المنظم للدبابات كاليفورنيا. 3،5 بار الضغط الزائد.
13. تحويل الليزر على طول موجته وضبط ينبعث منها إلى كاليفورنيا. 794،8 نانومتر عن طريق ضبط درجة حرارة سائل التبريد مجموعة من الصمام الثنائي. رصد لاسر الملف من خلال مطياف الضوئية.
14. التبخر المستمر للالروبيديوم يسبب زيادة امتصاص الليزر. تأكد من استيعاب الشخصي انبعاث الليزر بشكل متناظر (وتصحيح درجة حرارة سائل التبريد إذا لزم الأمر). مرة واحدة في استشعار درجة الحرارة على رأس الخلية يقرأ كاليفورنيا. 100 درجة مئوية، يجب الانتباه انتقال الليزر انخفاضا كبيرا (انظر الشكل 8).
15. امتصاص الليزر يتسبب أيضا في تدفئة إضافية، وبالتالي زيادة الضغط في الخلية. مراقبة ظروف الخلية وتنفيس الغاز بعناية من مأخذ المستقطب (كما في التشغيل العادي) لاطلاق سراح بعض الضغط كلما قيمة تقترب من الحد الأقصى هو تصنيف الخلية ضخ ل(ABS بار 5. في الإعداد لدينا).
16. بدوره على المجال المغناطيسي (حوالي 2-3 طن متري) حول الخلية ضخ في حين رصد الملف الشخصي الليزر. يجب نقل ترتفع على الفور باعتبار أن هذا المجال يسبب البصرية انتقائية ضخ (انظر الشكل 8).
17. انتظر جميع درجات الحرارة لتحقيق الاستقرار.المستقطب الآن جاهزة للاستخدام.

2. إعداد إعداد NMR

1. إدراج أنبوب اختبار مع المياه إلى رئيس التحقيق وأداء NMR ضبط ومطابقة للتردد اللاسلكي (RF) الدائرة لبروتون وقناة زينون.
2. الرقاقة إشارة على المياه مع روتين الرقائق الآلي واجهة المستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي.

3. فرط الاستقطاب الكمي

1. توصيل أنبوب مخرج المستقطب إلى مدخل شبح اختبار كاليفورنيا مع والخمسين. 5 الشعيرات الدموية لحقن اكس وأنبوب تنفيس الغاز إلى الاتصال مع كتلة تحكم في التدفق.
2. تأكد من تعيين وحدات تحكم تدفق الغاز إلى "مغلقة" وفتح صمام مأخذ ببطء المستقطب للضغط على الوهمية. تعيين معدل التدفق إلى كاليفورنيا. 0،5 SLM لبدء تدفق مستمر من خلال الوهمية. تقدير من وحدة التخزين الوهمية ومعدل تدفق الغاز كم من الوقت يستغرق لاستبدال تماما حجم الغاز. في الإعداد لدينا، وهذا هو كاليفورنيا. 2 ثانية.
3. لتحديد النبض الإثارة المطلوبة الطول، الحصول على سلسلة من تسوس التعريفي مجانا (FID) مع إشارات مطياف الرنين المغناطيسي النووي باستخدام النبض الثابت من تخفيف 10dB وأطوال مختلفة الإثارة (مثل 5-100 μsec). مزيد من المعلمات هي: العرض الطيفي للSW = 10 كيلو هرتز، واقتناء تا الوقت = 1 ثانية والتكرار TR الوقت أطول من الوقت استبدال المحسوبة في الخطوة 3.2. وتيرة نبض الإثارة للغاز اكس على 9.4 T كاليفورنيا. 110،683 ميغاهرتز. فإن FID مع أقوى إشارة تعطيك التركيبة الصحيحة من قوة النبض وطول لإشارة الحد الأقصى.
4. بعد خفض تدفق حركة تحرير السودان إلى 0.1، وزيادة TR إلى 15 ثانية (لتكون قابلة للمقارنة مع الخطوة 3.7)، وترك غيرها من المعالم دون تغيير، الحصول على بيانات المسح مع FID 16 في حين أن زي hyperpolarized تتدفق من خلال العينة. تنفيذ التحول فورييه وقياس السعة الذروة في الطيف. هذا هو كثافة إشارة لmixt hyperpolarized الغاز زينونلدى عودتهم. أيضا، لاحظ تردد صدى من الغاز في ذروة هرتز.
5. إخلاء NMR جدار أنبوب الثقيلة مجهزة صمام الضغط المنخفض لختم وملء مع كاليفورنيا. 2 الضغط الزائد من شريط زينون النقي.
6. إخلاء الغاز متعددة عقد أنبوب NMR وملء كاليفورنيا. 0.2 بار من الأكسجين النقي على رأس اكس في أنبوب NMR (أي ضبط ضغط O ₂ لضغط زائد شريط 2.2). فإن الأكسجين تعزيز التخفيف من مغنطة اكس بعد الإثارة RF (لأنها تتيح لنا للعمل مع ثانية 15 = TR، والعملية تتطلب خلاف ذلك TR طويلة جدا إذا لم يتم استبدال الغاز لإثارة مثل التالي في الخطوة 3.4).
7. استبدال تدفق الغاز المستخدمة سابقا الوهمية في المغناطيس NMR مع هذا الأنبوب ضغط منخفض وأداء NMR تسلسل نبض NMR كما في 3.4. هذا وسوف تعطيك قوة إشارة NMR لاكس عالية التركيز الاستقطاب حراريا.
8. مقارنة شدة إشارة اكس حراريا وhyperpolarized وحساب إشارة تعزيزمنة اتخاذ تركيزات مختلفة وضغوط في الاعتبار. حساب الاستقطاب تدور على النحو التالي:

