Hiperpolaryzacja (fizyka)

Hiperpolaryzacja to polaryzacja spinu jądrowego materiału w polu magnetycznym daleko poza warunkami równowagi termicznej określonymi przez rozkład Boltzmanna . Można go zastosować do gazów, takich jak ¹²⁹ Xe i ³ He , oraz małych cząsteczek, w których poziomy polaryzacji można zwiększyć o współczynnik 10 ⁴ -10 ⁵ powyżej poziomów równowagi termicznej. Hiperpolaryzowane gazy szlachetne są zwykle stosowane w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI) płuc. Hiperpolaryzowane małe cząsteczki są zwykle używane do obrazowania metabolizmu in vivo . Na przykład hiperspolaryzowany metabolit można wstrzykiwać zwierzętom lub pacjentom, a przemianę metaboliczną można śledzić w czasie rzeczywistym. Inne zastosowania obejmują określanie funkcji struktur spinowych neutronów poprzez rozpraszanie spolaryzowanych elektronów z bardzo spolaryzowanego celu ( ^3He ), badania interakcji powierzchniowych i eksperymenty z polaryzacją neutronów.

Pompowanie optyczne z wymianą spinu

Wstęp

Optyczne pompowanie z wymianą spinu (SEOP) jest jedną z kilku technik hiperpolaryzacji omówionych na tej stronie. Ta technika specjalizuje się w tworzeniu hiperspolaryzowanych (HP) gazów szlachetnych, takich jak ³ He, ¹²⁹ Xe i kwadrupolowy ¹³¹ Xe, ⁸³ Kr i ²¹ Ne. Gazy szlachetne są potrzebne, ponieważ SEOP odbywa się w fazie gazowej, są chemicznie obojętne, niereaktywne, stabilne chemicznie w stosunku do metali alkalicznych, a ich T1 jest wystarczająco _długi , aby wytworzyć polaryzację. Gazy szlachetne o spinie 1/2 spełniają wszystkie te wymagania, a gazy szlachetne o spinie 3/2 do pewnego stopnia, chociaż niektóre gazy szlachetne o spinie 3/2 nie mają wystarczającej T ₁ . Każdy z tych gazów szlachetnych ma swoje specyficzne zastosowanie, takie jak charakteryzacja przestrzeni płucnej i tkanki za pomocą in vivo i funkcjonalnego obrazowania płuc, badanie zmian w metabolizmie komórek zdrowych w porównaniu z komórkami nowotworowymi lub wykorzystanie jako cele w eksperymentach fizyki jądrowej. Podczas tego procesu w podczerwieni o polaryzacji kołowej , dostrojone do odpowiedniej długości fali, jest wykorzystywane do wzbudzania elektronów w metalu alkalicznym , takim jak cez lub rubid w zamkniętym szklanym naczyniu. Światło podczerwone jest niezbędne, ponieważ zawiera długości fal niezbędne do wzbudzenia elektronów metali alkalicznych, chociaż długość fali niezbędna do wzbudzenia elektronów sodu znajduje się poniżej tego obszaru (Tabela 1).

Tabela 1. Długości fal wymagane do wzbudzenia elektronów metali alkalicznych.
Metal alkaliczny	Długość fali (nm)
Sód	590,0
Rubid	794,7
Cez	894.0

Moment pędu jest przenoszony z elektronów metali alkalicznych na jądra gazu szlachetnego poprzez zderzenia. Azot jest stosowany jako gaz gaszący, który zapobiega fluorescencji spolaryzowanego metalu alkalicznego, co prowadziłoby do depolaryzacji gazu szlachetnego. Gdyby fluorescencja nie została wygaszona, światło emitowane podczas relaksacji byłoby losowo spolaryzowane, działając przeciwko kołowo spolaryzowanemu światłu laserowemu. Podczas gdy w zależności od zastosowania stosuje się różne rozmiary naczyń szklanych (zwanych także ogniwami), a co za tym idzie różne ciśnienia, jeden amagat całkowitego ciśnienia gazu szlachetnego i azotu wystarcza na SEOP i 0,1 amagatu gęstość azotu jest potrzebna do wygaszenia fluorescencji. Ogromne postępy w ¹²⁹ Xe osiągnęły poziom > 50% przy prędkościach przepływu 1–2 l/min, co umożliwia zastosowania kliniczne u ludzi.

Historia

Odkrycie SEOP zajęło dziesięciolecia, zanim wszystkie elementy ułożyły się w całość i stworzyły kompletną technikę. Po pierwsze, w 1897 roku badania Zeemana nad parami sodu doprowadziły do pierwszego wyniku pompowania optycznego . Następny element został znaleziony w 1950 roku, kiedy Kastler opracował metodę elektronicznej polaryzacji spinowej oparów metalu alkalicznego rubidu za pomocą przyłożonego pola magnetycznego i oświetlania oparów rezonansowym światłem spolaryzowanym kołowo. Dziesięć lat później Marie-Anne Bouchiat , TM Carver i CM Varnum przeprowadzili wymianę spinów , w której elektronowa polaryzacja spinów została przeniesiona na spiny jądrowe gazu szlachetnego ( ³ He i ¹²⁹ Xe) poprzez zderzenia w fazie gazowej. Od tego czasu metoda ta została znacznie udoskonalona i rozszerzona do stosowania z innymi gazami szlachetnymi i metalami alkalicznymi.

Teoria

Rysunek 1. Przejścia wzbudzenia elektronu rubidu.

Aby łatwiej wyjaśnić procesy wzbudzenia, pompowania optycznego i wymiany spinu, jako przykład posłuży najczęściej stosowany w tym procesie metal alkaliczny, rubid. Rubid ma nieparzystą liczbę elektronów, z których tylko jeden na najbardziej zewnętrznej powłoce może zostać wzbudzony w odpowiednich warunkach. Mogą wystąpić dwa przejścia, jedno określane jako linia D ₁ , w którym zachodzi przejście ze stanu 5 ² S _1/2 do stanu 5 ² P _3/2 , oraz drugie, odnoszące się do linii D ₂ , w której następuje przejście z ^52S _ _1/2 do stanu 5 ² P _1/2 . Przejścia D ₁ i D ₂ mogą wystąpić, jeśli atomy rubidu zostaną oświetlone światłem o długości odpowiednio 794,7 nm i 780 nm (Rysunek 1). Chociaż możliwe jest wywołanie obu rodzajów wzbudzenia, technologia laserowa jest dobrze rozwinięta do wywoływania _D1 . Mówi się, że lasery te są dostrojone do długości fali D1 ₍ 794,7 nm) rubidu.

₀ Rysunek 2. Wpływ przyłożonego pola magnetycznego na spin w przypadku rozszczepienia energii w obecności pola magnetycznego, B .

