Гиперполяризация (физика) - Hyperpolarization (physics)

Гиперполяризация - это ядерная спиновая поляризация материала в магнитном поле, выходящая далеко за пределы условий теплового равновесия, определяемых распределением Больцмана . Его можно применять к таким газам, как ¹²⁹ Xe и ³ He , а также к небольшим молекулам, где уровни поляризации могут быть увеличены в 10 ⁴ -10 ^{5 раз по} сравнению с уровнями теплового равновесия. Гиперполяризованные благородные газы обычно используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ) легких. Гиперполяризованные небольшие молекулы обычно используются для метаболической визуализации in vivo . Например, гиперполяризованный метаболит можно вводить животным или пациентам, а метаболическое превращение можно отслеживать в режиме реального времени. Другие приложения включают определение функции спиновых структур нейтронов путем рассеяния поляризованных электронов на очень поляризованной мишени ( ³ He), исследования взаимодействия с поверхностью и эксперименты по поляризации нейтронов.

Спин-обменная оптическая накачка

Вступление

Спин-обменная оптическая накачка (SEOP) - один из нескольких методов гиперполяризации, обсуждаемых на этой странице. Этот метод специализируется на создании гиперполяризованных (HP) благородных газов, таких как ³ He, ¹²⁹ Xe и квадруполярный ¹³¹ Xe, ⁸³ Kr и ²¹ Ne. Благородные газы необходимы, потому что SEOP выполняется в газовой фазе, они химически инертны, нереактивны, химически стабильны по отношению к щелочным металлам, а их T ₁ достаточно велико для создания поляризации. Благородные газы со спином 1/2 отвечают всем этим требованиям, а благородные газы со спином 3/2 - в некоторой степени, хотя некоторые из них не имеют достаточного T ₁ . Каждый из этих благородных газов имеет свое собственное конкретное применение, такое как характеристика пространства и ткани легких с помощью молекулярной визуализации in vivo и функциональной визуализации легких, для изучения изменений метаболизма здоровых и раковых клеток или использования в качестве мишеней для экспериментов по ядерной физике. Во время этого процесса инфракрасный лазерный свет с круговой поляризацией , настроенный на соответствующую длину волны, используется для возбуждения электронов в щелочном металле , таком как цезий или рубидий, внутри герметичного стеклянного сосуда. Инфракрасный свет необходим, потому что он содержит длины волн, необходимые для возбуждения электронов щелочных металлов, хотя длина волны, необходимая для возбуждения электронов натрия, находится ниже этой области (таблица 1).

Угловой момент передается от электронов щелочных металлов с ядрами благородных газов за счет столкновений. Азот используется в качестве гасящего газа, который предотвращает флуоресценцию поляризованного щелочного металла, что может привести к деполяризации благородного газа. Если бы флуоресценция не подавлялась, свет, излучаемый во время релаксации, был бы поляризован случайным образом, работая против лазерного света с круговой поляризацией. Хотя в зависимости от области применения используются стеклянные сосуды разного размера (также называемые ячейками) и, следовательно, разное давление, для SEOP достаточно одного амагата общего давления благородного газа и азота, а для гашения флуоресценции требуется 0,1 амагат плотности азота. Значительные улучшения в технологии гиперполяризации ¹²⁹ Xe позволили достичь уровня> 50% при скорости потока 1-2 л / мин, что позволяет использовать его в клинических условиях.

История

На открытие SEOP потребовались десятилетия, чтобы все элементы встали на свои места и создали законченную технику. Во-первых, в 1897 году исследования паров натрия Зееманом привели к первому результату оптической накачки . Следующая деталь была обнаружена в 1950 году, когда Кастлер разработал метод электронной спин-поляризации пара щелочного металла рубидия с использованием приложенного магнитного поля и освещения пара резонансным светом с круговой поляризацией. Десять лет спустя Мари-Анн Бушиа , Т.М. Карвер и К.М. Варнум выполнили спиновой обмен , в котором электронная спиновая поляризация передавалась ядерным спинам благородного газа ( ³ He и ¹²⁹ Xe) посредством газофазных столкновений. С тех пор этот метод был значительно улучшен и расширен для использования с другими благородными газами и щелочными металлами.

Теория

Рис. 1. Возбуждающие переходы электрона рубидия.

Чтобы легче объяснить процессы возбуждения, оптической накачки и спинового обмена, в качестве примера будет использован наиболее распространенный щелочной металл, используемый для этого процесса, рубидий. Рубидий имеет нечетное количество электронов, и только один на внешней оболочке может быть возбужден при правильных условиях. Могут произойти два перехода: один называется линией D _1, где происходит переход из состояния 5 ² S _{1/2 в} состояние 5 ² P _3/2, а другой относится к линии D _2, где происходит переход. из состояния 5 ² S _1/2 в состояние 5 ² P _1/2 . Переходы D ₁ и D ₂ могут происходить, если атомы рубидия освещаются светом с длиной волны 794,7 нм и 780 нм соответственно (рис. 1). Хотя можно вызвать любое возбуждение, лазерная технология хорошо разработана, чтобы вызвать переход D ₁ . Утверждается, что эти лазеры настроены на длину волны D ₁ (794,7 нм) рубидия.

Рис. 2. Влияние приложенного магнитного поля на спин, где есть расщепление энергии в присутствии магнитного поля, B ₀ .