الاستقطاب تدور الحرارية _ال P يجب أولا تحديد كمرجع. وتعرف بأنها الفرق سكان الولايات تدور بينهما عبر مجموع السكان، أي

في درجة حرارة الغرفة، وتعطى عن طريق تقريب درجة حرارة عالية ونسبة السكان R

(ك هو ثابت بولتزمان، T درجة الحرارة المطلقة، وγ نسبة magnetogyric). منذ KT الطاقة الحرارية هو إلى حد بعيد العامل المهيمن، R، على مقربة من 1، أي 0.999982232 لاكس في B ₀ = 9.4 T. هذا غلة _ال P (9.4 T) = 8.9 10 ^-7.

المقبل، وتعزيز تطبيع إشارة ε عامل لابد من محسوبة على أساس نسبة من _حصان إشارة S hyperpolarized والإشارة من _ال S الاستقطاب الحراري (على افتراض أن جميع المعلمات تسلسل نبض NMR كانت متطابقة لكلا التطبيقات):

حيث c و ف تمثل تركيز اكس في خليط الغاز (في المائة) والضغط من خليط الغاز لتجارب كل من حراريا مع واكس hyperpolarized، على التوالي. وتعطى ثم فرط الاستقطاب التي حققتها المنتجات _ال εP.

4. Functionalized زينون الحل الطيفي الدولة

1. إعداد الحل ميكرومتر 50-200 من مجموعة زينون (functionalized) (على سبيل المثال، cryptophane-A مع وحدة الاستهداف). اعتمادا على hydrophobicity من القفص المشتركnstruct، إضافة أكثر أو أقل DMSO في الماء كمذيب. في مظاهرة لدينا مع قفص cryptophane A-monoacid، فمن أسهل للاستخدام DMSO النقي. اتخاذ كاليفورنيا. 1.5 مل من هذا الحل وملئه في تدفق الغاز الوهمية، وضمان أن ال 5 تنصهر السيليكا الشعيرات الدموية تسمح محتدما كافية من الحل مع خليط الغاز XE. إجراء اختبار محتدما خارج المغناطيس NMR بنسبة 0.1 SLM وتحقق من وجود رغوة المفرط غير المرغوب فيها.
2. إدراج الوهمية في التحقيق NMR ولحن والمباراة على بروتون وكل من X-القنوات وإجراء الرقائق الآلي مثل في الخطوة 2.2.
3. استخدام عملية استحواذ FID مع التأخير المناسب والبقول الزناد من مطياف لفتح وإغلاق وحدات تحكم تدفق الشامل. السماح لكاليفورنيا. 15-20 ثانية محتدما مع 0.1 SLM واللاحقة تأخير ثانية 5-8 في انتظار أن تختفي فقاعات، تليها الإثارة وقراءات RF FID.
4. أداء 16 أو 32 التكرار (اعتمادا على تركيز القفص الخاص) كيلو هرتز مع SW 40 =، تتركز في كاليفورنيا. 11 كيلو هرتز إلى أسفلحقل من الغاز تردد صدى تحديدها في الخطوة 3.4. يجب أن تكون قراءات FID 500-1،000 م. تحويل فورييه FID للحصول على الطيف.
5. تعيين قيمة التحول الكيميائي للإشارة أقصى اليمين (المرحلة الغاز) إلى 0 جزء في المليون. كتابة تردد الإشارة حل مكثفة (إشارة أقصى اليسار) في هرتز وجزء في المليون. نلاحظ أيضا الإزاحة بين هذه الإشارة في _حل δ وإشارة اكس مغلفة في _قفص δ ~ 60 - 80 جزء في المليون جزء في المليون في وهذا ما يسمى الإزاحة Δω (انظر أيضا ممثل النتائج).

