Hiperpolarização (física) - Hyperpolarization (physics)

A hiperpolarização é a polarização do spin nuclear de um material em um campo magnético muito além das condições de equilíbrio térmico determinadas pela distribuição de Boltzmann . Pode ser aplicado a gases como ¹²⁹ Xe e ³ He , e pequenas moléculas onde os níveis de polarização podem ser aumentados por um fator de 10 ⁴ -10 ⁵ acima dos níveis de equilíbrio térmico. Gases nobres hiperpolarizados são normalmente usados ​​em imagens de ressonância magnética (MRI) dos pulmões. Pequenas moléculas hiperpolarizadas são normalmente usadas para imagens metabólicas in vivo . Por exemplo, um metabólito hiperpolarizado pode ser injetado em animais ou pacientes e a conversão metabólica pode ser rastreada em tempo real. Outras aplicações incluem a determinação da função das estruturas de spin de nêutrons por espalhamento de elétrons polarizados de um alvo muito polarizado ( ³ He), estudos de interação de superfície e experimentos de polarização de nêutrons.

Bombeamento óptico de troca de spin

Introdução

O bombeamento óptico de troca de rotação (SEOP) é ​​uma das várias técnicas de hiperpolarização discutidas nesta página. Esta técnica é especializada na criação de gases nobres hiperpolarizados (HP), como ³ He, ¹²⁹ Xe e ¹³¹ Xe quadrupolar , ⁸³ Kr e ²¹ Ne. Gases nobres são necessários porque SEOP é realizada na fase gasosa, que são quimicamente inertes, não-reactivo, quimicamente estáveis em relação aos metais alcalinos, e o seu T ₁ é o tempo suficiente para acumular a polarização. Os gases nobres de spin 1/2 atendem a todos esses requisitos, e os gases nobres de spin 3/2 atendem até certo ponto, embora alguns gases nobres de spin 3/2 não tenham T ₁ suficiente . Cada um desses gases nobres tem sua própria aplicação específica, como caracterizar o espaço e o tecido pulmonar por meio de imagens moleculares in vivo e imagens funcionais dos pulmões, para estudar mudanças no metabolismo de células saudáveis ​​versus células cancerosas, ou usar como alvos para experimentos de física nuclear. Durante este processo, luz laser infravermelha circularmente polarizada , sintonizada no comprimento de onda apropriado, é usada para excitar elétrons em um metal alcalino , como césio ou rubídio dentro de um recipiente de vidro selado. A luz infravermelha é necessária porque contém os comprimentos de onda necessários para excitar os elétrons de metal alcalino, embora o comprimento de onda necessário para excitar os elétrons de sódio esteja abaixo desta região (Tabela 1).

O momento angular é transferido dos elétrons de metal alcalino para os núcleos de gás nobre por meio de colisões. O nitrogênio é usado como gás de extinção, o que impede a fluorescência do metal alcalino polarizado, o que levaria à despolarização do gás nobre. Se a fluorescência não fosse extinta, a luz emitida durante o relaxamento seria polarizada aleatoriamente, trabalhando contra a luz laser polarizada circularmente. Embora diferentes tamanhos de recipientes de vidro (também chamados de células) e, portanto, diferentes pressões, sejam usados ​​dependendo da aplicação, um amagat de pressão total de gás nobre e nitrogênio é suficiente para SEOP e 0,1 amagat de densidade de nitrogênio é necessário para extinguir a fluorescência. Grandes melhorias na tecnologia de hiperpolarização ¹²⁹ Xe alcançaram nível> 50% em taxas de fluxo de 1–2 L / min, o que permite aplicações clínicas em humanos.

História

A descoberta do SEOP levou décadas para que todas as peças se encaixassem para criar uma técnica completa. Primeiro, em 1897, os estudos de Zeeman sobre o vapor de sódio levaram ao primeiro resultado do bombeamento óptico . A próxima peça foi encontrada em 1950, quando Kastler determinou um método para polarizar eletronicamente o vapor de metal alcalino de rubídio usando um campo magnético aplicado e iluminando o vapor com luz ressonante polarizada circularmente. Dez anos depois, Marie-Anne Bouchiat , TM Carver e CM Varnum realizaram a troca de spin , na qual a polarização do spin eletrônico foi transferida para spins nucleares de um gás nobre ( ³ He e ¹²⁹ Xe) por meio de colisões em fase gasosa. Desde então, este método foi muito melhorado e expandido para uso com outros gases nobres e metais alcalinos.

Teoria

Figura 1. Transições de excitação de um elétron de rubídio.

Para explicar os processos de excitação, bombeamento óptico e troca de spin mais facilmente, o metal alcalino mais comum usado para esse processo, o rubídio, será usado como exemplo. O rubídio tem um número ímpar de elétrons, com apenas um na camada mais externa que pode ser excitado nas condições certas. Podem ocorrer duas transições, uma referida como linha D ₁ , onde ocorre a transição do estado 5 ² S _1/2 para o estado 5 ² P _3/2 e outra referida como linha D ₂ , onde ocorre a transição do estado 5 ² S _1/2 para o estado 5 ² P _1/2 . As transições D ₁ e D ₂ podem ocorrer se os átomos de rubídio forem iluminados com luz em um comprimento de onda de 794,7 nm e 780 nm, respectivamente (Figura 1). Embora seja possível causar qualquer excitação, a tecnologia de laser é bem desenvolvida para fazer com que a transição D ₁ ocorra. Esses lasers são sintonizados para o comprimento _de onda D ₁ (794,7 nm) do rubídio.

Figura 2. Efeito do campo magnético aplicado no spin onde há divisão de energia na presença de um campo magnético, B ₀ .

