Гиперполяризация (физика)

Гиперполяризация — это ядерная спиновая поляризация материала в магнитном поле, находящаяся далеко за пределами условий теплового равновесия, определяемых распределением Больцмана . Его можно применять к таким газам, как ¹²⁹ Автомобиль и ³ He и малые молекулы, у которых уровни поляризации можно увеличить в 10 раз. ⁴ -10 ⁵ выше уровня теплового равновесия. Гиперполяризованные благородные газы обычно используются при магнитно-резонансной томографии (МРТ) легких. Гиперполяризованные небольшие молекулы обычно используются для визуализации метаболизма in vivo . Например, гиперполяризованный метаболит можно вводить животным или пациентам, а метаболическую конверсию 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 поверхностного взаимодействия и эксперименты по поляризации нейтронов.

Спин-обменная оптическая накачка

Введение

Спин-обменная оптическая накачка (SEOP) — один из нескольких методов гиперполяризации, обсуждаемых на этой странице. Этот метод специализируется на создании гиперполяризованных (ГП) благородных газов, таких как ³ Он, ¹²⁹ Xe и квадруполярный ¹³¹ Машина, ⁸³ Кр, и ²¹ Ne. Благородные газы необходимы, поскольку СЕОП осуществляется в газовой фазе, они химически инертны, нереакционноспособны, химически стабильны по отношению к щелочным металлам, а их Т ₁ достаточно продолжительно для возникновения поляризации. Инертные газы со спином 1/2 отвечают всем этим требованиям, а благородные газы со спином 3/2 в некоторой степени удовлетворяют этому требованию, хотя некоторые газы со спином 3/2 не имеют достаточного T ₁ . Каждый из этих благородных газов имеет свое особое применение, например, для характеристики легочного пространства и тканей с помощью молекулярной визуализации in vivo и функциональной визуализации легких, для изучения изменений в метаболизме здоровых и раковых клеток. или использовать 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, поскольку он содержит длины волн, необходимые для возбуждения электронов щелочных металлов, хотя длина волны, необходимая для возбуждения электронов натрия, находится ниже этой области (таблица 1).

Таблица 1. Длины волн, необходимые для возбуждения электронов щелочных металлов.

Щелочной металл	Длина волны (нм)
Натрий	590.0
Рубидий	794.7
Цезий	894.0

Угловой момент передается от электронов щелочных металлов к ядрам благородных газов посредством столкновений. Азот используется в качестве тушащего газа, который предотвращает флуоресценцию поляризованного щелочного металла, которая могла бы привести к деполяризации благородного газа. Если бы флуоресценция не подавлялась, свет, излучаемый во время релаксации, был бы случайно поляризованным, противодействуя лазерному свету с круговой поляризацией. Хотя в зависимости от применения используются стеклянные сосуды разных размеров (также называемые ячейками) и, следовательно, разное давление, для SEOP достаточно одного амагата общего давления благородного газа и азота, а 0,1 амагата плотности азота. для гашения флуоресценции необходимо Большие улучшения в ¹²⁹ Технология гиперполяризации Xe достигла уровня > 50% при скорости потока 1–2 л/мин, что позволяет применять его в клинических условиях на людях.

История

На открытие SEOP потребовались десятилетия, чтобы все части встали на свои места и создали законченную технику. Во-первых, в 1897 году исследования Зеемана паров натрия привели к первым результатам оптической накачки . Следующий образец был найден в 1950 году, когда Кастлер разработал метод электронной спин-поляризации паров щелочного металла рубидия с использованием приложенного магнитного поля и освещения паров резонансным светом с круговой поляризацией. Десять лет спустя Мари-Анн Бушиа , Т.М. Карвер и К.М. Варнум выполнили спиновый обмен , при котором электронная спиновая поляризация была передана ядерным спинам благородного газа ( ³ Он и ¹²⁹ Xe) посредством газовых столкновений. С тех пор этот метод был значительно улучшен и расширен для использования с другими благородными газами и щелочными металлами.

Теория

Рис. 1. Переходы возбуждения электрона рубидия.

Чтобы упростить объяснение процессов возбуждения, оптической накачки и спинового обмена, в качестве примера будем использовать наиболее распространенный щелочной металл, используемый для этого процесса, — рубидий. Рубидий имеет нечетное количество электронов, и только один находится на внешней оболочке, который может быть возбужден при определенных условиях. Могут произойти два перехода, один из которых называется линией D ₁ , где переход происходит от линии 5. ² Состояние S _1/2 до 5 ² состояние P _1/2 и другое, относящееся к линии D ₂ , где происходит переход из состояния 5 ² S _1/2 до 5 ² П _3/2 состояние. Переходы D ₁ и D ₂ могут произойти, 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 развита для того, чтобы вызвать переход D ₁ . Говорят, что эти лазеры настроены на длину волны D ₁ (794,7 нм) рубидия.

Рисунок 2. Влияние приложенного магнитного поля на спин, при котором в присутствии магнитного поля происходит расщепление энергии, B ₀ .