Aby zwiększyć poziom polaryzacji powyżej równowagi termicznej, należy zmienić populacje stanów spinowych. W przypadku braku pola magnetycznego dwa stany spinowe jądra I = ½ mają ten sam poziom energii, ale w obecności pola magnetycznego poziomy energii rozdzielają się na m s = ±1/2 poziomów energii ₍ Rysunek 2). Tutaj, _ms jest spinowym momentem pędu z możliwymi wartościami +1/2 (obrót w górę) lub -1/2 (obrót w dół), często rysowany jako wektory skierowane odpowiednio w górę lub w dół. Różnica w populacji między tymi dwoma poziomami energii jest tym, co wytwarza sygnał NMR. Na przykład dwa elektrony w stanie spin down anulują dwa elektrony w stanie spin up, pozostawiając tylko jedno jądro spin up do wykrycia za pomocą NMR. Jednak populacje tych stanów można zmieniać poprzez hiperpolaryzację, umożliwiając większe zaludnienie poziomu energii rozpędzania, a tym samym zwiększenie sygnału NMR. Odbywa się to poprzez najpierw optyczne pompowanie metalu alkalicznego, a następnie przeniesienie polaryzacji do jądra gazu szlachetnego w celu zwiększenia populacji stanu spin up.

Rysunek 3. Przejścia, które zachodzą, gdy światło spolaryzowane kołowo oddziałuje z atomami metali alkalicznych.

Absorpcja światła laserowego przez metal alkaliczny jest pierwszym procesem w SEOP. Światło spolaryzowane kołowo w lewo, dostrojone do długości fali D ₁ metalu alkalicznego, wzbudza elektrony ze stanu spin down ² S _1/2 (m _s = -1/2) do stanu spin up ² P _1/2 (m _s = +1/2) stan, w którym zachodzi mieszanie kolizyjne, gdy atomy gazu szlachetnego zderzają się z atomami metali alkalicznych i m _s =-1/2 stanu jest częściowo zaludniona (Rysunek 3). Światło spolaryzowane kołowo jest konieczne przy niskich polach magnetycznych, ponieważ pozwala na absorpcję tylko jednego rodzaju momentu pędu, umożliwiając spolaryzowanie spinów. Następnie następuje relaksacja ze stanów wzbudzonych (m _s = ± 1/2) do stanów podstawowych ( m _s = ± 1/2), gdy atomy zderzają się z azotem, niwelując w ten sposób wszelkie szanse na fluorescencję i powodując powrót elektronów do dwa stany podstawowe w równych populacjach. Gdy spiny zostaną zdepolaryzowane (powrót do m _s =-1/2 stanu), są ponownie wzbudzane światłem lasera o fali ciągłej i proces się powtarza. W ten sposób gromadzi się większa populacja spinów elektronów w stanie m _s = +1/2. Polaryzację rubidu, PRb _, można obliczyć za pomocą poniższego wzoru:

${\ Displaystyle {P_ {Rb}} = {{\ operatorname {n} _ {\ uparrow} - \ operatorname {n} _ {\ strzałka w dół}} \ ponad {\mathrm {n} _ {\ uparrow} + \ operatorname {n} _ {\ strzałka w dół }}}}$

Gdzie n _↑ i n _↓ i oznaczają liczbę atomów w stanach spin up (m _S =+1/2) i spin down (m _S = -1/2) ² S _1/2 .

Rysunek 4. Przeniesienie polaryzacji poprzez A) zderzenia binarne i B) siły van der Waalsa.

Następnie optycznie pompowany metal alkaliczny zderza się z gazem szlachetnym, umożliwiając wymianę spinu, w której polaryzacja elektronów metalu alkalicznego jest przenoszona na jądra gazu szlachetnego (Rysunek 4). Istnieją dwa mechanizmy, w których może to nastąpić. Moment pędu może być przenoszony przez zderzenia binarne (Rysunek 4A, zwane także zderzeniami dwóch ciał) lub gdy gaz szlachetny, gaz buforowy N2 i metal alkaliczny w fazie gazowej są utrzymywane w bliskiej odległości przez siły van der Waalsa (Rysunek 4B _, zwane także zderzeniami trzech ciał). W przypadkach, w których siły van der Waalsa są bardzo małe w porównaniu ze zderzeniami binarnymi (tak jest w przypadku ³ He), gaz szlachetny i metal alkaliczny zderzają się i polaryzacja jest przenoszona z AM do gazu szlachetnego. Kolizje binarne są również możliwe dla ¹²⁹ Xe. Przy wysokich ciśnieniach dominują siły van der Waalsa, ale przy niskich ciśnieniach dominują zderzenia binarne.

Tworzenie się polaryzacji

Ten cykl wzbudzenia, polaryzacji, depolaryzacji i repolaryzacji itp. Zajmuje trochę czasu, zanim zostanie osiągnięta polaryzacja netto. Nagromadzenie polaryzacji jądrowej, PN ₍ t), jest określone przez:

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

Gdzie ⟨P _A ⟩ to polaryzacja metalu alkalicznego, γ _SE to szybkość wymiany spinu, a Γ to szybkość relaksacji podłużnej gazu szlachetnego. Relaksacja polaryzacji jądrowej może nastąpić za pośrednictwem kilku mechanizmów i jest zapisana jako suma tych wkładów:

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

Gdzie Γ _t , Γ _p , Γ _g i Γ _w reprezentują odpowiednio relaksację z przejściowego dimeru Xe ₂ , trwałego dimeru Xe ₂ , dyfuzję przez gradienty w przyłożonym polu magnetycznym i relaksację ściany. W większości przypadków największymi czynnikami przyczyniającymi się do całkowitej relaksacji są trwałe dimery i relaksacje ścian. Xe ₂ dimer może wystąpić, gdy zderzają się dwa atomy Xe i są utrzymywane razem przez siły van der Waalsa, i może zostać rozbity, gdy zderzy się z nim trzeci atom. Jest podobny do Xe-Rb podczas wymiany spinu (przeniesienia spinu), gdzie są trzymane blisko siebie za pomocą sił van der Waalsa. Relaksacja ściany występuje, gdy hiperspolaryzowany Xe zderza się ze ścianami komórki i ulega depolaryzacji z powodu zanieczyszczeń paramagnetycznych w szkle.

Stałą czasową narastania, ΓB _, można zmierzyć, zbierając widma NMR w odstępach czasu przypadających na czas potrzebny do osiągnięcia polaryzacji w stanie ustalonym (tj. maksymalnej możliwej do osiągnięcia polaryzacji, widzianej przez maksymalny sygnał wyjściowy). Całki sygnału są następnie wykreślane w czasie i mogą być dopasowane w celu uzyskania stałej czasowej narastania. Zebranie krzywej narastania w kilku różnych temperaturach i wykreślenie wartości w funkcji gęstości par metali alkalicznych (ponieważ gęstość par wzrasta wraz ze wzrostem temperatury ogniwa) może być wykorzystane do określenia szybkości niszczenia spinu i szybkości wymiany spinu na atom za pomocą :

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

Gdzie γ' to szybkość wymiany spinu na atom, [AM] to gęstość oparów metalu alkalicznego, a Γ _SD to szybkość niszczenia spinu. Ten wykres powinien być liniowy, gdzie γ' to nachylenie, a Γ _SD to punkt przecięcia z osią y.