5. فرط CEST التصوير

1. من أجل اختبار قدرة الوكيل على النقيض من جزيء المضيف زينون، يمكن إجراء تجربة مع اثنين من المقصورة الوهمية. للقيام بذلك، واتخاذ كاليفورنيا. 50٪ من محلول الاختبار من الباب 4 وملئه في أنبوب NMR 5MM. إدراج هذا الأنبوب في الإعداد مم محتدما 10 من الباب 4. ملء المقصورة الخارجي مع المذيبات فقط والقفص لا تصل إلى نفس مستوى التعاون الداخليmpartment. إدراج 3 من الشعيرات الدموية الشعيرات الدموية محتدما في والخارجي 2 في المقصورة الداخلية.
2. إعادة توصيل أنابيب لإعداد السطح وكرر الخطوة 4.2.
3. تحديد تسلسل EPI احد بالرصاص للتصوير بسرعة. ربما يحتاج هذا التسلسل إلى تعديل لتشمل التأخير والبقول الزناد من مطياف لفتح وإغلاق وحدات تحكم تدفق الشامل. السماح لكاليفورنيا. 15 حتي 20 ثانية محتدما مع 0.1 و 5 اللاحقة حركة تحرير السودان - 8 ثانية تأخير في انتظار أن تختفي فقاعات، تليها الترميز التصوير بالرنين المغناطيسي.
4. تعيين نواة لكشف اكس ¹²⁹ بشأن هذا X-قناة وتردد الإرسال / المراقب إلى القيمة المحددة للإشارة الحل في الخطوة 4.5. باستخدام الآلة الحاسبة أداة RF النبض، النبض تحويل المعلمات (السعة والمدة) من الخطوة 3.3 في الإثارة المستخدمة في التصوير تسلسل الخاص بك.
5. هندسة التصوير في مثالنا هي كما يلي: 10 - 20 مم سمك شريحة، والتوجه عرضية؛ 20 × 20 ملم من ميدان تنافسث؛ مصفوفة حجم 32x32؛ أخذ العينات المزدوجة (لتجنب القطع الأثرية) وجزئية عامل الترميز فورييه تعيين إلى 1.68 لعمليات استحواذ المعجل (أي يتم الحصول في الواقع سوى 19 من الخطوات مرحلة الترميز 32).
6. فتح وحدة CEST (نقل مغنطة تعديل وحدة) لإعداد إشارة وتمكين presaturation CW نبض (معلمات، على سبيل المثال، مدة 2 ثانية، 5 μT السعة). 2 أداء عمليات الفحص في اتجاه مستعرض مع تردد الناقل من هذا النبض تشبع مرة واحدة يتم تعيين إلى _قفص δ δ = _حل - Δω ومرة واحدة _{لمراقبة} δ δ + = _حل Δω.
7. باستخدام أداة بعد ومعالجة الصور، وتوليد الصورة الفرق فرط CEST عن طريق طرح صورة مع التشبع في _قفص واحد من δ مع التشبع في _{السيطرة} δ. يجب تسليط الضوء على النتيجة فقط المناطق التي المضيف كان حاضرا اكس (انظر أيضا ممثل النتائج).

