Гиперполяризация благородных газов: методы и применения в медицинской диагностике и физике.

Введение

Гиперполяризация – это ядерная спиновая поляризация материала в магнитном поле, значительно превышающая условия теплового равновесия, определяемого распределением Больцмана. Она может быть применена к газам, таким как 129Xe и 3He, и к небольшим молекулам, где уровни поляризации могут быть увеличены в 104–105 раз по сравнению с уровнями теплового равновесия. Гиперполяризованные благородные газы обычно используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ) легких. Гиперполяризованные малые молекулы обычно используются для визуализации метаболизма in vivo. Например, гиперполяризованный метаболит может быть введен животным или пациентам, и метаболическое превращение может отслеживаться в реальном времени. К другим областям применения относятся определение функции спиновых структур нейтронов посредством рассеяния поляризованных электронов на сильно поляризованной мишени (3He), исследования взаимодействия с поверхностью и эксперименты по поляризации нейтронов.

Введение

Спин-обменное оптическое накачивание (СОН) требует использования благородных газов, поскольку СОН выполняется в газовой фазе, они химически инертны, не вступают в реакции, химически стабильны по отношению к щелочным металлам, а время релаксации T1 достаточно велико для накопления поляризации. Благородные газы со спином 1/2 удовлетворяют всем этим требованиям, а газы со спином 3/2 – в определенной степени, хотя у некоторых газов со спином 3/2 недостаточно большое T1. Каждый из этих благородных газов имеет свои специфические области применения, например, характеристика объема и тканей легких с помощью in vivo молекулярной и функциональной визуализации легких, для изучения изменений в метаболизме здоровых и раковых клеток. В этом процессе используется кругополяризованный инфракрасный лазерный свет, настроенный на соответствующую длину волны, для возбуждения электронов в щелочном металле, таком как цезий или рубидий, внутри герметичного стеклянного сосуда. Инфракрасный свет необходим, поскольку он содержит длины волн, необходимые для возбуждения электронов щелочных металлов, хотя длина волны, необходимая для возбуждения электронов натрия, лежит за пределами этого диапазона (таблица 1). +Таблица 1. Длины волн, необходимые для возбуждения электронов щелочных металлов. Щелочной металлДлина волны (нм)Натрий590,0Рубидий794,7Цезий894,0 Угловой момент передается от электронов щелочных металлов к ядрам благородных газов посредством столкновений. Азот используется в качестве гасителя, предотвращающего флуоресценцию поляризованного щелочного металла, которая привела бы к деполяризации благородного газа. Если бы флуоресценция не гасилась, свет, излучаемый при релаксации, был бы случайным образом поляризован, что противоречило бы действию кругополяризованного лазерного света. В зависимости от применения используются стеклянные сосуды (также называемые ячейками) разных размеров и, следовательно, разного давления. Одной амгатты общего давления благородного газа и азота достаточно для СОН, а для гашения флуоресценции требуется плотность азота 0,1 амгатты.

История

Открытие SEOP заняло десятилетия, чтобы все элементы сошлись воедино и сформировали полноценную методику. Первым шагом в 1897 году стали исследования Зимана паров натрия, которые привели к первому результату оптической накачки. Следующий элемент был получен в 1950 году, когда Кастлер разработал метод электронной спиновой поляризации паров щелочного металла рубидия с использованием приложенного магнитного поля и облучения пара резонансным циркулярно поляризованным светом. Переходы D1 и D2 могут происходить, если атомы рубидия освещаются светом с длиной волны 794,7 нм и 780 нм соответственно (рисунок 1). Здесь ms – спиновый угловой момент, принимающий возможные значения +1/2 (спин вверх) или -1/2 (спин вниз), часто изображаемый в виде векторов, направленных вверх или вниз соответственно. Разница в населенности между этими двумя энергетическими уровнями и создает сигнал ЯМР. Например, два электрона в состоянии со спином вниз компенсируют два электрона в состоянии со спином вверх, оставляя только одно ядро со спином вверх, которое можно обнаружить с помощью ЯМР. Однако, популяции этих состояний можно изменить с помощью гиперполяризации, что позволяет увеличить населенность энергетического уровня со спином вверх и, следовательно, усилить сигнал ЯМР. Это достигается путем первоначальной оптической накачки щелочного металла, а затем переноса поляризации на ядро благородного газа для увеличения населенности состояния со спином вверх. Поглощение лазерного света щелочным металлом – это первый процесс в SEOP. Далее, оптически накачанный щелочный металл сталкивается с благородным газом, что позволяет происходить обмену спином, при котором поляризация электронов щелочного металла передается ядрам благородного газа (рисунок 4). Это может происходить двумя механизмами. Угловой момент может передаваться посредством бинарных столкновений (рисунок 4А, также называемых столкновениями двух частиц) или когда благородный газ, буферный газ N2 и щелочной металл в паровой фазе удерживаются в непосредственной близости посредством сил Ван-дер-Ваальса (рисунок 4B, также называемых столкновениями трех частиц). Релаксация ядерной поляризации может происходить несколькими механизмами и записывается как сумма этих вкладов:

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:

где Γt, Γp, Γg и Γw представляют собой релаксацию от временного димера Xe2, устойчивого димера Xe2, диффузию через градиенты приложенного магнитного поля и релаксацию на стенках соответственно. Это аналогично Xe Rb во время обмена спином (переноса спина), когда они удерживаются в непосредственной близости друг от друга посредством сил Ван-дер-Ваальса. Данный график должен быть линейным, где γ' – наклон, а ΓSD – точка пересечения с осью y.

Расслабление: T1

Обмен спином оптического накачивания может продолжаться неограниченно при непрерывном освещении, но существует несколько факторов, вызывающих релаксацию поляризации и, следовательно, возврат к равновесным популяциям при тепловом распределении, когда освещение прекращается. Для использования гиперполяризованных благородных газов в таких приложениях, как визуализация легких, газ необходимо перенести из экспериментальной установки к пациенту. Как только газ перестает активно подвергаться оптическому накачиванию, степень гиперполяризации начинает уменьшаться до достижения теплового равновесия. Однако гиперполяризация должна сохраняться достаточно долго, чтобы газ можно было перенести к пациенту и получить изображение. Продольное время спиновой релаксации, обозначаемое как T1, можно легко измерить, регистрируя спектры ЯМР по мере уменьшения поляризации со временем после прекращения освещения. Скорость этой релаксации определяется несколькими механизмами деполяризации и записывается следующим образом: где три составляющие слагаемые соответствуют коллизионной релаксации (CR), релаксации, вызванной неоднородностью магнитного поля (MFI), и релаксации, обусловленной присутствием парамагнитного кислорода (O2). Время T1 может варьироваться от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от того, насколько тщательно минимизируются эффекты CR, MFI и O2. Последнее слагаемое было количественно оценено как 0,360 с−1 амагат−1, но первое и второе слагаемые трудно поддаются количественной оценке, поскольку степень их вклада в общее T1 зависит от степени оптимизации и подготовки экспериментальной установки и ячейки. Уменьшение релаксации на стенках приводит к более длительной и высокой поляризации благородного газа. В методе дистилляции ячейка соединяется со стеклянным манифольдом, предназначенным для хранения как газа под давлением, так и вакуума, к которому присоединяется ампула щелочного металла. Манифольд и ячейку откачивают, затем вскрывают ампулу и щелочной металл перемещают в ячейку с помощью пламени газовой горелки или путем 3D-печати катушки. Обычно используется воздушная печь с принудительной циркуляцией, с двумя стеклянными гранями для прохождения лазерного света через ячейку, съемной крышкой и отверстием для подключения линии горячего воздуха, что позволяет нагревать ячейку посредством теплопроводности. Катушки, создающие магнитное поле, могут представлять собой пару катушек Гельмгольца, используемых для создания необходимой напряженности магнитного поля. Также может быть использован набор из четырех электромагнитных катушек (например, от Acutran). Ведутся исследования, связанные с гиперполяризацией 131Xe, что вызывает интерес у физиков. Также вносятся улучшения, позволяющие использовать не только рубидий, но и цезий в процессе спинового переноса. В принципе, для SEOP можно использовать любой щелочной металл, но рубидий обычно предпочтительнее из-за его высокого давления пара, что позволяет проводить эксперименты при относительно низких температурах (80 °C – 130 °C), снижая риск повреждения стеклянной ячейки.