Para aumentar o nível de polarização acima do equilíbrio térmico, as populações dos estados de spin devem ser alteradas. Na ausência de campo magnético, os dois estados de spin de um spin I = ½ núcleos estão no mesmo nível de energia, mas na presença de um campo magnético, os níveis de energia se dividem em m _s = ± 1/2 níveis de energia (Figura 2). Aqui, m _s é o momento angular de giro com valores possíveis de +1/2 (giro para cima) ou -1/2 (giro para baixo), muitas vezes desenhado como vetores apontando para cima ou para baixo, respectivamente. A diferença na população entre esses dois níveis de energia é o que produz um sinal de NMR. Por exemplo, os dois elétrons no estado de spin down cancelam dois dos elétrons no estado de spin up, deixando apenas um núcleo de spin up para ser detectado com NMR. No entanto, as populações desses estados podem ser alteradas via hiperpolarização, permitindo que o nível de energia de spin up seja mais populado e, portanto, aumente o sinal de NMR. Isso é feito primeiro bombeando opticamente metal alcalino e, em seguida, transferindo a polarização para um núcleo de gás nobre para aumentar a população do estado de spin up.

Figura 3. Transições que ocorrem quando a luz polarizada circularmente interage com os átomos de metal alcalino.

A absorção de luz laser pelo metal alcalino é o primeiro processo em SEOP. A luz polarizada circularmente à esquerda sintonizada com o comprimento de onda D ₁ do metal alcalino excita os elétrons do estado de spin ² S _1/2 (m _s = -1 / 2) para o spin ² P _1/2 (m _s = +1/2) estado, onde a mistura colisional então ocorre quando os átomos de gás nobre colidem com os átomos de metal alcalino e o estado m _s = -1 / 2 é parcialmente populado (Figura 3). A luz polarizada circularmente é necessária em campos magnéticos baixos porque permite que apenas um tipo de momento angular seja absorvido, permitindo que os spins sejam polarizados. O relaxamento então ocorre dos estados excitados (m _s = ± 1/2) para os estados fundamentais (m _s = ± 1/2) conforme os átomos colidem com o nitrogênio, extinguindo assim qualquer chance de fluorescência e fazendo com que os elétrons retornem ao dois estados fundamentais em populações iguais. Uma vez que os spins são despolarizados (retorno ao estado m _s = -1 / 2), eles são excitados novamente pela luz do laser de onda contínua e o processo se repete. Dessa forma, uma população maior de spins de elétrons no estado m _s = + 1/2 se acumula. A polarização do rubídio, P _Rb , pode ser calculada usando a fórmula abaixo:

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

Onde n _↑ e n _↓ e são o número de átomos no spin up (m _S = + 1/2) e spin down (m _S = -1 / 2) ² S _1/2 estados.

Figura 4. Transferência de polarização via A) colisões binárias e B) forças de van der Waals.

Em seguida, o metal alcalino bombeado opticamente colide com o gás nobre, permitindo que a troca de spin ocorra onde a polarização de elétrons do metal alcalino é transferida para os núcleos do gás nobre (Figura 4). Existem dois mecanismos em que isso pode ocorrer. O momento angular pode ser transferido por meio de colisões binárias (Figura 4A, também chamadas de colisões de dois corpos) ou enquanto o gás nobre, gás tampão N ₂ e metal alcalino em fase de vapor são mantidos em estreita proximidade por meio de forças de van der Waals (Figura 4B, também chamadas de três colisões de corpos). Nos casos em que as forças de van der Waals são muito pequenas em comparação com as colisões binárias (como é o caso do ³ He), o gás nobre e o metal alcalino colidem e a polarização é transferida do AM para o gás nobre. Colisões binárias também são possíveis para ¹²⁹ Xe. Em altas pressões, as forças de van der Waals dominam, mas em baixas pressões as colisões binárias dominam.

Desenvolvimento de polarização

Este ciclo de excitação, polarização, despolarização e repolarização, etc. leva tempo antes que uma polarização líquida seja alcançada. O acúmulo de polarização nuclear, P _N (t), é dado por:

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

Onde ⟨P _Um ⟩ é a polarização de metal alcalino, γ _SE representa a taxa de troca de spin, e Γ é a velocidade de relaxamento longitudinal do gás nobre. O relaxamento da polarização nuclear pode ocorrer por meio de vários mecanismos e é escrito como uma soma dessas contribuições:

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

Onde Γ _t , Γ _p , Γ _g e Γ _w representam o relaxamento do dímero Xe ₂ transiente , o dímero Xe ₂ persistente , difusão através de gradientes no campo magnético aplicado e relaxamento da parede, respectivamente. Na maioria dos casos, os maiores contribuintes para o relaxamento total são dímeros persistentes e relaxamentos de parede. Um dímero Xe ₂ pode ocorrer quando dois átomos de Xe colidem e são mantidos juntos por meio de forças de van der Waals, e pode ser quebrado quando um terceiro átomo colide com ele. É semelhante ao Xe-Rb durante a troca de spin (transferência de spin), onde eles são mantidos próximos um do outro por meio de forças de van der Waals. O relaxamento da parede ocorre quando o Xe hiperpolarizado colide com as paredes da célula e é despolarizado devido às impurezas paramagnéticas do vidro.

A constante de tempo de acumulação, Γ _B , pode ser medida coletando espectros de NMR em intervalos de tempo que caem dentro do tempo que leva para atingir a polarização de estado estacionário (ou seja, a polarização máxima que pode ser alcançada, vista pela saída de sinal máxima). As integrais do sinal são então plotadas ao longo do tempo e podem ser adequadas para obter a constante de tempo de acumulação. Coletar uma curva de acúmulo em várias temperaturas diferentes e traçar os valores como uma função da densidade de vapor de metal alcalino (uma vez que a densidade de vapor aumenta com um aumento na temperatura da célula) pode ser usado para determinar a taxa de destruição de spin e a taxa de troca de spin por átomo usando :

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

Onde γ 'é a taxa de troca de spin por átomo, [AM] é a densidade de vapor de metal alcalino e Γ _SD é a taxa de destruição de spin. Este gráfico deve ser linear, onde γ 'é a inclinação e Γ _SD é a interceptação y.

