Hiperpolarización

Disolución DNP

No sorprende que muchos desarrollos en el campo de la resonancia magnética tengan como objetivo mejorar la sensibilidad. Uno puede culpar a la sensibilidad inherentemente pobre de la espectroscopia de RMN a las diferencias de población muy pequeñas entre los estados de espín nuclear inducidos magnéticamente. El alcance de estas diferencias de población (también conocido como el grado de polarización) normalmente está dictado por la distribución de Boltzmann y depende de la intensidad del campo magnético, la temperatura y la relación giromagnética del núcleo observado. Han surgido y se han refinado recientemente métodos que transfieren la polarización nuclear de una especie altamente polarizada a los núcleos de interés, de modo que el grado de polarización aumenta mucho más allá de lo permitido por la distribución de Boltzmann. Estos procedimientos se conocen como "métodos de hiperpolarización" y pueden resultar en un aumento dramático de >104 veces en la intensidad de la señal sobre lo que se puede lograr en el equilibrio térmico.

Para las moléculas orgánicas, los dos métodos generales de hiperpolarización son la polarización nuclear dinámica (DNP) y la polarización inducida por parahidrógeno (PHIP). La sensibilidad muy mejorada que se obtiene con estas técnicas puede reducir sustancialmente los límites de detección, lo que aumenta la potencia de la resonancia magnética para detectar componentes traza. La mayor relación señal-ruido (SNR) también puede permitir una adquisición espectral secuencial rápida y, por lo tanto, es muy adecuada para estudiar la cinética de muchos procesos químicos y bioquímicos diferentes.

Polarización nuclear dinámica (DNP )

DNP es ahora una técnica bien establecida que se ve facilitada por la transferencia de la polarización de electrones desapareados a los núcleos en estudio. Los métodos de disolución DNP requieren que la muestra se mantenga fría (p. ej., <4 K) mientras se irradia con microondas en un campo magnético fuerte (p. ej., 3 T). Después de la irradiación, la muestra se disuelve rápidamente usando un solvente caliente presurizado y se transfiere a un tubo de RMN o una jeringa de inyección para la adquisición inmediata de datos de RMN o RMN. Un agente dopante de radicales libres debe estar presente en la muestra en concentraciones mM durante la irradiación de microondas para proporcionar la polarización nuclear necesaria para la transferencia intermolecular. En general, los niveles aceptables de polarización se logran utilizando tiempos de irradiación de varias decenas de minutos a varias horas de duración. Sin embargo, la DNP a baja temperatura, un método iniciado por el laboratorio de Robert Griffin, es una técnica ligeramente diferente a la DNP por disolución. Tanto la hiperpolarización como la adquisición de RMN tienen lugar en estado sólido, donde la señal hiperpolarizada se regenera continuamente de manera efectiva, lo que permite la adquisición de datos desde horas hasta muchos días.

Hyperpolarized Substrates

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Polarización inducida por parahidrógeno (PHIP)

PHIP es una técnica bastante bien establecida que transfiere polarización directamente desde parahidrógeno (para-H2) a núcleos cercanos de interés o mediante métodos de transferencia de magnetización basados en RF. Para las moléculas orgánicas, el para-H2 se agrega directamente a través enlaces de carbono insaturados o mezclado con la muestra en condiciones tales que la polarización pueda transferirse desde para-H2 a sitios dentro de la molécula. Algunas ventajas de PHIP sobre DNP son que se puede obtener una muestra polarizada con bastante rapidez (en el orden de segundos o minutos) y que no se requieren agentes dopantes de radicales libres.

Imágenes metabólicas

Quizás la consecuencia más emocionante de la mejora de la señal obtenida mediante DNP y PHIP es el potencial de in vivo ¹H, Monitorización del metabolismo ¹³C y ¹⁵N. En particular, imágenes de resonancia magnética ¹³C utilizando hiperpolarizado Las moléculas orgánicas enriquecidas con ¹³C ofrecen ventajas significativas sobre las técnicas de imagen basadas en ¹H, porque las señales de fondo no se detectan y el amplio rango de cambio químico para ¹³C conduce a una mayor selectividad molecular. Actualmente hay interés en el uso de sustratos hiperpolarizados enriquecidos isotópicamente para imágenes médicas porque la información metabólica detallada (localización del sustrato y transformaciones bioquímicas) y la información fisiológica (por ejemplo, intracelular pH) se puede obtener. Aunque el aumento de la señal de los núcleos de espín medio hiperpolarizados decae con T1, se están realizando investigaciones para establecer estados nucleares de larga duración con la promesa de que el metabolismo se puede estudiar en escalas de tiempo de minutos, o incluso horas, en lugar de segundos.