초극화(물리학)

Hyperpolarization (physics)

초극화란 볼츠만 분포에 의해 결정되는 열 평형 조건을 훨씬 넘어 자기장에서 물질의 핵 스핀 양극화를 말한다.[1]열평형 수준보다 10-10배45 높은 인수로 양극화 수준을 높일 수 있는 Xe와 He와 같은 기체와 작은 분자에 적용할 수 있다.고극화된 고귀한 가스는 일반적으로 폐의 자기공명영상(MRI)에 사용된다.[2]고극화된 작은 분자는 일반적으로 체내 대사 영상에 사용된다.예를 들어, 초극화 대사물을 동물이나 환자에게 주입할 수 있고 대사 변환을 실시간으로 추적할 수 있다.그 밖에 매우 편극화된 대상(3He), 표면 상호작용 연구, 중성자 편극화 실험에서 편극화된 전자를 산란시켜 중성자 스핀 구조의 기능을 결정하는 응용도 있다.[3]null

스핀 교환 광학 펌프

소개

스핀 교환 광학 펌핑(SEOP)[3]은 이 페이지에서 논의되는 여러 가지 초극화 기법 중 하나이다.이 기법은 HE, Xe, 4극성 Xe, Kr, Ne와 같은 고귀한 기체를 만드는 것을 전문으로 한다.[4] SEOP는 가스 단계에서 수행되기 때문에 화학적으로 불활성화, 비반응성, 알칼리 금속과 관련하여 화학적으로 안정적이며, 그1 T는 양극화를 일으키기에 충분할 정도로 길다.스핀 1/2의 고귀한 가스는 이 모든 요건을 충족하며, 스핀 3/2의 고귀한 가스는 어느 정도 충족하지만, 일부 스핀 3/2는 충분한 T를1 가지고 있지 않다.이러한 고귀한 기체들은 각각 폐의 생체내 분자 영상과 기능적 영상화를 통해 폐공간과 조직을 특징짓는 것과 같은 고유한 응용을 가지고 있어, 건강한 대 암세포의 대사 변화를 연구하거나,[4] 핵물리학 실험의 대상으로 삼는다.[5]이 과정에서 적절한 파장에 맞춰진 원형 편광 적외선 레이저 광선을 사용하여 밀폐된 유리 용기 내부의 세슘이나 루비듐과 같은 알칼리 금속의 전자를 흥분시킨다.적외선 빛은 나트륨 전자를 흥분시키는 데 필요한 파장은 이 영역(표 1) 아래에 있지만 알칼리 금속 전자를 흥분시키는 데 필요한 파장을 포함하고 있기 때문에 필요하다.null

표 1.
알칼리 금속 파장(nm)
나트륨[6] 590.0
루비듐[7] 794.7
세슘[8] 894.0

각운동량은 알칼리 금속 전자에서 고귀한 가스 핵으로 충돌을 통해 전달된다.질소는 담금질 가스로 사용되는데, 이는 편광 알칼리 금속의 형광을 막아 고귀한 가스의 탈극화를 초래하게 된다.형광을 완화하지 않으면 이완 중에 방출되는 빛은 임의로 극성을 띠게 되어 원형으로 편광된 레이저 빛에 대항하여 작용하게 된다.용도에 따라 다른 크기의 유리 용기(세포라고도 함)가 사용되며 따라서 다른 압력이 사용되지만, SEOP에는 고귀한 가스와 질소의 총 압력의 1 아마가트, 형광의 해소를 위해서는 0.1 아마가트의 질소 밀도가 필요하다.[3]Xe 초극화 기술의 큰 발전은 1-2 L/min의 유량에서 50% 이하의 수준을 달성하여 인간의 임상적 응용이 가능해졌다.[9]null

역사

SEOP의 발견은 완전한 기술을 만들기 위해 모든 조각들이 제자리에 들어가기까지 수십 년이 걸렸다.첫째, 1897년 지만의 나트륨 증기 연구는 광학 펌핑의 첫 번째 결과로 이어졌다.[4][10]다음 작품은 1950년 카스틀러가 적용된 자기장을 이용해 루비듐 알칼리 금속 증기를 전자적으로 스핀폴라화하여 공진성 원형 편광으로 증기를 밝히는 방법을 결정하면서 발견되었다.[4]10년 후 마리안 부이코, T. M. 카버, C.M. Varnum은 스핀 교환을 수행했는데, 이 교환은 전자 스핀 양극화가 가스 페이싱 충돌을 통해 고귀한 가스(3He와 Xe)의 핵 스핀으로 전달되었다.[4]이후 이 방법은 크게 개선되고 확장되어 다른 고귀한 기체와 알칼리 금속과 함께 사용하게 되었다.null

이론

그림 1.루비듐 전자의 흥분 전환.

흥분, 광학 펌핑, 스핀 교환의 공정을 보다 쉽게 설명하기 위해 이 공정에 사용되는 가장 일반적인 알칼리 금속인 루비듐을 예로 들 것이다.루비듐은 홀수 수의 전자를 가지고 있는데, 가장 바깥쪽 껍질에 있는 한 개만 적당한 조건에서 흥분할 수 있다.두 가지 전환이 발생할 수 있는데, 하나는 5S21/2 상태에서 5P23/2 상태로 전환되는 D라인1, 다른 하나는 5S에서21/2 5P21/2 상태로 전환되는 D라인을2 가리킨다.[7][11]D와1 D2 전환은 루비듐 원자가 각각 794.7nm와 780nm의 파장에서 빛으로 조명되는 경우에 발생할 수 있다(그림 1).[7]어느 한쪽의 흥분도 유발할 수 있지만1, D 전환이 일어나도록 레이저 기술이 잘 발달되어 있다.이 레이저들은 루비듐의 D1 파장(794.7nm)에 맞춰져 있다고 한다.null