Relaxamento: T ₁

O bombeamento óptico de troca de spin pode continuar indefinidamente com iluminação contínua, mas existem vários fatores que causam relaxamento da polarização e, portanto, um retorno às populações de equilíbrio térmico quando a iluminação é interrompida. Para usar gases nobres hiperpolarizados em aplicações como imagens de pulmão, o gás deve ser transferido da configuração experimental para um paciente. Assim que o gás não está mais sendo bombeado opticamente, o grau de hiperpolarização começa a diminuir até que o equilíbrio térmico seja alcançado. No entanto, a hiperpolarização deve durar o suficiente para transferir o gás para o paciente e obter uma imagem. O tempo de centrifugação de relaxamento longitudinal, indicado como T ₁ , pode ser facilmente medido por recolha de espectros de RMN, como a polarização diminui ao longo do tempo uma vez que a iluminação é parado. Esta taxa de relaxamento é governada por vários mecanismos de despolarização e é escrita como:

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

Onde os três termos contribuintes são para relaxamento colisional (CR), relaxamento de inomogeneidade do campo magnético (MFI) e relaxamento causado pela presença de oxigênio paramagnético (O2). A t _uma duração poderia estar em qualquer lugar a partir de minutos a várias horas, dependendo da quantidade de cuidados é colocado em diminuir os efeitos de CR, MFI, e O ₂ . O último termo foi quantificado como 0,360 s ⁻¹ amagat ⁻¹ , mas o primeiro e o segundo termos são difíceis de quantificar, uma vez que o grau de sua contribuição para o T ₁ geral depende de quão bem a configuração experimental e a célula são otimizadas e preparado.

Configuração experimental em SEOP

Figura 5. Foto de células ópticas de 2 ”de diâmetro e 10” de comprimento.

Para realizar o SEOP, é necessário primeiro preparar a célula óptica. As células ópticas (Figura 5) são projetadas para o sistema específico em mente e vidro soprado usando um material transparente, normalmente vidro pirex (borossilicato). Esta célula deve então ser limpos para eliminar todos os contaminantes, particularmente materiais paramagnéticos que polarização e a diminuição T ₁ . A superfície interna da célula é então revestida para (a) servir como uma camada protetora para o vidro, a fim de diminuir a chance de corrosão pelo metal alcalino, e (b) minimizar a despolarização causada pelas colisões de moléculas de gás polarizado com o paredes da célula. A diminuição do relaxamento da parede leva a uma polarização mais longa e alta do gás nobre.

Figura 6. Estrutura do SurfaSil.

Embora vários revestimentos tenham sido testados ao longo dos anos, SurfaSil (Figura 6, agora referido como fluido de siliconização solúvel em hidrocarboneto) é o revestimento mais comum usado em uma proporção de 1:10 SurfaSil: hexano porque fornece valores T ₁ longos . A espessura da camada SurfaSil é de cerca de 0,3-0,4 μm. Depois de uniformemente revestida e seca, a célula é então colocada em um ambiente inerte e uma gota de metal alcalino (≈200 mg) é colocada na célula, que é então dispersa para criar um revestimento uniforme nas paredes das células. Um método para transferir o metal alcalino para a célula é por destilação. No método de destilação, a célula é conectada a um coletor de vidro equipado para conter gás pressurizado e vácuo, onde uma ampola de metal alcalino é conectada. O coletor e a célula são aspirados, então o selo da ampola é quebrado e o metal alcalino é movido para a célula usando a chama de um maçarico a gás. A célula é então preenchida com a mistura de gás desejada de nitrogênio e gás nobre. Deve-se ter cuidado para não envenenar a célula em qualquer estágio de sua preparação (expor a célula ao ar atmosférico).

Vários tamanhos e designs de células foram usados ​​ao longo dos anos. A aplicação desejada é o que governa o design da célula de bombeamento ótico e depende do diâmetro do laser, das necessidades de otimização e das considerações de uso clínico. Os metais alcalinos e gases específicos também são escolhidos com base nas aplicações desejadas.

Figura 7. Configuração experimental que envolve iluminar uma célula óptica contendo metal alcalino, um gás nobre e gás nitrogênio.

Uma vez que a célula está completa, uma bobina de superfície (ou bobinas, dependendo do tipo de bobina desejada) é colada do lado de fora da célula, o que a) permite que os pulsos de RF sejam produzidos a fim de inclinar os spins polarizados para o campo de detecção ( plano x, y) eb) detecta o sinal produzido pelos spins nucleares polarizados. A célula é colocada em um forno que permite que a célula e seu conteúdo sejam aquecidos para que o metal alcalino entre na fase de vapor, e a célula é centralizada em um sistema de bobinas que gera um campo magnético aplicado (ao longo do eixo z). Um laser, sintonizado na linha D ₁ (transição elétrica-dipolo) do metal alcalino e com um diâmetro de feixe correspondente ao diâmetro da célula óptica, é então alinhado com os planos ópticos da célula de tal forma que a totalidade de a célula é iluminada por luz laser para fornecer a maior polarização possível (Figura 7). O laser pode estar em qualquer lugar entre dezenas de watts a centenas de watts, onde maior a potência produz maior polarização, mas é mais caro. Para aumentar ainda mais a polarização, um espelho retrorrefletivo é colocado atrás da célula para passar a luz laser através da célula duas vezes. Além disso, uma íris IR é colocada atrás do espelho, fornecendo informações sobre a absorção da luz do laser pelos átomos de metal alcalino. Quando o laser está iluminando a célula, mas a célula está em temperatura ambiente, a íris IR é usada para medir a porcentagem de transmitância da luz do laser através da célula. Conforme a célula é aquecida, o rubídio entra na fase de vapor e começa a absorver a luz do laser, fazendo com que o percentual de transmitância diminua. A diferença no espectro de IV entre um espectro de temperatura ambiente e um espectro obtido enquanto a célula é aquecida pode ser usada para calcular um valor estimado de polarização de rubídio, P _Rb .