Relaks: T ₁

Pompowanie optyczne z wymianą spinów może trwać w nieskończoność przy ciągłym oświetleniu, ale istnieje kilka czynników, które powodują rozluźnienie polaryzacji, a tym samym powrót do populacji równowagi termicznej po zatrzymaniu oświetlenia. Aby wykorzystać hiperspolaryzowane gazy szlachetne w zastosowaniach takich jak obrazowanie płuc, gaz musi zostać przeniesiony z układu eksperymentalnego do pacjenta. Gdy tylko gaz nie jest już aktywnie pompowany optycznie, stopień hiperpolaryzacji zaczyna się zmniejszać, aż do osiągnięcia równowagi termicznej. Hiperpolaryzacja musi jednak trwać wystarczająco długo, aby gaz dotarł do pacjenta i uzyskał obraz. Podłużny czas relaksacji spinu, oznaczony jako T ₁ , można łatwo zmierzyć, zbierając widma NMR, ponieważ polaryzacja zmniejsza się w czasie po zatrzymaniu oświetlenia. Ta szybkość relaksacji jest regulowana przez kilka mechanizmów depolaryzacji i jest zapisana jako:

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

Gdzie trzy składniki składowe dotyczą relaksacji kolizyjnej (CR), relaksacji niejednorodności pola magnetycznego (MFI) i relaksacji spowodowanej obecnością tlenu paramagnetycznego (O2). Czas trwania T1 może wynosić od minut do kilku godzin, w zależności od tego, jak bardzo stara się zmniejszyć skutki CR, MFI _i_O2 . Ostatni składnik został skwantyfikowany jako 0,360 s ^-1 amagat ^-1 , ale pierwszy i drugi składnik są trudne do oszacowania, ponieważ stopień ich udziału w całkowitym T ₁ zależy od tego, jak dobrze konfiguracja eksperymentalna i komórka są zoptymalizowane i przygotowane.

Konfiguracja eksperymentalna w SEOP

Rysunek 5. Zdjęcie ogniw optycznych o średnicy 2” i długości 10”.

Aby wykonać SEOP, należy najpierw przygotować komórkę optyczną. Komórki optyczne (Rysunek 5) są zaprojektowane dla konkretnego systemu i szkła dmuchanego przy użyciu przezroczystego materiału, zazwyczaj szkła pyreksowego (borokrzemianowego). Ogniwo to musi być następnie oczyszczone w celu wyeliminowania wszelkich zanieczyszczeń, zwłaszcza materiałów paramagnetycznych, które zmniejszają polaryzację i _T1 . Wewnętrzna powierzchnia ogniwa jest następnie powlekana, aby (a) służyła jako warstwa ochronna dla szkła w celu zmniejszenia ryzyka korozji przez metal alkaliczny oraz (b) zminimalizowała depolaryzację spowodowaną zderzeniami spolaryzowanych cząsteczek gazu z ściany komórki. Zmniejszająca się relaksacja ścian prowadzi do dłuższej i większej polaryzacji gazu szlachetnego.

Rysunek 6. Struktura SurfaSil.

Podczas gdy na przestrzeni lat przetestowano kilka powłok, SurfaSil (Rysunek 6, obecnie określany jako płyn silikonujący rozpuszczalny w węglowodorach) jest najczęściej stosowaną powłoką stosowaną w stosunku 1:10 SurfaSil: heksan, ponieważ zapewnia długi _T1 wartości. Grubość warstwy SurfaSil wynosi około 0,3-0,4 μm. Po równomiernym powleczeniu i wysuszeniu ogniwo umieszcza się następnie w środowisku obojętnym i umieszcza się w nim kroplę metalu alkalicznego (≈200 mg), która jest następnie rozpraszana w celu utworzenia równomiernej powłoki na ściankach ogniw. Jednym ze sposobów przenoszenia metalu alkalicznego do ogniwa jest destylacja. W metodzie destylacji ogniwo jest połączone ze szklanym kolektorem wyposażonym zarówno w gaz pod ciśnieniem, jak i próżnię, do którego podłączona jest ampułka z metalem alkalicznym. Kolektor i ogniwo są odkurzane, następnie plomba ampułki zostaje zerwana, a metal alkaliczny jest wprowadzany do ogniwa za pomocą płomienia palnika gazowego. Następnie komorę napełnia się pożądaną mieszaniną gazową azotu i gazu szlachetnego. Należy uważać, aby nie zatruć komórki na żadnym etapie przygotowania komórek (wystawić komórkę na działanie powietrza atmosferycznego).

Przez lata stosowano kilka rozmiarów i wzorów komórek. Pożądane zastosowanie jest tym, co rządzi projektem optycznej komórki pompującej i zależy od średnicy lasera, potrzeb w zakresie optymalizacji i rozważań dotyczących zastosowania klinicznego. Konkretne metale alkaliczne i gazy są również wybierane na podstawie pożądanych zastosowań.

Rysunek 7. Układ doświadczalny, który obejmuje oświetlanie komórki optycznej zawierającej metal alkaliczny, gaz szlachetny i gazowy azot.

Gdy komórka jest kompletna, cewka powierzchniowa (lub cewki, w zależności od pożądanego typu cewki) jest przyklejana na zewnątrz komórki, co a) umożliwia wytwarzanie impulsów RF w celu skierowania spolaryzowanych spinów do pola detekcji ( płaszczyzna x,y) i b) wykrywa sygnał wytwarzany przez spolaryzowane spiny jądrowe. Ogniwo umieszcza się w piecu, który umożliwia ogrzanie ogniwa i jego zawartości, tak aby metal alkaliczny przeszedł w fazę pary, a ogniwo jest wyśrodkowane w systemie cewek, który generuje przyłożone pole magnetyczne (wzdłuż osi Z). Laser dostrojony do D ₁ linii (przejścia dipol-elektryk) metalu alkalicznego i o średnicy wiązki odpowiadającej średnicy komórki optycznej, jest następnie ustawiany względem płaskich powierzchni optycznych komórki w taki sposób, że cała komórka jest oświetlana światłem lasera w celu zapewnić możliwie największą polaryzację (Rysunek 7). Laser może mieć moc od dziesiątek do setek watów, gdzie wyższa moc daje większą polaryzację, ale jest droższa. W celu dalszego zwiększenia polaryzacji, za ogniwem umieszcza się lustro odblaskowe, które dwukrotnie przepuszcza światło lasera przez ogniwo. Dodatkowo za lustrem umieszczona jest przesłona IR, dostarczająca informacji o absorpcji światła laserowego przez atomy metali alkalicznych. Kiedy laser oświetla komórkę, ale komórka ma temperaturę pokojową, tęczówka IR służy do pomiaru procentowej przepuszczalności światła laserowego przez komórkę. Gdy ogniwo jest podgrzewane, rubid wchodzi w fazę pary i zaczyna pochłaniać światło lasera, powodując spadek procentowej transmitancji. Różnicę w widmie IR między widmem w temperaturze pokojowej a widmem uzyskanym podczas ogrzewania ogniwa można wykorzystać do obliczenia szacunkowej wartości polaryzacji rubidu, P _Rb .

