Hiperpolarizasyon (fizik) - Hyperpolarization (physics)

Hiperpolarizasyon , Boltzmann dağılımı tarafından belirlenen termal denge koşullarının çok ötesinde bir manyetik alandaki bir malzemenin nükleer spin polarizasyonudur . 129 Xe ve 3 He gibi gazlara ve polarizasyon seviyelerinin termal denge seviyelerinin 10 4 -10 5 faktörü ile arttırılabileceği küçük moleküllere uygulanabilir . Hiperpolarize soy gazlar tipik olarak akciğerlerin manyetik rezonans görüntülemesinde (MRI) kullanılır . Hiperpolarize küçük moleküller tipik olarak in vivo metabolik görüntüleme için kullanılır . Örneğin, hiperpolarize bir metabolit hayvanlara veya hastalara enjekte edilebilir ve metabolik dönüşüm gerçek zamanlı olarak izlenebilir. Diğer uygulamalar, çok polarize bir hedeften ( 3 He) polarize elektronları saçarak nötron spin yapılarının işlevini belirlemeyi , yüzey etkileşim çalışmalarını ve nötron polarizasyon deneylerini içerir.

Spin-değişimli optik pompalama

Tanıtım

Spin değişim optik pompalama (SEOP), bu sayfada tartışılan birkaç hiperpolarizasyon tekniğinden biridir. Bu teknik, 3 He, 129 Xe ve dört kutuplu 131 Xe, 83 Kr ve 21 Ne gibi hiperpolarize (HP) soy gazların yaratılmasında uzmanlaşmıştır . Seop gaz fazında gerçekleştirilir çünkü Asal gazlar gereklidir, bunlar alkali metaller ile ilgili olarak, reaktif olmayan, kimyasal olarak stabil, kimyasal olarak inert olan ve bunların T 1 yeterince uzun polarizasyon oluşturmaktır. Spin 1/2 soygazlar tüm bu gereksinimleri karşılamak ve bazı sıkma 3/2 yeterli T olmamasına rağmen Spin 3/2 soygazlar, bir ölçüde do 1 . Bu soy gazların her birinin, in vivo moleküler görüntüleme ve akciğerlerin fonksiyonel görüntülenmesi yoluyla akciğer boşluğunu ve dokusunu karakterize etmek, sağlıklı hücrelere karşı kanser hücrelerinin metabolizmasındaki değişiklikleri incelemek veya nükleer fizik deneyleri için hedef olarak kullanmak gibi kendi özel uygulamaları vardır . Bu işlem sırasında , uygun dalga boyuna ayarlanmış dairesel polarize kızılötesi lazer ışığı, sızdırmaz bir cam kap içinde sezyum veya rubidyum gibi bir alkali metaldeki elektronları uyarmak için kullanılır . Kızılötesi ışık, sodyum elektronlarını uyarmak için gerekli dalga boyu bu bölgenin altında olmasına rağmen alkali metal elektronlarını uyarmak için gerekli dalga boylarını içerdiğinden gereklidir (Tablo 1).

Tablo 1. Alkali Metal Elektronlarını Uyarmak İçin Gerekli Dalga Boyları.
Alkali metal Dalga boyu (nm)
Sodyum 590.0
Rubidyum 794.7
sezyum 894.0

Açısal momentum çarpışma sayesinde soygaz çekirdeklere alkali metal elektron transfer edilir. Azot, soy gazın de-polarizasyonuna yol açacak polarize alkali metalin floresansını önleyen bir söndürücü gaz olarak kullanılır. Floresans söndürülmediyse, gevşeme sırasında yayılan ışık, dairesel polarize lazer ışığına karşı çalışarak rastgele polarize olacaktır. Uygulamaya bağlı olarak farklı boyutlarda cam kaplar (hücreler olarak da adlandırılır) ve dolayısıyla farklı basınçlar kullanılırken, SEOP için soy gaz ve azotun toplam basıncının bir amagatı yeterlidir ve floresansı söndürmek için 0.1 amagat azot yoğunluğu gereklidir. 129 Xe hiperpolarizasyon teknolojisindeki büyük gelişmeler , insan klinik uygulamalarına olanak tanıyan 1-2 L/dk akış hızlarında > %50 düzeyine ulaşmıştır.

Tarih

SEOP'un keşfi, eksiksiz bir teknik oluşturmak için tüm parçaların yerine oturması onlarca yıl aldı. İlk olarak, 1897'de, Zeeman'ın sodyum buharı çalışmaları, optik pompalamanın ilk sonucuna yol açtı . Bir sonraki parça 1950'de Kastler, uygulanan bir manyetik alan kullanarak ve buharı rezonans dairesel polarize ışıkla aydınlatan rubidyum alkali metal buharını elektronik olarak döndürmek için bir yöntem belirlediğinde bulundu. On yıl sonra, Marie-Anne Bouchiat , TM Carver ve CM Varnum , elektronik spin polarizasyonunun gaz fazlı çarpışmalar yoluyla bir soy gazın nükleer spinlerine ( 3 He ve 129 Xe) aktarıldığı spin değişimi gerçekleştirdi . O zamandan beri, bu yöntem büyük ölçüde geliştirildi ve diğer soy gazlar ve alkali metallerle birlikte kullanılmak üzere genişletildi.

teori

Şekil 1. Bir rubidyum elektronunun uyarma geçişleri.

Uyarma, optik pompalama ve spin değiştirme işlemlerini daha kolay açıklamak için, bu işlem için kullanılan en yaygın alkali metal olan rubidyum örnek olarak kullanılacaktır. Rubidyum tek sayıda elektrona sahiptir ve doğru koşullar altında uyarılabilen en dıştaki kabukta yalnızca bir elektron bulunur. Oluşabilir iki geçiş, bir ifade vardır D olarak 1 5 geçiş meydana hattı 2 S 1/2 ila 5 durumu 2 p 3/2 durumuna ve başka bir D ifade 2 geçiş meydana geldiği hat 5 2 S 1/ 2'den 5 2 P 1/2 durumuna. D 1 ve D, 2 rubidyum atomu sırasıyla 794,7 nm ve 780 nm, (Şekil 1) bir dalga boyunda ışık ile aydınlatılmaktadır halinde geçişler oluşabilir. Her iki uyarıya da neden olmak mümkün olsa da, lazer teknolojisi D 1 geçişinin meydana gelmesine neden olmak için iyi geliştirilmiştir . Bu lazerler D ayarlı söylenmektedir 1 rubidyum dalga boyuna (794,7 nm).

Şekil 2. Bir manyetik alanın varlığında enerji bölünmesinin olduğu dönmede uygulanan manyetik alanın etkisi, B 0 .

