Магниттік резонанстық бейнелеудегі гиперполяризация және оның қолданылуы

Кіріспе

Гиперполяризация – магнит өрісіндегі ядролық спин поляризациясы, Болцман таралымымен анықталатын термодинамикалық тепе-теңдік жағдайларынан әлдеқайда асып түседі. Оны 129Xe және 3He сияқты газдарға, сондай-ақ поляризация деңгейі термодинамикалық тепе-теңдік деңгейінен 104-105 есе артық болатын шағын молекулаларға қолдануға болады. Гиперполяризацияланған инертті газдар көбінесе өкпелердің магниттік-резонанстық томографиясында (МРТ) қолданылады. Гиперполяризацияланған шағын молекулалар in vivo метаболикалық бейнелеу үшін қолданылады. Мысалы, гиперполяризацияланған метаболитті жануарларға немесе пациенттерге енгізуге болады және метаболикалық өзгерістерді нақты уақытта қадағалауға болады. Басқа қолданыстарға поляризацияланған электронды жоғары поляризацияланған (3He) нысанадан шашырату арқылы нейтрондық спин құрылымдарының функциясын анықтау, беттік әрекеттесулерді зерттеу және нейтрондық поляризациялау тәжірибелері кіреді.

Кіріспе

Спинмен алмасу оптикалық сорғылау (СООП) үшін асыл газдар қажет, себебі СООП газ фазасында жүзеге асырылады, олар химиялық тұрақты, реакцияға түспейді, сілті металдарымен химиялық өзара әрекеттеспейді және олардың T1 поляризацияны жеткілікті деңгейде қалыптастыруға мүмкіндік береді. Спин 1/2 асыл газдардың бәрі осы талаптарға сай келеді, ал спин 3/2 асыл газдар да белгілі бір шамада сай келеді, бірақ кейбір спин 3/2 газдардың T1 жеткіліксіз болады. Осы асыл газдардың әрқайсысының өзіне тән қолданылу саласы бар, мысалы, өкпе кеңістігі мен тінін сипаттау, *in vivo* молекулалық бейнелеу және өкпелердің функционалдық бейнелеу арқылы сау және қатерлі жасушалардың метаболизміндегі өзгерістерді зерттеу. Бұл процесте дөңгелек поляризацияланған инфрақызыл лазер сәулесі, тиісті толқын ұзындығына келтіріліп, герметикалық жабық шыны ыдыс ішіндегі цезий немесе рубидий сияқты сілті металдың электрондарын қоздыру үшін қолданылады. Инфрақызыл сәуле қажет, себебі ол сілті металдардың электрондарын қоздыруға қажетті толқын ұзындықтарын қамтиды, бірақ натрий электрондарын қоздыруға қажетті толқын ұзындығы осы аймақтан төмен (1-кесте). +1-кесте Сілті металдар электрондарын қоздыру үшін қажетті толқын ұзындықтары. Сілті металл Толқын ұзындығы (нм) Натрий 590.0 Рубидий 794.7 Цезий 894.0 Бұрыштық импульс сілті металл электрондарынан асыл газ ядроларына соқтығысу арқылы беріледі. Флуоресценцияны басу үшін азот сөндіргіш газ ретінде қолданылады, ол поляризацияланған сілті металдың флуоресценциясын болдырмайды, бұл асыл газдың деполяризациясына әкеледі. Егер флуоресценция басылмаса, релаксация кезінде шығарылатын жарық кездейсоқ поляризацияланады, бұл дөңгелек поляризацияланған лазер сәулесіне қарсы әрекет етеді. Қолданылуына байланысты әртүрлі көлемдегі шыны ыдыстар (немесе жасушалар) және, демек, әртүрлі қысымдар қолданылса да, SEOP үшін асыл газ бен азоттың жалпы қысымының бір амагаты жеткілікті, ал флуоресценцияны басу үшін 0,1 амагат азот тығыздығы қажет.