Ponieważ SEOP wciąż się rozwija i ulepsza, istnieje kilka rodzajów cewek NMR, pieców, cewek generujących pole magnetyczne i laserów, które były i są używane do generowania hiperspolaryzowanych gazów. Ogólnie rzecz biorąc, cewki NMR są wykonywane ręcznie w określonym celu, albo przez ręczne obracanie drutu miedzianego w pożądany kształt, albo przez drukowanie cewki w 3D. Zwykle piekarnik jest piecem z wymuszonym obiegiem powietrza, z dwiema ścianami wykonanymi ze szkła, przez które światło lasera przechodzi przez ogniwo, zdejmowaną pokrywą i otworem, przez który podłączony jest przewód gorącego powietrza, co umożliwia ogrzewanie ogniwa przez przewodzenie. Cewki wytwarzające pole magnetyczne mogą być parą cewek Helmholtza, używanych do generowania pożądanego natężenia pola magnetycznego, którego pożądanym polem rządzą:

${\ Displaystyle \ omega = \ gamma \ operatorname {B} _ {0}}$

₀ Gdzie ω to częstotliwość Larmoura lub pożądana częstotliwość wykrywania, γ to stosunek żyromagnetyczny interesujących jąder, a B to pole magnetyczne wymagane do wykrycia jąder o pożądanej częstotliwości. Można również zastosować zestaw czterech cewek elektromagnetycznych (np. firmy Acutran) i testowane są inne konstrukcje cewek.

W przeszłości technologia laserowa była czynnikiem ograniczającym SEOP, gdzie można było zastosować tylko kilka metali alkalicznych ze względu na brak np. laserów cezowych. Jednak pojawiło się kilka nowych rozwiązań, w tym lepsze lasery cezowe, większa moc, węższa szerokość widmowa itp., które umożliwiają zwiększenie zasięgu SEOP. Niemniej jednak wymagane jest kilka kluczowych funkcji. Idealnie byłoby, gdyby laser był ciągłą falą, aby metal alkaliczny i gaz szlachetny pozostawały spolaryzowane przez cały czas. Aby wywołać tę polaryzację, światło lasera musi być spolaryzowane kołowo w kierunku, w którym elektrony mogą zostać spolaryzowane spinowo. Odbywa się to poprzez przepuszczanie światła laserowego przez polaryzacyjny rozdzielacz wiązki w celu oddzielenia s i p , a następnie przez płytkę ćwierćfalową, która przekształca światło spolaryzowane liniowo w światło spolaryzowane kołowo.

Gazy szlachetne i metale alkaliczne

SEOP był z powodzeniem używany i jest dość dobrze rozwinięty dla ³ He, ¹²⁹ Xe i ⁸³ Kr do zastosowań biomedycznych. Ponadto trwają prace nad kilkoma ulepszeniami, aby uzyskać udoskonalone i dające się zinterpretować obrazowanie komórek nowotworowych w naukach biomedycznych. badania nad hiperpolaryzacją ¹³¹ Xe, które budzą zainteresowanie fizyków. Wprowadzane są również ulepszenia umożliwiające wykorzystanie nie tylko rubidu do przenoszenia spinu, ale także cezu. W zasadzie każdy metal alkaliczny może być użyty do SEOP, ale rubid jest zwykle preferowany ze względu na wysoką prężność pary, co pozwala na przeprowadzanie eksperymentów w stosunkowo niskich temperaturach (80 ° C-130 ° C), zmniejszając ryzyko uszkodzenia szklana komórka. Ponadto technologia laserowa dla wybranego metalu alkalicznego musi istnieć i być wystarczająco rozwinięta, aby uzyskać znaczną polaryzację. Wcześniej dostępne lasery do wzbudzania D ₁ przejścia cezowe nie były dobrze rozwinięte, ale teraz stają się coraz potężniejsze i tańsze. Wstępne badania pokazują nawet, że cez może dawać lepsze wyniki niż rubid, mimo że rubid był najczęściej wybieranym metalem alkalicznym dla SEOP.

Metoda hiperpolaryzacji zwana pompowaniem optycznym z wymianą spinu (SEOP) jest wykorzystywana do hiperpolaryzacji gazów szlachetnych, takich jak ksenon-129 i hel-3. Kiedy obrazuje się wdychany hiperspolaryzowany gaz, taki jak 3He lub 129Xe, w płucach występuje większa gęstość namagnesowania cząsteczek aktywnych NMR w porównaniu z tradycyjnym obrazowaniem 1H, co poprawia obrazy MRI, które można uzyskać. W przeciwieństwie do protonowego rezonansu magnetycznego, który przedstawia anatomiczne cechy tkanek płuc, XenonMRI przedstawia funkcje płuc, w tym wentylację gazową, dyfuzję i perfuzję.

Racjonalne uzasadnienie

Naszym celem jest zidentyfikowanie infekcji lub choroby (na przykład raka) w dowolnym miejscu naszego ciała, np. w mózgu, mózgu, krwi i płynie oraz tkankach. Ta zakaźna komórka jest zbiorczo nazywana biomarkerem. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) we współpracy z Organizacją Narodów Zjednoczonych i Międzynarodową Organizacją Pracy przekonująco zdefiniowali Biomarker jako „dowolną substancję, strukturę lub proces, który można zmierzyć w organizmie lub jego produktach i wpłynąć lub przewidzieć częstość występowania wyniku lub choroba”. Biomarker musi być wymierny do pewnego poziomu procesu biologicznego w dobrostanie.

Jednym z konkretnych przykładów biomarkerów jest cholesterol we krwi, powszechnie znany nam jako wiarygodny dla choroby niedokrwiennej serca; innym biomarkerem jest PSA (antygen specyficzny dla prostaty), który przyczynia się do raka prostaty. Istnieje wiele biomarkerów uważanych za raka: kwas rybonukleinowy wirusa zapalenia wątroby typu C (HCV-RNA), międzynarodowy współczynnik znormalizowany (INR), czas protrombinowy (PT), białko monoklonalne (białko M), antygen nowotworowy-125 (CA- 125), ludzki wirus niedoboru odporności - kwas rybonukleinowy (HIV RNA), peptyd natriuretyczny typu B (BNP). ²⁷ i komórka chłoniaka (linie komórkowe Ramos i linie komórkowe Jurkat) forma raka.

Inne powszechne biomarkery to rak piersi, rak jajnika, rak jelita grubego, rak płuc i guz mózgu.