그림 2. 자장 B가0 존재하는 곳에서 에너지가 갈라지는 스핀에 적용된 자기장의 효과

열 평형 이상으로 양극화 수준을 높이려면 스핀 상태의 모집단을 변경해야 한다.자기장이 없는 경우 스핀 I = ½ 핵의 두 스핀 상태는 동일한 에너지 레벨이지만 자기장이 있는 경우 에너지 레벨이 ms = ±1/2 에너지 레벨로 분할된다(그림 2).[12]여기서 m은s 가능한 값이 +1/2(스핀 업) 또는 -1/2(스핀 다운)인 스핀 각도 모멘텀으로, 종종 위아래를 가리키는 벡터로 그려진다.이 두 에너지 수준 사이의 모집단 차이는 NMR 신호를 생성하는 것이다.예를 들어 스핀 다운 상태의 두 전자는 스핀 업 상태의 두 전자를 취소하여 하나의 스핀 업 핵만 NMR로 검출되게 한다. 다만, 이러한 상태의 모집단은 초극화를 통해 변화될 수 있어 스핀 업 에너지 수준이 더욱 충만해질 수 있고 따라서 NMR 신호를 증가시킬 수 있다.이것은 우선 알칼리 금속을 광학적으로 펌핑한 다음, 양극화를 고귀한 가스 핵으로 옮겨 스핀업 상태의 인구를 증가시키는 방법으로 이루어진다.null

그림 3.원형 편광 빛이 알칼리 금속 원자와 상호작용할 때 발생하는 전환.

알칼리 금속에 의한 레이저 광의 흡수는 SEOP의 첫 번째 과정이다.[3]알칼리 금속의 D1 파장에 맞춰진 좌순환 편광은 스핀 다운 S1/2(ms=-1/2) 상태에서 스핀 업 P1/2(ms=+1/2) 상태로 전자를 흥분시킨다. 여기서 고귀한 가스 원자가 알칼리 금속 원자와 충돌하고 ms=-1/2 상태가 부분적으로 채워지면서 충돌 혼합이 일어난다(그림 3).[3]저자기장에서는 한 가지 유형의 각운동량만 흡수할 수 있어 스핀들이 극성을 낼 수 있기 때문에 원형 편광 빛이 필요하다.[3]그 후 원자가 질소와 충돌할 때 흥분 상태s(m=±1/2)에서 지면 상태s(m=±1/2)로 이완이 일어나 형광 가능성을 잠재우고 전자가 동일한 모집단에서 두 개의 접지 상태로 돌아가도록 한다.[3]스핀들이 탈극화(ms=-1/2 상태로 되돌아가면 연속파 레이저 광선에 다시 흥분하고 그 과정이 반복된다.이렇게 하면s m=+1/2 상태에서 더 많은 수의 전자 스핀이 축적된다.루비듐의 양극화 P는Rb 아래 공식을 사용하여 계산할 수 있다.

여기서 n과↑ n은↓ 스핀 업(mS=+1/2) 및 스핀 다운(mS=-1/2) S 상태의1/2 원자의 수입니다.[13]null

그림 4.A) 이항 충돌 및 B) 반 데르 발스 힘을 통한 양극화 전달

다음으로 광학적으로 펌프된 알칼리 금속이 고귀한 기체와 충돌하여 알칼리 금속 전자 양극화가 고귀한 기체 핵에 전달되는 곳에서 스핀 교환이 일어날 수 있다(그림 4).이것이 일어날 수 있는 두 가지 메커니즘이 있다.각운동량은 이항 충돌(그림 4A, 2체 충돌이라고도 함)을 통해 전달되거나 고귀한 가스, N2 완충가스, 증기상 알칼리 금속이 반데르발스 힘을 통해 근접하게 유지되는 동안(그림 4B, 3체 충돌이라고도 함)[3]에 의해 전달될 수 있다.이항 충돌에 비해 판데르 발스 힘이 매우 작은 경우(헤의 경우 그러하다)에는 고귀한 가스와 알칼리 금속이 충돌하여 양극화가 AM에서 고귀한 가스로 전이된다.[3]Xe의 경우 2진 충돌도 가능하다.고압에서는 판데르 발스 힘이 지배하지만, 저압에서는 이진 충돌이 지배한다.[3]null

양극화 심화

이러한 흥분, 양극화, 탈극화, 재극화 등의 사이클은 순극화가 달성되기까지는 시간이 걸린다.핵 양극화의 축적 PN(t)는 다음을 통해 주어진다.

여기서 ⟨PA⟩은 알칼리 금속 양극화, γ은SE 스핀환율, γ은 고귀한 가스의 종방향 이완율이다.[14]핵 양극화의 완화는 몇 가지 메커니즘을 통해 발생할 수 있으며 이러한 기여의 합으로 작성된다.

여기서 γt, γp, γg, γ은w 각각 과도성 Xe2 조광기, 지속성 Xe2 조광기, 적용된 자기장의 구배를 통한 확산, 벽 이완으로부터의 이완을 나타낸다.[14]대부분의 경우 전체 이완의 가장 큰 기여자는 집요한 조광기와 벽 이완이다.[14]세2 디머는 두 개의 세 원자가 충돌할 때 발생할 수 있고 반 데르 발스 힘을 통해 함께 붙을 수 있으며, 세 번째 원자가 충돌할 때 깨질 수 있다.[15]판데르발스(Van der Wals)의 힘을 통해 서로 가까이 붙는 스핀 교환(spin transfer) 시 Xe-Rb와 유사하다.[15]벽 이완은 초극화된 세가 세포의 벽과 충돌하여 유리 속의 파라마틱 불순물로 인해 탈극화되는 것을 말한다.null

빌드 시간 상수인 γ은B 정상 상태 양극화에 도달하는 데 걸리는 시간(즉, 달성 가능한 최대 양극화, 최대 신호 출력으로 볼 수 있음) 내에 드는 시간 간격에 NMR 스펙트럼을 수집하여 측정할 수 있다.그런 다음 신호 통합은 시간에 따라 표시되며 빌드 시간 상수를 얻기 위해 적합할 수 있다.몇 가지 다른 온도에서 축적 곡선을 수집하고 알칼리 금속 증기 밀도의 함수로 값을 표시하면(세포 온도가 증가하면 증기 밀도가 증가하기 때문에) 다음을 사용하여 스핀 파괴율과 원자당 스핀 환율을 결정할 수 있다.