Polarizasyon seviyesini termal dengenin üzerine çıkarmak için, spin durumlarının popülasyonları değiştirilmelidir. Manyetik alanın yokluğunda, bir spin I = ½ çekirdeğinin iki spin durumu aynı enerji seviyesindedir, ancak bir manyetik alanın varlığında, enerji seviyeleri m s = ±1/2 enerji seviyelerine ayrılır (Şekil 2). Burada, m s , olası +1/2 (spin up) veya -1/2 (spin down) değerlerine sahip dönüş açısal momentumudur ve genellikle sırasıyla yukarı veya aşağıyı gösteren vektörler olarak çizilir. Bu iki enerji seviyesi arasındaki nüfus farkı, bir NMR sinyali üreten şeydir. Örneğin, aşağı dönüş durumundaki iki elektron, yukarı dönüş durumundaki elektronlardan ikisini iptal ederek NMR ile tespit edilecek yalnızca bir yukarı dönüş çekirdeği bırakır. Bununla birlikte, bu durumların popülasyonları, hiperpolarizasyon yoluyla değiştirilebilir, bu da dönüş enerji seviyesinin daha fazla doldurulmasına ve dolayısıyla NMR sinyalinin artmasına izin verir. Bu, önce alkali metali optik olarak pompalayarak, ardından spin up durumunun popülasyonunu artırmak için polarizasyonu bir soy gaz çekirdeğine aktararak yapılır.

Şekil 3. Dairesel polarize ışık alkali metal atomları ile etkileşime girdiğinde meydana gelen geçişler.

Lazer ışığının alkali metal tarafından emilmesi SEOP'taki ilk işlemdir. Alkali metalin D 1 dalga boyuna ayarlanmış sol dairesel polarize ışık , elektronları 2 S 1/2 (m s =-1/2) aşağı dönüş durumundan yukarı 2 P 1/2 (m s = soygaz atomu, alkali metal atomu ile çarpışır ve m çarpışma karıştırma ardından meydana +1/2) durumu, s = -1/2 durum kısmen doldurulur (Şekil 3). Dairesel polarize ışık, düşük manyetik alanlarda gereklidir, çünkü sadece bir tür açısal momentumun emilmesine izin vererek, dönüşlerin polarize olmasına izin verir. Gevşeme sonra uyarılmış mevkilerden ortaya çıkar (m, s = ± 1/2) zemin durumlarına (m, s = ± 1/2) atomu böylece floresans bir şans su verme ve dönmek için elektronları neden azot çarpışarak eşit popülasyonlarda iki temel devlet. Spin (m dönüş depolarize sonra s = -1/2 durumu), bunlar sürekli bir dalga lazer ışını ile yeniden uyarılması ve işlem kendini tekrarlar edilir. Bu şekilde, m s = +1/2 durumunda daha büyük bir elektron spin popülasyonu birikir. Rubidyumun polarizasyonu, P Rb , aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

Burada n ve n ve spindeki atom sayısı yukarı (m S =+1/2) ve aşağı spin (m S =-1/2) 2 S 1/2 durumudur.

Şekil 4. A) ikili çarpışmalar ve B) van der Waals kuvvetleri aracılığıyla polarizasyonun aktarımı.

Daha sonra, optik olarak pompalanan alkali metal, soy gazla çarpışır ve alkali metal elektron polarizasyonunun soy gaz çekirdeklerine aktarıldığı yerde spin değişiminin gerçekleşmesine izin verir (Şekil 4). Bunun meydana gelebileceği iki mekanizma vardır. Açısal momentum (aynı zamanda iki cisim çarpışmalar olarak adlandırılan, Şekil 4A) ikili çarpışma yoluyla aktarılabilir ya da asal gaz ise, N- 2 , tampon gaz ve buhar fazı, alkali metal (Şekil 4B Waals kuvvetleri der van ile yakın tutulmaktadır ayrıca üç cisim çarpışması olarak da adlandırılır). Van der Waals kuvvetlerinin ikili çarpışmalara kıyasla çok küçük olduğu durumlarda ( 3 He için olduğu gibi ), soy gaz ve alkali metal çarpışır ve polarizasyon AM'den soy gaza aktarılır. 129 Xe için ikili çarpışmalar da mümkündür . Yüksek basınçlarda van der Waals kuvvetleri baskındır, ancak düşük basınçlarda ikili çarpışmalar baskındır.

Polarizasyon Oluşumu

Bu uyarma, polarizasyon, depolarizasyon ve yeniden polarizasyon vb. döngüsü, net bir polarizasyon elde edilmeden önce zaman alır. Nükleer polarizasyon oluşumu, P N (t), şu şekilde verilir:

Burada ⟨P bir γ⟩ alkali metal polarizasyon olduğu SE sıkma kuru ve Γ soy gaz uzunlamasına gevşemesi oranıdır. Nükleer kutuplaşmanın gevşemesi birkaç mekanizma yoluyla gerçekleşebilir ve bu katkıların bir toplamı olarak yazılır:

Burada Γ t , Γ p , Γ g ve Γ w sırasıyla geçici Xe 2 dimerinden, kalıcı Xe 2 dimerinden gevşemeyi, uygulanan manyetik alandaki gradyanlar yoluyla difüzyonu ve duvar gevşemesini temsil eder. Çoğu durumda, toplam gevşemeye en büyük katkıda bulunanlar kalıcı dimerler ve duvar gevşemeleridir. İki Xe atomu çarpıştığında ve van der Waals kuvvetleri aracılığıyla bir arada tutulduğunda bir Xe 2 dimeri oluşabilir ve üçüncü bir atom onunla çarpıştığında kırılabilir. Van der Waals kuvvetleri aracılığıyla birbirlerine yakın tutuldukları spin değişimi (spin transferi) sırasında Xe-Rb'ye benzer. Duvar gevşemesi, hiperpolarize Xe'nin hücrenin duvarlarıyla çarpışması ve camdaki paramanyetik kirlilikler nedeniyle depolarize olması durumudur.

Birikmesi zaman sabiti, Γ B , bu kararlı durum polarizasyon ulaşmak için geçen zaman içinde kalan zaman aralıklarında NMR spektrumlarını toplanması ile ölçülebilir (yani maksimum sinyal çıkışı ile görülen elde edilebilir maksimum polarizasyon). Sinyal integralleri daha sonra zaman içinde çizilir ve birikme zaman sabitini elde etmek için uygun olabilir. Birkaç farklı sıcaklıkta bir birikim eğrisi toplamak ve değerleri alkali metal buhar yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak çizmek (çünkü buhar yoğunluğu hücre sıcaklığındaki bir artışla artar), kullanılarak spin imha oranını ve atom başına spin değişim oranını belirlemek için kullanılabilir. :

γ' atom başına dönüş değişim oranı olduğunda, [AM] alkali metal buhar yoğunluğudur ve Γ SD dönüş yok etme hızıdır. Bu çizim lineer olmalıdır, burada γ' eğim ve Γ SD y-kesme noktasıdır.