Ten czynnik chorobotwórczy jest biomarkerem występującym w skrajnie śladowych ilościach, zwłaszcza początkowym stadium choroby. Dlatego identyfikacja lub uzyskanie obrazów biomarkera jest trudne iw kilku przypadkach niepewne ze względu na technologię NMR. Dlatego musimy użyć środka kontrastowego, aby poprawić obrazy, przynajmniej w celu wizualizacji poziomu dla lekarzy. Ponieważ cząsteczki biomarkera są mniej obfite in vivo system. Eksperyment NMR lub MRI zapewnia bardzo mały sygnał, nawet w niektórych przypadkach, analizator może przegapić szczyt sygnału w danych z powodu braku obfitości biomarkerów. Dlatego, aby mieć pewność, aby dojść do prawdziwych wniosków o istnieniu problematycznych biomarkerów, musimy wzmocnić sondę (mechanizmy kontrastujące), aby uzyskać wyraźny pik na najbardziej widocznym poziomie wysokości piku, a także położenie piku szczyt danych. Jeśli możliwe jest zebranie akceptowalnych i dających się jednoznacznie zinterpretować danych z eksperymentu NMR lub MRI przy użyciu środka kontrastowego, to eksperci mogą podjąć właściwy pierwszy krok w celu wyzdrowienia pacjentów, którzy już cierpieli na raka. Wśród różnych technik uzyskiwania ulepszonych danych w eksperymencie MRI, jedną z nich jest SEOP.

Naukowcy zajmujący się SEOP są zainteresowani wykorzystaniem ¹²⁹ Xe. ^{[ potrzebne źródło ]} Ponieważ ¹²⁹ Xe ma wiele korzystnych faktów w NMR Tech. do pracy jako środek kontrastowy nawet w stosunku do innych nowych gazów:

Obojętny ksenon nie wykazuje reakcji chemicznej jak inne metale i niemetale, ponieważ konfiguracja elektronowa ksenonu jest w pełni zajęta, a także nie jest radioaktywny. ^{[ potrzebne źródło ]}
Uzyskanie stałego, ciekłego stanu z naturalnie występującego stanu gazowego jest łatwe (rysunek 8). Stan stały i ciekły ¹²⁹ Xe to istniejące eksperymentalnie wykonalne zakresy temperatur i ciśnień. ^{[ potrzebne źródło ]}

Rysunek 8. Powyższy diagram przedstawia najwyższą temperaturę i ciśnienie, w których ksenon może istnieć jednocześnie w stanie ciekłym i gazowym.30
Ksenon posiada wysoce polaryzowalną chmurę elektronów otaczającą jądro. Dlatego łatwo rozpuszczają się w lipidach lub związkach organicznych, zwłaszcza w środowisku in vivo pod względem biologicznym. ^{[ potrzebne źródło ]} (tabela-2)
Ksenon nie zmienia strukturalnie ani chemicznie (podobnie jak inne gazy szlachetne) podczas interakcji z innymi cząsteczkami.
Według naukowca Ostwalda rozpuszczalność definiuje się jako współczynnik podziału zaabsorbowanego gazu do objętości cieczy chłonnej. Rozpuszczalność ksenonu, S _Xe(g) = V _{zaabsorbowana ilość Xe(g)} /V _{ciecz absorbująca} w standardowej temperaturze i ciśnieniu (STP).

Rozpuszczalność ksenonu w środowisku wodnym 11% oznacza, że w temperaturze 25°C 11 ml gazowego ksenonu może zostać wchłonięte przez 100 ml wody.

Tabela 2. Wartości rozpuszczalności dla ¹²⁹ Xe w różnych ośrodkach zgodnie z prawem Ostwalda dotyczącym rozpuszczalności składnika. ^{[ potrzebne źródło ]}
Nazwa związku rozpuszczalnika	Temperatura (°C)	Rozpuszczalność Ostwalda w (v/v)%
Woda	25	0,11
heksan	25	4.8
Benzen	25	3.1
Fluorobenzen	25	3.3
dwusiarczek węgla	25	4.2
Woda	37	0,08
Solankowy	37	0,09
Osocze	37	0,10
Erytrycyty (98%)	37	0,20
Albumina ludzka (100% ekstrapolacji)	37	0,15
Krew	37	0,14
Olej	37	1,90
Tkanka tłuszczowa	37	1.30
DMSO	37	0,66
Intralipid (20%)	37	0,40
PFOB (perflubron)	37	1.20
PFOB (90% wag./obj., szacunkowo)	37	0,62

Rozmiar atomowy ksenonu jest duży, a elektrony z zewnętrznej powłoki są daleko od jąder, najbardziej zewnętrzny elektron jest bardzo podatny na polaryzację, szczególnie w środowisku lipidowym. Tabela 2 pokazuje, że rozpuszczalność ksenonu w ośrodku wodnym w temperaturze 37°C wynosi 8%, ale w środowisku tkanki tłuszczowej in vivo wartość rozpuszczalności wynosi 130%. Rozpuszczalność prowadzi do zastosowania ksenonu w układzie biologicznym jako środka kontrastowego. ^{[ potrzebne źródło ]}
Rozpuszczalnikowe działanie ksenonu jest bardzo duże dla ¹²⁹ ksenonu ze względu na rozpuszczalność (tabela 2). ^{[ potrzebne źródło ]} Zakres wartości przesunięcia chemicznego dla ksenonu wynosi ponad 7500 ppm. Jednak efekt rozpuszczalnika jest ograniczony w zakresie dla ^1H i ^13C (jądra aktywne w MRI) ze względu na niską wartość przesunięcia chemicznego, zakres dla ^1H wynosi 20 ppm, a dla ^13C wynosi 300 ppm. ^{[ potrzebne źródło ]} Dlatego preferowane jest użycie ¹²⁹ Xe.

Rysunek 9 poniżej. W danych eksperymentalnych NMR istnieją różne wartości przesunięcia chemicznego dla różnych tkanek w środowisku in vivo . Wszystkie piki są rozmieszczone w tak dużym zakresie wartości przesunięć chemicznych, że ¹²⁹ Xe jest wykonalne. Ponieważ ¹²⁹ Xe ma długi zakres wartości przesunięcia chemicznego do 1700 ppm w danych NMR. ^{[ potrzebne źródło ]} Inne ważne informacje spektralne obejmują:

Rysunek 9. Dane NMR dla biosensora Xe-129 w systemie biologicznym in vivo . ^{[ potrzebne źródło ]}