여기서 'γ'은 원자당 스핀 환율이고, [AM]은 알칼리 금속 증기 밀도, γ은SD 스핀 파괴율이다.[16]이 플롯은 선형이어야 하며 여기서 'γ'은 기울기, γ은SD y 절편이다.null

이완:T1

스핀 교환 광학 펌핑은 지속적인 조명으로 무한정 지속될 수 있지만, 양극화가 완화되어 조명이 정지되었을 때 열 평형 모집단으로 되돌아가는 여러 요인이 있다.폐 영상과 같은 용도에 극지방화된 고귀한 가스를 사용하기 위해서는 가스를 실험 설정에서 환자로 옮겨야 한다.가스가 더 이상 광학적으로 활발하게 펌프질되지 않는 순간, 열 평형에 도달할 때까지 극지방화의 정도가 감소하기 시작한다.그러나 초극화는 환자에게 가스를 전달하고 이미지를 얻을 수 있을 만큼 충분히 오래 지속되어야 한다.T로1 표시된 종방향 스핀 이완 시간은 조명이 정지되면 시간이 지남에 따라 양극화가 감소하므로 NMR 스펙트럼을 수집하여 쉽게 측정할 수 있다.이러한 완화율은 몇 가지 탈극화 메커니즘에 의해 제어되며 다음과 같이 기록된다.

세 가지 기여 용어가 충돌 완화(CR), 자기장 불균형(MFI)[17] 완화, 파라마그네틱 산소(O2)의 존재에 의한 이완에 관한 경우.CR, MFI, O의 효과를 줄이기2 위해 얼마나 많은 주의를 기울이느냐에 따라 T1 지속시간은 분에서 몇 시간까지 될 수 있다.마지막 항은 0.360s−1 amagat으로−1 정량화되었지만,[18] 전체 T에1 대한 기여 정도는 실험 설정과 셀이 얼마나 잘 최적화되고 준비되는가에 따라 달라지기 때문에 첫 번째 항과 두 번째 항은 정량화하기가 어렵다.[18]null

SEOP의 실험 설정

그림 5.2" 직경 10" 길이의 광전지 사진.

SEOP를 수행하기 위해서는 먼저 광전지를 준비해야 한다.광전지(그림 5)는 염두에 둔 특정 시스템을 위해 설계되었으며, 일반적으로 피렉스 유리(보로실리케이트)라는 투명한 재료를 사용하여 날아간 유리를 사용한다.그런 다음 이 셀을 청소하여 모든 오염물질, 특히 양극화와1 T를 감소시키는 파라자성 물질을 제거해야 한다.그런 다음 세포의 내부 표면을 (a) 알칼리 금속에 의한 부식 가능성을 줄이기 위해 유리의 보호막 역할을 하며, (b) 세포 벽과 편극화된 가스 분자의 충돌에 의한 탈극화를 최소화한다.[19]벽의 이완을 줄이면 고귀한 가스의 양극화가 길어지고 높아진다.[19]null

그림 6.SurfaSil의 구조.

수년간1 여러 코팅을 시험해 본 적이 있지만, SurfaSille(현재 탄화수소 가용성 실리콘화 유체)은 긴 T 값을 제공하기 때문에 1:10 SurfaSil: 헥산 비율에 사용되는 가장 일반적인 코팅이다.[19]수르파실층의 두께는 약 0.3-0.4μm이다.[19]균등하게 코팅되고 건조되면 세포는 비활성 환경에 놓이고 알칼리 금속 한 방울(200200mg)이 세포 안에 들어가 세포 벽에 균일한 코팅이 된다.알칼리 금속을 세포로 옮기는 한 가지 방법은 증류하는 것이다.[20]증류법에서 셀은 가압 가스와 진공을 모두 담을 수 있도록 장착된 유리 다지관에 연결되며, 여기서 알칼리 금속 앰플이 연결된다.[21]다지관과 셀이 진공상태로 된 다음 앰플 밀봉이 깨지고 알칼리 금속이 가스 토치의 불꽃을 이용해 셀 안으로 옮겨진다.[21]그리고 나서 그 세포는 질소와 고귀한 가스의 원하는 가스 혼합물로 채워진다.[5]세포 준비 단계(세포를 대기 중으로 노출)에서 세포에 독을 주지 않도록 주의해야 한다.null

몇 년 동안 여러 개의 세포 크기와 디자인이 사용되어 왔다.원하는 애플리케이션은 광학 펌핑 셀의 설계를 좌우하는 것이며 레이저 직경, 최적화 요구 및 임상 사용 고려사항에 의존한다.특정 알칼리 금속과 기체도 원하는 용도에 따라 선택된다.null

그림 7.알칼리 금속, 고귀한 가스, 질소 가스를 포함한 광전지를 밝히는 실험 설정.

셀이 완성되면 표면 코일(또는 원하는 코일 유형에 따라 코일)을 셀 바깥쪽에 테이프로 고정하는데, a)는 편광 스핀을 검출장(x,y 평면)에 기울이기 위해 RF 펄스를 생성하도록 하고 b)은 편광 핵 스핀에서 생성되는 신호를 검출한다.셀을 오븐에 넣어 셀과 내용물을 가열하여 알칼리 금속이 증기 위상에 진입하게 하고, 셀은 (z축을 따라) 적용된 자기장을 생성하는 코일 계통에 중심을 둔다.알칼리 금속의 D라인1(전기-디폴 전환[14])에 맞춰 조정되고 광전지 직경과 일치하는 빔 직경을 가진 레이저를 레이저 광선에 의해 전체 셀이 조명되어 가능한 최대의 양극화를 제공하는 방식으로 셀의 광학 평판과 정렬한다(그림 7).레이저는 수십 와트에서 수백 와트의 와트 사이에 있을 수 있으며,[3] 높은 전력으로 인해 양극화가 더 커지지만 비용이 더 많이 든다.양극화를 더욱 높이기 위해 셀 뒤쪽에 역반사 거울을 배치해 레이저 광선을 셀을 두 번 통과시킨다.또한 거울 뒤에 IR 홍채(IR iris)가 배치되어 알칼리 금속 원자에 의한 레이저 광 흡수 정보를 제공한다.레이저가 전지를 밝히고 있지만 전지가 상온에 있을 때 IR 홍채는 전지를 통과하는 레이저 빛의 투과율을 측정하는 데 사용된다.세포가 가열되면 루비듐이 증기 단계로 들어가 레이저 광선을 흡수하기 시작하여 투과율이 감소한다.셀이 가열되는 동안 상온 스펙트럼과 취한 스펙트럼 사이의 IR 스펙트럼의 차이는 루비듐 양극화 추정값인 P를Rb 계산하는 데 사용될 수 있다.

