Hyperpolarisation

Dissolution DNP

Il n'est pas surprenant que de nombreux développements dans le domaine de la résonance magnétique visent à améliorer la sensibilité. On peut blâmer la faible sensibilité intrinsèque de la spectroscopie RMN sur les très petites différences de population entre les états de spin nucléaire induits magnétiquement. L'étendue de ces différences de population (également appelée degré de polarisation) est normalement dictée par la distribution de Boltzmann et dépend de l'intensité du champ magnétique, de la température et du rapport gyromagnétique du noyau observé. Des méthodes ont émergé et récemment affiné qui transfèrent la polarisation nucléaire d'une espèce hautement polarisée aux noyaux d'intérêt de sorte que le degré de polarisation est augmenté bien au-delà de ce qui est autorisé par la distribution de Boltzmann. Ces procédures sont appelées « méthodes d'hyperpolarisation » et peuvent entraîner une augmentation spectaculaire > 104 fois de la force du signal par rapport à ce qui peut être obtenu à l'équilibre thermique.

Pour les molécules organiques, les deux méthodes générales d'hyperpolarisation sont la polarisation nucléaire dynamique (DNP) et la polarisation induite par le parahydrogène (PHIP). La sensibilité grandement améliorée obtenue à l'aide de ces techniques peut réduire considérablement les limites de détection, augmentant ainsi la puissance de la résonance magnétique pour détecter les composants de trace. Le rapport signal sur bruit (SNR) plus élevé peut également permettre une acquisition spectrale séquentielle rapide et est donc bien adapté à l'étude de la cinétique de nombreux processus chimiques et biochimiques différents.

Polarisation nucléaire dynamique (DNP )

DNP est maintenant une technique bien établie qui est facilitée par le transfert de la polarisation des électrons non appariés vers les noyaux à l'étude. Les méthodes DNP de dissolution nécessitent que l'échantillon soit maintenu au froid (par exemple, <4 K) tout en étant irradié par des micro-ondes dans un champ magnétique puissant (par exemple, 3 T). Après irradiation, l'échantillon est rapidement dissous à l'aide d'un solvant chaud sous pression et transféré dans un tube RMN ou une seringue d'injection pour une acquisition immédiate des données RMN ou IRM. Un agent dopant radicalaire doit être présent dans l'échantillon à des concentrations mM pendant l'irradiation par micro-ondes afin de fournir la polarisation nucléaire nécessaire pour le transfert intermoléculaire. Généralement, des niveaux acceptables de polarisation sont atteints en utilisant des durées d'irradiation allant de plusieurs dizaines de minutes à plusieurs heures. Le DNP à basse température, une méthode mise au point par le laboratoire de Robert Griffin, est cependant une technique légèrement différente de la dissolution du DNP. L'hyperpolarisation et l'acquisition RMN ont lieu à l'état solide, où le signal hyperpolarisé est efficacement régénéré en continu, ce qui permet l'acquisition de données de quelques heures à plusieurs jours.

Hyperpolarized Substrates

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Polarisation induite par le parahydrogène (PHIP)

PHIP est une technique assez bien établie qui transfère la polarisation directement du parahydrogène (para-H2) aux noyaux d'intérêt proches ou en utilisant des méthodes de transfert d'aimantation basées sur RF. Pour les molécules organiques, le para-H2 est soit ajouté directement à travers liaisons carbone insaturées ou mélangées avec l'échantillon dans des conditions telles que la polarisation puisse être transférée du para-H2 aux sites de la molécule. Certains avantages de PHIP par rapport à DNP sont qu'un échantillon polarisé peut être atteint assez rapidement (sur l'ordre de secondes ou de minutes) et que les dopants à radicaux libres ne sont pas nécessaires.

Imagerie métabolique

La conséquence la plus intéressante de l'amélioration du signal obtenue à l'aide de DNP et PHIP est peut-être le potentiel de in vivo ¹H, Surveillance du métabolisme ¹³C et ¹⁵N. En particulier, l'imagerie IRM ¹³C utilisant des Les molécules organiques enrichies en ¹³C offrent des avantages significatifs par rapport aux techniques d'imagerie à base de ¹H, car les signaux de fond ne sont pas détectés et la grande plage de déplacement chimique pour le ¹³C conduit à une sélectivité moléculaire accrue. Actuellement, on s'intéresse à l'utilisation de substrats hyperpolarisés isotopiquement enrichis pour l'imagerie médicale, car des informations métaboliques détaillées (localisation du substrat et transformations biochimiques) et des informations physiologiques (par exemple, intracellulaire pH) peut être obtenu. Bien que l'amélioration du signal des noyaux de spin un demi hyperpolarisés se désintègre avec T1, des recherches sont en cours pour établir des états nucléaires à longue durée de vie avec la promesse que le métabolisme peut être étudié sur des échelles de temps de minutes, ou même des heures, au lieu de secondes.