Чтобы повысить уровень поляризации выше теплового равновесия, необходимо изменить населенности спиновых состояний. В отсутствие магнитного поля два спиновых состояния ядер со спином I = ½ находятся на одном уровне энергии, но в присутствии магнитного поля уровни энергии разделяются на уровни энергии m _s = ± 1/2 (рис. 2). Здесь m _s - это спиновый угловой момент с возможными значениями +1/2 (вращение вверх) или -1/2 (вращение вниз), часто изображаемое в виде векторов, указывающих вверх или вниз, соответственно. Разница в населенности между этими двумя уровнями энергии - это то, что производит сигнал ЯМР. Например, два электрона в состоянии со спином вниз нейтрализуют два электрона в состоянии со спином вверх, оставляя только одно ядро ​​со спином вверх, которое можно обнаружить с помощью ЯМР. Однако населенность этих состояний может быть изменена посредством гиперполяризации, что позволяет более заселить уровень энергии спина вверх и, следовательно, увеличить сигнал ЯМР. Это делается сначала путем оптической накачки щелочного металла, а затем передачи поляризации ядру благородного газа для увеличения заселенности состояния со спином вверх.

Рис. 3. Переходы, которые происходят при взаимодействии циркулярно поляризованного света с атомами щелочного металла.

Поглощение лазерного света щелочным металлом - это первый процесс в SEOP. Свет с левой круговой поляризацией, настроенный на длину волны D ₁ щелочного металла, возбуждает электроны из состояния со спином вниз ² S _1/2 (m _s = -1 / 2) в состояние со спином вверх ² P _1/2 (m _s = +1/2), где затем происходит столкновительное перемешивание, когда атомы благородного газа сталкиваются с атомами щелочного металла, и состояние m _s = -1 / 2 частично заселяется (рис. 3). Свет с круговой поляризацией необходим в слабых магнитных полях, потому что он позволяет поглощать только один тип углового момента, позволяя поляризовать спины. Затем происходит релаксация из возбужденных состояний (m _s = ± 1/2) в основные состояния (m _s = ± 1/2), когда атомы сталкиваются с азотом, тем самым подавляя любую возможность флуоресценции и заставляя электроны возвращаться в два основных состояния в равных населенностях. Как только спины деполяризованы (возвращаются в состояние m _s = -1 / 2), они снова возбуждаются непрерывным светом лазера, и процесс повторяется. Таким образом накапливается большая популяция электронных спинов в состоянии m _s = + 1/2. Поляризацию рубидия P _Rb можно рассчитать по следующей формуле:

${\ displaystyle {P_ {Rb}} = {{\ mathrm {n} _ {\ uparrow} - \ mathrm {n} _ {\ downarrow}} \ over {\ mathrm {n} _ {\ uparrow} + \ mathrm {n} _ {\ downarrow}}}}$

Где n _↑ и n _↓ и - количество атомов в состояниях со спином вверх (m _S = + 1/2) и вниз (m _S = -1 / 2) ² S _1/2 .

Рис. 4. Передача поляризации через A) бинарные столкновения и B) силы Ван-дер-Ваальса.

Затем щелочной металл с оптической накачкой сталкивается с благородным газом, позволяя происходить спин-обмену, когда электронная поляризация щелочного металла передается ядрам благородного газа (рис. 4). Это может происходить двумя способами. Угловой момент может передаваться посредством бинарных столкновений (рис. 4A, также называемых столкновениями двух тел) или в то время как благородный газ, буферный газ N ₂ и щелочной металл в паровой фазе удерживаются в непосредственной близости с помощью сил Ван-дер-Ваальса (рис. 4B, также называется столкновением трех тел). В случаях, когда силы Ван-дер-Ваальса очень малы по сравнению с бинарными столкновениями (например, в случае ³ He), благородный газ и щелочной металл сталкиваются, и поляризация передается от AM к благородному газу. Бинарные коллизии также возможны для ¹²⁹ Xe. При высоких давлениях преобладают силы Ван-дер-Ваальса, но при низких давлениях доминируют бинарные столкновения.

Наращивание поляризации

Этот цикл возбуждения, поляризации, деполяризации, реполяризации и т. Д. Требует времени, прежде чем будет достигнута итоговая поляризация. Нарастание ядерной поляризации P _N (t) определяется выражением:

${\ displaystyle \ mathrm {P} _ {N} (\ mathrm {t}) = \ left \ langle \ mathrm {P} _ {A} \ right \ rangle \ left ({\ frac {\ gamma _ {SE} } {\ gamma _ {SE} + \ Gamma}} \ right) [1-e ^ {(\ gamma _ {SE} + \ Gamma) \ mathrm {t}}]}$

Где ⟨p ⟩ поляризация щелочного металла, γ _SE является обменным курсом спина, и Γ является скоростью продольной релаксации благородного газа. Релаксация ядерной поляризации может происходить с помощью нескольких механизмов и записывается как сумма этих вкладов:

${\ Displaystyle \ Gamma = \ Gamma _ {t} + \ Gamma _ {p} + \ Gamma _ {g} + \ Gamma _ {w}}$

Где Γ _t , Γ _p , Γ _g и Γ _w представляют собой релаксацию от переходного димера Xe ₂ , стойкого димера Xe ₂ , диффузию через градиенты в приложенном магнитном поле и релаксацию стенки, соответственно. В большинстве случаев наибольший вклад в общую релаксацию вносят стойкие димеры и релаксация стенок. Димер Xe ₂ может образоваться, когда два атома Xe сталкиваются и удерживаются вместе за счет сил Ван-дер-Ваальса, и он может быть разрушен, когда с ним сталкивается третий атом. Он похож на Xe-Rb во время спинового обмена (передачи спина), когда они удерживаются в непосредственной близости друг от друга за счет сил Ван-дер-Ваальса. Релаксация стенок - это когда гиперполяризованный Xe сталкивается со стенками ячейки и деполяризуется из-за парамагнитных примесей в стекле.

Постоянная времени нарастания, Γ _B , может быть измерена путем сбора спектров ЯМР через интервалы времени, попадающие в пределы времени, необходимого для достижения установившейся поляризации (т. Е. Максимальной поляризации, которая может быть достигнута, что видно по максимальному выходному сигналу). Затем интегралы сигналов наносятся на график с течением времени, и их можно подобрать для получения постоянной времени нарастания. Сбор кривой нарастания при нескольких различных температурах и построение графика значений как функции плотности пара щелочного металла (поскольку плотность пара увеличивается с увеличением температуры ячейки) можно использовать для определения скорости спинового разрушения и скорости спинового обмена на атом, используя :

${\ Displaystyle \ Gamma _ {B} = \ gamma '\ times [AM] + \ Gamma _ {SD}}$

Где γ '- скорость спинового обмена на атом, [AM] - плотность пара щелочного металла, а Γ _SD - скорость спинового разрушения. Этот график должен быть линейным, где γ '- наклон, а Γ _SD - точка _{пересечения} с y.

Расслабление: T ₁

Спин-обменная оптическая накачка может продолжаться бесконечно при непрерывном освещении, но есть несколько факторов, которые вызывают релаксацию поляризации и, таким образом, возврат к тепловому равновесию населенностей при прекращении освещения. Чтобы использовать гиперполяризованные благородные газы в таких приложениях, как визуализация легких, газ должен быть передан из экспериментальной установки пациенту. Как только газ перестает активно прокачиваться оптически, степень гиперполяризации начинает уменьшаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Однако гиперполяризация должна длиться достаточно долго, чтобы передать газ пациенту и получить изображение. Время продольной спиновой релаксации, обозначенное как T ₁ , можно легко измерить, собирая спектры ЯМР, когда поляризация уменьшается с течением времени после прекращения освещения. Эта скорость релаксации регулируется несколькими механизмами деполяризации и записывается как:

${\ displaystyle {\ frac {1} {\ mathrm {T} _ {1}}} = \ left ({\ frac {1} {T_ {1}}} \ right) _ {CR} + \ left ({ \ frac {1} {T_ {1}}} \ right) _ {MFI} + \ left ({\ frac {1} {T_ {1}}} \ right) _ {O2}}$

Где три составляющих относятся к релаксации столкновений (CR), релаксации неоднородности магнитного поля (MFI) и релаксации, вызванной присутствием парамагнитного кислорода (O2). Продолжительность T ₁ может составлять от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от того, сколько внимания уделяется уменьшению эффектов CR, MFI и O ₂ . Последний член был определен количественно как 0,360 с ^-1 амагат ^-1 , но первый и второй члены трудно определить количественно, поскольку степень их вклада в общий T ₁ зависит от того, насколько хорошо оптимизированы экспериментальная установка и ячейка и готовый.

Экспериментальная установка в SEOP

Рис. 5. Фотография оптических ячеек диаметром 2 дюйма и длиной 10 дюймов.

Чтобы выполнить SEOP, сначала необходимо подготовить оптическую ячейку. Оптические ячейки (рис. 5) предназначены для конкретной системы, и стекло выдувается из прозрачного материала, обычно из пирекса (боросиликата). Затем эту ячейку необходимо очистить, чтобы удалить все загрязнения, особенно парамагнитные материалы, которые уменьшают поляризацию и T ₁ . Затем внутренняя поверхность ячейки покрывается, чтобы (а) служить защитным слоем для стекла, чтобы уменьшить вероятность коррозии щелочным металлом, и (б) минимизировать деполяризацию, вызванную столкновениями молекул поляризованного газа с стенки клетки. Уменьшение релаксации стенки приводит к более длительной и большей поляризации благородного газа.

Рисунок 6. Структура SurfaSil.

В то время как несколько покрытий были испытаны на протяжении многих лет, SurfaSil (рис. 6, теперь называемый силицирующей жидкостью, растворимой в углеводородах) является наиболее распространенным покрытием, используемым в соотношении 1:10 SurfaSil: гексан, поскольку оно обеспечивает большие значения T ₁ . Толщина слоя SurfaSil составляет примерно 0,3-0,4 мкм. После равномерного покрытия и сушки ячейка затем помещается в инертную среду и в ячейку помещается капля щелочного металла (≈200 мг), которая затем диспергируется для создания равномерного покрытия на стенках ячеек. Одним из способов переноса щелочного металла в ячейку является перегонка. В методе дистилляции ячейка соединяется со стеклянным коллектором, оборудованным для удержания как сжатого газа, так и вакуума, к которому присоединяется ампула щелочного металла. Коллектор и ячейка вакуумируются, затем уплотнение ампулы нарушается, и щелочной металл перемещается в ячейку с помощью пламени газовой горелки. Затем ячейка заполняется требуемой газовой смесью азота и благородного газа. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не отравить клетку на любом этапе подготовки клетки (подвергнуть клетку воздействию атмосферного воздуха).

На протяжении многих лет использовалось несколько размеров и конструкций ячеек. Желаемое применение - это то, что определяет конструкцию ячейки оптической накачки и зависит от диаметра лазера, потребностей в оптимизации и соображений клинического использования. Конкретный щелочной металл (металлы) и газы также выбираются в зависимости от желаемых применений.

Рис. 7. Экспериментальная установка, включающая освещение оптической ячейки, содержащей щелочной металл, благородный газ и газообразный азот.

Когда ячейка завершена, поверхностная катушка (или катушки, в зависимости от желаемого типа катушки) прикрепляется лентой к внешней стороне ячейки, что а) позволяет генерировать РЧ-импульсы, чтобы направить поляризованные спины в поле обнаружения ( x, y плоскость) и b) обнаруживает сигнал, создаваемый поляризованными ядерными спинами. Ячейка помещается в печь, которая позволяет нагревать ячейку и ее содержимое, чтобы щелочной металл перешел в паровую фазу, и ячейка центрируется в системе катушек, которая генерирует приложенное магнитное поле (вдоль оси z). Затем лазер, настроенный на линию D ₁ (электродипольный переход) щелочного металла и с диаметром луча, совпадающим с диаметром оптической ячейки, выравнивается по оптическим плоскостям ячейки таким образом, чтобы ячейка освещается лазерным светом, чтобы обеспечить максимально возможную поляризацию (рис. 7). Мощность лазера может составлять от десятков до сотен ватт, где более высокая мощность дает большую поляризацию, но является более дорогостоящей. Чтобы еще больше увеличить поляризацию, за кюветой помещают световозвращающее зеркало, чтобы лазерный луч дважды проходил через кювету. Кроме того, за зеркалом размещена ИК-диафрагма, обеспечивающая информацию о поглощении лазерного света атомами щелочного металла. Когда лазер освещает кювету, но кювета находится при комнатной температуре, ИК-диафрагма используется для измерения процента пропускания лазерного света через кювету. Когда ячейка нагревается, рубидий переходит в паровую фазу и начинает поглощать лазерный свет, в результате чего коэффициент пропускания уменьшается. Разницу в ИК-спектре между спектром при комнатной температуре и спектром, снятым при нагревании ячейки, можно использовать для расчета оценочного значения поляризации рубидия, P _Rb .

Поскольку SEOP продолжает развиваться и совершенствоваться, существует несколько типов катушек ЯМР, печей, катушек, генерирующих магнитное поле, и лазеров, которые использовались и используются для генерации гиперполяризованных газов. Как правило, катушки ЯМР изготавливаются вручную для конкретной цели, либо путем поворота медной проволоки вручную в желаемую форму, либо путем 3D-печати катушки. Обычно печь представляет собой печь с принудительной циркуляцией воздуха, с двумя стеклянными поверхностями для прохождения лазерного света через ячейку, съемной крышкой и отверстием, через которое подсоединяется линия горячего воздуха, что позволяет нагревать ячейку. через проводимость. Катушки, генерирующие магнитное поле, могут быть парой катушек Гельмгольца, используемых для создания желаемой напряженности магнитного поля, желаемое поле которой регулируется:

${\ displaystyle \ omega = \ gamma \ mathrm {B} _ {0}}$

Где ω - частота Лармура или желаемая частота обнаружения, γ - гиромагнитное отношение интересующих ядер, а B ₀ - магнитное поле, необходимое для обнаружения ядер на желаемой частоте. Также можно использовать комплект из четырех электромагнитных катушек (например, от Acutran), и в настоящее время проходят испытания другие конструкции катушек.

В прошлом лазерная технология была ограничивающим фактором для SEOP, где можно было использовать только несколько щелочных металлов из-за отсутствия, например, цезиевых лазеров. Тем не менее, было несколько новых разработок, в том числе улучшенные цезиевые лазеры, более высокая мощность, более узкая спектральная ширина и т. Д., Которые позволяют увеличить диапазон SEOP. Тем не менее, требуется несколько ключевых функций. В идеале лазер должен быть непрерывным, чтобы обеспечить постоянную поляризацию щелочного металла и благородного газа. Чтобы вызвать эту поляризацию, лазерный свет должен быть поляризованным по кругу в направлении, которое позволяет электронам становиться поляризованными по спину. Это достигается путем пропускания лазерного света через поляризационный светоделитель для разделения компонентов s и p , а затем через четвертьволновую пластину, которая преобразует линейно поляризованный свет в свет с круговой поляризацией.

Благородные газы и щелочные металлы

SEOP успешно использовался и довольно хорошо разработан для ³ He, ¹²⁹ Xe и ⁸³ Kr для биомедицинских приложений. Кроме того, в биомедицинской науке делается несколько улучшений для получения улучшенных и интерпретируемых изображений раковых клеток. Исследования, связанные с гиперполяризацией ¹³¹ Xe, продолжаются, и они вызывают пик интереса у физиков. Также вносятся улучшения, позволяющие использовать в спиновой передаче не только рубидий, но и цезий. В принципе, для SEOP можно использовать любой щелочной металл, но обычно предпочтительнее рубидий из-за его высокого давления пара, что позволяет проводить эксперименты при относительно низких температурах (80 ° C-130 ° C), что снижает вероятность повреждения стеклянная ячейка. Кроме того, лазерная технология для выбора щелочного металла должна существовать и быть достаточно развитой, чтобы обеспечить значительную поляризацию. Ранее лазеры, доступные для возбуждения цезиевого перехода D _1, были недостаточно развиты, но теперь они становятся более мощными и менее дорогими. Предварительные исследования даже показывают, что цезий может дать лучшие результаты, чем рубидий, хотя рубидий был предпочтительным щелочным металлом для SEOP.

Метод гиперполяризации, называемый спин-обменной оптической накачкой (SEOP), используется для гиперполяризации благородных газов, таких как ксенон-129 и гелий-3. Когда визуализируется вдыхаемый гиперполяризованный газ, такой как 3He или 129Xe, в легких наблюдается более высокая плотность намагниченности ЯМР-активных молекул по сравнению с традиционной визуализацией 1H, что улучшает получаемые МРТ-изображения. В отличие от протонной МРТ, которая сообщает об анатомических особенностях тканей легких, Ксеноновая МРТ сообщает о функции легких, включая газовую вентиляцию, диффузию и перфузию.

Обоснование

Наша цель - выявить инфекцию или заболевание (например, рак) в любом месте нашего тела, например, в мозге, мозге, крови, жидкости и тканях. Эта инфекционная клетка называется биомаркером. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и в сотрудничестве с Организацией Объединенных Наций и Международной организацией труда, биомаркер убедительно определили как «любое вещество, структуру или процесс, которые могут быть измерены в организме или его продуктах и ​​влиять на или прогнозировать частоту результата. или болезнь ». Биомаркер должен поддаваться количественной оценке до определенного уровня в биологическом процессе благополучия.

Одним из конкретных примеров биомаркера является холестерин в крови, который обычно нам известен и надежен при ишемической болезни сердца; другим биомаркером является ПСА (антиген, специфичный для простаты), который способствует развитию рака простаты. Существует множество биомаркеров, которые рассматриваются как рак: рибонуклеиновая кислота вируса гепатита C (HCV-RNA), международное нормализованное отношение (INR), протромбиновое время (PT), моноклональный белок (M-белок), раковый антиген-125 (CA- 125), вирус иммунодефицита человека - рибонуклеиновая кислота (РНК ВИЧ), натрийуретический пептид B-типа (BNP). ²⁷ и лимфомные клетки (линии клеток Ramos и линии клеток Jurkat) являются формой рака.

Другими распространенными биомаркерами являются рак груди, рак яичников, рак толстой кишки, рак легких и опухоль головного мозга.

Этот вызывающий болезнь агент вердикт является биомаркером - существует чрезвычайно следовое количество, особенно в исходном состоянии болезни. Таким образом, идентификация или получение изображений биомаркера является сложной задачей и, в некоторых случаях, сомнительной с точки зрения технологии ЯМР. Следовательно, мы должны использовать контрастирующий агент для улучшения изображений, по крайней мере, для визуализации уровня для врачей. Поскольку молекул биомаркера меньше в системе in vivo . Эксперимент ЯМР или МРТ дает очень слабый сигнал, даже в некоторых случаях анализатор может пропустить пик сигнала в данных из-за недостатка биомаркеров. Следовательно, чтобы сделать верный вывод о существовании биомаркеров, вызывающих проблемы, нам необходимо усилить зонд (механизмы контрастирования), чтобы получить четкий пик на наиболее видимом уровне высоты пика, а также положение пика. пик данных. Если можно собрать приемлемые и четко интерпретируемые данные из эксперимента ЯМР или МРТ с использованием контрастного вещества, тогда эксперты могут сделать правильный первоначальный шаг для выздоровления пациентов, которые уже страдали от рака. Среди различных методов получения расширенных данных в эксперименте МРТ SEOP является одним из них.

Исследователи SEOP заинтересованы в использовании ¹²⁹ Xe. Потому что ¹²⁹ Xe имеет ряд положительных фактов в технологии ЯМР. для работы в качестве контрастирующего вещества даже с другими новыми газами:

• Инертный ксенон не проявляет химической реакции, как другие металлы и неметаллы, потому что электронная конфигурация ксенона полностью занята, а также он не является радиоактивным.
• Получить твердое, жидкое состояние из природного газообразного состояния несложно (рисунок 8). Твердое и жидкое состояние ¹²⁹ Xe - это существующие экспериментально допустимые диапазоны температуры и давления.
  

  Рисунок 8. На диаграмме выше показаны самые высокие температура и давление, при которых газообразный ксенон может существовать одновременно в жидком и газообразном состояниях30.
• Ксенон обладает сильно поляризуемым электронным облаком, окружающим ядро. Следовательно, они легко растворяются в липидах или органических соединениях, особенно в среде in vivo в биологическом отношении. (Таблица 2)
• Ксенон не изменяет структурные или химические изменения (аналогично другим благородным газам) при взаимодействии с другими молекулами.
• По словам ученого Оствальда, растворимость определяется как коэффициент распределения абсорбированного газа по отношению к объему абсорбирующей жидкости. Растворимость ксенона, S _{Xe (г)} = V _{абсорбированного количества Xe (г)} / V _{абсорбирующей жидкости} при стандартной температуре и давлении (STP).

Растворимость ксенона в водной среде 11% означает, что при 25 ° C 11 мл газообразного ксенона могут быть абсорбированы 100 мл воды.

• Размер атома ксенона большой, и электроны внешней оболочки далеки от ядер, крайний электрон очень склонен к поляризации, особенно в липидной среде. Таблица 2 показывает, что растворимость ксенона в водной среде при 37 ° C составляет 8%, но в жировой ткани в среде in vivo значение растворимости составляет 130%. Растворимость приводит к использованию ксенона в биологической системе в качестве контрастирующего агента.
• Растворитель эффект ксенона очень велик для ¹²⁹ Xenon по факту растворимости (таблица 2). Диапазон значений химического сдвига для ксенона составляет более 7500 ppm. Однако действие растворителя ограничено диапазоном для ¹ H и ¹³ C (активных ядер МРТ) из-за низкого диапазона значений химического сдвига для ¹ H составляет 20 ppm, а для ¹³ C - 300 ppm. Следовательно, использование ¹²⁹ Xe является предпочтительным.

Рисунок 9 ниже. В экспериментальных данных ЯМР есть разные значения химического сдвига для разных тканей в среде in vivo . Все пики расположены в таком большом диапазоне значений химического сдвига для ¹²⁹ Xe. Поскольку ¹²⁹ Xe имеет большой диапазон значений химического сдвига до 1700 ppm в данных ЯМР. Другая важная спектральная информация включает:

Фиг.9. Данные ЯМР для биосенсора Xe-129 в биологической системе in vivo .

• Естественно, пик ЯМР ¹²⁹ Xe считается эталонным при 0,0 ppm.
• Когда ¹²⁹ Xe включается и связывается с молекулой криптофана-A, значение химического сдвига при регистрации ЯМР сдвигается примерно до 70 ppm.
• Если гиперполяризованный газ ¹²⁹ Xe растворяется в головном мозге, то можно наблюдать пять спектральных пиков ЯМР .
• Среди них самый резкий пик на уровне 194,7 ppm. Кроме того, при 189 ppm пик приходится на ткани, не относящиеся к головному мозгу.
• Еще два пика при 191,6 и 197,8 промилле пока неизвестны. На 209,5 ppm меньший, но широкий пик был обнаружен в данных ЯМР, когда ¹²⁹ Xe растворялся в кровотоке.
• Гиперполяризованный ¹²⁹ Xe - очень чувствительный детектор биомаркера (форма рака в живой системе).
• Поляризацию ядерных спинов ¹²⁹ Xe или в целом для благородных газов мы можем увеличить до пяти раз с помощью метода SEOP.
• Используя метод гиперполяризации SEOP, мы можем получить изображения поглощения ксенона тканями мозга человека.

Рис. 10. Измерения поляризации ¹²⁹ Xe (g) в низких и средних магнитных полях. Все цифры (AD) представляют собой амплитуду сигнала ЯМР в мкВ / кГц относительно частоты Лармора в кГц. (A) Усиленный сигнал ЯМР ¹²⁹ Xe (g) на ларморовской частоте 62 кГц от ячейки SEOP; Ксенон (g) имеет давление 1545 торр, а азот (g) имеет давление 455 торр, и данные ЯМР были собраны в присутствии магнитного поля 5,26 мТл. (B) Контрольный сигнал ЯМР для протонного спина воды (111M), легирования CuSO _4. 5H ₂ O (s), 5,0 мМ и поляризация были созданы термически в присутствии магнитных полей 1,46 мТл (количество сканирований 170 000 раз). (C) Данные ЯМР для гиперполяризованного ¹²⁹ Xe были собраны в присутствии магнитных полей 47,5 мТл. ( ¹²⁹ Xe составлял 300 торр, а N ₂ составлял 1700 торр). (D) Контрольный сигнал ЯМР для ¹³ C был получен от 170,0 мМ CH ₃ COONa. (l) в присутствии магнитного поля 47,5 мТл. ³²

(Рисунок 10) ¹²⁹ Xe _(g) показывает удовлетворительное усиление поляризации во время SEOP по сравнению с термическим усилением поляризации. Это демонстрируют значения экспериментальных данных, полученные при регистрации спектров ЯМР при различной напряженности магнитного поля. Несколько важных моментов из экспериментальных данных:

• ¹²⁹ Х поляризации увеличилась примерно 144000 раз в Сеопе технологий. сверх термически усиленной для поляризации ¹ H в эксперименте ЯМР. Оба эксперимента, которые показали это, были проведены в идентичных условиях и с использованием одной и той же радиочастоты во время эксперимента ЯМР.
• Аналогичное значение 140000-кратного увеличения сигнала для гиперполяризации ¹²⁹ Xe в SEOP по сравнению с эталонным термически усиленным сигналом ¹³ C ЯМР также видно в экспериментальных данных ЯМР. Оба данных были собраны при идентичной частоте Лармора и других экспериментальных условиях и на той же радиочастоте во время сбора данных ЯМР.

Рис. 11. ¹²⁹ Xe (g) МРТ-исследование в присутствии сильного поля в зависимости от T ₁ (время продольной релаксации спина) во время затухания гиперполяризации ¹²⁹ Xe (g) в присутствии магнитного поля разной силы; 3,0 Тл для синего треугольника, примерно 1,5 мТл для красных кружков и примерно 0,0 мТл для белых квадратов. Гиперполяризованный ¹²⁹ Xe (g) переносился в детские сумки, после чего отдельно подсчитывали время затухания T ₁ в присутствии различных магнитных полей. Увеличение напряженности магнитного поля (от 1,5 мТл до 3000 мТл) приводит к увеличению времени затухания примерно до восьмикратного увеличения.

(Рисунок 11) Время продольной спиновой релаксации (T ₁ ) очень чувствительно с увеличением магнитного поля и, следовательно, усиление сигналов ЯМР заметно в SEOP в случае ¹²⁹ Xe. Поскольку Т ₁ выше для синей маркировки, эксперимент ЯМР показывает более усиленный пик по сравнению с другими. Для гиперполяризованного ¹²⁹ Xe в мешках из тедлара T ₁ составляет 38 ± 12 минут, когда данные собираются в присутствии магнитного поля 1,5 мТл. Однако удовлетворительное увеличение времени задержки T ₁ (354 ± 24 минуты), когда данные были собраны в присутствии магнитного поля 3000 мТл.

Использование Rb в сравнении с Cs в экспериментах с ЯМР SEOP

В общем, мы можем использовать атомы щелочного металла ⁸⁷ Rb или ¹³³ Cs с инертным газом азота. Однако мы используем атомы ¹³³ Cs с азотом для спинового обмена с ¹²⁹ Xe для ряда преимуществ:

• ¹³³ Cs имеет идеальное естественное содержание, в то время как рубидий имеет два изотопа ( ⁸⁵ Rb и ⁸⁷ Rb). Извлечение одного изотопа отдельно от этих двух ( ⁸⁵ Rb и ⁸⁷ Rb) трудно сравнить с получением изотопа ¹³³ Cs. Абстракция ¹³³ Cs удобна.
• Ячейка оптической накачки обычно работает при более низкой температуре, чтобы избежать проблемы химического разложения. В SEOP используется ¹³³ Cs при низкой температуре, поэтому у него меньше химической коррозии со стеклом стенок ячейки SEOP.
• Пары ¹³³ Cs- ¹²⁹ Xe имеют скорость спинового обмена около 10%, что больше, чем у пары ⁸⁷ Rb- ¹²⁹ Xe.

Хотя ¹²⁹ Xe имеет множество предпочтительных характерных применений в технике ЯМР, ⁸³ Kr также можно использовать, так как он имеет много преимуществ в методах ЯМР, отличных от ¹²⁹ Xe.

• Стабильный изотоп ⁸³ Kr имеет спин I = 9/2 и большие стенки Вандера размером 2,02A ⁰ . Он обладает квадрупольным эффектом, может быстро и отчетливо распространяться в близлежащую среду (от полярной до неполярной среды in vivo ).
• Химический состав материалов может влиять на продольную релаксацию гиперполяризованного ⁸³ Kr.
• По релаксации можно различать гидрофобный и гидрофильный субстрат. Хотя ³ He и ¹²⁹ Xe имеют половину спина, они не являются квадрупольными.
• Однако ²¹ Ne ( I = 3/2) , ⁸³ Kr ( I = 9/2) и ¹³¹ Xe ( I = 3/2 ) обладают квадрупольным моментом. ³⁴ Квадрупольные взаимодействия заставляют эти изотопы иметь спиновую релаксацию.
• Благодаря этой спиновой релаксации и эволюции эти изотопы могут использоваться в качестве контрастирующих агентов, чтобы сказать, что зонд может определять структурные особенности и химический состав поверхностей для проницаемой среды.
• SEOP может рассчитать релаксацию спина T ₁ , используя уравнение нелинейной аппроксимации методом наименьших квадратов для сигнала ⁸³ Kr в зависимости от времени, а также экспериментального числа угла поворота среды (≈12 °) для экспериментальных ЯМР радиочастотных импульсов.
• Гиперполяризованный ⁸³ Kr отделяется от газов ⁸⁷ Rb после спинового обмена в процессе оптической накачки и затем используется в различных системах in vivo для получения сигнала МРТ. Это первый изотоп, который продемонстрировал широкую применимость в технике МРТ, несмотря на то, что его спин равен 9½.
• Во время эксперимента с тканью легкого собаки использованный магнит составлял 9,4 Тл, среда была пористой и аналогичной пористости альвеолярным размерам, которая распространяется при атмосферном давлении. Релаксация спиновой решетки была достаточно длительной, поэтому она применима в системе in vivo , хотя уровень кислорода может составлять 20%.
• Поскольку контрастирующий агент ⁸³ Kr перспективен для разработки нетронутой методологии МРТ in vivo для эпической идентификации заболеваний легких, этот эффект был вызван на поверхности паренхимы из-за концентрации сурфактанта.
• Выбрав границу, этот конкретный контрастный агент может работать для определения размера заливки пористой среды в материаловедении.
• Кроме того, эта техника может помочь нам подготовить поверхностное покрытие, пространственные колебания поверхностей. В конце концов, нескончаемый хороший признак этого контрастирующего агента, такой как естественное изобилие (11,5% от ⁸³ Kr), позволяет легко получить его по разумной цене 5 долларов за литр.

Приложения SEOP для визуализации

В научных кругах и промышленности также предпринимаются шаги по использованию этого гиперполяризованного газа для визуализации легких. После того, как газ ( ¹²⁹ Xe) гиперполяризован в процессе SEOP и щелочной металл удален, пациент (здоровый или страдающий заболеванием легких) может дышать газом, и можно сделать МРТ. Это приводит к изображению пространств в легких, заполненных газом. Хотя процесс получения изображения пациента может потребовать знаний от ученых, хорошо знакомых с этой техникой и оборудованием, предпринимаются шаги по устранению необходимости в этих знаниях, чтобы техник больницы мог производить гиперполяризованный газ. с помощью поляризатора.

Машины с гиперполяризацией в настоящее время используются для создания гиперполяризованного газа ксенона, который используется в качестве агента визуализации для легких. Ксенон-129 - безопасный инертный благородный газ, который можно использовать для количественной оценки функции легких. При однократной 10-секундной задержке дыхания гиперполяризованный ксенон-129 используется с МРТ для обеспечения трехмерной визуализации легких. Ксеноновая МРТ используется для наблюдения за пациентами с легочно-сосудистыми, обструктивными или фиброзными заболеваниями легких.

Температурно-линейно ¹²⁹ Хе Сеопа в автоматизированной пакетной модели высоких выходной гиперполяризованных ¹²⁹ Хе может использовать три простые диапазон температур поставить определенные условия: Во- первых, ¹²⁹ Хе скорость гиперполяризации является превосходным высокой в горячем состоянии. Во-вторых, в теплом состоянии гиперполяризация ¹²⁹ Xe равна единице. В-третьих, в холодных условиях уровень гиперполяризации газа ¹²⁹ Xe, по крайней мере, может быть получен (при температуре человеческого тела), хотя во время переноса в мешок Тедлара с низким процентным содержанием ⁸⁷ Rb (доза менее 5 нг / л).

Многопараметрический анализ ⁸⁷ Rb / ¹²⁹ Xe SEOP при высоком давлении ксенона и потоке фотонов может быть использован в качестве 3D-печати и контрастирующего агента с остановленным течением в клиническом масштабе. В месте техники, ЯМР машин был запущен для отслеживания динамики ¹²⁹ Xe поляризации как функция кондиционирования Сеопа-клетки с различными рабочими параметрами , такие как сбор данных температура, потоком фотонов, и ¹²⁹ парциального давление Xe для усиления ¹²⁹ Xe поляризации ( P _Xe ).

Все эти значения поляризации ¹²⁹ Xe были подтверждены путем толкания гиперполяризованного газа ¹²⁹ Xe, и все эксперименты МРТ также проводились при более низком магнитном поле 47,5 мТл. Наконец, демонстрация показала, что в такой области высокого давления поляризация газов ¹²⁹ Xe может быть увеличена даже больше, чем предел, который уже был показан. Улучшенное управление температурой SEOP и оптимизация кинетики поляризации были дополнительно улучшены с хорошей эффективностью.

SEOP на твердых телах

SEOP можно использовать не только для гиперполяризации благородных газов, но и для твердых тел более поздней разработкой является SEOP. Впервые это было выполнено в 2007 году и использовалось для поляризации ядер в твердом теле, что позволило ядрам, которые нельзя поляризовать другими методами, стать гиперполяризованными. Например, ядерная поляризация ¹³³ Cs в виде твердой пленки CsH может быть увеличена выше предела Больцмана. Это достигается сначала оптической откачкой паров цезия, а затем переносом спиновой поляризации на соль CsH, что дает усиление на 4,0.

Ячейки изготавливаются, как описано ранее, с использованием дистилляции, затем заполняются газообразным водородом и нагреваются, чтобы позволить металлическому Cs взаимодействовать с газообразным водородом с образованием соли CsH. Непрореагировавший водород удаляли, и процесс повторялся несколько раз, чтобы увеличить толщину пленки CsH, затем подвергали сжатию газообразным азотом. Обычно эксперименты SEOP проводятся с ячейкой с центром в Гельмгольце или с электромагнитными катушками, как описано ранее, но эти эксперименты проводились в сверхпроводящем магните 9,4 Тл, светя лазером через магнит и электрически нагревая ячейку. В будущем, возможно, появится возможность использовать этот метод для передачи поляризации на ⁶ Li или ⁷ Li, что приведет к еще большему количеству применений, поскольку ожидается, что T ₁ будет длиннее. С момента открытия этого метода, который позволяет характеризовать твердые тела, он был усовершенствован таким образом, что поляризованный свет не нужен для поляризации твердого тела; вместо этого можно использовать неполяризованный свет в магнитном поле. В этом методе стекловата покрывается солью CsH, увеличивая площадь поверхности CsH и, следовательно, увеличивая шансы передачи спина, что дает 80-кратное улучшение при слабом поле (0,56 Тл). Как и в случае гиперполяризованной пленки CsH, металлическому цезию в этом методе стекловаты позволяли реагировать с газообразным водородом, но в этом случае CsH образовывался на стекловолокнах, а не на стеклянной ячейке.

Оптическая накачка метастабильного обмена

³ He также можно гиперполяризовать с помощью метастабильной обменной оптической накачки (MEOP). Этот процесс способен поляризовать ядра ³ He в основном состоянии с оптически накачиваемыми ядрами ³ He в метастабильном состоянии. В MEOP участвуют только ядра ³ He при комнатной температуре и при низком давлении (≈ несколько мбар). Процесс MEOP очень эффективен (высокая скорость поляризации), однако требуется сжатие газа до атмосферного давления.

Динамическая ядерная поляризация

Соединения, содержащие ядра, чувствительные к ЯМР , такие как ¹ H, ¹³ C или ¹⁵ N , могут быть гиперполяризованы с использованием динамической поляризации ядер (DNP). ДПЯ обычно проводят при низкой температуре (≈100 К) и сильном магнитном поле (≈3 Тл). Затем соединение оттаивают и растворяют, получая раствор при комнатной температуре, содержащий гиперполяризованные ядра. Эту жидкость можно использовать для визуализации метаболизма in vivo в онкологии и других областях. В ¹³ уровнях поляризации C в твердых соединениях могут доходить до ≈64% , а потери при растворении и переносе образца для ЯМР - измерений могут быть сведены к минимуму до нескольких процентов. Соединения, содержащие ЯМР- активные ядра, также могут быть гиперполяризованы с помощью химических реакций с пара-водородом , см. Поляризация, индуцированная пара-водородом (PHIP).

Поляризация, вызванная параводородом

Молекулярный водород, H ₂ , содержит два разных спиновых изомера , параводород и орто-водород, в соотношении 25:75 при комнатной температуре. Создание индуцированной параводородом поляризации (PHIP) означает, что это соотношение увеличивается, другими словами, что параводород обогащается. Это может быть достигнуто путем охлаждения газообразного водорода и последующего превращения орто-пара в пара с помощью катализатора на основе оксида железа или древесного угля. При выполнении этой процедуры при ≈70 K (то есть с жидким азотом), пара-водород обогащается от 25% до прибл. 50%. При охлаждении до температуры ниже 20 К и последующем индуцировании орто-пара-превращения можно получить почти 100% параводород.

Для практических применений PHIP чаще всего переносится на органические молекулы путем реакции гиперполяризованного водорода с молекулами-предшественниками в присутствии катализатора из переходного металла. Сигналы протонного ЯМР с прим. Может быть получено увеличение интенсивности в 10 000 раз по сравнению с сигналами ЯМР той же органической молекулы без PHIP и, следовательно, только «тепловой» поляризации при комнатной температуре.

Усиление сигнала обратимым обменом (SABRE)

Усиление сигнала путем обратимого обмена (SABRE) - это метод гиперполяризации образцов без их химического изменения. По сравнению с ортоводородом или органическими молекулами, гораздо большая часть ядер водорода в параводороде совмещена с приложенным магнитным полем. В SABRE металлический центр обратимо связывается как с тестовой молекулой, так и с молекулой параводорода, облегчая молекулу-мишень улавливать поляризацию параводорода. Этот метод можно улучшить и использовать для широкого диапазона органических молекул, используя промежуточную «ретрансляционную» молекулу, такую ​​как аммиак. Аммиак эффективно связывается с металлическим центром и улавливает поляризацию параводорода. Затем аммиак переносит другие молекулы, которые не связываются также с металлическим катализатором. Этот усиленный сигнал ЯМР позволяет быстро анализировать очень небольшие количества материала.

Смотрите также

• Динамическая ядерная поляризация
• Электронный парамагнитный резонанс
• МРТ с гиперполяризованным углеродом-13

использованная литература

внешние ссылки

• Еврофизика - «Вдохните поляризованный благородный газ»
• Университет Вирджинии - "МРТ гиперполяризованного газа"
• Швейцарская инициатива DNP - « Гиперполяризация ¹³ C DNP-ЯМР »