Gevşeme: T 1

Spin değişimli optik pompalama, sürekli aydınlatma ile süresiz olarak devam edebilir, ancak polarizasyonun gevşemesine ve dolayısıyla aydınlatma durdurulduğunda termal denge popülasyonlarına geri dönüşe neden olan birkaç faktör vardır. Hiperpolarize soy gazların akciğer görüntüleme gibi uygulamalarda kullanılabilmesi için gazın deney düzeneğinden bir hastaya aktarılması gerekir. Gaz artık aktif olarak optik olarak pompalanmadığı anda, termal dengeye ulaşılana kadar hiperpolarizasyon derecesi azalmaya başlar. Ancak hiperpolarizasyon, gazı hastaya aktaracak ve bir görüntü elde edecek kadar uzun sürmelidir. T olarak belirtilen uzunlamasına sıkma gevşeme süresi, 1 , aydınlatma durduğunda polarizasyon zamanla azaldıkça NMR spektrumlarını toplanması ile kolayca ölçülebilir. Bu gevşeme oranı birkaç depolarizasyon mekanizması tarafından yönetilir ve şu şekilde yazılır:

Katkıda bulunan üç terimin çarpışma gevşemesi (CR), manyetik alan homojen olmaması (MFI) gevşemesi ve paramanyetik oksijenin (O2) varlığının neden olduğu gevşeme için olduğu durumlarda. T 1 süresi CR, MFI ve O etkilerini azaltma içine konur ne kadar bakım bağlı olarak birkaç saat için herhangi bir yere dakika olabilir 2 . Son terim 0.360 s olarak kantifiye edilmiştir -1 Amagat -1 , fakat birinci ve ikinci terim genel olarak T katkıları derecesi yana ölçmek için zor 1 deney düzeneği ve hücre optimize ne kadar iyi bağlıdır ve hazırlanmış.

SEOP'ta Deneysel Kurulum

Şekil 5. 2” çapında 10” uzunluğunda optik hücrelerin fotoğrafı.

SEOP yapabilmek için öncelikle optik hücrenin hazırlanması gerekmektedir. Optik hücreler (Şekil 5), belirli bir sistem düşünülerek tasarlanmıştır ve şeffaf bir malzeme, tipik olarak ateş camı (borosilikat) kullanılarak cam üflenir. Bu hücre daha sonra kirletici maddeler, azalma polarizasyon ve T, özellikle paramanyetik maddeleri ortadan kaldırmak için temizlenmelidir 1 . Hücrenin iç yüzeyi daha sonra (a) alkali metal tarafından korozyon olasılığını azaltmak için cam için koruyucu bir tabaka görevi görecek ve (b) polarize gaz moleküllerinin hücre ile çarpışmalarından kaynaklanan depolarizasyonu en aza indirecek şekilde kaplanır. hücrenin duvarları. Duvar gevşemesinin azalması, soy gazın daha uzun ve daha yüksek polarizasyonuna yol açar.

Şekil 6. SurfaSil'in Yapısı.

Birkaç kaplamalar yıl boyunca test edilmiş olmakla beraber, SurfaSil (Şekil 6, artık hidrokarbon içinde çözülen bir silikonlaştırma sıvısı olarak anılacaktır) 01:10 SurfaSil bir oranda en yaygın olarak kullanılan kaplama: bu uzun T içerir heksan için 1 değerleri. SurfaSil tabakasının kalınlığı yaklaşık 0,3-0,4 um'dir. Düzgün bir şekilde kaplanıp kurutulduktan sonra, hücre daha sonra inert bir ortama yerleştirilir ve hücreye bir damla alkali metal (~200 mg) yerleştirilir, daha sonra hücrelerin duvarlarında eşit bir kaplama oluşturmak için dağıtılır. Alkali metali hücreye aktarmanın bir yöntemi damıtmadır. Damıtma yönteminde, hücre, bir alkali metal ampulünün bağlı olduğu, hem basınçlı gaz hem de vakumu tutacak şekilde donatılmış bir cam manifolda bağlanır. Manifold ve hücre vakumlanır, ardından ampulün mührü kırılır ve alkali metal bir gaz meşalesinin alevi kullanılarak hücreye taşınır. Hücre daha sonra arzu edilen nitrojen ve soy gaz karışımı ile doldurulur. Hücre hazırlığının hiçbir aşamasında hücreyi zehirlememeye özen gösterilmelidir (hücreyi atmosferik havaya maruz bırakın).

Yıllar boyunca çeşitli hücre boyutları ve tasarımları kullanılmıştır. İstenen uygulama, optik pompalama hücresinin tasarımını yöneten şeydir ve lazer çapına, optimizasyon gereksinimlerine ve klinik kullanım hususlarına bağlıdır. Spesifik alkali metal(ler) ve gazlar da istenen uygulamalara göre seçilir.

Şekil 7. Alkali metal, soy gaz ve nitrojen gazı içeren bir optik hücrenin aydınlatılmasını içeren deneysel kurulum.

Hücre tamamlandıktan sonra, hücrenin dışına bir yüzey bobini (veya istenen bobin tipine bağlı olarak bobinler) bantlanır, bu a) polarize dönüşleri algılama alanına yönlendirmek için RF darbelerinin üretilmesine izin verir ( x,y düzlemi) ve b) polarize nükleer spinler tarafından üretilen sinyali algılar. Hücre, alkali metalin buhar fazına girmesi için hücre ve içeriğinin ısıtılmasına izin veren bir fırına yerleştirilir ve hücre, uygulanan bir manyetik alan (z ekseni boyunca) oluşturan bir bobin sisteminde merkezlenir. D ayarlanmış bir lazer, 1 , alkali metal hattı (elektrik dipol geçiş) ve optik hücre çapına uyan bir ışın çapı, daha sonra bu şekilde hücrenin camları ile hizalı olarak tamamı hücre, mümkün olan en büyük polarizasyonu sağlamak için lazer ışığı ile aydınlatılır (Şekil 7). Lazer, onlarca watt ile yüzlerce watt arasında herhangi bir yerde olabilir; burada daha yüksek güç, daha büyük polarizasyon sağlar, ancak daha maliyetlidir. Polarizasyonu daha da artırmak için hücrenin arkasına lazer ışığını hücre içinden iki kez geçirmek için geri yansıtıcı bir ayna yerleştirilir. Ek olarak, aynanın arkasına, alkali metal atomları tarafından lazer ışığı absorpsiyonunun bilgisini sağlayan bir IR iris yerleştirilir. Lazer hücreyi aydınlatırken, ancak hücre oda sıcaklığındayken, IR iris, lazer ışığının hücre içinden geçirgenlik yüzdesini ölçmek için kullanılır. Hücre ısıtıldıkça rubidyum buhar fazına girer ve lazer ışığını emmeye başlar, bu da geçirgenlik yüzdesinin azalmasına neden olur. Oda sıcaklığında bir spektrum ve hücre ısıtılır ve bu alınan bir spektrum arasında IR spektrumunda fark yaklaşık rubidyum polarizasyon değeri, p hesaplamak için kullanılabilir Rb .