Naturalnie pik ¹²⁹ Xe NMR policzono jako odniesienie przy 0,0 ppm. ^{[ potrzebne źródło ]}
Kiedy ¹²⁹ Xe włączyło się i związało z cząsteczką Cryptophane-A, wtedy wartość przesunięcia chemicznego w akwizycji NMR przesunęła się do około 70 ppm. ^{[ potrzebne źródło ]}
Jeśli hiperspolaryzowany gaz ¹²⁹ Xe rozpuści się w mózgu, można zaobserwować pięć pików widmowych NMR .
Wśród nich ostry szczyt przy 194,7 ppm. Ponadto przy 189 ppm pik wychodzi z tkanek pozamózgowych. ^{[ potrzebne źródło ]}
Kolejne dwa piki są nadal nieznane przy 191,6 ppm i 197,8 ppm. Przy 209,5 ppm mniejszy, ale szeroki pik został znaleziony w danych NMR, gdy ¹²⁹ Xe rozpuszczono w krwioobiegu. ^{[ potrzebne źródło ]}
Hiperpolaryzowany ¹²⁹ Xe jest bardzo czułym detektorem biomarkera (formy raka w żywym organizmie). ^{[ potrzebne źródło ]}
Polaryzację spinu jądrowego ¹²⁹ Xe lub ogólnie dla gazów szlachetnych możemy zwiększyć nawet pięciokrotnie za pomocą techniki SEOP.
Wykorzystując technikę hiperpolaryzacji SEOP, możemy uzyskać obrazy wychwytu ksenonu w ludzkiej tkance mózgowej.

Rysunek 10. Pomiary polaryzacji ¹²⁹ Xe(g) w obecności niskich i średnich pól magnetycznych. Wszystkie dane (AD) to amplituda sygnału NMR w μV/KHz w stosunku do częstotliwości Larmora w KHz. (A) Wzmocniony ¹²⁹ Xe(g) NMR przy częstotliwości Larmor 62 kHz z komórki SEOP; Ksenon (g) ma ciśnienie 1545 torów, a azot (g) ma ciśnienie 455 torów, a dane NMR zebrano w obecności pola magnetycznego 5,26 mT. (B) Referencyjny sygnał NMR dla wody Proton Spin (111M), domieszkowanie CuSO _4. 5H ₂ O(s), 5,0 mM i polaryzacja została utworzona termicznie w obecności pól magnetycznych 1,46 mT (liczba skanów była 170 000 razy). (C) Dane NMR dla hiperspolaryzowanego ¹²⁹ Xe zebrano w obecności pól magnetycznych 47,5 mT. ( ¹²⁹ Xe wynosiło 300 torów, a N2 _wynosiło 1700 torów). (D) Referencyjny sygnał NMR dla ¹³ C zebrano ze 170,0 _mM CH3COONa (l) w obecności pola magnetycznego 47,5 mT. ³²

(Rysunek 10) ¹²⁹ Xe _(g) pokazuje zadowalające wzmocnienie polaryzacji podczas SEOP w porównaniu ze wzmocnieniem termicznym polaryzacji. Pokazują to wartości danych eksperymentalnych, gdy widma NMR są uzyskiwane przy różnych natężeniach pola magnetycznego. Kilka ważnych punktów z danych eksperymentalnych to:

Polaryzacja ¹²⁹ Xe wzrosła około 144 000 razy w technologii SEOP. nadmiernie wzmocnione termicznie dla ^1H w eksperymencie NMR. Oba eksperymenty, które to wykazały, zostały przeprowadzone w identycznych warunkach i przy użyciu tej samej częstotliwości radiowej podczas eksperymentu NMR.
Podobna wartość 140 000-krotnego wzmocnienia sygnału dla hiperpolaryzacji ¹²⁹ Xe w SEOP w porównaniu z referencyjnym termicznie wzmocnionym sygnałem ¹³ C NMR jest również widoczna w eksperymentalnych danych NMR. Oba dane zostały zebrane przy identycznej częstotliwości Larmora i innych warunkach eksperymentalnych oraz przy tej samej częstotliwości radiowej podczas zbierania danych NMR.

Rysunek 11. ¹²⁹ Xe(g) badanie MRI w obecności silnego pola vs T ₁ (czas relaksacji wirowania wzdłużnego) podczas zaniku hiperpolaryzacji ¹²⁹ Xe(g) w obecności pola magnetycznego o różnym natężeniu; 3,0 T dla niebieskiego trójkąta, około 1,5 mT dla czerwonych kółek i około 0,0 mT dla białych kwadratów. Hiperpolaryzowane ¹²⁹ Xe(g) zostało przeniesione do toreb dla dzieci, a następnie policzone czas zaniku T ₁ w obecności różnych pól magnetycznych oddzielnie. Zwiększenie natężenia pola magnetycznego (1,5 mT do 3000 mT) powoduje wydłużenie czasu zaniku w przybliżeniu nawet ośmiokrotnie.

(Rysunek 11) Czas relaksacji spinu podłużnego (T ₁ ) jest bardzo wrażliwy na wzrost pola magnetycznego, stąd wzmocnienie sygnałów NMR jest zauważalne w SEOP w przypadku ¹²⁹ Xe. Ponieważ T1 _jest wyższy dla kondycjonowania z niebieskim znakowaniem, eksperyment NMR pokazuje bardziej wzmocniony pik w porównaniu z innymi. Dla hiperspolaryzowanego ¹²⁹ Xe w workach telarowych, T1 _wynosi 38 ± 12 minut, gdy dane zostały zebrane w obecności pola magnetycznego o natężeniu 1,5 mT. Jednak zadowalający przyrost czasu opóźnienia T ₁ (354 ± 24 minuty), gdy dane zostały zebrane w obecności pola magnetycznego 3000 mT.

Wykorzystanie Rb vs. Cs w eksperymentach SEOP NMR

Ogólnie rzecz biorąc, możemy użyć atomów metali alkalicznych ⁸⁷ Rb lub ¹³³ Cs z obojętnym gazowym azotem. Jednak używamy ¹³³ Cs z azotem, aby dokonać wymiany spinu z ¹²⁹ Xe, co ma wiele zalet:

¹³³ Cs ma naturalną doskonałą obfitość, podczas gdy rubid ma dwa ( ⁸⁵ Rb i ⁸⁷ Rb) izotopy. Abstrakcja jednego izotopu oddzielnie od tych dwóch ( ⁸⁵ Rb i ⁸⁷ Rb) jest trudna w porównaniu do zebrania izotopu ¹³³ Cs. Abstrakcja ¹³³ Cs jest wygodna. ^{[ potrzebne źródło ]}
Optyczne ogniwo pompujące zwykle działa w niższej temperaturze, aby uniknąć problemu z rozpadem chemicznym. SEOP wykorzystuje ¹³³ Cs w niskiej temperaturze, a zatem ma mniej korozji chemicznej ze szkłem ściennym SEOP. ^{[ potrzebne źródło ]}
¹³³ Cs ^-129 Xe ma kurs wymiany spinów około 10%, czyli więcej w porównaniu z parą ⁸⁷ Rb ^-129 Xe. ^{[ potrzebne źródło ]}

Chociaż ¹²⁹ Xe ma wiele preferowanych charakterystycznych zastosowań w technice NMR, ⁸³ Kr może być również używany, ponieważ ma wiele zalet w technikach NMR na inne sposoby niż ¹²⁹ Xe.