SEOP가 계속 발전하고 발전함에 따라, NMR 코일, 오븐, 자기장 생성 코일, 레이저의 여러 종류가 있으며, 이러한 코일들은 초극화 가스 생성에 사용되고 있다.일반적으로 NMR 코일은 원하는 모양으로 구리선을 손으로 돌리거나 [22]코일을 3D 프린팅하여 특정 목적을 위해 손으로 만든다.[23]흔히 오븐은 강제공기 오븐으로 레이저 빛이 셀을 통과할 수 있도록 유리로 만든 두 개의 얼굴, 탈착식 뚜껑, 열기구 라인이 연결되는 구멍 등을 갖추고 있어 전도를 통해 셀을 가열할 수 있다.[24]자기장 생성 코일은 원하는 자기장 강도를 생성하는 데 사용되는 헬름홀츠 코일의 한 쌍일 수 있으며,[24] 원하는 자기장은 다음과 같이 제어된다.

여기서 Ω은 라르무르 주파수, 즉 원하는 검출 주파수, ,은 관심 핵의 자성비, B는0 원하는 주파수에서 핵을 검출하는 데 필요한 자기장이다.[25]4개의 전자파 코일 세트를 사용할 수 있으며(즉, Acutran에서)[22] 다른 코일 설계를 시험하고 있다.null

과거 레이저 기술은 세슘 레이저가 부족해 알칼리 금속을 몇 개만 사용할 수 있는 SEOP의 제한 요소였다.그러나, SEOP의 범위를 증가시킬 수 있는 더 나은 세슘 레이저, 더 높은 전력, 더 좁은 스펙트럼 폭 등을 포함한 몇 가지 새로운 발전이 있었다.그럼에도 불구하고 몇 가지 주요 기능이 필요하다.이상적으로는 알칼리 금속과 고귀한 가스가 항상 극성을 유지하도록 연속파여야 한다.이러한 양극화를 유도하기 위해서는 레이저 광선을 전자가 스핀 극성을 낼 수 있는 방향으로 원형으로 극화시켜야 한다.이는 편광빔 스플리터를 통해 레이저 광선을 통과시켜 s와 p 성분을 분리한 다음, 선형 편광광을 원형 편광으로 변환하는 쿼터파 판을 통해 이루어진다.[17]null

노블 가스 및 알칼리 금속

SEOP는 성공적으로 사용되었고 He, Xe, Kr을 위해 꽤 잘 개발되었다.[4]또한, 생물의학에서 암세포의 강화된 해석 가능한 영상을 얻기 위해 몇 가지 개선이 진행 중이다.[26]Xe의 초극화와 관련된 연구가 물리학자들의 관심을 정점으로 진행되고 있다.회전 전이 시 루비듐뿐만 아니라 세슘도 활용할 수 있도록 개선도 이뤄지고 있다.원칙적으로 모든 알칼리 금속은 SEOP에 사용할 수 있지만 루비듐은 일반적으로 증기압이 높아 상대적으로 낮은 온도(80°C-130°C)에서 실험을 할 수 있어 유리셀에 손상을 줄인다.[3]또한, 선택되는 알칼리 금속을 위한 레이저 기술은 존재해야 하며 상당한 양극화를 가져올 수 있을 만큼 충분히 개발되어야 한다.이전에는 D1 세슘 전환을 흥분시키기 위해 사용할 수 있는 레이저가 잘 개발되지 않았지만, 이제는 더욱 강력해지고 가격도 저렴해지고 있다.심지어 예비 연구들은 루비듐이 SEOP에 선택되는 알칼리 금속이었음에도 불구하고 세슘이 루비듐보다 더 나은 결과를 제공할 수 있다는 것을 보여준다.null

스핀 교환 광학 펌핑(SEOP)이라 불리는 극극화 방법이 제논-129나 헬륨-3 같은 고귀한 가스를 극극화시키는 데 사용되고 있다.3He나 129Xe와 같은 흡입된 고극화 가스가 영상화되면 기존의 1H 영상화 대비 폐 내 NMR 활성 분자의 자기화 밀도가 높아져 얻을 수 있는 MRI 영상을 개선한다.제논MRI는 폐조직의 해부학적 특징을 보고하는 양성자 MRI와 달리 가스환기, 확산, 관류 등 폐 기능을 보고한다.[27]null

이론적 근거

우리의 목표는 뇌, 뇌, 혈액, 유체, 조직 등 우리 몸의 어느 곳이나 감염이나 질병(암)을 확인하는 것이다.이 전염성 세포는 집단적으로 바이오마커라고 불린다.[28]세계보건기구(WHO)에 따르면 유엔과 국제노동기구(ILO)와의 협력은 바이오마커를 "신체나 그 제품에서 측정할 수 있고 결과나 질병의 발생에 영향을 미치거나 예측할 수 있는 모든 물질, 구조 또는 과정"이라고 설득력 있게 정의했다.바이오마커는 웰빙에서 생물학적 공정에서 일정 수준까지 수량화할 수 있어야 한다.[28]null