Чтобы повысить уровень поляризации выше теплового равновесия, необходимо изменить населенность спиновых состояний. В отсутствие магнитного поля два спиновых состояния спина I = ⁠ 1/2 s ±1/2 энергетических ⁠ ядра находятся на одном энергетическом уровне, но в присутствии магнитного поля энергетические уровни расщепляются на m ₌ уровней (рис. 2). Здесь m _s — угловой момент вращения с возможными значениями +1/2 (вращение вверх) или -1/2 (вращение вниз), часто изображаемый в виде векторов, направленных вверх или вниз соответственно. Разница в заселенности между этими двумя энергетическими уровнями и есть то, что создает 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 заселенному уровню энергии со спином вверх и, следовательно, увеличить сигнал ЯМР. Это делается путем сначала оптической накачки щелочного металла, а затем передачи поляризации ядру благородного газа для увеличения заселенности состояния со спином вверх.

Рисунок 3. Переходы, возникающие при взаимодействии циркулярно поляризованного света с атомами щелочного металла.

Поглощение лазерного света щелочным металлом — первый процесс в SEOP. Левоциркулярно поляризованный свет, настроенный на длину волны D1 _{щелочного} металла, возбуждает электроны со спином вниз. ² Состояние S _1/2 (м _с = -1/2) со спином вверх. ² Состояние P _1/2 (m _s =+1/2), в котором затем происходит столкновительное смешивание, 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, поскольку он позволяет поглощать только один тип углового момента, позволяя поляризовать спины. Затем происходит релаксация от возбужденных состояний (ms ₌ ±1/2) к основным состояниям (ms ₌ ±1/2) при столкновении атомов с азотом, что подавляет любую возможность флуоресценции и заставляет электроны возвращаться в два основных государства с равным населением. Как только спины деполяризуются (возвращаются в состояние m _s =-1/2), они снова возбуждаются светом непрерывного 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:

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

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

Рисунок 4. Перенос поляризации посредством А) бинарных столкновений и Б) сил Ван-дер-Ваальса.

Затем щелочной металл с оптической накачкой сталкивается с благородным газом, позволяя происходить спиновому обмену, при котором электронная поляризация щелочного металла передается ядрам благородного газа (рис. 4). Есть два механизма, при которых это может произойти. Угловой момент может передаваться посредством бинарных столкновений (рис. 4А, также называемых двухчастичными столкновениями) или в то время, когда благородный газ, буферный газ N ₂ и паровая фаза щелочного металла удерживаются в непосредственной близости за счет сил Ван-дер-Ваальса (рис. 4В, также называется столкновением трех тел). В тех случаях, когда силы Ван-дер-Ваальса очень малы по сравнению с двойными столкновениями (как это происходит при ³ He), благородный газ и щелочной металл сталкиваются, и поляризация передается от АМ к благородному газу. Бинарные столкновения также возможны для ¹²⁹ Ксе. При высоких давлениях доминируют силы Ван-дер-Ваальса, а при низких давлениях доминируют бинарные столкновения.

Нарастание поляризации

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

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

Где ⟨P _A ⟩ — поляризация щелочного металла, γ _SE — скорость спинового обмена, а Γ — скорость продольной релаксации благородного газа. Релаксация ядерной поляризации может происходить по нескольким механизмам и записывается как сумма этих вкладов:

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

Где Γ _t , Γ _p , Γ _g и Γ _w представляют собой релаксацию переходного димера Xe ₂ , постоянного димера Xe ₂ , диффузию через градиенты приложенного магнитного поля и релаксацию стенки соответственно. В большинстве случаев наибольший вклад в общую релаксацию вносят персистентные димеры и релаксация стенок. Димер Xe ₂ может возникнуть, когда два атома Xe сталкиваются и удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, и он может разрушиться, когда с ним сталкивается третий атом. Он похож на Xe-Rb во время спинового обмена (переноса спина), когда они удерживаются в непосредственной близости друг от друга за счет сил Ван-дер-Ваальса. Релаксация стенки — 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 в интервалах времени, попадающих во время, необходимое для достижения установившейся поляризации (т.е. максимальной поляризации, которая может быть достигнута, что видно по максимальному выходному сигналу). Затем интегралы сигнала строятся с течением времени и могут быть адаптированы для получения постоянной времени восстановления. Собрав кривую восстановления при нескольких различных температурах и построив график значений в зависимости от плотности паров щелочных металлов (поскольку плотность паров увеличивается с увеличением температуры ячейки), можно использовать для определения скорости разрушения спина и скорости спинового обмена на атом с помощью :

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

Где γ' - скорость спинового обмена на атом, [AM] - плотность паров щелочного металла, а Γ _SD - скорость разрушения спина. Этот график должен быть линейным, где γ’ — наклон, а Γ _SD — точка пересечения оси y.