SEOP gelişmeye ve gelişmeye devam ettikçe, hiperpolarize gazlar üretmek için kullanılan ve kullanılmakta olan çeşitli NMR bobinleri, fırınlar, manyetik alan üreten bobinler ve lazerler vardır. Genel olarak, NMR bobinleri, belirli bir amaç için, ya bakır teli istenen şekilde elle döndürerek ya da bobini 3D yazdırarak elde yapılır. Genellikle fırın, lazer ışığının hücreden geçmesi için camdan yapılmış iki yüzü, çıkarılabilir bir kapağı ve hücrenin ısıtılmasını sağlayan bir sıcak hava hattının bağlı olduğu bir deliği olan bir basınçlı hava fırınıdır. iletim yoluyla. Manyetik alan üreten bobinler, istenen manyetik alan kuvvetini oluşturmak için kullanılan ve istenen alan aşağıdakiler tarafından yönetilen bir çift Helmholtz bobini olabilir:

ω, Larmour frekansı veya istenen saptama frekansı olduğunda, γ, ilgilenilen çekirdeklerin gyromanyetik oranıdır ve B 0 , çekirdekleri istenen frekansta saptamak için gereken manyetik alandır. Dört elektromanyetik bobin seti de kullanılabilir (yani Acutran'dan) ve diğer bobin tasarımları test edilmektedir.

Geçmişte lazer teknolojisi, örneğin sezyum lazerlerinin olmaması nedeniyle yalnızca birkaç alkali metalin kullanılabildiği SEOP için sınırlayıcı bir faktördü. Bununla birlikte, daha iyi sezyum lazerleri, daha yüksek güç, daha dar spektral genişlik, vb. dahil olmak üzere SEOP'un erişiminin artmasına izin veren birkaç yeni gelişme olmuştur. Bununla birlikte, gerekli birkaç temel özellik vardır. İdeal olarak, alkali metalin ve soy gazın her zaman polarize kalmasını sağlamak için lazer sürekli dalga olmalıdır. Bu polarizasyonu indüklemek için, lazer ışığı, elektronların spin polarizasyonuna izin veren yönde dairesel olarak polarize edilmelidir. Bu, lazer ışığının s ve p bileşenlerini ayırmak için bir polarize edici ışın ayırıcıdan , ardından lineer polarize ışığı dairesel polarize ışığa dönüştüren çeyrek dalga plakasından geçirilmesiyle yapılır.

Soy Gazlar ve Alkali Metaller

SEOP başarıyla kullanılmış ve biyomedikal uygulamalar için 3 He, 129 Xe ve 83 Kr için oldukça iyi geliştirilmiştir . Ek olarak, biyomedikal biliminde kanser hücrelerinin gelişmiş ve yorumlanabilir görüntülenmesini sağlamak için çeşitli iyileştirmeler yapılmaktadır. 131 Xe'nin hiperpolarizasyonunu içeren çalışmalar devam etmekte ve fizikçilerin ilgisini en üst düzeye çıkarmaktadır. Spin transferinde sadece rubidyumun değil, sezyumun da kullanılmasına izin vermek için yapılan iyileştirmeler de var. Prensip olarak, SEOP için herhangi bir alkali metal kullanılabilir, ancak rubidyum genellikle yüksek buhar basıncı nedeniyle tercih edilir, bu da deneylerin nispeten düşük sıcaklıklarda (80 °C-130 °C) yapılmasına izin verir, bu da metale zarar verme olasılığını azaltır. cam hücre. Ek olarak, tercih edilen alkali metal için lazer teknolojisi mevcut olmalı ve önemli ölçüde polarizasyon sağlayacak kadar geliştirilmelidir. Daha önce, D heyecanlandırmak için kullanılabilir lazerler 1 sezyum geçişi iyi gelişmiş değildi, ama şimdi daha güçlü ve daha az pahalı hale gelmektedir. Ön çalışmalar, sezyumun, SEOP için tercih edilen alkali metal olmasına rağmen, rubidyumdan daha iyi sonuçlar sağlayabileceğini bile gösteriyor.

Xenon-129 ve Helyum-3 gibi soy gazları hiperpolarize etmek için spin-değişimli optik pompalama (SEOP) adı verilen hiperpolarizasyon yöntemi kullanılmaktadır. 3He veya 129Xe gibi solunan hiperpolarize bir gaz görüntülendiğinde, geleneksel 1H görüntülemeye kıyasla akciğerde NMR-aktif moleküllerin daha yüksek bir manyetizasyon yoğunluğu vardır ve bu da elde edilebilecek MRI görüntülerini iyileştirir. Akciğer dokularının anatomik özelliklerini bildiren proton MRG'nin aksine, XenonMRI gaz ventilasyonu, difüzyon ve perfüzyon dahil olmak üzere akciğer fonksiyonlarını bildirir.

Gerekçe

Hedefimiz, beyin, beyin, kan, sıvı ve dokular gibi vücudumuzun herhangi bir yerinde enfeksiyon veya hastalığı (örneğin kanser) tanımlamaktır. Bu bulaşıcı hücreye topluca biyobelirteç denir. Dünya Sağlık Örgütü'ne (WHO) göre ve Birleşmiş Milletler ve Uluslararası Çalışma örgütü ile işbirliği, Biyobelirteç'i “vücutta veya ürünlerinde ölçülebilen ve sonuçların insidansını etkileyen veya tahmin eden herhangi bir madde, yapı veya süreç” olarak ikna edici bir şekilde tanımlamıştır. veya hastalık”. Refahta biyolojik süreçte biyobelirteç belirli bir seviyeye kadar ölçülebilir olmalıdır.

Biyobelirteçlerin spesifik bir örneği, koroner kalp hastalığı için güvenilir olan ve bizimle yaygın olarak bildiğimiz kan kolesterolüdür; başka bir biyobelirteç PSA'dır (Prostata Özgü Antijen) ve prostat kanserine katkıda bulunuyor. Kanser olduğu düşünülen birçok biyobelirteç vardır: Hepatit C virüsü ribonükleik asit (HCV-RNA), Uluslararası Normalleştirilmiş Oran (INR), Protrombin Zamanı (PT), Monoklonal Protein (M protein), Kanser Antijen-125 (CA-) 125), İnsan İmmün Yetmezlik Virüsü -Ribonükleik Asit (HIV RNA), B-tipi Natriüretik Peptit (BNP). 27 ve Lenfoma hücresi (Ramos hücre dizileri ve Jurkat hücre dizileri) bir kanser türüdür.