⁰⁸³ Kr ma spin I= 9/2 i większy rozmiar Van der Waalsa 2,02A . Ma efekt czterobiegunowy, może szybko i wyraźnie rozprzestrzeniać się w pobliskim środowisku ( system in vivo od polarnego do niepolarnego).
Skład chemiczny materiałów może wpływać na podłużną relaksację hiperspolaryzowanych ⁸³ Kr.
W relaksacji można wyróżnić podłoże hydrofobowe i hydrofilowe. Chociaż ³ He i ¹²⁹ Xe mają połowę obrotu, ale nie są aktywne czterobiegunowo.
Jednak ²¹ Ne ( I=3/2) , ⁸³ Kr( I=9/2) i ¹³¹ Xe ( I=3/2) mają moment kwadrupolowy. ³⁴ Oddziaływania kwadrupolowe powodują, że izotopy te mają relaksację spinową.
Ze względu na tę relaksację i ewolucję spinu, izotopy te mogą być stosowane jako środki kontrastujące, aby powiedzieć, że sonda może określić cechy strukturalne i skład chemiczny powierzchni przepuszczalnych mediów.
SEOP może obliczyć relaksację spinu T ₁ za pomocą równania nieliniowych najmniejszych kwadratów pasujących do sygnału ⁸³ Kr w funkcji czasu, jak również eksperymentalnej liczby kątów odwrócenia mediów (≈12°) dla NMR eksperymentujących z impulsami o częstotliwości radiowej.
Hiperpolaryzowany ⁸³ Kr jest oddzielany od gazów ⁸⁷ Rb po wymianie spinu w procesie pompowania optycznego, a następnie używany w różnych systemach in vivo do uzyskania sygnału MRI. Jest to pierwszy izotop, który wykazał wiele zastosowań w technice MRI, mimo że ma spin 9½.
Podczas eksperymentu z tkanką płucną psa zastosowano magnes o sile 9,4 T, pożywkę porowatą i porowatość zbliżoną do wymiarów pęcherzyków płucnych, która rozchodzi się pod ciśnieniem atmosferycznym. Relaksacja sieci spinowej była wystarczająco długa, więc można ją zastosować in vivo , chociaż poziom tlenu może wynosić 20%.
Ponieważ środek kontrastowy ⁸³ Kr obiecuje opracowanie nieskazitelnej metodologii MRI in vivo w celu identyfikacji epickich chorób płuc, wpływ ten został wywołany na powierzchni miąższu ze względu na stężenie środka powierzchniowo czynnego.
Mając granicę, ten konkretny środek kontrastowy może pracować, aby określić wielkość strumienia porowatych mediów w materiałoznawstwie.
Dodatkowo technika ta może nas zająć przygotowaniem powłoki powierzchniowej, przestrzennymi fluktuacjami powierzchni. W końcu, niekończący się dobry znak tego kontrastującego czynnika, jakim jest naturalna obfitość (11,5% z ⁸³ kr), sprawia, że łatwo go zdobyć za rozsądną cenę 5 USD/L.

Zastosowania obrazowania SEOP

W środowiskach akademickich i przemysłowych podejmowane są również kroki w celu wykorzystania tego hiperspolaryzowanego gazu do obrazowania płuc. Po hiperpolaryzacji gazu ( ¹²⁹ Xe) w procesie SEOP i usunięciu metalu alkalicznego pacjent (zdrowy lub cierpiący na chorobę płuc) może wdychać gaz i można wykonać rezonans magnetyczny. Daje to obraz wypełnionych gazem przestrzeni w płucach. O ile proces dotarcia do punktu obrazowania pacjenta może wymagać wiedzy naukowców dobrze zaznajomionych z tą techniką i sprzętem, podejmowane są kroki w celu wyeliminowania tej wiedzy, aby technik szpitalny mógł wytworzyć hiperspolaryzowany gaz za pomocą polaryzatora.

Maszyny do hiperpolaryzacji są obecnie używane do wytwarzania hiperspolaryzowanego gazu ksenonowego, który jest używany jako środek do wizualizacji w płucach. Ksenon-129 jest bezpiecznym obojętnym gazem szlachetnym, którego można użyć do ilościowego określenia czynności płuc. Po pojedynczym 10-sekundowym wstrzymaniu oddechu hiperspolaryzowany Xenon-129 jest używany z MRI, aby umożliwić trójwymiarowe obrazowanie płuc. Ksenonowy MRI jest używany do monitorowania pacjentów z chorobą naczyniowo-płucną, obturacyjną lub zwłóknieniową chorobą płuc.

Zwiększona temperatura ¹²⁹ Xe SEOP w zautomatyzowanym, wysokowydajnym modelu wsadowym z hiperpolaryzacją ¹²⁹ Xe może wykorzystywać trzy główne zakresy temperatur, aby postawić określone warunki: Po pierwsze, szybkość hiperpolaryzacji ^{129 Xe jest bardzo wysoka w gorących warunkach.} Po drugie, w warunkach ciepłych hiperpolaryzacja ¹²⁹ Xe jest jednością. Po trzecie, w zimnych warunkach, poziom hiperpolaryzacji ¹²⁹ Xe jest co najmniej możliwy do uzyskania (w temperaturze ludzkiego ciała) obrazowania, chociaż podczas przenoszenia do worka Tedlar ma niski procent ⁸⁷ Rb (dawka mniejsza niż 5 ng/L).

Analiza wieloparametrowa ⁸⁷ Rb/ ¹²⁹ Xe SEOP przy wysokim ciśnieniu ksenonu i strumieniu fotonów może być wykorzystana jako środek kontrastowy do drukowania 3D i zatrzymania przepływu w skali klinicznej. Technika in situ uruchomiła maszynę NMR do śledzenia dynamiki polaryzacji ¹²⁹ Xe w funkcji kondycjonowania komórek SEOP przy różnych parametrach operacyjnych, takich jak temperatura zbierania danych, strumień fotonów i ciśnienie parcjalne ^{129 Xe w celu wzmocnienia polaryzacji}¹²⁹ Xe ( PXe ₎ .

Tabela 3. ¹²⁹ Wartości polaryzacji Xe dla różnych ciśnień cząstkowych.
P _Xe	95±9%	73±4%	60±2%	41±1%	31±1%
Ciśnienie cząstkowe Xe (tor)	275	515	1000	1500	2000

Wszystkie te wartości polaryzacji ¹²⁹ Xe zostały zatwierdzone przez przepchnięcie hiperspolaryzowanego gazu ¹²⁹ Xe, a wszystkie eksperymenty MRI przeprowadzono również przy niższym polu magnetycznym 47,5 mT. Ostatecznie demonstracje wykazały, że w takim obszarze wysokiego ciśnienia, polaryzacja ¹²⁹ Xe może wzrosnąć jeszcze bardziej niż granica, która została już pokazana. Lepsze zarządzanie ciepłem SEOP i optymalizacja kinetyki polaryzacji zostały dodatkowo ulepszone z dobrą skutecznością.