Релаксация: Т ₁

Спин-обменная оптическая накачка может продолжаться бесконечно при непрерывном освещении, но существует несколько факторов, которые вызывают релаксацию поляризации и, следовательно, возврат к тепловому равновесию заселенностей при прекращении освещения. Чтобы использовать гиперполяризованные благородные газы в таких приложениях, как визуализация легких, газ необходимо передать из экспериментальной установки пациенту. Как только газ перестает активно оптически накачиваться, 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, обозначаемое как T ₁ , можно легко измерить путем сбора спектров ЯМР по мере того, как поляризация уменьшается с течением времени после прекращения освещения. Эта скорость релаксации определяется несколькими механизмами деполяризации и записывается как:

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

При этом три способствующих члена относятся к столкновительной релаксации (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, насколько тщательно уменьшены эффекты CR, MFI и O ₂ . Последний член был количественно определен как 0,360 с. ⁻¹ скрытый ⁻¹ , но первый и второй члены трудно оценить количественно, поскольку степень их вклада в общий T ₁ зависит от того, насколько хорошо оптимизированы и подготовлены экспериментальная установка и ячейка.

Экспериментальная установка в SEOP

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

Для выполнения SEOP сначала необходимо подготовить оптическую ячейку. Оптические ячейки (рис. 5) разработаны для конкретной системы, а стекло выдувается из прозрачного материала, обычно из термостойкого стекла (боросиликата). Затем эту ячейку необходимо очистить, чтобы удалить все загрязнения, особенно парамагнитные материалы, которые уменьшают поляризацию и Т ₁ . Затем на внутреннюю поверхность ячейки наносится покрытие, которое (а) служит защитным слоем для стекла, чтобы уменьшить вероятность коррозии щелочным металлом, и (б) минимизирует деполяризацию, вызванную столкновениями молекул поляризованного газа с стенки клетки. Уменьшение релаксации стенок приводит к более длительной и более высокой поляризации благородного газа.

Рисунок 6. Структура SurfaSil.

Несмотря на то, что за прошедшие годы было протестировано несколько покрытий, SurfaSil (рис. 6, теперь называемый углеводородорастворимой силиконизирующей жидкостью) является наиболее распространенным покрытием, используемым в соотношении SurfaSil: гексан 1:10, поскольку оно обеспечивает длительные _{T 1 .} значения Толщина слоя SurfaSil составляет около 0,3-0,4 мкм. После равномерного покрытия и высыхания ячейку помещают в инертную среду и в ячейку помещают каплю щелочного металла (≈200 мг), которую затем диспергируют для создания равномерного покрытия на стенках ячеек. Одним из методов переноса щелочного металла в ячейку является дистилляция. В методе дистилляции ячейка соединена со стеклянным коллектором, предназначенным для хранения как сжатого газа, так и вакуума, к которому подключена ампула щелочного металла. Коллектор и ячейку вакуумируют, затем герметичность ампулы разрывают и щелочной металл перемещают в ячейку с помощью пламени газовой горелки. Затем ячейка заполняется желаемой газовой смесью азота и благородного газа. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не отравить клетку на любом этапе ее подготовки (подвергать клетку воздействию атмосферного воздуха).

На протяжении многих лет использовались ячейки разных размеров и конструкций. Желаемое применение определяет конструкцию оптической ячейки накачки и зависит от диаметра лазера, потребностей в оптимизации и соображений клинического использования. Конкретные щелочные металлы и газы также выбираются в зависимости от желаемого применения.

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

Как только ячейка готова, поверхностная катушка (или катушки, в зависимости от желаемого типа катушки) прикрепляется к внешней стороне ячейки, что а) позволяет генерировать радиочастотные импульсы, чтобы направить поляризованные спины в поле обнаружения ( плоскость x,y) и b) обнаруживает сигнал, создаваемый поляризованными ядерными спинами. Ячейку помещают в печь, которая позволяет нагревать ячейку и ее содержимое так, чтобы щелочной металл перешел в паровую фазу, а ячейку центрируют в системе катушек, которая генерирует приложенное магнитное поле (вдоль оси z). Лазер, настроенный на линию Д ₁ (электродипольный переход ) щелочного металла и с диаметром луча, соответствующим диаметру оптической ячейки, затем выравнивается с оптическими плоскостями ячейки таким образом, что вся ячейка освещается лазерным светом, чтобы обеспечить максимально возможную поляризацию ( Рисунок 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, позади кюветы размещается световозвращающее зеркало, позволяющее дважды пропустить лазерный свет через кювету. Кроме того, за зеркалом расположена ИК-диафрагма, предоставляющая информацию о поглощении лазерного света атомами щелочного металла. Когда лазер освещает ячейку, но ячейка имеет комнатную температуру, ИК-диафрагма используется для измерения процента пропускания лазерного света через ячейку. Когда ячейка нагревается, рубидий переходит в паровую фазу и начинает поглощать лазерный свет, в результате чего процент пропускания снижается. Разницу в ИК-спектре между спектром при комнатной температуре и спектром, полученным при нагревании ячейки, можно использовать для расчета примерного 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 придания медной проволоке нужной формы вручную, либо вручную. или напечатав катушку на 3D-принтере. Обычно печь представляет собой печь с принудительной обдувкой, с двумя стеклянными стенками для прохождения лазерного луча через камеру, съемной крышкой и отверстием, через которое подсоединяется линия горячего воздуха, позволяющая нагревать камеру. посредством проводимости. Катушки, генерирующие магнитное поле, могут представлять собой пару катушек Гельмгольца, используемых для создания желаемой напряженности магнитного поля. желаемое поле которого определяется:

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

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 набор из четырёх электромагнитных катушек (т.е. от Acutran). и другие конструкции катушек проходят испытания.