Spin exchange optical pumping can continue indefinitely with continuous illumination, but there are several factors that cause relaxation of polarization and thus a return to the thermal equilibrium populations when illumination is stopped. In order to use hyperpolarized noble gases in applications such as lung imaging, the gas must be transferred from the experimental setup to a patient. As soon as the gas is no longer actively being optically pumped, the degree of hyperpolarization begins to decrease until thermal equilibrium is reached. However, the hyperpolarization must last long enough to transfer the gas to the patient and obtain an image. The longitudinal spin relaxation time, denoted as T1, can be measured easily by collecting NMR spectra as the polarization decreases over time once illumination is stopped. This relaxation rate is governed by several depolarization mechanisms and is written as:

Where the three contributing terms are for collisional relaxation (CR), magnetic field inhomogeneity (MFI) relaxation, and relaxation caused by the presence of paramagnetic oxygen (O2). The T1 duration could be anywhere from minutes to several hours, depending on how much care is put into lessening the effects of CR, MFI, and O2. The last term has been quantified to be 0.360 s−1 amagat−1, but the first and second terms are hard to quantify since the degree of their contribution to the overall T1 is dependent on how well the experimental setup and cell are optimized and prepared. Decreasing wall relaxation leads to longer and higher polarization of the noble gas. In the distillation method, the cell is connected to a glass manifold equipped to hold both pressurized gas and vacuum, where an ampoule of alkali metal is connected. The manifold and cell are vacuumed, then the ampoule seal is broken and the alkali metal is moved into the cell using the flame of a gas torch. or by 3D printing the coil. Commonly, the oven is a forced air oven, with two faces made of glass for the laser light to pass through the cell, a removable lid, and a hole through which a hot air line is connected, which allows the cell to be heated via conduction. The magnetic field generating coils can be a pair of Helmholtz coils, used to generate the desired magnetic field strength, A set of four electromagnetic coils can also be used (i. e. from Acutran) Studies involving hyperpolarization of 131Xe are underway, piquing the interest of physicists. There are also improvements being made to allow not only rubidium to be utilized in the spin transfer, but also cesium. In principle, any alkali metal can be used for SEOP, but rubidium is usually preferred due to its high vapor pressure, allowing experiments to be carried out at relatively low temperatures (80 °C 130 °C), decreasing the chance of damaging the glass cell.

Поляризация, вызванная параводородом

Молекулярный водород, H2, содержит два различных спиновых изомера, параводород и ортоводород, соотношение которых при комнатной температуре составляет 25:75. Создание параводородной индуцированной поляризации (PHIP) означает увеличение этого соотношения, иными словами, обогащение параводородом. Это достигается охлаждением газообразного водорода с последующей индукцией конверсии орто-водорода в пара-водород с использованием катализатора на основе оксида железа или древесного угля. При проведении этой процедуры при ≈70 К (то есть с использованием жидкого азота) содержание параводорода увеличивается с 25% до приблизительно 50%. При охлаждении ниже 20 К и последующей конверсии орто-водорода в пара-водород можно получить почти 100% параводород. Для практических применений PHIP чаще всего передается органическим молекулам путем взаимодействия гиперполяризованного водорода с молекулами-предшественниками в присутствии катализатора на основе переходного металла. Интенсивность проточных ЯМР-сигналов при этом увеличивается примерно в 10 000 раз по сравнению с сигналами ЯМР той же органической молекулы без PHIP, то есть при наличии только "тепловой" поляризации при комнатной температуре.

Усиление сигнала путем обратимого обмена (SABRE)

Усиление сигнала посредством обратимого обмена (SABRE) – это метод гиперполяризации образцов без их химической модификации. По сравнению с ортоводородом или органическими молекулами, значительно большая доля ядер водорода в параводороде выстраивается вдоль приложенного магнитного поля. В методе SABRE металлический центр обратимо связывается как с анализируемой молекулой, так и с молекулой параводорода, облегчая передачу поляризации параводорода целевой молекуле. Этот метод можно усовершенствовать и применять к широкому спектру органических молекул, используя промежуточную "релейную" молекулу, например, аммиак. Аммиак эффективно связывается с металлическим центром и принимает поляризацию от параводорода, а затем передает ее другим молекулам, которые хуже связываются с металлическим катализатором. Это усиление МР-сигнала позволяет быстро анализировать очень малые количества вещества.