À medida que o SEOP continua a se desenvolver e melhorar, existem vários tipos de bobinas de RMN, fornos, bobinas de geração de campo magnético e lasers que foram e estão sendo usados ​​para gerar gases hiperpolarizados. Geralmente, as bobinas de NMR são feitas à mão para uma finalidade específica, girando o fio de cobre manualmente na forma desejada ou imprimindo em 3D a bobina. Normalmente, o forno é um forno de ar forçado, com duas faces de vidro para que a luz do laser passe através da célula, uma tampa removível e um orifício através do qual é conectada uma linha de ar quente, que permite o aquecimento da célula por condução. As bobinas de geração de campo magnético podem ser um par de bobinas de Helmholtz, usadas para gerar a intensidade do campo magnético desejada, cujo campo desejado é governado por:

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

Onde ω é a frequência de Larmour, ou frequência de detecção desejada, γ é a razão giromagnética dos núcleos de interesse e B ₀ é o campo magnético necessário para detectar os núcleos na frequência desejada. Um conjunto de quatro bobinas eletromagnéticas também pode ser usado (ou seja, da Acutran) e outros projetos de bobinas estão sendo testados.

No passado, a tecnologia de laser era um fator limitante para SEOP, onde apenas alguns metais alcalinos podiam ser usados ​​devido à falta de, por exemplo, lasers de césio. No entanto, houve vários novos desenvolvimentos, incluindo melhores lasers de césio, maior potência, largura espectral mais estreita, etc. que estão permitindo o alcance do SEOP para aumentar. No entanto, existem vários recursos principais necessários. Idealmente, o laser deve ser de onda contínua para garantir que o metal alcalino e o gás nobre permaneçam polarizados o tempo todo. Para induzir essa polarização, a luz do laser deve ser circularmente polarizada na direção que permite que os elétrons se tornem polarizados por spin. Isso é feito passando a luz laser através de um divisor de feixe de polarização para separar os componentes s e p e , em seguida, através de uma placa de um quarto de onda, que converte a luz polarizada linearmente em luz polarizada circularmente.

Gases nobres e metais alcalinos

SEOP foi usado com sucesso e é bastante bem desenvolvido para ³ He, ¹²⁹ Xe e ⁸³ Kr para aplicações biomédicas. Além disso, várias melhorias estão em andamento para obter imagens aprimoradas e interpretáveis ​​de células cancerosas na ciência biomédica. Estudos envolvendo a hiperpolarização do ¹³¹ Xe estão em andamento, despertando o interesse de físicos. Também estão sendo feitas melhorias para permitir que não apenas o rubídio seja utilizado na transferência de rotação, mas também o césio. Em princípio, qualquer metal alcalino pode ser usado para SEOP, mas o rubídio é geralmente preferido devido à sua alta pressão de vapor, permitindo que os experimentos sejam realizados em temperaturas relativamente baixas (80 ° C-130 ° C), diminuindo a chance de danificar o célula de vidro. Além disso, a tecnologia de laser para o metal alcalino de escolha deve existir e ser desenvolvida o suficiente para obter uma polarização substancial. Anteriormente, os lasers disponíveis para excitar a transição de césio D ₁ não eram bem desenvolvidos, mas agora estão se tornando mais poderosos e menos caros. Estudos preliminares até mostram que o césio pode fornecer melhores resultados do que o rubídio, embora o rubídio tenha sido o metal alcalino preferido da SEOP.

O método de hiperpolarização chamado de bombeamento óptico de troca de spin (SEOP) está sendo usado para hiperpolarizar gases nobres como o Xenon-129 e o Hélio-3. Quando a imagem de um gás hiperpolarizado inalado como 3He ou 129Xe, há uma densidade de magnetização mais alta de moléculas ativas de NMR no pulmão em comparação com a imagem tradicional de 1H, o que melhora as imagens de ressonância magnética que podem ser obtidas. Ao contrário da ressonância magnética de prótons, que relata as características anatômicas dos tecidos pulmonares, a ressonância magnética Xenon relata a função pulmonar, incluindo ventilação de gás, difusão e perfusão.

Justificativa

Nosso objetivo é identificar a infecção ou doença (câncer, por exemplo) em qualquer parte do nosso corpo, como cérebro, cérebro, sangue, fluidos e tecidos. Esta célula infecciosa é chamada coletivamente de biomarcador. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS) e em colaboração com as Nações Unidas e a Organização Internacional do Trabalho, definiram de forma convincente o Biomarcador como "qualquer substância, estrutura ou processo que pode ser medido no corpo ou em seus produtos e influenciar ou prever a incidência do resultado ou doença ”. O biomarcador deve ser quantificável até certo nível no processo biológico do bem-estar.

Um exemplo específico de biomarcador é o colesterol no sangue, comumente conhecido por nós, confiável para doenças coronárias; outro biomarcador é o PSA (antígeno específico da próstata) e tem contribuído para o câncer de próstata. Existem muitos biomarcadores que estão sendo considerados como câncer: ácido ribonucleico do vírus da hepatite C (HCV-RNA), Razão Normalizada Internacional (INR), Tempo de Protrombina (PT), Proteína Monoclonal (proteína M), Antígeno do Câncer-125 (CA- 125), Human Immunodeficiency Virus -Ribonucleic Acid (HIV RNA), B-type Natriuretic Peptide (BNP). ²⁷ e células de linfoma (linhas celulares Ramos e linhas celulares Jurkat) uma forma de câncer.

Outros biomarcadores comuns são câncer de mama, câncer de ovário, câncer colorretal, câncer de pulmão e tumor cerebral.