6. ممثل النتائج

يمكن رصدها من امتصاص الليزر عن طريق تحويل المجال المغناطيسي حول الخلية وخارجها. اعتمادا على قوة الليزر ودرجة الحرارة الخلية، ويلاحظ مع المجال المغناطيسي الاستيعاب الكامل تقريبا مغلقا وكاليفورنيا. 30٪ يحدث مع انتقال هذا المجال على (يظهر مقارنة في الشكل 8).

لنظام التشغيل NMR على 9.4 T (400 ميغاهرتز لمدة ¹ H، 110 ميغاهرتز للاكس ^129)، وينبغي أن يكون تعزيز إشارة كاليفورنيا. 16000 أضعاف عند المقارنة بين الزينون الزينون مع الاستقطاب حراريا hyperpolarized. وفقا للخطوة 3.8، هذا يتوافق مع الاستقطاب تدور من كاليفورنيا. 15٪. ضاقت القيم> 10٪ يجب أن تكون قابلة للتحقيق عند استخدام خط ليزر ديود CW مع الانتاج من W. 100>

ينبغي أن الطيف NMR ¹²⁹ اكس حل DMSO تحتوي على 213 ميكرومتر من مجموعة الجزيئية يحمل إشارة من الزينون مع قفصإشارة إلى نسبة الضوضاء من كاليفورنيا. 10 لمدة 16 الاستحواذ (الشكل 9؛ في درجة حرارة الغرفة، خط توسيع استخدام 10 هرتز).

وفرط CEST مجموعة البيانات الكاملة MRI يظهر قوة إشارة للصورة خارج السيطرة الرنانة واستنزاف إشارة في المناطق التي تحتوي على جزيء المضيف اكس التشبع في الصورة على الرنانة. الصورة الفرق يعرض حصريا على المناطق التي استجابت لنبض تشبع (الشكل 10).

عرض الرقم الجانبية 1. من المكونات البصرية لتحقيق الضوء المستقطب دائريا. ويقترن ضوء الليزر في النظام من خلال الألياف البصرية على اليمين. يتم تثبيت كل من الاستقطاب المكعب الخائن شعاع (PBC) ولوحة موجة λ / 4 بشأن الدورية لضبط يتصاعد بسرعة AXق لإنتاج الضوء المستقطب دائريا (انظر فيلم 1). يمكن تحويل شعاع العادية التي تعكسها وPBC بواسطة مرآة في نهاية المطاف في مكب شعاع (لا يظهر).

الشكل 2. عرض أعلى المكونات البصرية لتحقيق الضوء المستقطب دائريا. هذا الرأي يتضمن تفريغ شعاع لشعاع العاديين. كإجراء وقائي، المزدوجات الحرارية ومراقبة درجة حرارة المتوسع شعاع الأولية، وتفريغ شعاع، والخائن شعاع الاستقطاب مكعب.

الشكل 3. فتح عرض الجانب من ضخ الخلية التي تحتوي على الجدار الجانبي من مربع الفرن. مدينة لوس انجلوسسر الضوء يدخل إلى مربع من اليسار من خلال نافذة زجاجية متوازية. الثقب على الطرف الأيمن خفف من قوة الليزر المنقولة لحماية مطياف الضوئية التي تستقبل الضوء من خلال تلسكوب الموازاة والألياف البصرية. خليط الغاز زي يسافر عكس الاتجاه ليزر ضوء: أن يدخل الخلية من خلال الساق اليمنى والمخارج على الجانب الأيسر.

الشكل 4 أ) عن قرب نظرا لقطيرة الروبيديوم داخل الخلية الضخ. يتم إرفاق سخان السيليكون البرتقالي (التي تسيطر عليها منظم PID) في الجزء السفلي من الزجاج الخلية. A الحرارية على رأس تراقب درجة حرارة الخلية. ب) عن قرب نظرا للغاز منطقة مدخل خلية العمر المتوسط ​​ضخ مع incr تخفيف المكثفات تراكم على الجدار الزجاجي. ج) الروبيديوم قطرة المتبقي في نفس الخلية كما في ضخ ب)، كما يراها إلقاء الضوء على الخلية من الخلف ومع الوقت القصير التعرض لقمع الرؤية من الزجاج طلاء الجدار.