В прошлом лазерная технология была ограничивающим фактором для SEOP, где можно было использовать только пару щелочных металлов из-за отсутствия, например, цезиевых лазеров. Однако появилось несколько новых разработок, в том числе более совершенные цезиевые лазеры, более высокая мощность, более узкая спектральная ширина и т. д., которые позволяют расширить возможности SEOP. Тем не менее, необходимо наличие нескольких ключевых функций. В идеале лазер должен быть непрерывным, чтобы щелочной металл и благородный газ всегда оставались поляризованными. Чтобы вызвать эту поляризацию, лазерный свет должен быть циркулярно поляризован в направлении, которое позволяет электронам стать поляризованными по спину. Это делается путем пропускания лазерного света через поляризационный светоделитель для разделения s- и p- компонент, а затем через четвертьволновую пластинку, которая преобразует линейно поляризованный свет в свет с круговой поляризацией.

Благородные газы и щелочные металлы

SEOP успешно используется и достаточно хорошо разработан для ³ Он, ¹²⁹ Автомобиль и ⁸³ Кр для биомедицинских применений. Кроме того, в биомедицинской науке ведется работа над рядом улучшений, позволяющих получить улучшенную и интерпретируемую визуализацию раковых клеток. Исследования, связанные с гиперполяризацией ¹³¹ Xe находятся в стадии реализации, вызывая интерес физиков. Также вносятся усовершенствования, позволяющие использовать в переносе спина 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 (80–130 °C), что снижает вероятность повреждения стеклянная ячейка. Кроме того, лазерная технология для выбранного щелочного металла должна существовать и быть достаточно развитой, чтобы обеспечить существенную поляризацию. Раньше лазеры для возбуждения цезиевого перехода D ₁ не были хорошо разработаны, 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. При визуализации вдыхаемого гиперполяризованного газа, такого как 3He или 129Xe, наблюдается более высокая плотность намагничивания ЯМР-активных молекул в легких по сравнению с традиционной визуализацией 1H, что улучшает получаемые МРТ-изображения. В отличие от протонной МРТ, которая позволяет получить информацию об анатомических особенностях легочной ткани, ксеноновая МРТ позволяет оценить функцию легких, включая вентиляцию газов, диффузию и перфузию.

Обоснование

Наша цель — выявить инфекцию или заболевание (например, рак) в любом месте нашего тела, например, в головном 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 определяется как «любое вещество, структура или процесс, которые можно измерить в организме или его продуктах и ​​повлиять или предсказать вероятность исхода». или болезнь». Биомаркер должен поддаваться количественной оценке до определенного уровня в биологическом процессе благополучия.

Одним из конкретных примеров биомаркера является холестерин в крови, который, как нам известно, является достоверным для ишемической болезни сердца; еще одним биомаркером является ПСА (простатический специфический антиген), который способствует развитию рака простаты. Существует множество биомаркеров, которые считаются раковыми: рибонуклеиновая кислота вируса гепатита С (РНК ВГС), международное нормализованное отношение (МНО), протромбиновое время (ПТ), моноклональный белок (белок М), раковый антиген-125 (СА-125). 125), вирус иммунодефицита человека - рибонуклеиновая кислота (РНК ВИЧ), натрийуретический пептид В-типа (BNP). ²⁷ и лимфомные клетки (линии клеток Ramos и клеточные линии Jurkat) — форма рака.

Другими распространенными биомаркерами являются рак молочной железы, рак яичников, колоректальный рак, рак легких и опухоль головного мозга.

Этот болезнетворный агент является биомаркером и существует в очень незначительных количествах, особенно в начальной стадии заболевания. Следовательно, идентифицировать или получить изображения биомаркера сложно и, в некоторых случаях, с помощью технологии ЯМР неточно. Следовательно, мы должны использовать контрастное вещество, чтобы улучшить изображения, по крайней мере, для визуализации уровня врачей. Поскольку молекулы биомаркера менее распространены 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 нехватки биомаркеров. Поэтому, чтобы убедиться и прийти к истинному заключению о существовании вызывающих проблемы биомаркеров, нам необходимо усовершенствовать зонд (механизмы контрастирования), чтобы получить четкий пик на наиболее видимом уровне высоты пика, а также положение пик данных. Если удастся собрать приемлемые и четко интерпретируемые данные в результате эксперимента ЯМР или МРТ с использованием контрастного вещества, то специалисты смогут сделать правильный первый шаг для выздоровления пациентов, которые уже страдают от рака. Среди различных методов получения расширенных данных в эксперименте МРТ SEOP является одним из них.

Исследователи SEOP заинтересованы в использовании ¹²⁹ Машина. Потому что ¹²⁹ Xe имеет ряд положительных фактов в технологии ЯМР. для работы в качестве контрастного агента даже по сравнению с другими новыми газами:

• Инертный ксенон не вступает в химическую реакцию, как другие металлы и неметаллы, поскольку электронная конфигурация ксенона полностью занята, а также он не радиоактивен.
• Получить твердое и жидкое состояние из природного газообразного состояния несложно (рис. 8). Твердое и жидкое состояние ¹²⁹ Xe — существующие экспериментально возможные диапазоны температур и давлений.