Este agente veredicto causador de doenças é o biomarcador existente em quantidade extremamente pequena, especialmente no estado inicial da doença. Portanto, identificar ou obter imagens de biomarcadores é complicado e, em poucas circunstâncias, incerto pela tecnologia de NMR. Portanto, devemos usar o agente de contraste para realçar as imagens pelo menos para visualizar o nível para os médicos. Como as moléculas do biomarcador são menos abundantes no sistema in vivo . O experimento de NMR ou MRI fornece um sinal muito pequeno, mesmo em alguns casos, o analisador pode perder o pico do sinal nos dados devido à falta de abundância de biomarcadores. Portanto, para ter certeza, para chegar à verdadeira conclusão sobre a existência de biomarcadores causadores de problemas, precisamos melhorar a sonda (mecanismos de contraste) para obter o pico claro no nível mais visível da altura do pico, bem como a posição do pico em dados. Se for possível reunir os dados aceitáveis ​​e claramente interpretáveis ​​do experimento de NMR ou MRI usando o agente de contraste, os especialistas podem dar um passo inicial correto para recuperar os pacientes que já sofreram de câncer. Entre as várias técnicas para obter os dados aprimorados no experimento de ressonância magnética, o SEOP é uma delas.

Pesquisadores da SEOP estão interessados ​​em usar o ¹²⁹ Xe. Porque ¹²⁹ Xe tem uma série de fatos favoráveis ​​em NMR Tech. para trabalhar como um agente de contraste, mesmo sobre os outros novos gases:

• O xenônio inerte não mostra reação química como outros metais e não metais porque a configuração eletrônica do xenônio está totalmente ocupada e também não é radioativa.
• É fácil obter o estado sólido e líquido do estado gasoso que ocorre naturalmente (figura 8). Os estados sólido e líquido de ¹²⁹ Xe são faixas de temperatura e pressão existentes experimentalmente viáveis.
  

  Figura 8. O diagrama acima mostra a temperatura e pressão mais altas nas quais o gás xenônio pode existir nos estados líquido e gasoso simultaneamente.30
• O xenônio possui uma nuvem de elétrons altamente polarizável ao redor do núcleo. Portanto, facilmente propenso a ser solúvel com lipídios ou compostos orgânicos, especialmente no ambiente in vivo , no que diz respeito à biologia. (mesa 2)
• O xenônio não altera estrutural ou quimicamente (da mesma forma outros gases nobres) ao interagir com outras moléculas.
• Segundo o cientista Ostwald, a solubilidade é definida como o coeficiente de partição do gás absorvido para o volume do líquido absorvente. A solubilidade do Xenon, S _{Xe (g)} = V _{quantidade absorvida de Xe (g)} / V _{líquido de absorção} à temperatura e pressão padrão (STP).

Solubilidade do xenônio em meio aquoso 11% significa a 25 ° C 11 mL O gás xenônio pode ser absorvido por 100 mL de água.

• O tamanho atômico do xenônio é grande e os elétrons da camada externa estão longe dos núcleos, o elétron mais externo é altamente propenso a ser polarizado, especialmente no ambiente lipídico. A Tabela 2 mostra a solubilidade do xenônio em meio aquoso a 37 ° C é de 8%, mas em tecido adiposo em ambiente vivo , o valor de solubilidade é de 130%. A solubilidade leva o Xenon a ser utilizado no sistema biológico como agente de contraste.
• O efeito solvente do xenônio é muito grande para o do ¹²⁹ xenônio pelo fato da solubilidade (tabela 2). A faixa de valor do deslocamento químico para o xenônio é superior a 7500 ppm. No entanto, o efeito do solvente é limitado na faixa de ¹ H e ¹³ C (núcleos ativos de ressonância magnética) por causa da faixa de valor de deslocamento químico baixo para ¹ H é 20 ppm e para ¹³ C é 300 ppm. Portanto, é preferível usar o ¹²⁹ Xe.

Figura 9 abaixo, em dados experimentais de NMR, existem diferentes valores de deslocamento químico para diferentes tecidos em ambiente in vivo . Todos os picos são posicionados por meio de uma grande faixa de valores de deslocamento químico para ¹²⁹ Xe é viável. Porque ¹²⁹ Xe tem uma faixa de valores de deslocamento químico de longo alcance de até 1700 ppm nos dados de NMR. Outras informações espectrais importantes incluem:

Figura 9. Dados de NMR para o biossensor Xe-129 no sistema biológico in vivo .

• Naturalmente, o pico de NMR de ¹²⁹ Xe foi contado como referência a 0,0 ppm.
• Quando o ¹²⁹ Xe é incorporado e se liga à molécula de criptofano-A, o valor do deslocamento químico na aquisição de NMR mudou para cerca de 70 ppm.
• Se o gás ¹²⁹ Xe hiperpolarizado for dissolvido no cérebro, então cinco picos espectrais de NMR podem ser observados.
• Entre eles, o pico máximo é de 194,7 ppm. Além disso, a 189 ppm, o pico sai dos tecidos não cerebrais.
• Outros dois picos ainda são desconhecidos em 191,6 ppm e 197,8 ppm. A 209,5 ppm menor, mas um pico largo foi encontrado em dados de NMR quando ¹²⁹ Xe foi dissolvido na corrente sanguínea.
• O ¹²⁹ Xe hiperpolarizado é um detector de biomarcador muito sensível (forma de câncer no sistema vivo).
• A polarização de spin nuclear de ¹²⁹ Xe ou em geral para gases nobres pode aumentar em até cinco vezes por meio da técnica de SEOP.
• Usando a técnica de hiperpolarização SEOP, podemos obter imagens de captação de xenônio no tecido cerebral humano.