Diğer yaygın biyobelirteçler meme kanseri, Yumurtalık kanseri, Kolorektal kanser, Akciğer kanseri ve beyin tümörüdür.

Bu hastalığa neden olan karar ajanı, biyobelirteç, özellikle hastalığın başlangıç ​​durumunda son derece eser miktarda mevcut olmasıdır. Bu nedenle, biyobelirteçlerin tanımlanması veya görüntülerinin alınması zor ve birkaç durumda NMR teknolojisi tarafından belirsizdir. Bu nedenle, en azından Doktorlar düzeyinde görselleştirmek için görüntüleri geliştirmek için kontrast ajanı kullanmalıyız. Biyobelirteç molekülleri, in vivo sistemde daha az miktarda bulunduğundan . NMR veya MRI deneyi, bazı durumlarda bile çok küçük bir sinyal sağlar, analizör, biyobelirteçlerin bolluğu nedeniyle verilerdeki sinyal tepe noktasını kaçırabilir. Bu nedenle, soruna neden olan biyobelirteçlerin varlığı hakkında doğru sonuca varmak için, en görünür tepe yüksekliği seviyesinde ve ayrıca konumun net zirvesini elde etmek için probu (zıt mekanizmalar) geliştirmemiz gerekir. verilerde zirve. Kontrast ajanı kullanarak NMR veya MRI deneyinden kabul edilebilir ve açıkça yorumlanabilir verileri toplamak mümkünse, uzmanlar zaten kanserden muzdarip olan hastaları kurtarmak için doğru bir ilk adımı atabilirler. MRI deneyinde gelişmiş verileri elde etmek için kullanılan çeşitli teknikler arasında SEOP bunlardan biridir.

SEOP araştırmacıları 129 Xe'yi kullanmakla ilgileniyor . Çünkü 129 Xe, NMR Tech'de bir dizi olumlu gerçeğe sahiptir. diğer yeni gazlar üzerinde bile bir kontrast maddesi olarak çalışmak için:

  • İnert ksenon, diğer metaller ve metal olmayanlar gibi kimyasal reaksiyon göstermez, çünkü Xenon'un elektronik konfigürasyonu tamamen doludur ve aynı zamanda radyoaktif değildir.
  • Doğal olarak oluşan gaz halinden katı, sıvı hali elde etmek kolaydır (şekil-8). 129 Xe'nin katı ve sıvı hali, deneysel olarak yapılabilir sıcaklık ve basınç aralıklarıdır.
    Şekil 8. Yukarıdaki diyagram, ksenon gazının aynı anda hem sıvı hem de gaz halinde bulunabileceği en yüksek sıcaklık ve basıncı göstermektedir.30
  • Ksenon, çekirdeği çevreleyen oldukça polarize olabilen elektron bulutuna sahiptir. Bu nedenle özellikle in vivo ortamda biyolojik açıdan lipid veya organik bileşiklerle kolayca çözünür . (Tablo 2)
  • Ksenon, diğer moleküllerle etkileşime girdiğinde yapısal veya kimyasal olarak (diğer soy gazlara benzer şekilde) değiştirmez.
  • Bilim adamı Ostwald'a göre çözünürlük, absorbe edilen gazın absorbe eden sıvının hacmine bölme katsayısı olarak tanımlanır. Xenon'un çözünürlüğü, S Xe(g) = V emilen Xe(g) /V soğurucu sıvı miktarı standart sıcaklık ve basınçta (STP).

Xenon'un su ortamında çözünürlüğü 25 °C'de %11 anlamına gelir 11 mL Xenon gazı 100 mL su tarafından absorbe edilebilir.

Tablo 2. Bir bileşenin Çözünürlüğü için Oswald Yasasına göre farklı ortamlarda 129 Xe için çözünürlük değerleri .
Çözücü Bileşik Adı Sıcaklık (°C) (v/v)% olarak Ostwald Çözünürlük
Suçlu 25 0.11
heksan 25 4.8
Benzen 25 3.1
florobenzen 25 3.3
Karbon disülfid 25 4.2
Suçlu 37 0.08
tuzlu su 37 0.09
Plazma 37 0.10
Eritorsit (%98) 37 0.20
İnsan albümini (%100 tahmin edilmiştir) 37 0.15
Kan 37 0.14
Sıvı yağ 37 1.90
Yağ dokusu 37 1.30
DMSO 37 0.66
intralipid (%20) 37 0.40
PFOB (perflubron) 37 1.20
PFOB (%90 w/v, tahmini) 37 0.62
  • Ksenon atom boyutu büyüktür ve dış kabuk elektronları çekirdekten uzaktır, en dıştaki elektron özellikle lipid ortamında polarize olmaya oldukça yatkındır. Tablo 2, 37 °C'de su ortamında Xenon çözünürlüğünün %8 olduğunu, ancak in vivo ortamda yağ dokusunun çözünürlük değerinin %130 olduğunu göstermektedir. Çözünürlük, Xenon'un biyolojik sistemde kontrast madde olarak kullanılmasına öncülük eder.
  • Ksenonun çözücü etkisi, çözünürlük gerçeği nedeniyle 129 Ksenon için çok büyüktür (tablo 2). Xenon için kimyasal kayma değer aralığı 7500 ppm'den fazladır. Bununla birlikte çözücü madde etkisi için aralığı sınırlıdır 1 H & 13 için, düşük kimyasal kayma değeri aralık C (MR aktif çekirdekler) 1 H 20 ppm ve için 13 ° C, 300 ppm'dir. Bu nedenle, 129 Xe kullanılması tercih edilir.

Aşağıdaki Şekil-9, NMR deneysel verilerinde, in vivo ortamda farklı dokular için farklı kimyasal kayma değerleri vardır . Tüm pikler, 129 Xe için bu kadar geniş bir kimyasal kayma değerleri aralığında konumlandırılmıştır . Çünkü 129 Xe, NMR verilerinde 1700ppm'e kadar uzun menzilli kimyasal kayma değer aralığına sahiptir. Diğer önemli spektral bilgiler şunları içerir:


Şekil 9. İn vivo biyolojik sistemde Xe-129 biyosensörü için NMR verileri .