바이오마커의 한 가지 구체적인 예는 관상동맥 심장질환에 대해 신뢰할 수 있는 우리와 공통적으로 알고 있는 혈중 콜레스테롤이다. 또 다른 바이오마커는 PSA(Prostate-Specific Antog)이며 전립선암에 기여해 왔다.[28]많은 바이오마커들이 암으로 간주되고 있다.Hepatitis C virus ribonucleic acid (HCV-RNA), International Normalized Ratio (INR), Prothrombin Time (PT), Monoclonal Protein (M protein), Cancer Antigen-125 (CA-125), Human Immunodeficiency Virus -Ribonucleic Acid (HIV RNA), B-type Natriuretic Peptide (BNP).27and Lymphoma cell (Ramos cell lines and Jurkat cell lines) a form of cancer.[29]null

다른 일반적인 바이오마커로는 유방암, 난소암, 대장암, 폐암, 뇌종양 등이 있다.[30]null

이 질병 유발 평결원은 바이오마커는 현존하는 극미량, 특히 질병의 초기 상태에 있다는 것이다.따라서, 바이오마커의 이미지를 식별하거나 얻는 것은 까다롭고, NMR 기술에 의해 불확실한 경우가 거의 없다.따라서, 우리는 적어도 의사들에게 수준을 시각화하기 위해 이미지를 향상시키기 위해 대조약제를 사용해야 한다.바이오마커의 분자는 생체내 체계가 덜 풍부하다.NMR이나 MRI 실험은 극히 작은 신호를 제공하는 경우도 있는데, 분석기가 생체 마커가 풍부하지 않아 데이터에서 신호 피크를 놓칠 수 있다.따라서 트러블을 일으키는 바이오마커의 존재에 대한 진정한 결론에 도달하기 위해서는 탐사선(대비 메커니즘)을 강화하여 데이터에서 피크 위치뿐만 아니라 가장 가시적인 최고 높이에서 클리어 피크를 얻을 필요가 있다.대조약제를 사용해 NMR이나 MRI 실험에서 수용 가능하고 명확하게 해석할 수 있는 데이터를 수집할 수 있다면, 전문가들은 이미 암을 앓고 있는 환자들을 회복하기 위한 올바른 초기 조치를 취할 수 있다.[28]MRI 실험에서 강화된 데이터를 얻기 위한 다양한 기술 중 SEOP가 그 중 하나이다.null

SEOP의 연구원들은 Xe를 사용하는 것에 관심이 있다.[citation needed]Xe는 NMR Tech에서 다른 새로운 기체에도 대비되는 요원으로 일한다는 점에서 여러 가지 유리한 사실을 갖고 있기 때문이다.

  • 비활성 제논은 제논의 전자 구성이 완전 점유되어 있을 뿐 아니라 방사능도 아니기 때문에 다른 금속이나 비금속과 같이 화학 반응을 보이지 않는다.[citation needed]
  • 자연적으로 발생하는 기체 상태에서 고체의 액체 상태를 얻는 것은 쉽다(그림 8).Xe의 고체와 액체 상태는 실험적으로 가능한 온도 및 압력 범위다.[citation needed]
    그림 8.위의 다이어그램은 제논 가스가 액체 상태와 기체 상태로 동시에 존재할 수 있는 최고 온도와 압력을 보여준다.30
  • 제논은 핵에 의해 둘러싸인 고도의 편광성 전자구름을 가지고 있다.따라서 지질 또는 유기 화합물, 특히 생물학적 측면에서 생체내 환경에 쉽게 용해되기 쉽다.[citation needed](표 2)
  • 제논은 다른 분자와 상호작용할 때 구조적으로나 화학적으로(비슷하게 다른 고귀한 가스)를 변화시키지 않는다.
  • 과학자 오스왈드에 따르면 용해성은 흡수 액체의 부피에 흡수되는 기체의 분할 계수로 정의된다.표준 온도 및 압력(STP)에서 제논의Xe(g) 용해성, S = V /V.

제논 용해도는 25 °C 11 mL에서 제논 가스를 100 mL의 물로 흡수할 수 있음을 의미한다.null

표 2.
용제 화합물의 이름 온도(°C) 오스트왈드 용해성(v/v)%
물 25 0.11
헥산 25 4.8
벤젠 25 3.1
플루오벤젠 25 3.3
이설피드 탄소 25 4.2
물 37 0.08
식염수 37 0.09
플라즈마 37 0.10
에리스토르시테스(98%) 37 0.20
휴먼 알부민(100% 외삽) 37 0.15
피 37 0.14
기름 37 1.90
지방 조직 37 1.30
DMSO 37 0.66
인트라리피드(20%) 37 0.40
PFOB(perflubron) 37 1.20
PFOB(90% w/v, 추정치) 37 0.62
  • 제논 원자 크기는 크고 바깥쪽 껍질 전자는 핵에서 멀리 떨어져 있으며, 가장 바깥쪽 전자는 특히 극지방 환경인 경향이 높다.표 2는 37 °C에서 물 매질의 제논 용해도가 8%이지만 체내 조직 내 용해도 값은 130%이다.용해도는 생물학적 시스템에서 대조약으로 제논을 사용한다.[citation needed]
  • 제논의 용매 효과는 제논의 용해도에 의해 매우 크다(표 2).[citation needed]제논의 화학적 시프트 값 범위는 7500ppm 이상이다.그러나 H&C(MRI 활성핵)의 경우 H의 화학적 이동 값 범위가 20ppm이고 C의 경우 300ppm이기 때문에 용제 효과는 제한적이다.[citation needed]따라서 Xe를 사용하는 것이 바람직하다.

아래 그림-9, NMR 실험 데이터에서 체내 환경 내 조직마다 다른 화학적 이동 값이 있다.모든 피크는 Xe에 대한 화학적 변화 값의 큰 범위를 통해 배치된다.Xe는 NMR 데이터에서 최대 1700ppm의 화학적 이동 값 범위를 가지고 있기 때문이다.[citation needed]기타 중요한 스펙트럼 정보에는 다음이 포함된다.