Figura 10. Medidas de Polarização de ¹²⁹ Xe (g) na presença de campos magnéticos baixo e intermediário. Todos os valores (AD) são a amplitude do sinal de NMR em μV / KHz vs a frequência de Larmor em KHz. (A) Sinal de NMR de ¹²⁹ Xe (g ) aprimorado na frequência de Larmor de 62 kHz da célula SEOP; Xenon (g) tem 1545 torr e Nitrogênio (g) tem 455 torr de pressão e os dados de NMR foram coletados na presença de campo magnético de 5,26 mT. (B) Sinal de referência de NMR para água Proton Spin (111M), dopagem com CuSO _4. 5H ₂ O (s), 5,0 mM e polarização foi criada termicamente na presença de campos magnéticos de 1,46 mT (o número de varreduras foi 170.000 vezes). (C) Os dados de RMN para hiperpolarizado ¹²⁹ Xe foi recolhido na presença de campos magnéticos 47.5mT. ( ¹²⁹ Xe 300 torr e N ₂ foi 1.700 torr). (D) RMN de referência de sinal para ¹³ C, foi recolhido a partir de 170.0mM CH ₃ COONa (l) na presença de campo magnético de 47,5 mT. ³²

(Figura-10) ¹²⁹ Xe _(g) mostra aprimoramento satisfatório na polarização durante SEOP em comparação com o aprimoramento térmico na polarização. Isso é demonstrado pelos valores de dados experimentais quando os espectros de NMR são adquiridos em diferentes intensidades de campo magnético. Alguns pontos importantes dos dados experimentais são:

• A polarização ¹²⁹ Xe aumentou cerca de 144.000 vezes na tecnologia SEOP. sobre termicamente melhorado para polarização de ¹ H no experimento de NMR. Ambos os experimentos que mostraram isso foram feitos em condições idênticas e usando a mesma frequência de rádio durante o experimento de NMR.
• Um valor semelhante de aumento de sinal de 140.000 vezes para hiperpolarização de ¹²⁹ Xe em SEOP em comparação com o sinal de referência de ¹³ C NMR termicamente melhorado também é visto em dados de NMR experimentais. Ambos os dados foram coletados em frequência Larmor idêntica e outras condições experimentais e mesma frequência de rádio durante a coleta de dados de NMR.

Figura 11. Ressonância magnética de ¹²⁹ Xe (g) estudando na presença de campo alto vs T ₁ (Tempo de Relaxamento do Spin longitudinal) durante o decaimento da hiperpolarização de ¹²⁹ Xe (g) na presença de diferentes intensidades de campo magnético; 3,0 T para triângulo azul, aproximadamente 1,5 mT para círculos vermelhos e aproximadamente 0,0 mT para quadrados brancos. Hiperpolarizado ¹²⁹ Xe (g) foi transferido para miúdos sacos então contado o tempo de decaimento T ₁ na presença de diferentes campos magnéticos separadamente. Aumentar a força do campo magnético (1,5mT a 3000mT) causando o tempo de decaimento em incrementos de aproximadamente oito vezes.

(Figura 11) O tempo de relaxamento do spin longitudinal (T ₁ ) é muito sensível com um aumento do campo magnético e, portanto, o aumento dos sinais de NMR é perceptível no SEOP no caso de ¹²⁹ Xe. Como T ₁ é mais elevado para o azul condicionado marcação mostra experiência de NMR pico mais reforçada comparar a outra. Para ¹²⁹ Xe hiperpolarizado em bolsas tedlar, o T ₁ é 38 ± 12 minutos quando os dados são coletados na presença de campo magnético de 1,5 mT. Entretanto, incremento satisfatório no tempo de retardo T ₁ (354 ± 24 minutos) quando os dados foram coletados na presença de campo magnético de 3000 mT.

Uso de Rb vs. Cs em experimentos de RMN SEOP

Em geral, podemos usar os átomos de metal alcalino ⁸⁷ Rb ou ¹³³ Cs com gás nitrogênio inerte. No entanto, estamos usando ¹³³ átomos de Cs com nitrogênio para fazer a troca de spin com ¹²⁹ Xe por várias vantagens:

• ¹³³ Cs tem abundância natural perfeita, enquanto o rubídio tem dois isótopos ( ⁸⁵ Rb e ⁸⁷ Rb). Abstração de um isótopo separadamente destes dois ( ⁸⁵ Rb e ⁸⁷ Rb) é difícil de comparar para coletar o isótopo ¹³³ Cs. A abstração de ¹³³ Cs é conveniente.
• A célula de bombeamento ótico normalmente é operada em temperatura mais baixa para evitar problemas de decomposição química. SEOP está usando ¹³³ Cs em baixa temperatura e, portanto, tem menos corrosão química com o vidro de parede celular SEOP.
• ^O par ¹³³ Cs- ¹²⁹ Xe tem uma taxa de câmbio de spin de cerca de 10%, que é mais comparada ao casal ⁸⁷ Rb- ¹²⁹ Xe.

Embora ¹²⁹ Xe tenha um monte de aplicações características preferíveis na técnica de NMR, ⁸³ Kr também pode ser usado, uma vez que tem muitas vantagens em técnicas de NMR de maneiras diferentes do ¹²⁹ Xe.