  • Doğal olarak 129 Xe NMR tepe noktası, 0.0ppm'de referans olarak sayılmıştır.
  • Tüm 129 Xe dahil ve bağlama Cryptophane-A molekülü ile, daha sonra NMR edinimi kimyasal kayma değeri yaklaşık 70ppm kaymıştır.
  • Hiperpolarize 129 Xe gazı beyinde çözülürse, beş NMR spektral tepe noktası gözlemlenebilir.
  • Bunların arasında 194.7ppm'de en keskin zirve. Ayrıca beyin dışı dokulardan 189 ppm'de pik çıkmaktadır.
  • 191.6 ppm ve 197.8 ppm'de iki pik daha bilinmiyor. 209.5 ppm'de, 129 Xe kan akışında çözüldüğünde NMR verilerinde daha küçük fakat geniş tepe noktası bulunmuştur .
  • Hiperpolarize 129 Xe, biyolojik belirteçlerin (canlı sistemdeki kanser formu) çok hassas dedektörüdür.
  • 129 Xe'lik nükleer spin polarizasyonu veya genel olarak soy gazlar için SEOP tekniği ile beş kata kadar arttırabiliriz.
  • SEOP hiperpolarizasyon tekniğini kullanarak, insan beyin dokusunda ksenon alımının görüntülerini alabiliriz.
Şekil 10. Düşük ve orta manyetik alanların varlığında 129 Xe(g)' nin Polarizasyonunun Ölçümleri . Tüm (AD) rakamları, μV/KHz cinsinden NMR sinyal genliğine karşı KHz cinsinden Larmor Frekansıdır. (A) SEOP hücresinden 62 kHz Larmor Frekansında geliştirilmiş 129 Xe(g) NMR sinyali; Xenon(g) 1545 torr ve Nitrogen(g) 455 torr basınca sahiptir ve NMR verileri 5.26mT manyetik alan varlığında toplanmıştır. (B) CuSO su proton Spin (111m), doping için referans NMR sinyali 4. 5H 2 O (ler) ile 5,0 ve polarizasyon 1.46 mT manyetik alanların varlığında termik olarak oluşturuldu (tarama sayısı 170,000 kere). Hiperpolarize için (C) NMR verileri 129 Xe 47.5mT manyetik alan mevcudiyetinde toplanmıştır. ( 129 Xe 300 tor ve K 2 1700 tor idi). (D) Yukarıda Referans NMR için sinyal 13 ° C 170.0mM CH toplanmıştır 3 COONa'nın (l) 47.5mT manyetik alan varlığında. 32

(Şekil-10) 129 Xe (g) , polarizasyondaki termal artışa kıyasla SEOP sırasında polarizasyonda tatmin edici bir gelişme gösterir. Bu, NMR spektrumları farklı manyetik alan kuvvetlerinde elde edildiğinde deneysel veri değerleri ile gösterilir. Deneysel verilerden birkaç önemli nokta şunlardır:

  • 129 Xe polarizasyon Seop tech katlanır 144.000 hakkında artmıştır. üzerinde termal için geliştirilmiş 1 NMR deneyinde H polarizasyon. Bunu gösteren her iki deney de NMR deneyi sırasında aynı koşullarda ve aynı radyo frekansı kullanılarak yapılmıştır.
  • 140,000 kat sinyal artışı benzer bir değeri 129 Seop içinde Xe hiperpolarizasyonuna termal olarak arttırılmış referans ile karşılaştırıldığında 13 deneysel NMR verileri görülür NMR sinyali. Her iki veri de NMR verilerinin toplanması sırasında aynı Larmor frekansında ve diğer deneysel koşullarda ve aynı radyo frekansında toplanmıştır.
11. Şekil 129 Xe (g) MR T karşı yüksek alanın varlığında okuyan 1 hiperpolarizasyonuna zayıflamasına sırasında (boyuna spin gevşeme zamanı) 129 manyetik alan farklı güçlerde varlığında Xe (g); Mavi üçgen için 3,0 T, kırmızı daireler için yaklaşık 1,5 mT ve beyaz kareler için yaklaşık 0,0 mT. Hiperpolarize 129 Xe(g), çocuk çantalarına aktarıldı ve ardından farklı manyetik alanların varlığında T 1 bozulma süresini ayrı ayrı saydı . Manyetik alan şiddetinin arttırılması (1.5mT'den 3000mT'ye), bozulma süresine neden olarak yaklaşık sekiz kata kadar artışlar.

(Şekil 11) uzunlamasına dönme gevşeme zamanı (T 1 ) manyetik alanın artışı ile oldukça duyarlıdır ve bu nedenle söz konusu Seop belirgindir NMR sinyalleri geliştirmek 129 Xe. T de 1 Mavi işaretli condition NMR deneyi gösterir için daha yüksek daha gelişmiş yoğun diğer karşılaştırmak. Hiperpolarize için 129 Tedlar torbalarda Xe, T 1 veri 1.5 mT manyetik alanın varlığında, toplandığında 38 ± 12 dakikadır. Ancak 3000 mT manyetik alan varlığında veri toplandığında T 1 gecikme süresinde (354±24 dakika) tatmin edici artış .

SEOP NMR Deneylerinde Rb ve Cs'nin Kullanımı

Genel olarak, 87 Rb veya 133 Cs alkali metal atomlarını inert nitrojen gazı ile kullanabiliriz. Bununla birlikte, birçok avantaj için 129 Xe ile spin değişimi yapmak için nitrojenli 133 Cs atomu kullanıyoruz :

  • 133 Cs doğal mükemmel bolluğa sahipken, rubidyum iki ( 85 Rb ve 87 Rb) izotopa sahiptir. Bu iki izotoptan ( 85 Rb ve 87 Rb) ayrı olarak bir izotopun soyutlanması, 133 Cs izotopunun toplanmasıyla karşılaştırıldığında zordur . Soyutlanması 133 Cs uygundur.
  • Optik pompalama hücresi, kimyasal olarak bozulma sorununu önlemek için normalde daha düşük sıcaklıkta çalıştırılır. SEOP düşük sıcaklıkta 133 C kullanır ve bu nedenle SEOP hücre duvar camı ile daha az kimyasal korozyona sahiptir.
  • 133 Cs- 129 Xe çifti, 87 Rb- 129 Xe çiftinin sahip olduğu orandan daha fazla olan %10'luk bir spin döviz kuruna sahiptir.

Her ne kadar 129 Xe NMR tekniği tercih karakteristik uygulamaların bir demet, 83 bu daha farklı şekillerde NMR tekniklerinde bir çok avantajı vardır çünkü Kr de kullanılabilir 129 Xe.

