超极化

溶出 DNP

磁共振领域的许多发展旨在提高灵敏度，这并不奇怪。 人们可以将核磁共振波谱本质上较差的灵敏度归咎于磁感应核自旋态之间非常小的布居差异。 这些布居差异的程度（也称为极化程度）通常由玻尔兹曼分布决定，并且取决于磁场强度、温度和观察到的原子核的旋磁比。 已经出现并最近改进的方法将核极化从高度极化的物质转移到感兴趣的核，使得极化程度的增加远远超出玻尔兹曼分布所允许的范围。 这些过程被称为“超极化方法”，与热平衡时相比，可能会导致信号强度急剧增加 104 倍以上。

对于有机分子，超极化的两种常用方法是动态核极化 (DNP) 和仲氢诱导极化 (PHIP)。 使用这些技术获得的灵敏度大大提高，可以大大降低检测极限，从而提高磁共振检测痕量成分的能力。 更高的信噪比 (SNR) 还可以实现快速、连续的光谱采集，因此非常适合研究许多不同化学和生化过程的动力学。

动态核极化 (DNP) )

DNP 现在是一种成熟的技术，通过将不成对电子的极化转移到所研究的原子核来促进该技术。 溶解DNP方法要求样品在强磁场(例如，3T)中被微波照射时保持低温(例如，＜4K)。 照射后，使用热加压溶剂快速溶解样品，并将其转移到 NMR 管或注射器中，以立即采集 NMR 或 MRI 数据。 在微波辐射过程中，样品中必须存在 mM 浓度的自由基掺杂剂，以便为分子间转移提供所需的核极化。 一般来说，使用几十分钟到几小时长度的照射时间可以实现可接受的偏振水平。 然而，低温 DNP 是 Robert Griffin 实验室首创的一种方法，与溶解 DNP 略有不同。 超极化和 NMR 采集均在固态下进行，其中超极化信号有效地连续再生，从而可以采集数小时至数天的数据。

Hyperpolarized Substrates

仲氢诱导极化 (PHIP)

PHIP 是一项相当成熟的技术，可将极化从仲氢 (para-H2) 直接转移到附近感兴趣的原子核，或使用基于射频的磁化转移方法。 对于有机分子，对位 H2 可以直接添加到 不饱和碳键或在极化可以从对氢转移到分子内位点的条件下与样品混合。 PHIP 相对于 DNP 的一些优点是可以非常快地获得偏振样品（大约为 秒或分钟）并且不需要自由基掺杂剂。

代谢成像

也许使用 DNP 和 PHIP 获得的信号增强最令人兴奋的结果是体内 ¹H 的潜力， ¹³C 和 ¹⁵N 代谢监测。 特别是，使用超极化的 ¹³C MRI 成像 富含 ¹³C 的有机分子比基于 ¹H 的成像技术具有显着优势，因为不会检测到背景信号，并且 ¹³C 的大化学位移范围可提高分子选择性 。 目前，人们对使用同位素富集的超极化基质进行医学成像感兴趣，因为详细的代谢信息（基质定位和生化转化）和生理信息（例如细胞内 pH)可以获得。 尽管超极化自旋半核的信号增强会随着 T1 衰减，但建立长寿命核态的研究正在进行中，有望在几分钟的时间尺度上研究新陈代谢，或者 甚至是几小时，而不是几秒。

Application Note
➤ Development of Hyperpolarized Metabolic Contrast Agents Using PASADENA

Researcher Perspective
➤ Using Stable Isotopes to Decipher Systems-Level in vivo Metabolism with MS and MRI 

Example Reference
➤ Metabolic Imaging of Patients with Prostate Cancer Using Hyperpolarized [1-¹³C]Pyruvate

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– Thomas C. Glenn 博士 | 加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院神经外科兼职助理教授