• Isótopo estável de ⁸³ Kr tem spin I = 9/2 e tem paredes de Vander maiores com tamanho 2.02A ⁰ . Tem efeito quadrupolar e pode ser difundido para o ambiente próximo de forma breve e distinta ( sistema in vivo de mídia polar para apolar ).
• A composição química dos materiais pode influenciar o relaxamento longitudinal do ⁸³ Kr hiperpolarizado .
• O relaxamento pode distinguir entre o substrato hidrofóbico e hidrofílico. Embora ³ He e ¹²⁹ Xe tenham metade do spin, eles não são quadrupolares ativos.
• No entanto, os ²¹ Ne ( I = 3/2 ) , ⁸³ Kr ( I = 9/2 ) e ¹³¹ Xe ( I = 3/2 ) têm momento quadrupolar. ^{34 As} interações quadrupolares fazem com que esses isótopos tenham relaxamento de spin.
• Devido a este relaxamento de spin e evolução, esses isótopos podem ser usados ​​como agentes de contraste para dizer sobre a sonda pode determinar a característica estrutural e composições químicas das superfícies para um meio permeável.
• SEOP pode calcular o relaxamento de spin T ₁ usando a equação de ajuste de mínimos quadrados não linear para sinal de ⁸³ Kr como uma função do tempo, bem como número experimental de ângulo de inversão de mídia (≈12 °) para pulsos de radiofrequência experimentando NMR.
• O ⁸³ Kr hiperpolarizado está sendo separado dos gases de ⁸⁷ Rb após a troca de spin no processo de bombeamento óptico e, em seguida, usado em vários sistemas in vivo para obter o sinal de ressonância magnética. Este é o primeiro isótopo que apresentou grande aplicabilidade para a técnica de ressonância magnética, embora tenha o spin de 9½.
• Durante o experimento com tecido pulmonar canino, o ímã utilizado foi de 9,4 T, o meio era poroso e com porosidade semelhante às dimensões alveolares que se disseminam à pressão atmosférica. O relaxamento da rede de spin foi razoavelmente longo o suficiente para ser aplicável no sistema in vivo , embora o nível de oxigênio pudesse ser de 20%.
• Como o agente de contraste ⁸³ Kr é promissor no desenvolvimento de metodologia de ressonância magnética in vivo para identificar epicamente as doenças pulmonares, esses efeitos foram causados ​​na superfície do parênquima devido à concentração de surfactante.
• Projetado os limites, esse agente de contraste específico pode trabalhar para descobrir o tamanho do derramamento de meios porosos na ciência dos materiais.
• Além disso, esta técnica pode nos levar a preparar o revestimento da superfície, as flutuações espaciais das superfícies. Eventualmente, nunca acabando com o bom sinal deste agente contrastante como abundância natural (11,5% de ⁸³ Kr) torna mais fácil obter com preço razoável $ 5 / L.

Aplicações de imagens de SEOP

Passos também estão sendo dados na academia e na indústria para usar este gás hiperpolarizado para imagens de pulmão. Uma vez que o gás ( ¹²⁹ Xe) é hiperpolarizado por meio do processo SEOP e o metal alcalino é removido, um paciente (saudável ou sofrendo de uma doença pulmonar) pode respirar o gás e fazer uma ressonância magnética. Isso resulta em uma imagem dos espaços nos pulmões preenchidos com o gás. Embora o processo para chegar ao ponto de obtenção de imagens do paciente possa exigir conhecimento de cientistas muito familiarizados com esta técnica e o equipamento, medidas estão sendo tomadas para eliminar a necessidade desse conhecimento para que um técnico hospitalar seja capaz de produzir o gás hiperpolarizado usando um polarizador.

Máquinas de hiperpolarização estão sendo usadas atualmente para desenvolver gás xenônio hiperpolarizado que é usado como agente de visualização para os pulmões. O Xenon-129 é um gás nobre inerte seguro que pode ser usado para quantificar a função pulmonar. Com uma única apneia de 10 segundos, o Xenon-129 hiperpolarizado é usado com ressonância magnética para permitir imagens pulmonares tridimensionais. Xenon MRI está sendo usado para monitorar pacientes com doença pulmonar vascular pulmonar, obstrutiva ou fibrótica.

Aumento de temperatura ¹²⁹ Xe SEOP em um modelo de lote automatizado de alto rendimento hiperpolarizado ¹²⁹ Xe pode utilizar três faixas de temperatura principais para colocar certas condições: Primeiro, a taxa de hiperpolarização de ¹²⁹ Xe é superlativa alta em condição quente. Em segundo lugar, em condições quentes, a hiperpolarização de ¹²⁹ Xe é a unidade. Terceiro, em condição fria, o nível de hiperpolarização do gás ¹²⁹ Xe pelo menos pode obter a imagem (na temperatura do corpo humano), embora durante a transferência para o saco de Tedlar tendo uma porcentagem pobre de ⁸⁷ Rb (dose inferior a 5 ng / L).

A análise multiparâmetros de ⁸⁷ Rb / ¹²⁹ Xe SEOP em alta pressão de xenônio e fluxo de fótons pode ser usada como impressão 3D e agente de contraste de fluxo interrompido em escala clínica. Em situ técnica, a máquina de RMN foi executado para rastrear a dinâmica de ¹²⁹ Xe polarização como uma função de-célula SEOP condicionado com parâmetros operacionais diferentes, tais como dados de temperatura recolha, de fluxo de fótons, e ¹²⁹ Xe pressão parcial para melhorar o ¹²⁹ Xe polarização ( P _Xe ).

Todos esses valores de polarização de ¹²⁹ Xe foram aprovados empurrando o gás ¹²⁹ Xe hiperpolarizado e todos os experimentos de ressonância magnética também feitos em campo magnético inferior 47,5 mT. Por fim, as demonstrações indicaram que em tal região de alta pressão, a polarização dos gases ¹²⁹ Xe poderia ser incrementada ainda mais que o limite que já foi mostrado. O melhor gerenciamento térmico de SEOP e a otimização da cinética de polarização foram aprimorados ainda mais com boa eficácia.

SEOP em sólidos

O SEOP não só pode ser usado para hiperpolarizar gases nobres, mas um desenvolvimento mais recente é o SEOP em sólidos. Foi realizado pela primeira vez em 2007 e foi usado para polarizar núcleos em um sólido, permitindo que núcleos que não podem ser polarizados por outros métodos se tornem hiperpolarizados. Por exemplo, a polarização nuclear de ¹³³ Cs na forma de um filme sólido de CsH pode ser aumentada acima do limite de Boltzmann. Isso é feito primeiro bombeando opticamente o vapor de césio e, em seguida, transferindo a polarização de spin para o sal CsH, resultando em um aumento de 4,0.