  

  Рисунок 8. На приведенной выше диаграмме показаны самые высокие температура и давление, при которых газообразный ксенон может существовать одновременно в жидком и газообразном состояниях.30

• 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 свою структуру или химию (как и другие благородные газы) при взаимодействии с другими молекулами.
• По мнению ученого Оствальда, растворимость определяется как коэффициент распределения поглощенного газа к объему поглощающей жидкости. Растворимость ксенона S _Xe(g) = V _{поглощенного количества Xe(g)} /V _{поглощающей жидкости} при стандартных температуре и давлении (СТП).

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

Таблица 2. Значения растворимости ¹²⁹ Xe в различных средах согласно закону Оствальда о растворимости компонента.

Название растворителя	Температура (°С)	Оствальд Растворимость в (об./об.)%
Вода	25	0.11
Гексан	25	4.8
Бензол	25	3.1
Фторбензол	25	3.3
Сероуглерод	25	4.2
Вода	37	0.08
солевой раствор	37	0.09
Плазма	37	0.10
Эриторциты (98%)	37	0.20
Человеческий альбумин (100% экстраполировано)	37	0.15
Кровь	37	0.14
Масло	37	1.90
Жировая ткань	37	1.30
ДМСО	37	0.66
Интралипид (20%)	37	0.40
ПФОБ (перфлуброн)	37	1.20
ПФОБ (90% мас./об., по оценкам)	37	0.62

• Размер атома ксенона велик, а электроны внешней оболочки находятся далеко от ядра, самый внешний электрон очень склонен к поляризации, особенно в липидной среде. В таблице 2 показано, что растворимость ксенона в водной среде при 37 °С составляет 8%, а в жировой ткани в среде in vivo значение растворимости составляет 130%. Растворимость обуславливает использование ксенона в биологической системе в качестве контрастирующего агента.
• Растворяющий эффект ксенона очень велик для ¹²⁹ Ксенон по факту растворимости (таблица 2). Диапазон значений химического сдвига для ксенона составляет более 7500 ppm. Однако эффект растворителя ограничен для ¹ Ч & ¹³ C (активные ядра МРТ) из-за низкого диапазона значений химического сдвига для ¹ H составляет 20 частей на миллион, а для ¹³ С составляет 300 м.д. Поэтому, используя ¹²⁹ Хе является предпочтительным.

Рисунок-9 ниже. В экспериментальных данных ЯМР наблюдаются разные значения химического сдвига для разных тканей в среде in vivo . Все пики расположены в таком большом диапазоне значений химического сдвига для ¹²⁹ Хе жизнеспособен. Потому что ¹²⁹ Xe имеет большой диапазон значений химического сдвига до 1700 ppm по данным ЯМР. Другая важная спектральная информация включает в себя:

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

• Естественно ¹²⁹ Пик Xe ЯМР считался эталонным при 0,0 м.д.
• Когда ¹²⁹ Xe включился и связался с молекулой криптофана-А, затем значение химического сдвига при регистрации ЯМР сместилось примерно до 70 частей на миллион.
• Если гиперполяризован ¹²⁹ Газообразный ксенон растворяется в мозге, после чего ЯМР . пять спектральных пиков можно наблюдать
• Среди них вершина резкого пика на уровне 194,7ppm. Кроме того, при 189 ppm пик выходит из немозговых тканей.
• Еще два пика при 191,6 м.д. и 197,8 м.д. пока неизвестны. При 209,5 м.д. меньший, но широкий пик был обнаружен в данных ЯМР, когда ¹²⁹ Xe растворялся в кровотоке.
• Гиперполяризованный ¹²⁹ Xe является очень чувствительным детектором биомаркера (формы рака в живой системе).
• Ядерная спиновая поляризация ¹²⁹ Xe или вообще для благородных газов мы можем увеличить до пяти раз с помощью технологии SEOP.
• Используя технику гиперполяризации SEOP, мы можем получить изображения поглощения ксенона тканями головного мозга человека.

Рис. 10. Измерения поляризации ¹²⁹ Xe(g) в присутствии слабых и средних магнитных полей. Все цифры (AD) представляют собой зависимость амплитуды сигнала ЯМР в мкВ/кГц от частоты Лармора в кГц. (А) Улучшенный ¹²⁹ Сигнал ЯМР Xe(g) на ларморовской частоте 62 кГц из ячейки SEOP; Ксенон (г) имеет давление 1545 Торр, а Азот (г) имеет давление 455 Торр, и данные ЯМР были собраны в присутствии магнитного поля 5,26 мТл. (B) Эталонный сигнал ЯМР для спина протона воды (111M), легирования CuSO _4.5H O(s), 5,0 мМ и поляризации ₂ , созданной термически в присутствии магнитных полей 1,46 мТл (количество сканирований составило 170 000 раз). (C) Данные ЯМР для гиперполяризованного ¹²⁹ Xe собирали в присутствии магнитных полей напряженностью 47,5 мТл.( ¹²⁹ Xe составлял 300 торр, а N ₂ составлял 1700 торр). (D) Эталонный сигнал ЯМР для ¹³ C собирали из 170,0 мМ CH ₃ COONa(l) в присутствии магнитного поля 47,5 мТл. ³²