الشكل 5. التحولات الطاقة في بخار الفلزات القلوية. أ) دون الخارجية B-الميدان، لم يتم تعريف المغناطيسي الفرعي المستويات (موضح في الرمادي فقط)، وبالتالي أي ذرة في ولاية الأرض تمتص الضوء. ب) تشغيل حقل الخارجية يحدد مستويات زيمان وأسباب ضخ واحد فقط الانتقال وفقا للقواعد اختيار ثنائي القطب. هذا يسبب تراكم الذرات في واحدة من مستويات فرعية في حين أن انخفاض عدد الذرات في الحالة الأرضية الرتب الأخرى الفرعية يمتص ضوء الليزر.

= "دائما">
الشكل 6. Functionalized قفص cryptophane للكشف عن هدف محدد من الفائدة البيوكيميائية. فإن إشارة NMR زي تغيير على حالة ملزمة وحدة محددة تستهدف.

الشكل 7. المرئية تهدف شعاع (ضوء أحمر) لتنسيق الخلية لضمان ضخ الإضاءة كاملة من حجم الضخ.

ملامح الليزر الشكل 8. لخلية ضخ مختلفةالظروف. ويلاحظ أي امتصاص لزنزانة باردة (درجة حرارة الغرفة) عندما لا بخار الروبيديوم موجود. نلاحظ خطوط الانبعاثات اثنين من الصمام الثنائي ليزر لدينا (جنبا إلى جنب مع FWHM من 0.5 نانومتر التي هي ضمن مواصفات الشركة المصنعة). عندما تصل درجة حرارة الزنزانة في مجموعة (180 ° C) ويتم تشغيل المجال المغناطيسي قبالة الجنرال D ₁ الإثارة يسبب امتصاص شبه كامل لضوء الليزر. تبديل المجال المغناطيسي يستحث على ضخ انتقائية واحد فقط الانتقال ويزيد من كثافة انتقال العدوى.

الشكل 9 ¹²⁹ اكس طيف الرنين المغناطيسي النووي من حل DMSO-A التي تحتوي على cryptophane monoacid (الهيكل المبين أيضا) كما قفص XE. المشار إليها في ذروة الغاز إلى 0 جزء في المليون. اكس مجانا في حل يظهر في _حل δ = 2450.7 جزء في المليون وزي قفص _قفص δ = في 79،2 جزء في المليون. للتجربة فرط CEST، يتم تعيين مرة واحدة لتشبع نبض _قفص δ للتمكن من نقل التشبع لخفض الذروة والحل مجموعة مرة واحدة _{للسيطرة} δ = 412،2 جزء في المليون لجمع إشارة مرجعية لالطرح. فقاعات اكس 213 ميكرومتر في قفص DMSO عند 295 K، 16 كيلو هرتز الاستحواذ بنسبة 32.3 عرض الفرقة، 772 مللي FID تلا، إلى حل لحركة تحرير السودان عند 0.1 و 20 ثانية: معلمات التجريبية.

الشكل 10 ¹²⁹ اكس MR صور زينون الذائبة في DMSO. شبح يتكون من اثنين من مقصورات منفصلة مع مقصورة داخلية فقط تحتوي على cryptophane-A monoacid (عند تركيز من 50 ميكرومتر). قبل اتخاذ كل صورة EPI، 5 μT المستمر الموجة saturatيتم تطبيق أيون نبض للثانية 2. أ) النبض التشبع هو في _{السيطرة} δ، أي قبالة الرنانة مع ذروة زي قفص @ ونلاحظ إشارة قوية من كلا المقصورات. ب) التشبع على الرنانة مع ذروة زي قفص _قفص δ @ في، تقريبا تماما تدمير الإشارة من المقصورة الداخلية. الصورة الطرح أ) - ب) يكشف عن مكان وجود جزيء المضيف XE. تم الحصول على صور مع FOV من 20 ملم × 20، بسمك 10 مم من شريحة و 32 × 32 بكسل. وبعد ذلك thresholded ومحرف إلى 256 × 256 بكسل.