Тарих

SEOP-ты ашу үшін барлық құрамдас бөліктерінің толыққанды техниканы құру үшін өз орнына келуіне ондаған жылдар кетті. Біріншіден, 1897 жылы Земанның натрий буын зерттеуі оптикалық сорғылаудың алғашқы нәтижесіне әкелді. Келесі құрамдас бөлік 1950 жылы табылды, онда Кастлер рубидий сілтілі металл буын қолданған магнит өрісі арқылы электрондық айналуын полярлендіру әдісін анықтады және буды резонанстық дөңгелекшелік поляризацияланған жарықпен жарықтандырды. D1 және D2 көшулері рубидий атомдары 794,7 нм және 780 нм толқын ұзындығындағы жарықпен жарықтандырылғанда жүруі мүмкін (1-сурет). Мұнда ms – спин бұрыштық импульсы, +1/2 (спин жоғары) немесе -1/2 (спин төмен) мәндерін қабылдайды, көбінесе тиісінше жоғары немесе төмен бағытталған векторлар түрінде бейнеленеді. Бұл екі энергия деңгейі арасындағы популяцияның айырмашылығы NMR сигналын тудырады. Мысалы, спин төмен күйдегі екі электрон спин жоғары күйдегі екі электронды өшіреді, нәтижесінде NMR арқылы анықталатын бір ғана спин жоғары ядро қалады. Дегенмен, бұл күйлердің популяциясы гиперполяризация арқылы өзгертілуі мүмкін, бұл спин жоғары энергия деңгейінің көбірек толтырылуына және демек NMR сигналының күшеюіне мүмкіндік береді. Бұл алдымен сілтілі металды оптикалық сорғылау арқылы, содан кейін поляризацияны инертті газ ядросына беру арқылы спин жоғары күйінің популяциясын арттыру арқылы жүзеге асырылады. Лазерлік жарықты сілтілі металдың сіңіруі – SEOP-тағы алғашқы процесс. Содан кейін оптикалық сорғыланған сілтілі металл инертті газбен соқтығысады, бұл спин алмасуға мүмкіндік береді, онда сілтілі металл электрондық поляризациясы инертті газ ядроларына ауысады (4-сурет). Мұның екі механизмі бар. Бұрыштық импульс екілік соқтығысулар арқылы (4А суреті, сондай-ақ екі дене соқтығысулары деп аталады) немесе инертті газ, N2 буферлік газ және бу фазалық сілтілі металл Ван дер Ваальс күштері арқылы жақын ұсталып тұрғанда (4B суреті, сондай-ақ үш дене соқтығысулары деп аталады) берілуі мүмкін. Ядролық поляризацияның релаксациясы бірнеше механизмдер арқылы жүруі мүмкін және осы үлестердің қосындысы ретінде жазылады:

The discovery of SEOP took decades for all the pieces to fall into place to create a complete technique. First, in 1897, Zeeman's studies of sodium vapor led to the first result of optical pumping. The next piece was found in 1950 when Kastler determined a method to electronically spin polarize rubidium alkali metal vapor using an applied magnetic field and illuminating the vapor with resonant circularly polarized light. The D1 and D2 transitions can occur if the rubidium atoms are illuminated with light at a wavelength of 794.7 nm and 780 nm, respectively (Figure 1). Here, ms is the spin angular momentum with possible values of +1/2 (spin up) or 1/2 (spin down), often drawn as vectors pointing up or down, respectively. The difference in population between these two energy levels is what produces an NMR signal. For example, the two electrons in the spin down state cancel two of the electrons in the spin up state, leaving only one spin up nucleus to be detected with NMR. However, the populations of these states can be altered via hyperpolarization, allowing the spin up energy level to be more populated and therefore increase the NMR signal. This is done by first optically pumping alkali metal, then transferring the polarization to a noble gas nucleus to increase the population of the spin up state. The absorption of laser light by the alkali metal is the first process in SEOP. Next, the optically pumped alkali metal collides with the noble gas, allowing for spin exchange to occur where the alkali metal electron polarization is transferred to the noble gas nuclei (Figure 4). There are two mechanisms in which this can occur. The angular momentum can be transferred via binary collisions (Figure 4A, also called two body collisions) or while the noble gas, N2 buffer gas, and vapor phase alkali metal are held in close proximity via van der Waals forces (Figure 4B, also called three body collisions). Relaxation of the nuclear polarization can occur via several mechanisms and is written as a sum of these contributions:

Мұнда Γt, Γp, Γg және Γw сәйкесінше Xe2 димерінің уақытша, тұрақты Xe2 димерінің релаксациясын, қолданылатын магнит өрісі градиенттері арқылы диффузияны және қабырғалық релаксацияны білдіреді. Бұл Xe Rb сияқты, олар Ван дер Ваальс күштері арқылы бір-біріне жақын ұсталады. Бұл график сызықтық болуы керек, мұнда γ' – еңіс, ал ΓSD – y осіндегі қиылысу нүктесі.

Тынығу: T1

Спиндік алмасу оптикалық сорғылау үздіксіз жарықтандырумен шексіз жалғаса береді, бірақ поляризацияның әлсіреуіне және жарықтандыру тоқтаған кезде жылулық тепе-теңдік күйіне оралуына себеп болатын бірнеше факторлар бар. Гиперполяризацияланған инертті газдарды өкпе суретін алу сияқты қолдануларда пайдалану үшін, газды тәжірибелік орнатудан науқасқа жеткізу қажет. Газ белсенді түрде оптикалық сорғылаудан тоқтаған кезде, гиперполяризация деңгейі жылулық тепе-теңдікке жеткенше төмендей бастайды. Дегенмен, гиперполяризация газды науқасқа жеткізуге және сурет алуға жеткілікті ұзақ сақталуы керек. Ұзындық спиннің релаксация уақыты, T1 деп белгіленеді, жарықтандыру тоқтатылғаннан кейін поляризация уақыт өте келе төмендегенде NMR спектрлерін жинау арқылы оңай өлшенеді. Бұл релаксация жылдамдығы бірнеше деполяризация механизмдерімен анықталады және былай жазылады:

Мұндағы үш компонент соқтығысу релаксациясы (CR), магнит өрісінің біртектіліксіздігінен (MFI) туындаған релаксация және парамагниттік оттегінің (O2) болуынан туындаған релаксация үшін. T1 ұзақтығы CR, MFI және O2 әсерін азайтуға жұмсалатын күш-жігерге байланысты бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейін өзгеруі мүмкін. Соңғы мүше 0,360 с−1 амагат−1 шамасында өлшенген, бірақ бірінші және екінші мүшелерді өлшеу қиын, себебі олардың жалпы T1-ге тигізетін үлесінің дәрежесі тәжірибелік орнатудың және жасушаның қаншалықты оңтайландырылғанына және дайындалғанына байланысты. Қабырғалық релаксацияны азайту инертті газдың ұзағырақ және жоғары поляризациясына әкеледі. Дистилляция әдісінде жасуша қысыммен газды да, вакуумды да сақтауға жабдықталған шыны коллекторға қосылады, онда сілтілі металл ампуласы орналасқан. Коллектор мен жасуша вакуумдалады, содан кейін ампуланың мөрi бұзылып, сілтілі металл газ факелінің жалыны арқылы жасушаға жылжытылады немесе 3D басып шығару арқылы оралғыш жасалады. Көбінесе пеш – бұл лазер сәулесінің жасуша арқылы өтуіне мүмкіндік беретін екі шыны беті, алынып тасталатын қақпағы және жасушаны кондукция арқылы қыздыруға мүмкіндік беретін ыстық ауа құбыры бар мәжбүрлемелі ауа пеші болып табылады. Магниттік өріс тудыратын оралғыштар қалаған магниттік өріс күшін тудыру үшін қолданылатын Гельмгольц оралғыштарының жұбы болуы мүмкін. Сонымен қатар, төрт электромагниттік оралғыштар жиынтығы (мысалы, Acutran-нан) қолданылуы мүмкін. Физиктердің қызығушылығын тудыратын 131Xe гиперполяризациясын зерттеу жұмыстары жүргізілуде. Сондай-ақ, спиндік алмасуда рубидийді ғана емес, сонымен қатар цезийді де пайдалануға мүмкіндік беретін жақсартулар жасалуда. Принцип бойынша, кез келген сілтілі металл SEOP үшін қолданылуы мүмкін, бірақ рубидий жоғары бу қысымымен әдетте артықшылыққа ие, бұл эксперименттерді салыстырмалы түрде төмен температурада (80 °C – 130 °C) жүргізуге мүмкіндік береді, бұл шыны жасушаның зақымдану қаупін азайтады.

Парасутекпен индуцирленген поляризация

Молекулалық сутек, H2, бөлме температурасында 25:75 қатынасымен екі түрлі спиндік изомерді, парасутек пен ортосутекті қамтиды. Парасутекті поляризациялау (PHIP) құру – бұл қатынастың ұлғаюын, яғни парасутектің толықтануын білдіреді. Бұл сутегі газын салқындату арқылы және темір оксиді немесе көмір катализаторы арқылы орто-пара конверсиясын тудыру арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл процедураны ≈70 К-те (яғни сұйық азотпен) орындағанда парасутек 25%-дан шамамен 50%-ға дейін толықтанады. 20 К-тан төмен салқындату және орто-пара түрлендіруді іске асыру кезінде 100%-ға жуық парасутек алуға болады. Практикалық қолдану үшін PHIP көбінесе органикалық молекулаларға гиперполяризацияланған сутегін алдын ала молекулалармен (прекурсорлармен) өтпелі металл катализаторының қатысуымен реакцияластыру арқылы беріледі. PHIP-тісіз бірдей органикалық молекуланың ЯМР сигналдарымен салыстырғанда, шамамен 10 000 есе жоғары интенсивтілігі бар протондық ЯМР сигналдарын алуға болады, бұл бөлме температурасында тек "термиялық" поляризацияға қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Сигналды кері алмасу арқылы күшейту (SABRE)

Сигналды кері алмасу арқылы күшейту (SABRE) – үлгілерді химиялық өзгерістерсіз гиперполяризациялауға мүмкіндік беретін әдіс. Ортосутек немесе органикалық молекулалармен салыстырғанда, парасутектегі сутек ядроларының көп бөлігі қолданылатын магнит өрісіне қатысты жақсы бағытталған. SABRE-де металл орталығы сынақ молекуласымен де, парасутек молекуласымен де қайтымды байланысады, бұл нысана молекуланың парасутектің поляризациясын қабылдауына жағдай жасайды. Аммиак сияқты аралық "реттегіш" молекуланы пайдалану арқылы бұл әдістің тиімділігін арттырып, оны көптеген органикалық молекулалар үшін қолдануға болады. Аммиак металл орталығына тиімді байланысып, парасутектің поляризациясын қабылдайды. Содан кейін аммиак оны металл катализаторымен нашар байланысатын басқа молекулаларға беріп жібереді. Бұл күшейтілген ЯМР сигналы өте аз мөлшердегі материалды жылдам талдауға мүмкіндік береді.