(Рисунок-10) ¹²⁹ Xe _(g) демонстрирует удовлетворительное усиление поляризации во время SEOP по сравнению с термическим усилением поляризации. Об этом свидетельствуют значения экспериментальных данных, полученные при съемке спектров ЯМР при различной напряженности магнитного поля. Несколько важных моментов из экспериментальных данных:

• The ¹²⁹ В технологии SEOP поляризация Xe увеличилась примерно в 144 000 раз. чрезмерно термически усиленный для ¹ H-поляризация в эксперименте ЯМР. Оба эксперимента, показавшие это, были проведены в идентичных условиях и с использованием одной и той же радиочастоты во время эксперимента ЯМР.
• Аналогичное значение усиления сигнала в 140 000 раз для ¹²⁹ Гиперполяризация Xe в SEOP по сравнению с эталонным термически усиленным ¹³ Сигнал ЯМР С также виден в экспериментальных данных ЯМР. Оба данных были собраны при одинаковой ларморовской частоте и других экспериментальных условиях и на одной и той же радиочастоте во время сбора данных ЯМР.

Рисунок 11. ¹²⁹ Xe(g) МРТ исследование в присутствии сильного поля в зависимости от T ₁ (время продольной спиновой релаксации) во время затухания гиперполяризации ¹²⁹ Xe(g) в присутствии магнитного поля различной напряженности; 3,0 Тл для синего треугольника, примерно 1,5 мТл для красных кругов и примерно 0,0 мТл для белых квадратов. Гиперполяризованный ¹²⁹ Xe(g) переложил в детские сумки, затем посчитал время затухания T ₁ в присутствии разных магнитных полей по отдельности. 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 к увеличению магнитного поля и, следовательно, усиление сигналов ЯМР заметно в SEOP в случае ¹²⁹ Машина. Поскольку T ₁ выше для синей маркировки, эксперимент ЯМР с кондиционированием показывает более усиленный пик по сравнению с другими. Для гиперполяризованных ¹²⁹ Xe в мешках Тедлара, T ₁ составляет 38±12 минут при сборе данных в присутствии магнитного поля 1,5 мТл. Однако удовлетворительное увеличение времени задержки Т ₁ (354±24 минуты) наблюдалось при сборе данных в присутствии магнитного поля 3000 мТл.

Использование Rb и Cs в экспериментах SEOP ЯМР

В общем, мы можем использовать либо ⁸⁷ руб. или ¹³³ Атомы щелочного металла Cs с инертным газом азотом. Однако мы используем ¹³³ Атомы Cs с азотом для осуществления спинового обмена с ¹²⁹ Xe за ряд преимуществ:

• ¹³³ Cs имеет естественное идеальное содержание, а рубидий - два ( ⁸⁵ Рб и ⁸⁷ Rb) изотопы. Абстракция одного изотопа отдельно от этих двух ( ⁸⁵ Рб и ⁸⁷ Rb) сложно сравнить, чтобы собрать ¹³³ Изотоп Cs. Абстракция ¹³³ С - это удобно.
• Оптическая накачивающая ячейка обычно работает при более низкой температуре, чтобы избежать проблем химического разрушения. SEOP использует ¹³³ Cs при низкой температуре и, следовательно, он подвергается меньшей химической коррозии со стеклом с клеточной стенкой SEOP.
• ¹³³ Cs- ¹²⁹ Пара Xe имеет скорость обмена спина около 10%, что больше по сравнению с ⁸⁷ Рб- ¹²⁹ У пары Xe есть.

Хотя ¹²⁹ Xe имеет множество предпочтительных применений в технике ЯМР. ⁸³ Kr также можно использовать, поскольку он имеет множество преимуществ в методах ЯМР, отличающихся от ¹²⁹ Машина.

• ⁸³ Стабильный изотоп Kr имеет спин I = 9/2 и больший размер Ван-дер-Ваальса 2,02А. ⁰ . Он обладает квадруполярным эффектом, может быстро и отчетливо распространяться в близлежащую среду (от полярной до неполярной среды in vivo ).
• Химический состав материалов может влиять на продольную релаксацию гиперполяризованных ⁸³ НОК
• Релаксация позволяет различать гидрофобный и гидрофильный субстрат. Хотя ³ Он и ¹²⁹ У Xe есть половина спина, но они не являются квадруполярно активными.
• Однако ²¹ Ne ( I=3/2) , ⁸³ Кр( I=9/2) и ¹³¹ Xe ( I=3/2) обладает квадруполярным моментом. ³⁴ Квадруполярные взаимодействия приводят к тому, что эти изотопы обладают спиновой релаксацией.
• Благодаря такой спиновой релаксации и эволюции эти изотопы можно использовать в качестве контрастирующих агентов, что позволяет говорить о том, что зонд может определять структурные особенности и химический состав поверхностей проницаемых сред.
• SEOP может рассчитать релаксацию спина T _1, используя уравнение нелинейного метода наименьших квадратов для ⁸³ Сигнал Kr как функция времени, а также экспериментального числа углов переворота среды (≈12 °) для экспериментирующих с ЯМР радиочастотных импульсов.
• Гиперполяризованный ⁸³ Кр отделяется от ⁸⁷ Газы Rb после спинового обмена в процессе оптической накачки, а затем используются в различных системах in vivo для получения сигнала МРТ. Это первый изотоп, показавший широкую применимость для техники МРТ, хотя его спин ⁠9 + 1 / 2 ⁠ .
• Во время эксперимента с легочной тканью собак использовался магнит силой 9,4 Тл, среда была пористой и имела пористость, близкую к альвеолярным размерам, которая распространялась при атмосферном давлении. Спин-решеточная релаксация была достаточно длительной, поэтому ее можно использовать в системе in vivo, хотя уровень кислорода может составлять 20%.
• Как ⁸³ Kr-контрастирующий агент обещает разработать современную методологию МРТ in vivo для выявления эпических заболеваний легких, эффект которых был вызван на поверхности паренхимы из-за концентрации поверхностно-активного вещества.
• За пределами границ этот конкретный контрастный агент может помочь определить размер пористой среды в материаловедении.
• Кроме того, этот метод позволяет нам подготовить поверхность к покрытию, пространственным колебаниям поверхностей. В конце концов, никогда не прекращается такой хороший признак этого контрастирующего агента, как естественное изобилие (11,5% ⁸³ Кр) позволяет легко получить его по разумной цене 5 долларов за литр.