الفيلم 1. الرسوم المتحركة من تجميع الإعداد لسيوب. يتم زيادة لأول مرة في قطر شعاع الليزر من قبل المتوسع شعاع الابتدائية ويمر من خلال المكعب الخائن شعاع الاستقطاب (PBC). تناوب هذا المكعب يغير شدة النسبية للشعاع العادي وغير العادية. لمنصب مع الإرسال القصوى، يتم محاذاة محور سريع للجنة البرنامج والميزانية مع دوميناNT محور الاستقطاب للضوء واردة. ويمكن اختبار باستخدام PBC المرتبة الثانية من حيث محلل - الاستقطاب الخطي للضوء المنقولة - التي تتأثر نسبة الجودة / PBC انقراض. وينبغي مواءمة محورها بسرعة مع محور سريع من المكعب الأولى يجب أن تعطي الحد الأقصى للإرسال في حين تناوب 90 درجة مزيدا من إعطاء انتقال الصفر والتفكير الكامل. ادراج λ / 4 الموجة لوحة خطية إلى تحويل الاستقطاب دائري إذا محورها بسرعة يتم استدارة 45 درجة على محور سريع للجنة البرنامج والميزانية أولا. يجب أن شدة الضوء المرسل يكون الآن مستقلة عن دوران المكعب الثاني. إزالة مكونات تحليل واستبدالها مع المتوسع شعاع الثانوية تعطي الحق شعاع قطره لإلقاء الضوء على الخلية الضخ. ويتبخر جزئيا قطرة الروبيديوم يجلس في هذه الخلية بمجرد تشغيل سخان خارج الخلية على. خليط الغاز زينون تتدفق من خلال الإعداد في الاتجاه المعاكس للتنقيب شعاع الليزرibutes هذا البخار في جميع أنحاء الخلية. بدون المجال المغناطيسي، يؤدي العامة D ₁ إثارة ذرات الروبيديوم وامتصاص قوية من ضوء الليزر. تحويل المغناطيسي على انتقائية تسمح ضخ واحد فقط الانتقال بين مستويات المعرفة الآن المغناطيسي الفرعي. ونتيجة لذلك، فقط عدد قليل من الذرات تمتص يتم زيادة ضوء الليزر ونقلها مرة أخرى. انقر هنا لمشاهدة الفيلم .

فيلم 2. الرسوم المتحركة شرح تأثير CEST. أقفاص Cryptophane بمثابة المضيفين الجزيئية إلى اعتراض ذرات اكس التي تغير وتيرتها على صدى هذا الحدث ملزمة (الأزرق الانتقال -> الأخضر). A اقتناء NMR اول مرة تحدد كمية زي غير منضم كإشارة مرجعية. المقبل، نبض تشبع انتقائية تؤثر فقط في قفص ذرات يدمر مغنطة بهم. منذ ملزمة اكس هي عملية قابلة للعكس، نبضة طويلة إلغاءق مغنطة من ذرات عديدة واكتساب NMR 2 يكشف عن انخفاض إشارة هامة من اكس مجانا بالمقارنة مع إشارة مرجعية. انقر هنا لمشاهدة الفيلم .

الجوانب الهامة في إعداد زينون hyperpolarized هي الشوائب الأكسجين في مشعب الغاز بما في ذلك الخلية الضخ والإضاءة الكافية للخلية مع الضوء المستقطب دائريا. المصباح الكهربائي المذكورة أعلاه الاختبار هو طريقة بسيطة للكشف عن تركيزات الأكسجين الضارة أثناء نقل الروبيديوم. قد تفقد الفلزات القلوية سطحه لامعة في الوقت تم تثبيت خلية في المستقطب. ومع ذلك، يمكن رصد التبخر كافية من الروبيديوم غير المؤكسد من انتقال الليزر المنخفض (عند تسخين خلية جديدة لأول مرة، فإنه يمكن أن يكون أن زيادة درجة حرارة إضافية من الكالسيوم 20 ° C هو مطلوب لبدء عملية التبخر؛ مرة واحدة يبدأ امتصاص الليزر، ينبغي تخفيض نقطة التحديد). شبه الكامل امتصاص الليزر في وجود مجال مغناطيسي يشير إلى أن هناك منطقة واحدة على الأقل في الخلية مع زيادة كثافة بخار الروبيديوم التي قد تسبب الإضاءة غير متجانسة الخلية والسيئة الضجيج اكسrpolarization. خفض درجة حرارة سخان إذا حدث هذا حتى يكون هناك ما يقرب من 30٪ من خلال نقل الخلية.