As células são feitas conforme descrito anteriormente usando destilação, então preenchidas com gás hidrogênio e aquecidas para permitir que o metal Cs reaja com o hidrogênio gasoso para formar o sal CsH. O hidrogênio que não reagiu foi removido e o processo foi repetido várias vezes para aumentar a espessura do filme CsH, então pressurizado com gás nitrogênio. Normalmente, os experimentos de SEOP são feitos com a célula centralizada em Helmholtz ou bobinas eletromagnéticas, conforme descrito anteriormente, mas esses experimentos foram feitos em um ímã supercondutor de 9,4 T, direcionando o laser através do ímã e aquecendo eletricamente a célula. No futuro, pode ser possível utilizar esta técnica de polarização de transferência para ⁶ Li ou ⁷ Li, levando a ainda mais aplicações uma vez que o T ₁ está prevista para ser mais longo. Desde a descoberta desta técnica que permite a caracterização de sólidos, ela foi aprimorada de tal forma que a luz polarizada não é necessária para polarizar o sólido; em vez disso, pode-se usar luz não polarizada em um campo magnético. Neste método, a lã de vidro é revestida com sal CsH, aumentando a área de superfície do CsH e, portanto, aumentando as chances de transferência de spin, produzindo aprimoramentos de 80 vezes em campo baixo (0,56 T). Como no filme CsH hiperpolarizado, o césio metálico neste método de lã de vidro foi permitido reagir com o gás hidrogênio, mas neste caso o CsH se formou nas fibras de vidro em vez da célula de vidro.

Bombeamento ótico de troca de metaestabilidade

³ Ele também pode ser hiperpolarizado usando bombeamento ótico de troca de metaestabilidade (MEOP). Este processo é capaz de polarizar ³ núcleos He no estado fundamental com ³ núcleos He opticamente bombeados no estado metaestável. MEOP envolve apenas ³ núcleos He à temperatura ambiente e a baixa pressão (alguns mbars). O processo de MEOP é muito eficiente (alta taxa de polarização), porém, é necessária a compressão do gás até a pressão atmosférica.

Polarização nuclear dinâmica

Os compostos contendo núcleos sensíveis a RMN , como ¹ H, ¹³ C ou ¹⁵ N , podem ser hiperpolarizados usando polarização nuclear dinâmica (DNP). DNP é normalmente executado em baixa temperatura (≈100 K) e alto campo magnético (≈3 T). O composto é subsequentemente descongelado e dissolvido para produzir uma solução à temperatura ambiente contendo núcleos hiperpolarizados. Este líquido pode ser usado em imagens metabólicas in vivo para oncologia e outras aplicações. Os níveis de polarização de ¹³ C em compostos sólidos podem atingir até ≈64% e as perdas durante a dissolução e transferência da amostra para medições de NMR podem ser minimizadas a alguns por cento. Os compostos contendo núcleos ativos por NMR também podem ser hiperpolarizados usando reações químicas com para-hidrogênio , consulte Para-Hydrogen Induced Polarization (PHIP).

Polarização induzida por parahidrogênio

O hidrogênio molecular, H ₂ , contém dois isômeros de spin diferentes , para-hidrogênio e orto-hidrogênio, com uma proporção de 25:75 à temperatura ambiente. A criação de polarização induzida por para-hidrogênio (PHIP) significa que essa proporção é aumentada, em outras palavras, que para-hidrogênio é enriquecido. Isso pode ser realizado resfriando o gás hidrogênio e, em seguida, induzindo a conversão orto-para-para por meio de um catalisador de óxido de ferro ou carvão. Ao realizar este procedimento a ≈70 K (ou seja, com nitrogênio líquido), o para-hidrogênio é enriquecido de 25% a ca. 50%. Ao resfriar abaixo de 20 K e então induzir a conversão orto-para-para, pode-se obter quase 100% de para-hidrogênio.

Para aplicações práticas, o PHIP é mais comumente transferido para moléculas orgânicas pela reação do hidrogênio hiperpolarizado com moléculas precursoras na presença de um catalisador de metal de transição. Sinais de RMN de protão com ca. A intensidade aumentada de 10.000 vezes pode ser obtida em comparação com sinais de NMR da mesma molécula orgânica sem PHIP e, portanto, apenas polarização "térmica" à temperatura ambiente.

Amplificação de sinal por troca reversível (SABRE)

A amplificação de sinal por troca reversível (SABRE) é uma técnica para hiperpolarizar amostras sem modificá-las quimicamente. Comparado ao ortohidrogênio ou às moléculas orgânicas, uma fração muito maior dos núcleos de hidrogênio no parahidrogênio se alinha com um campo magnético aplicado. No SABRE, um centro de metal se liga reversivelmente à molécula de teste e a uma molécula de para-hidrogênio, facilitando a molécula alvo para pegar a polarização do para-hidrogênio. Esta técnica pode ser melhorada e utilizada para uma ampla gama de moléculas orgânicas usando uma molécula de "relé" intermediária como a amônia. A amônia se liga com eficiência ao centro do metal e capta a polarização do para-hidrogênio. A amônia então transfere outras moléculas que não se ligam tão bem ao catalisador de metal. Este sinal de NMR aprimorado permite a análise rápida de quantidades muito pequenas de material.

Veja também

• Polarização nuclear dinâmica
• Ressonância paramagnética de elétrons
• Ressonância magnética com carbono 13 hiperpolarizado

Referências

links externos

• Europhysics - "Respire o gás nobre polarizado"
• Universidade da Virgínia - "Imagens de RM de gás hiperpolarizado"
• Swiss DNP Initiative - "DNP-NMR ¹³ C Hyperpolarization"