  • 83 Kr kararlı izotop spini I= 9/2'dir ve daha büyük Vander duvarlarına sahiptir 2.02A 0 . Dört kutuplu etkiye sahiptir, yakın çevreye kısa sürede ve belirgin bir şekilde yayılabilir ( in vivo sistemde polardan polar olmayan ortama ).
  • Malzemelerin kimyasal bileşimi, hiperpolarize 83 Kr'nin uzunlamasına gevşemesini etkileyebilir .
  • Gevşeme, hidrofobik ve hidrofilik substrat arasında ayrım yapabilir. Her ne kadar 3 O ve 129 Xe sıkma yarısı ancak aktif dört kutuplu değildir.
  • Ancak 21 Ne ( I=3/2) , 83 Kr( I=9/2) ve 131 Xe ( I=3/2) Dört Kutuplu momente sahiptir. 34 Dört kutuplu etkileşimler bu izotopların spin gevşemesine sahip olmasını sağlar.
  • Bu spin gevşemesi ve evrimi nedeniyle, bu izotoplar, prob hakkında söylemek için kontrast ajanlar olarak kullanılabilir, geçirgen bir ortam için yüzeylerin yapısal özelliklerini ve kimyasal bileşimlerini belirleyebilir.
  • Seop sıkma T gevşeme hesaplayabilir 1 en küçük kareler uydurma doğrusal olmayan denklem kullanılarak 83 zamanın bir fonksiyonu olarak NMR radyo frekans atımları deneme için ortam çevirme açısı (≈12 °) deneysel sayısı olarak Kr sinyali.
  • Hiperpolarize 83 Kr, optik pompalama işleminde spin değiş tokuşundan sonra 87 Rb gazlarından ayrılmakta ve daha sonra MRI sinyalini almak için çeşitli in vivo sistemlerde kullanılmaktadır . Bu, spini 9½ olmasına rağmen MRG tekniği için birçok uygulanabilirlik gösteren ilk izotoptur.
  • Köpek akciğer dokusunun deneyi sırasında, kullanılan mıknatıs 9.4 T, ortam gözenekli ve atmosferik basınçta yayılan alveolar boyutlara benzer gözenekli idi. Spin kafes gevşemesi yeterince uzundu, bu nedenle oksijen seviyesi %20 olsa da in vivo sistemde uygulanabilir .
  • Olarak 83 Kr madde saf geliştirmek için umut verici zıt in vivo bağlı yüzey aktif madde konsantrasyonuna epically parenkim yüzeyinde neden olmuş olan etkisi akciğer hastalıklarının tespit etmek MR yöntemi.
  • Sınırları aşmış bu özel karşıt ajan, malzeme biliminde gözenekli ortamın dökülmesinin boyutunu bulmak için çalışabilir.
  • Ayrıca, bu teknik bizi yüzey kaplamasını, yüzeylerin uzaysal dalgalanmalarını hazırlamaya götürebilir. Sonunda, doğal bolluk ( 83 Kr'ın %11,5'i) gibi bu zıt etkenin iyi işaretinin asla bitmemesi, 5 $/L makul fiyatla almayı kolaylaştırıyor.

SEOP Görüntüleme Uygulamaları

Akademi ve endüstride bu hiperpolarize gazı akciğer görüntülemede kullanmak için adımlar atılıyor. Gaz ( 129 Xe) SEOP işlemi ile hiperpolarize edildikten ve alkali metal çıkarıldıktan sonra, bir hasta (sağlıklı veya akciğer hastalığından muzdarip) gazı soluyabilir ve bir MRI çekilebilir. Bu, gazla dolu akciğerlerdeki boşlukların bir görüntüsü ile sonuçlanır. Hastanın görüntüleme noktasına gelme süreci, bu tekniğe ve ekipmana çok aşina olan bilim adamlarının bilgisini gerektirebilirken, bir hastane teknisyeninin hiperpolarize gazı üretebilmesi için bu bilgiye olan ihtiyacı ortadan kaldırmak için adımlar atılmaktadır. bir polarizör kullanarak.

Hiperpolarizasyon makineleri şu anda akciğerler için bir görselleştirme ajanı olarak kullanılan hiperpolarize ksenon gazı geliştirmek için kullanılmaktadır. Xenon-129, akciğer fonksiyonunu ölçmek için kullanılabilen güvenli bir soy gazdır. 10 saniyelik tek bir nefes tutma ile hiperpolarize Xenon-129, 3 boyutlu akciğer görüntülemeyi sağlamak için MRI ile birlikte kullanılır. Xenon MRI, pulmoner-vasküler, obstrüktif veya fibrotik akciğer hastalığı olan hastaları izlemek için kullanılıyor.

Hiperpolarize edilmiş otomatik bir yüksek çıkışlı toplu modelde sıcaklık rampalı 129 Xe SEOP 129 Xe, belirli koşulları koymak için üç ana sıcaklık aralığından yararlanabilir: Birincisi, 129 Xe hiperpolarizasyon oranı, sıcak durumda çok yüksek. İkincisi, sıcak durumda 129 Xe'nin hiperpolarizasyonu birliktir. Üçüncüsü, soğuk durumda, 129 Xe gazının hiperpolarizasyon seviyesi, en azından (insan vücudunun sıcaklığında) görüntülemeyi alabilir, ancak Tedlar torbasına aktarma sırasında 87 Rb'lik zayıf bir yüzdeye (5 ng/L'den az doz) sahip olmasına rağmen .

Yüksek ksenon basıncı ve foton akışında 87 Rb/ 129 Xe SEOP'nin çok parametreli analizi, klinik ölçekte 3D baskı ve durdurulmuş akış kontrast maddesi olarak kullanılabilir. İn -situ tekniği NMR makinesi dinamiklerini izlemek için çalıştırıldı 129 , veri toplama sıcaklık, foton akısı ve farklı çalışma parametreleri ile Seop-hücresi klima bir fonksiyonu olarak Xe polarizasyon 129 arttırmak için Xe kısmi basıncı 129 (Xe polarizasyon p Xe ).

Tablo 3. Farklı kısmi basınçlar için 129 Xe polarizasyon değerleri.
P Xe %95±9 %73±4 %60±2 41±1% 31±1%
Xe'nin kısmi basıncı (torr) 275 515 1000 1500 2000

129 Xe olan tüm bu polarizasyon değerleri hiperpolarize 129 Xe gazı itilerek onaylanmıştır ve tüm MRI deneyleri de 47.5 mT daha düşük manyetik alanda yapılmıştır. Son olarak gösteriler, böyle yüksek bir basınç bölgesinin, 129 Xe gazlarının polarizasyonunun, halihazırda gösterilen limitten daha da fazla artabileceğini gösterdi. Daha iyi SEOP termal yönetimi ve polarizasyon kinetiğinin optimize edilmesi, iyi bir etkinlikle daha da geliştirildi.