درجة الحرارة المثلى، وضغط خليط الغاز، وتدفق معدلات يتعين تحديد تجريبيا لكل الإعداد وهذه سوف تعتمد على هندسة معينة والتوصيل الحراري للخلية الضوئية والليزر عرض الخط وقوة المستقطبات الفردية. ولا سيما وقد تبين أن تبادل تدور من الروبيديوم لاكس هي الأكثر فعالية في الضغط المنخفض ^12. حتى الآن، نظرا لعرض الخط كبير نسبيا من الصمام الثنائي ليزر، RB الاستقطاب غالبا ما يكون أكثر كفاءة في الضغوط الكبيرة ^1. يجب ان تؤديه هذين العاملين ضد بعضها البعض للوصول إلى الحد الأقصى الاستقطاب لإعداد معين.

ويمكن تحقيق الضوئية البديلة ضخ باستخدام الروبيديوم ₂ D الانتقالية مع انبعاث الليزر في 780 نانومتر أو باستخدام خدمات العملاء مع انتقالها ₁ D 894 نانومتر في ¹³ و D ₂ 852 نانومتر في الانتقال ^14. اعتمادا على مدى توافر نظم الليزر، يمكن اختيار واحد من أربعة لنهج الأمثل ظروف الضخ.

ويمكن أيضا الخلل جيدة قائمة لإنشاء وتشغيل الإعداد سيوب يمكن العثور عليها في ^15. يتم سرد بعض المكونات للسيطرة على مزيد من الفراغ والضغط الزائد في مشعب المستقطب وإخلاء الوقوف المستخدمة في الخطوة 3.5 في الجدول المعدات.

للحفاظ على استقطاب اكس، يجب أن يوضع في مجال مغناطيسي. مجال الضالة من مطياف الرنين المغناطيسي النووي ويكفي لهذا الغرض. في المرحلة الغاز T ₁ من اكس هو ساعة عديدة. ويمكن زيادة ذلك من خلال تجميد العينة، وهو أمر مفيد للنقل. التفاعلات الجدار هي واحدة من الأسباب الرئيسية لإزالة الاستقطاب من الغاز XE. ويمكن تخفيض هذه من الاختيار الدقيق للمواد (مثل الأواني الزجاجية بواسطة طلاء ¹⁶⁾ والحد من الاتصال betw المنطقةEEN الغاز والحاويات.

قد تتعطل الحصول على البيانات من NMR الحلول من خلال الإفراط في رغوة خلال الفترة المتبقية محتدما أو فقاعات في السائل بعد تأخير الانتظار. هذا يسبب عدم تجانس الحقل خطيرة وكبيرة فقدان الإشارة. الحد من نقطة التحديد من كتلة تحكم تدفق في هذه الحالة.

الإعداد الاستقطاب المقدمة هنا يسمح للدراسات NMR سهلة مع زينون hyperpolarized على مدى فترات طويلة من الزمن. ومن هنا، إشارة متوسط ​​للظروف بتركيزات منخفضة الهدف من الممكن بسهولة. ويضمن الاستقرار إشارة من خلال استخدام وحدات تحكم تدفق الشامل الناجمة عن مطياف.

وقد ذكرت وإشارة اكس functionalized تعتمد على عدة جوانب من البيئة الصغيرة، بما في ذلك معايير مثل درجة الحموضة المحلية، ودرجة الحرارة وتكوين المذيب. لذلك هذا النهج مختلف التطبيقات المحتملة في كل من في المختبر علىالثانية في التشخيص الجسم الحي.

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

تلقى هذا المشروع البحثي بتمويل من مجلس البحوث الأوروبي في إطار برنامج الجماعة الأوروبية الإطاري السابع (FP7/2007-2013) / ERC اتفاقية المنحة رقم 242710 وبالإضافة إلى ذلك كان مدعوما من قبل برنامج العلوم الحدودي الإنسان وبرنامج Noether ايمى من الألمانية مؤسسة أبحاث (995/2-1 الدائمة المعنية بحقوق الإنسان).