Приложения SEOP для обработки изображений

В научных кругах и промышленности также предпринимаются шаги по использованию этого гиперполяризованного газа для визуализации легких. Как только газ ( ¹²⁹ Xe) гиперполяризуется в процессе SEOP и щелочной металл удаляется, пациент (здоровый или страдающий заболеванием легких) может вдыхать газ и делать МРТ. В результате получается изображение пространств 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 гиперполяризации в настоящее время используются для разработки гиперполяризованного газа ксенона, который используется в качестве агента визуализации легких. Ксенон-129 — безопасный инертный благородный газ, который можно использовать для количественной оценки функции легких. При одной 10-секундной задержке дыхания гиперполяризованный ксенон-129 используется с МРТ для получения трехмерной визуализации легких. Ксеноновая МРТ используется для наблюдения за пациентами с легочно-сосудистыми, обструктивными или фиброзными заболеваниями легких.

Температурный режим ¹²⁹ Xe SEOP в автоматизированной гиперполяризованной модели пакетной обработки с высокой производительностью ¹²⁹ Xe может использовать три диапазона основных температур для создания определенных условий: во-первых, ¹²⁹ Скорость гиперполяризации Xe чрезвычайно высока в горячем состоянии. Во-вторых, в теплых условиях гиперполяризация ¹²⁹ Хе – единица. В-третьих, в холодном состоянии уровень гиперполяризации ¹²⁹ Газ Xe, по крайней мере, может получить изображение (при температуре человеческого тела), хотя во время транспортировки в мешок Тедлара процент содержания газа был низким. ⁸⁷ Rb (доза менее 5 нг/л).

Многопараметрический анализ ⁸⁷ руб./ ¹²⁹ Xe SEOP при высоком давлении ксенона и потоке фотонов может быть использован в качестве контрастного агента для 3D-печати и остановки потока в клинических масштабах. Методика in situ использовала ЯМР-аппарат для отслеживания динамики ¹²⁹ Поляризация Xe как функция кондиционирования SEOP-ячейки с различными рабочими параметрами, такими как температура сбора данных, поток фотонов и ¹²⁹ Парциальное давление Xe для повышения ¹²⁹ Хе-поляризация ( PXe ₎ .

Таблица 3. ¹²⁹ Значения поляризации Xe для разных парциальных давлений.

П Хе	95±9%	73±4%	60±2%	41±1%	31±1%
Парциальное давление Xe (торр)	275	515	1000	1500	2000

Все эти значения поляризации ¹²⁹ Xe был одобрен путем продвижения гиперполяризованной ¹²⁹ Газ Xe и все эксперименты по МРТ также проводились при более низком магнитном поле 47,5 мТл. Наконец, демонстрации показали, что в такой области высокого давления поляризация ¹²⁹ Газы Xe могут увеличиться еще больше, чем предел, который уже был показан. Улучшенное управление температурой SEOP и оптимизация кинетики поляризации были дополнительно улучшены с хорошей эффективностью.

SEOP по твердым веществам

SEOP можно использовать не только для гиперполяризации благородных газов, но и более поздней разработкой является SEOP для твердых тел. Впервые оно было исполнено в 2007 году. и использовался для поляризации ядер в твердом теле, позволяя ядрам, которые не могут быть поляризованы другими методами, стать гиперполяризованными. Например, ядерная поляризация ¹³³ Cs в виде твердой пленки CsH может быть увеличен выше предела Больцмана. Это делается путем сначала оптической накачки паров цезия, а затем передачи спиновой поляризации соли CsH, что дает усиление в 4,0.