SEOP w Solid

SEOP może być używany nie tylko do hiperpolaryzacji gazów szlachetnych, ale nowszym rozwiązaniem jest SEOP na ciałach stałych. Po raz pierwszy przeprowadzono go w 2007 roku i zastosowano do polaryzacji jąder w ciele stałym, umożliwiając hiperpolaryzację jąder, których nie można spolaryzować innymi metodami. Na przykład polaryzację jądrową ¹³³ Cs w postaci stałej warstwy CsH można zwiększyć powyżej granicy Boltzmanna. Odbywa się to najpierw poprzez optyczne pompowanie oparów cezu, a następnie przeniesienie polaryzacji spinowej na sól CsH, uzyskując wzmocnienie 4,0.

Ogniwa są wytwarzane w sposób opisany wcześniej przy użyciu destylacji, a następnie napełniane gazowym wodorem i podgrzewane, aby metal Cs mógł przereagować z gazowym wodorem, tworząc sól CsH. Nieprzereagowany wodór usunięto, a proces powtórzono kilka razy w celu zwiększenia grubości warstwy CsH, a następnie zwiększono ciśnienie gazowym azotem. Zwykle eksperymenty SEOP są przeprowadzane z komórką wyśrodkowaną w cewkach Helmholtza lub cewkach elektromagnetycznych, jak opisano wcześniej, ale te eksperymenty przeprowadzono w nadprzewodzącym magnesie 9,4 T, przepuszczając laser przez magnes i ogrzewając elektrycznie komórkę. W przyszłości możliwe będzie wykorzystanie tej techniki do przenoszenia polaryzacji ⁶ Li lub ⁷ Li, co prowadzi do jeszcze większej liczby zastosowań od czasu T ₁ ma być dłuższy. Od czasu odkrycia tej techniki, która umożliwia charakteryzację ciał stałych, została ona ulepszona w taki sposób, że spolaryzowane światło nie jest konieczne do spolaryzowania ciała stałego; zamiast tego można zastosować niespolaryzowane światło w polu magnetycznym. W tej metodzie wełna szklana jest powlekana solą CsH, zwiększając powierzchnię CsH, a tym samym zwiększając szanse na przeniesienie spinu, dając 80-krotne wzmocnienie przy niskim polu (0,56 T). Podobnie jak w hiperpolaryzującej warstwie CsH, cez metaliczny w tej metodzie z wełną szklaną mógł reagować z gazowym wodorem, ale w tym przypadku CsH tworzył się na włóknach szklanych zamiast w ogniwie szklanym.

Pompowanie optyczne z wymianą metastabilności

³ Można go również hiperpolaryzować za pomocą pompowania optycznego z wymianą metastabilności (MEOP). ^{[ potrzebne źródło ]} Ten proces jest w stanie spolaryzować jądra ³ He w stanie podstawowym z optycznie pompowanymi jądrami ³ He w stanie metastabilnym. MEOP obejmuje tylko ³ jądra He w temperaturze pokojowej i przy niskim ciśnieniu (≈kilka mbarów). Proces MEOP jest bardzo wydajny (wysoki stopień polaryzacji), jednak konieczne jest sprężenie gazu do ciśnienia atmosferycznego.

Dynamiczna polaryzacja jądrowa

Związki zawierające ^15N jądra wrażliwe na NMR , takie jak ^1H , ^13C dynamicznej lub , można hiperpolaryzować przy użyciu polaryzacji jądrowej (DNP). DNP jest zwykle przeprowadzany w niskiej temperaturze (≈100 K) i silnym polu magnetycznym (≈3 T). Związek następnie rozmraża się i rozpuszcza, otrzymując roztwór o temperaturze pokojowej zawierający hiperspolaryzowane jądra. Ciecz ta może być stosowana w in vivo w onkologii i innych zastosowaniach. 13 ^_ Poziomy polaryzacji C w związkach stałych mogą dochodzić do ≈64%, a straty podczas rozpuszczania i przenoszenia próbki do pomiarów NMR można zminimalizować do kilku procent. Związki zawierające w NMR można również hiperpolaryzować za pomocą reakcji chemicznych z para-wodorem , patrz Polaryzacja indukowana parawodorem (PHIP).

Polaryzacja indukowana parawodorem

Wodór cząsteczkowy, H ₂ , zawiera dwa różne izomery spinowe , para-wodór i orto-wodór, w stosunku 25:75 w temperaturze pokojowej. Wytworzenie polaryzacji indukowanej para-wodorem (PHIP) oznacza zwiększenie tego stosunku, innymi słowy wzbogacenie para-wodoru. Można to osiągnąć przez schłodzenie gazowego wodoru, a następnie wywołanie konwersji orto-do-para za pomocą katalizatora z tlenku żelaza lub węgla drzewnego. Wykonując tę procedurę w ≈70 K (tj. ciekłym azotem), para-wodór zostaje wzbogacony od 25% do ok. 50%. Po schłodzeniu do temperatury poniżej 20 K, a następnie wywołaniu konwersji orto-do-para, można uzyskać prawie 100% parawodoru. ^{[ potrzebne źródło ]}

W zastosowaniach praktycznych PHIP jest najczęściej przenoszony na cząsteczki organiczne w reakcji hiperspolaryzowanego wodoru z cząsteczkami prekursorowymi w obecności katalizatora z metalu przejściowego. Sygnały protonowego NMR z ok. Można uzyskać 10 000-krotnie większą intensywność w porównaniu z sygnałami NMR tej samej cząsteczki organicznej bez PHIP, a więc tylko „termiczną” polaryzację w temperaturze pokojowej.

Wzmocnienie sygnału przez odwracalną wymianę (SABRE)

Wzmocnienie sygnału przez odwracalną wymianę (SABRE) to technika hiperpolaryzacji próbek bez ich chemicznej modyfikacji. W porównaniu z ortowodorem lub cząsteczkami organicznymi znacznie większa część jąder wodoru w parawodorze jest zgodna z przyłożonym polem magnetycznym. W SABRE metalowe centrum odwracalnie wiąże się zarówno z badaną cząsteczką, jak i cząsteczką parawodoru, ułatwiając cząsteczce docelowej wychwytywanie polaryzacji parawodoru. Technikę tę można ulepszyć i wykorzystać w przypadku szerokiego zakresu cząsteczek organicznych, stosując pośrednią cząsteczkę „przekaźnikową”, taką jak amoniak. Amoniak skutecznie wiąże się z centrum metalu i odbiera polaryzację z parawodoru. Amoniak przenosi następnie inne cząsteczki, które nie wiążą się tak dobrze z katalizatorem metalicznym. Ten wzmocniony sygnał NMR umożliwia szybką analizę bardzo małych ilości materiału.

Zobacz też

Linki zewnętrzne