그림 9.[citation needed] 생체내 생물학적 시스템에서 Xe-129 바이오센서에 대한 NMR 데이터

  • 당연히 Xe NMR 피크는 0.0ppm에서 기준으로 계산되었다.[citation needed]
  • Xe가 Cryptopane-A 분자를 통합하고 결합했을 때, NMR 획득의 화학적 이동 값은 약 70ppm으로 이동했다.[citation needed]
  • 만약 초극화된 Xe 가스가 뇌에 용해된다면, 5개의 NMR 스펙트럼 피크를 관찰할 수 있다.[31]
  • 그 중 최고봉은 194.7ppm이다.또한 189ppm의 최고점에서는 비뇌조직에서 나온다.[citation needed]
  • 또 다른 두 개의 봉우리는 191.6ppm과 197.8ppm으로 여전히 알려져 있지 않다.209.5ppm에서 Xe가 혈류에 용해되었을 때 NMR 데이터에서 작지만 넓은 피크가 발견되었다.[citation needed]
  • 초극화 Xe는 생체마커(생체계 암의 일종)의 매우 민감한 검출기다.[citation needed]
  • Xe 또는 일반적으로 고귀한 가스의 핵 스핀 양극화는 SEOP 기법을 통해 최대 5배까지 증가할 수 있다.[3]
  • SEOP 초극화 기법을 사용하면 인간 뇌 조직에서 제논을 흡수하는 영상을 얻을 수 있다.[32]
그림 10.저·중간 자기장이 존재하는 Xe(g)의 양극화 측정μV/KHz vs라아머어 진동수 KHz에서 모든(AD)사람은NMR 신호 진폭.(A)62kHz라아머어 진동수에서 SEOP 세포에서 129Xe(g)NMR신호 Enhanced, Xenon(g)과 Nitrogen(g)과 NMR데이터 5.26mT 자기장의 존재에 물 프로톤 스핀(111M)에(B)참조 NMR신호, 도핑은 수집된 455토르 압력이 1545년 토르고 있다. wiCuSO4. 5HO2, 5.0mM, 양극화가 1.46mT 자기장(스캔 횟수는 170,000회)에서 열적으로 생성되었다.(다) 47.5 mT 자기장 앞에서 초극화 Xe에 대한 NMR 데이터를 수집하였다.(129Xe는 300 torr, N은2 1700 torr)이었다.(라) C에 대한 기준 NMR 신호는 170.0m CHUNKA3(l)에서 47.5mT 자기장이 존재하는 상태에서 수집하였다.32

(그림-10) Xe는(g) SEOP 시 양극화의 열강화에 비해 만족스러운 극성 개선을 보인다.이는 NMR 스펙트럼이 서로 다른 자기장 강도로 획득될 때 실험 데이터 값으로 입증된다.[22]실험 데이터의 몇 가지 중요한 점은 다음과 같다.

  • Xe 양극화는 SEOP 기술에서 약 144,000배 증가했다.NMR 실험에서 H 양극화에 대해 열적으로 강화되었다.이를 입증한 두 실험은 모두 NMR 실험 동안 동일한 조건과 동일한 무선 주파수를 사용하여 수행되었다.[22]
  • SEOP에서 Xe 초극성을 위한 신호 증강 값 14만 배와 기준 열 증강 C NMR 신호와 유사한 값이 실험 NMR 데이터에서도 확인된다.두 데이터는 NMR 데이터 수집 중 동일한 Larmor 주파수와 다른 실험 조건 및 동일한 무선 주파수에서 수집되었다.[22]
그림 11. Xe(g)의 서로 다른 강도에 따라 Xe(g)의 극지방화가 붕괴되는 동안 고장면 대1 T(종방향 스핀 이완 시간)의 MRI 연구, 파란색 삼각형의 경우 3.0T, 빨간색 원의 경우 약 1.5mT, 흰색 사각형의 경우 약 0.0mT.과극화된 Xe(g)는 키즈백으로 옮겨진 후 서로 다른 자기장이 있는 상태에서 붕괴 시간 T를1 따로 계산했다.자기장 강도(1.5mT ~ 3000mT)를 증가시켜 붕괴 시간을 약 8배 증가시킨다.

(그림 11) 세로 스핀 이완 시간(T1)은 자기장이 증가함에 따라 매우 민감하므로 Xe의 경우 SEOP에서 NMR 신호를 강화시키는 것이 눈에 띈다.[22]파란색 표시 조건화 NMR 실험에서 T가1 높기 때문에 다른 실험에 비해 더 강화된 피크가 나타난다.[22]Tedlar 가방에서 극지방화된 Xe의 경우 1.5 mT 자기장 상태에서 데이터를 수집했을 때 T는1 38±12분이다.단, 3000 mT 자기장이 존재하는 상태에서 데이터를 수집했을 때의1 Tdelay 시간(354±24분)에서 만족스러운 증가.[22]null

Rb 사용 vs.Cs in SEOP NMR 실험

일반적으로 불활성 질소 가스를 가진 Rb나 Cs 알칼리 금속 원자를 사용할 수 있다.그러나 우리는 Xe와 스핀 교환을 하기 위해 질소와 함께 Cs 원자를 사용하고 있다.

  • 133Cs는 자연적으로 완벽한 풍부함을 가지고 있는 반면 루비듐은 2개의 85(Rb와 Rb) 동위원소를 가지고 있다.이 두 개(Rb 및 Rb)85와 별도로 하나의 동위원소를 추상화하는 것은 Cs 동위원소를 수집하는 것과 비교하기 어렵다.Cs의 추상화는 편리하다.[citation needed]
  • 광학 펌핑 셀은 일반적으로 화학적 파괴 문제를 피하기 위해 낮은 온도에서 작동된다.SEOP는 저온에서 C를 사용하고 있어 SEOP 세포벽 유리로 화학적 부식이 적다.[citation needed]
  • 133cs-Xe129 커플은 Rb-Xe129 커플과 비교해 스핀 환율을 10% 정도 더 높게 유지하고 있다.[citation needed]

Xe는 NMR 기법에서 선호되는 특성 응용이 많지만, Xe와 다른 방식으로 NMR 기법에서 많은 장점을 가지고 있기 때문에 Kr도 사용할 수 있다.null

  • 83Kr 안정 동위원소는 스핀 I=9/2를 가지고 있으며 Van der Waals 크기가 2.02A보다0 크다.[33]4극 효과는 주변 환경에 짧고 뚜렷하게 확산될 수 있다([34]비극 매체에서 비극 매체로).
  • 물질의 화학적 조성은 초극화 Kr의 종적 이완에 영향을 미칠 수 있다.[34]
  • 이완은 소수성 기질과 소수성 기질을 구별할 수 있다.비록 He와 Xe는 스핀 반을 가지고 있지만 그들은 쿼드폴라 활동적이지는 않다.[34]
  • 그러나 Ne(I=3/2)와 Kr(I=9/2)과 Xe(I=3/2)는 쿼드폴라 모멘트를 가진다.344극 상호작용은 이러한 동위원소를 회전 이완으로 만든다.[34]
  • 이러한 회전 이완과 진화 때문에, 이 동위원소는 탐침에 대해 말하는 대조적인 물질로 사용될 수 있으며, 투과성 매체에 대한 표면의 구조적 특징과 화학적 구성을 결정할 수 있다.[34]
  • SEOP는 시간의 함수로 Kr 신호에 대한 비선형 최소 제곱 피팅 방정식과 미디어 플립 각도 실험 횟수(112°)를 사용하여 스핀 T의1 이완을 계산할 수 있다.NMR 실험 [34]무선 주파수 펄스용
  • 초극화 Kr은 광학 펌핑 공정에서 스핀 교환 후 Rb 가스와 분리되어 MRI 신호를 받기 위해 다양한 생체내 시스템에 사용되고 있다.스핀이 9㎛이긴 하지만 MRI 기법에 많은 적용성을 보인 첫 동위원소다.[34]
  • 송곳니 폐조직의 실험에서, 자석은 9.4T였고, 매체는 다공성이었고 대기압에서 전파되는 치수와 유사했다.스핀 격자 이완은 충분히 길어서 산소 농도가 20%가 [34]될 수 있지만 체내 시스템을 적용할 수 있다.
  • Kr 조영제는 계면활성제 농도로 인해 폐질환을 경험적으로 확인할 수 있는 청정 생체내 MRI 방법론을 개발하겠다고 약속하고 있다.[34]
  • 이 특별히 대조되는 물질이 재료 과학에서 다공성 매체의 주입 크기를 알아내기 위해 사용할 수 있는 경계를 측정했다.[34]
  • 또한, 이 기술은 표면 코팅, 표면의 공간적 변동을 준비하는 데 시간이 걸릴 수 있다.결국 자연 풍부함(kr의 11.5%)과 같은 이 대조적인 물질의 좋은 징조를 결코 끝내지 않으면 합리적인 가격인 5달러/L로 쉽게 얻을 수 있다.[34]

SEOP의 이미징 응용 프로그램

학계와 산업계에서도 폐 영상촬영에 이 고극화 가스를 사용하는 방안이 추진되고 있다.SEOP 공정을 통해 기체(129Xe)를 과극화시키고 알칼리 금속을 제거하면 환자(건강하거나 폐질환을 앓는 환자)가 기체를 흡입해 MRI를 찍을 수 있다.[35]이것은 가스로 채워진 폐의 공간의 이미지를 만들어낸다.환자를 이미징하는 단계에 도달하기 위한 과정은 이 기술과 장비에 매우 익숙한 과학자들로부터 지식을 필요로 할 수 있지만, 병원 기술자가 극성분자를 사용하여 초극화 가스를 생산할 수 있도록 이러한 지식의 필요성을 없애기 위한 조치를 취하고 있다.[22][23]null

현재 폐의 시각화제로 쓰이는 초극화 제논 가스를 개발하기 위해 초극화 기계가 사용되고 있다.제논-129호는 폐 기능을 정량화하는 데 사용할 수 있는 안전한 불활성 노블 가스다.단 10초간의 호흡 유지로 MRI와 함께 초극화 제논-129를 사용해 3차원 폐 영상촬영이 가능하다.[36]제논 MRI는 폐혈관, 폐쇄성 또는 섬유성 폐질환 환자를 감시하는 데 사용되고 있다.[37]null

자동화된 고출력 배치 모델 초극화 Xe의 온도램프 Xe SEOP는 다음과 같은 특정 조건을 적용하기 위해 3가지 주요 온도 범위를 활용할 수 있다.첫째, 고온 조건에서 Xe 초극화 비율이 초고속화된다.둘째, 따뜻한 조건에서 Xe의 초극화는 단결이다.셋째, 추운 조건에서는 테들라 백으로 옮기는 동안 Rb(5ng/L 용량 5ng 미만)의 낮은 비율을 가지고 있음에도 불구하고 최소한 Xe 가스의 극지방화 수준은 (인체의 온도에서) 이미징을 얻을 수 있다.[38]null

높은 제논 압력 및 광자 플럭스에서 Rb/129Xe SEOP의 다중 파라미터 분석을 임상 규모에서 3D 인쇄 및 정지 흐름 대비제로 사용할 수 있다.[39]현장 기법에서는 데이터 수집 온도, 광자 플럭스, Xe 부분 압력 등 다양한Xe 작동 파라미터를 가진 SEOP-세포 조건화 함수로서 Xe 양극화의 역학 추적을 위해 NMR 기계를 구동하였다.[39]null

표 3. 다른 부분 압력에 대한 Xe 편광 값.[39]
PXe 95±9% 73±4% 60±2% 41±1% 31±1%
Xe의 부분 압력(토르) 275 515 1000 1500 2000

Xe의 이러한 모든 양극화 값은 극지방 Xe 가스를 밀어넣음으로써 승인되었고 모든 MRI 실험은 47.5 mT의 낮은 자기장에서 수행되었다.[39]마지막으로 시위는 그러한 고기압 지역, Xe 가스의 양극화가 이미 보여진 한계보다 훨씬 더 증가할 수 있다는 것을 나타냈다.보다 나은 SEOP 열 관리와 편광 운동 최적화는 좋은 효과로 더욱 개선되었다.[39]null

고형물의 SEOP

SEOP는 고형 가스를 과극화하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 보다 최근의 발전은 고형물에 대한 SEOP이다.2007년에[21] 처음 시행되어 고체에서 핵의 극성을 내는 데 사용되어 다른 방법으로 극성을 낼 수 없는 핵이 초극화될 수 있게 되었다.[21]예를 들어 CsH의 고체 필름 형태의 Cs의 핵 양극화는 볼츠만 한계 이상으로 증가할 수 있다.[21]이것은 먼저 세슘 증기를 광학적으로 펌핑한 다음 스핀 양극화를 CsH 소금으로 전달하여 4.0의 향상 효과를 얻는다.[21]

이 세포들은 증류를 사용하여 앞에서 설명한 대로 만들어진 다음 수소 가스로 채워져 Cs 금속이 기체 수소와 반응하여 CsH 소금을 형성할 수 있도록 가열된다.[21]처리되지 않은 수소를 제거하여 CsH 필름의 두께를 증가시키는 과정을 여러 차례 반복한 후 질소 가스로 가압하였다.[21]보통 SEOP 실험은 앞에서 설명한 것처럼 헬름홀츠나 전자기 코일을 중심으로 한 셀로 행해지지만, 이러한 실험은 자석을 통해 레이저를 비추고 셀을 전기적으로 가열하여 9.4T 자석을 초전도하는 방식으로 행해졌다.[21]앞으로 이 기법을 이용해 리나 리로 양극화를 전이하는 것이 가능해질 수도 있어 T가1 길어질 것으로 예상돼 더욱 많은 적용이 이뤄질 것으로 보인다.[21]고체를 특징지을 수 있는 이 기법이 발견된 이후 고체를 양극화하기 위해 편광할 필요가 없는 방식으로 개선되었다. 대신 자기장의 비극광은 사용할 수 있다.[40]이 방법에서 유리모직은 CsH 염으로 코팅되어 CsH의 표면적이 증가하여 스핀 전달 가능성이 높아져 로우필드(0.56T)에서 80배 향상된 성능을 제공한다.[40]극지방화 CsH 필름에서와 마찬가지로 이 유리모양 방법의 세슘 금속도 수소 가스와 반응할 수 있도록 허용되었지만, 이 경우 CsH는 유리 세포 대신 유리 섬유에 형성되었다.[40]null

전이성 교환 광학 펌핑

3그는 또한 전이성 교환 광학 펌핑(MEOP)을 사용하여 극지방화 될 수 있다.[citation needed]이 과정은 지상의 헤 핵에 광학적으로 펌프된 헤 핵에 전이 가능한 상태를 분극화할 수 있다.MEOP는 상온과 저압의 He nuclei만을 포함한다.MEOP의 과정은 매우 효율적이지만(높은 양극화율) 기체를 대기압까지 압축해야 한다.null

동적 핵 양극화

H, C 또는 N과 같은 NMR 민감 핵이 포함된 화합물은 동적 핵 양극화(DNP)를 사용하여 초극화될 수 있다.DNP는 일반적으로 저온(≈100 K)과 고자장(高子場)에서 수행된다.그 화합물은 이후에 해동되고 용해되어 극지방 핵이 함유된 상온 용액을 산출한다.[41]이 액체는 체내 대사 영상에서[42] 종양학[43] 및 기타 용도에 사용될 수 있다.고체화합물의 C 양극화 수준은 최대 64%에 이를 수 있으며 NMR 측정을 위한 샘플 분해 및 이송 중 손실을 몇 %까지 최소화할 수 있다.[44]NMR-능동핵을 함유한 화합물도 파라-수소와의 화학적 반응을 이용해 초극화될 수 있다(PHIP(Para-수소 유도 양극화(Parara-Hydrogen Inducation Dividualization, PHIP)를 참조한다.null

파라수소 유도 양극화

분자 수소 H는2 상온에서 25:75의 비율로 파라-수소, 정형-수소 등 두 개의 스핀 이소머를 포함하고 있다.PHIP([45]Para-hydrogency Inducation)를 만든다는 것은 이 비율이 증가한다는 것을 의미하며, 다시 말해서 파라-수소가 농축된다는 것이다.이것은 수소 가스를 냉각시킨 다음 철산화물이나 숯 촉매를 통해 직교 대 파라 변환을 유도함으로써 달성될 수 있다.70 K(즉, 액체 질소)에서 이 절차를 수행할 때 파라-수소는 25%에서 CA. 50%까지 농축된다.20K 이하로 냉각한 다음 정형-기생 변환을 유도할 때 100%에 가까운 파라수소를 얻을 수 있다.[citation needed]null

실용적인 응용을 위해 PHIP는 전이 금속 촉매가 있는 곳에서 전구 분자와 초극화된 수소를 반응시킴으로써 유기 분자로 가장 일반적으로 전달된다.ca. 1만배 강화된[46] 강도의 프로토온 NMR 신호는 PHIP가 없는 동일한 유기 분자의 NMR 신호와 비교하여 얻을 수 있으며, 따라서 상온에서 "열" 양극화만 가능하다.null

가역성 교환에 의한 신호 증폭(SABRE)

가역성 교환에 의한 신호 증폭(SABRE)은 시료를 화학적으로 수정하지 않고 고극화시키는 기법이다.정형수소나 유기 분자에 비해, 파라수소 내 수소 핵의 훨씬 더 큰 부분은 적용된 자기장과 일치한다.SABRE에서 금속 중심은 역방향으로 시험 분자와 표적 분자가 파라수소 분자의 양극화를 포착하도록 돕는 파라수소 분자 모두에 결합된다.[47]이 기술은 암모니아와 같은 중간 "릴레이" 분자를 사용함으로써 광범위한 유기 분자에 대해 개선되고 활용될 수 있다.암모니아는 효율적으로 금속 중심에 결합하고 파라수소의 양극화를 잡아낸다.암모니아는 금속 촉매에 잘 결합되지 않는 다른 분자들을 암모니아에 전달한다.[48]이러한 향상된 NMR 신호는 매우 적은 양의 재료의 신속한 분석을 가능하게 한다.null

참고 항목

참조

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