Ячейки изготавливаются, как описано ранее, с использованием дистилляции, затем заполняются газообразным водородом и нагреваются, чтобы дать возможность металлическому Cs вступить в реакцию с газообразным водородом с образованием соли CsH. Непрореагировавший водород удаляли, и процесс повторяли несколько раз для увеличения толщины пленки CsH, затем подвергали сжатию газообразным азотом. Обычно эксперименты SEOP проводятся с ячейкой, центрированной в катушках Гельмгольца или электромагнитных катушках, как описано ранее, но эти эксперименты проводились в сверхпроводящем магните с силой тока 9,4 Тл, пропуская лазер через магнит и электрически нагревая ячейку. В будущем, возможно, можно будет использовать эту технику для переноса поляризации в ⁶ Ли или ⁷ T _{1 будет длиннее.} Ли, что приведет к еще большему количеству применений, поскольку ожидается, что С момента открытия этого метода, позволяющего охарактеризовать твердые тела, он был улучшен таким образом, что для поляризации твердого тела не требуется поляризованный свет; вместо этого можно использовать неполяризованный свет в магнитном поле. В этом методе стекловата покрывается солью CsH, что увеличивает площадь поверхности CsH и, следовательно, увеличивает вероятность спиновой передачи, что дает 80-кратное улучшение в слабом поле (0,56 Тл). Как и в случае с гиперполяризующей пленкой CsH, металлический цезий в этом методе со стекловатой подвергался реакции с газообразным водородом, но в этом случае CsH образовывался на стеклянных волокнах, а не на стеклянной ячейке.

Метастабильная обменная оптическая накачка

³ Его также можно гиперполяризовать с помощью метастабильной обменной оптической накачки (MEOP). Этот процесс способен поляризовать ³ Ядра He в основном состоянии с оптической накачкой ³ Ядра He находятся в метастабильном состоянии. МЕОП включает только ³ Зародыши He при комнатной температуре и низком давлении (≈несколько мбар). Процесс МЭОП очень эффективен (высокая скорость поляризации), однако необходимо сжатие газа до атмосферного давления.

Динамическая ядерная поляризация

Соединения, содержащие ЯМР -чувствительные ядра, такие как ¹ ЧАС, ¹³ С или ¹⁵ N можно гиперполяризовать с помощью динамической ядерной поляризации (DNP). ДНП обычно проводится при низкой температуре (≈1 К) и сильном магнитном поле (≈3 Тл). Затем соединение оттаивают и растворяют, получая раствор комнатной температуры, содержащий гиперполяризованные ядра. Эту жидкость можно использовать для in vivo. визуализации метаболизма для онкологии и другие приложения. ¹³ Уровни поляризации C в твердых соединениях могут достигать ≈64%, а потери при растворении и переносе образца для измерений ЯМР могут быть минимизированы до нескольких процентов. Соединения, содержащие ЯМР -активные ядра, также могут быть гиперполяризованы с помощью химических реакций с параводородом , см. Поляризация, индуцированная параводородом (PHIP).

Поляризация, вызванная параводородом

Молекулярный водород H ₂ содержит два разных спиновых изомера , параводород и ортоводород, в соотношении 25:75 при комнатной температуре. Создание поляризации, индуцированной параводородом (PHIP) означает, что это соотношение увеличивается, другими словами, что параводород обогащается. Этого можно достичь путем охлаждения газообразного водорода и последующего индуцирования конверсии орто-пара с помощью катализатора на основе оксида железа или угля. При проведении этой процедуры при ≈70 К (т.е. с жидким азотом) параводород обогащается от 25% до ок. 50%. При охлаждении до температуры ниже 20 К и последующем индуцировании орто-пара-конверсии можно получить почти 100% параводород.

Для практического применения PHIP чаще всего переносится на органические молекулы путем реакции гиперполяризованного водорода с молекулами-предшественниками в присутствии катализатора на основе переходного металла. Сигналы протонного ЯМР с ок. Увеличение интенсивности в 10 000 раз можно получить по сравнению с сигналами ЯМР той же органической молекулы без PHIP и, следовательно, только с «тепловой» поляризацией при комнатной температуре.

Усиление сигнала обратимым обменом (SABRE)

Усиление сигнала путем обратимого обмена (SABRE) — это метод гиперполяризации образцов без их химической модификации. По сравнению с ортоводородом или органическими молекулами, гораздо большая часть ядер водорода в параводороде выравнивается под действием приложенного магнитного поля. В SABRE металлический центр обратимо связывается как с тестируемой молекулой, так и с молекулой параводорода, помогая молекуле-мишени улавливать поляризацию параводорода. Этот метод можно улучшить и использовать для широкого спектра органических молекул, используя промежуточную «реле»-молекулу, такую ​​​​как аммиак. Аммиак эффективно связывается с металлическим центром и принимает поляризацию параводорода. Затем аммиак передает другие молекулы, которые не так хорошо связываются с металлическим катализатором. Этот улучшенный сигнал ЯМР позволяет быстро анализировать очень небольшие количества материала.

См. также

• Динамическая ядерная поляризация
• Электронный парамагнитный резонанс
• Гиперполяризованная МРТ углерода-13

Внешние ссылки

• Еврофизика - «Вдохните поляризованный благородный газ»
• Университет Вирджинии - «МРТ с гиперполяризованным газом»
• Швейцарская инициатива DNP – «DNP-NMR» ¹³ C Hyperpolarization». Архивировано 11 декабря 2008 г. в Wayback Machine.