Katılarda SEOP

SEOP sadece soy gazları hiperpolarize etmek için kullanılamaz, aynı zamanda daha yeni bir gelişme, katılar üzerinde SEOP'dir. İlk olarak 2007'de gerçekleştirildi ve bir katıdaki çekirdekleri polarize etmek için kullanıldı, diğer yöntemlerle polarize edilemeyen çekirdeklerin hiperpolarize olmasına izin verdi. Örneğin, 133 Cs'nin katı bir CsH filmi biçimindeki nükleer polarizasyonu Boltzmann sınırının üzerine yükseltilebilir. Bu, önce sezyum buharının optik olarak pompalanması, ardından döndürme polarizasyonunun CsH tuzuna aktarılması ve 4.0'lık bir artış elde edilmesiyle yapılır.

Hücreler, damıtma kullanılarak daha önce tarif edildiği gibi yapılır, daha sonra hidrojen gazı ile doldurulur ve Cs metalinin CsH tuzunu oluşturmak üzere gaz halindeki hidrojen ile reaksiyona girmesine izin vermek için ısıtılır. Reaksiyona girmemiş hidrojen çıkarıldı ve işlem, CsH filminin kalınlığını arttırmak için birkaç kez tekrarlandı, ardından nitrojen gazı ile basınçlandırıldı. Genellikle, SEOP deneyleri, daha önce açıklandığı gibi, Helmholtz merkezli hücre veya elektromanyetik bobinler ile yapılır, ancak bu deneyler, lazeri mıknatısın içinden geçirerek ve hücreyi elektriksel olarak ısıtarak süper iletken bir 9.4 T mıknatısta yapıldı. Gelecekte, transfer kutuplaşma bu tekniği kullanmak mümkün olabilir 6 Li veya 7 T beri daha da uygulamalara yol açan Li 1 uzun olması bekleniyor. Katıların karakterize edilmesini sağlayan bu tekniğin keşfinden bu yana, katıyı polarize etmek için polarize ışığın gerekli olmadığı bir şekilde geliştirilmiştir; bunun yerine, bir manyetik alanda polarize olmayan ışık kullanılabilir. Bu yöntemde, cam yünü CsH tuzu ile kaplanır, bu da CsH'nin yüzey alanını arttırır ve dolayısıyla spin transferi şansını arttırır, düşük alanda (0.56 T) 80 kat iyileştirme sağlar. Hiperpolarize edici CsH filminde olduğu gibi, bu cam yünü yönteminde sezyum metalinin hidrojen gazı ile reaksiyona girmesine izin verildi, ancak bu durumda cam hücre yerine cam lifleri üzerinde CsH oluştu.

Metastabilite değişimi optik pompalama

3 Metastabilite değişim optik pompalama (MEOP) kullanılarak da hiperpolarize edilebilir. Bu işlem, polarize edebilir 3 optik pompalanır zemin halde O çekirdekleri 3 yarı kararlı halde Çekirdekli. MEOP , oda sıcaklığında ve düşük basınçta (≈birkaç mbar) yalnızca 3 He çekirdeği içerir . MEOP işlemi çok verimlidir (yüksek polarizasyon oranı), ancak gazın atmosferik basınca kadar sıkıştırılması gerekir.

Dinamik nükleer polarizasyon

İhtiva eden bileşikler, NMR -duyarlı çekirdekleri gibi 1 H, 13 ° C ya da 15 N , kullanılarak hiperpolarize edilebilir dinamik nükleer polarizasyon (DNP). DNP tipik olarak düşük sıcaklıkta (≈100 K) ve yüksek manyetik alanda (≈3 T) gerçekleştirilir. Bileşik daha sonra eritilir ve hiperpolarize çekirdekler içeren oda sıcaklığında bir çözelti verecek şekilde çözülür. Bu sıvı, onkoloji ve diğer uygulamalar için in vivo metabolik görüntülemede kullanılabilir. 13 katı bileşiklerin C polarizasyon seviyesi ≈64% kadar ulaşabilir ve çözünme ve için numune transferi sırasında kayıp NMR ölçümleri, birkaç yüzde ile en aza indirilebilir. NMR aktif çekirdekleri içeren bileşikler ayrıca para-hidrojen ile kimyasal reaksiyonlar kullanılarak hiperpolarize edilebilir , bakınız Para-Hidrojen İndüklenmiş Polarizasyon (PHIP).

Parahidrojen kaynaklı polarizasyon

Moleküler hidrojen, H 2 , iki farklı içeren eğirme izomerleri , oda sıcaklığında 25:75 arasında değişen bir oranda, para-hidrojen ve orto-hidrojendir. Para-hidrojen kaynaklı polarizasyon (PHIP) oluşturmak, bu oranın artması, yani para-hidrojenin zenginleştirilmesi anlamına gelir. Bu, hidrojen gazının soğutulması ve ardından bir demir-oksit veya kömür katalizörü aracılığıyla orto-para dönüşümünün indüklenmesiyle gerçekleştirilebilir. Bu prosedürü ≈70 K'de (yani sıvı nitrojen ile) gerçekleştirirken, para-hidrojen %25'ten yakl. %50. 20 K'nin altına soğutma ve ardından orto-para dönüşümü indüklenirken, %100'e yakın parahidrojen elde edilebilir.

Pratik uygulamalar için, PHIP en yaygın olarak bir geçiş metali katalizörü varlığında hiperpolarize hidrojeni öncü moleküllerle reaksiyona sokarak organik moleküllere aktarılır. Proton NMR sinyalleri ca. PHIP'siz aynı organik molekülün NMR sinyallerine kıyasla 10.000 kat artan yoğunluk elde edilebilir ve bu nedenle oda sıcaklığında sadece "termal" polarizasyon.

Tersinir değişim (SABRE) ile sinyal amplifikasyonu

Tersinir değişim ile sinyal amplifikasyonu (SABRE), numuneleri kimyasal olarak değiştirmeden hiperpolarize etme tekniğidir. Ortohidrojen veya organik moleküllerle karşılaştırıldığında, parahidrojendeki hidrojen çekirdeklerinin çok daha büyük bir kısmı, uygulanan bir manyetik alanla hizalanır. SABRE'de bir metal merkez, hem test molekülüne hem de bir parahidrojen molekülüne tersinir olarak bağlanır ve hedef molekülün parahidrojenin polarizasyonunu almasını kolaylaştırır. Bu teknik, amonyak gibi bir ara "röle" molekülü kullanılarak çok çeşitli organik moleküller için geliştirilebilir ve kullanılabilir. Amonyak, metal merkezine verimli bir şekilde bağlanır ve parahidrojenden polarizasyonu alır. Amonyak daha sonra metal katalizöre iyi bağlanmayan diğer molekülleri aktarır. Bu geliştirilmiş NMR sinyali, çok küçük miktarlardaki malzemenin hızlı bir şekilde analiz edilmesini sağlar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar