Hyperpolarisierung

Auflösung DNP

Es überrascht nicht, dass viele Entwicklungen im Bereich der Magnetresonanz auf eine Verbesserung der Empfindlichkeit abzielen. Man kann die inhärent geringe Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie auf die sehr geringen Populationsunterschiede zwischen magnetisch induzierten Kernspinzuständen zurückführen. Das Ausmaß dieser Populationsunterschiede (auch als Polarisationsgrad bezeichnet) wird normalerweise durch die Boltzmann-Verteilung bestimmt und hängt von der Magnetfeldstärke, der Temperatur und dem gyromagnetischen Verhältnis des beobachteten Kerns ab. Es sind Methoden entstanden und kürzlich verfeinert worden, die die Kernpolarisation von einer stark polarisierten Spezies auf die interessierenden Kerne übertragen, sodass der Grad der Polarisation weit über das hinausgeht, was die Boltzmann-Verteilung zulässt. Diese Verfahren werden als „Hyperpolarisationsmethoden“ bezeichnet und können zu einer dramatischen >104-fachen Steigerung der Signalstärke gegenüber dem führen, was im thermischen Gleichgewicht erreicht werden kann.

Für organische Moleküle sind die beiden allgemeinen Methoden der Hyperpolarisation die dynamische Kernpolarisation (DNP) und die durch Parawasserstoff induzierte Polarisation (PHIP). Die mit diesen Techniken erzielte deutlich verbesserte Empfindlichkeit kann die Nachweisgrenzen erheblich senken und dadurch die Leistung der Magnetresonanz zum Nachweis von Spurenbestandteilen erhöhen. Das größere Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ermöglicht möglicherweise auch eine schnelle, sequentielle Spektralerfassung und eignet sich daher gut für die Untersuchung der Kinetik vieler verschiedener chemischer und biochemischer Prozesse.

Dynamische Kernpolarisation (DNP)

DNP ist mittlerweile eine gut etablierte Technik, die durch die Übertragung der Polarisation ungepaarter Elektronen auf die untersuchten Kerne erleichtert wird. Auflösungs-DNP-Methoden erfordern, dass die Probe kalt gehalten wird (z. B. <4 K), während sie mit Mikrowellen in einem starken Magnetfeld (z. B. 3 T) bestrahlt wird. Nach der Bestrahlung wird die Probe mit heißem, unter Druck stehendem Lösungsmittel schnell aufgelöst und zur sofortigen NMR- oder MRT-Datenerfassung in ein NMR-Röhrchen oder eine Injektionsspritze überführt. Während der Mikrowellenbestrahlung muss in der Probe ein Dotierungsmittel mit freien Radikalen in mM-Konzentrationen vorhanden sein, um die erforderliche Kernpolarisation für den intermolekularen Transfer bereitzustellen. Im Allgemeinen werden akzeptable Polarisationsgrade durch Bestrahlungszeiten von mehreren zehn Minuten bis mehreren Stunden erreicht. Niedertemperatur-DNP, eine vom Labor von Robert Griffin entwickelte Methode, ist jedoch eine etwas andere Technik als die Auflösung von DNP. Sowohl die Hyperpolarisation als auch die NMR-Erfassung finden im Festkörper statt, wo das hyperpolarisierte Signal effektiv kontinuierlich regeneriert wird, was eine Datenerfassung von Stunden bis zu vielen Tagen ermöglicht.

Hyperpolarized Substrates

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Parawasserstoffinduzierte Polarisation (PHIP)

PHIP ist eine ziemlich gut etablierte Technik, die die Polarisation direkt von Parawasserstoff (para-H2) auf nahegelegene Kerne von Interesse überträgt oder indem sie RF-basierte Magnetisierungsübertragungsmethoden verwendet. Bei organischen Molekülen wird para-H2 entweder direkt hinzugefügt ungesättigte Kohlenstoffbindungen oder mit der Probe unter Bedingungen vermischt, so dass die Polarisation von para-H2 auf Stellen innerhalb des Moleküls übertragen werden kann. Einige Vorteile von PHIP gegenüber DNP bestehen darin, dass eine polarisierte Probe recht schnell erhalten werden kann (auf Bestellung). von Sekunden oder Minuten) und dass keine radikalischen Dopingmittel erforderlich sind.

Stoffwechselbildgebung

Die vielleicht aufregendste Konsequenz der mit DNP und PHIP erzielten Signalverstärkung ist das Potenzial für in vivo ¹H, ¹³C- und ¹⁵N-Überwachung des Stoffwechsels. Insbesondere ¹³C-MRT-Bildgebung mittels hyperpolarisierter Mit ¹³C angereicherte organische Moleküle bieten erhebliche Vorteile gegenüber ¹H-basierten Bildgebungstechniken, da Hintergrundsignale nicht erfasst werden und der große chemische Verschiebungsbereich für ¹ sup>C führt zu einer erhöhten molekularen Selektivität. Derzeit besteht Interesse an der Verwendung isotopenangereicherter hyperpolarisierter Substrate für die medizinische Bildgebung, da detaillierte metabolische Informationen (Substratlokalisierung und biochemische Transformationen) und physiologische Informationen (z. B. intrazellulär) vorliegen pH-Wert) ermittelt werden. Obwohl die Signalverstärkung hyperpolarisierter Spin-Halbkerne mit T1 abklingt, wird derzeit an der Etablierung langlebiger Kernzustände geforscht, mit dem Versprechen, dass der Stoffwechsel über Zeitskalen von Minuten untersucht werden kann sogar Stunden statt Sekunden.