Гиперполяризация — это процесс увеличения разницы в заселенности ядерных спинов сверх их равновесного значения (определяемого распределением Больцмана).
В обычных условиях в магнитном поле разница заселенностей между уровнями очень мала. Это ограничивает чувствительность методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Гиперполяризация позволяет значительно (в 104-105 раз) усилить сигнал, делая возможным измерение редких изотопов, исследование быстропротекающих процессов, а также детектирование веществ, содержащихся в низкой концентрации в биологических объектах, в том числе in vivo.
Основные методы гиперполяризации:
- Динамическая ядерная поляризация (ДЯП, Dynamic Nuclear Polarization, DNP) — поляризация за счет переноса намагниченности с электронных спинов на ядерные;
- Индуцированная Параводородом Поляризация Ядер (ИППЯ, Para-Hydrogen Induced Polarization, PHIP) — поляризация за счет параводорода;
- Химически индуцированная динамическая поляризация ядер (ХИДПЯ, CIDNP, Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization) — поляризация, возникающая в термических или фотохимических радикальных реакциях.
- Optical Pumping — оптическая накачка.
Динамическая ядерная поляризация (ДЯП, Dynamic Nuclear Polarization, DNP) — это метод гиперполяризации ядерных спинов, основанный на передаче намагниченности от электронных спинов.[1]
Эксперимент включает три этапа.
- Поляризация электронов: в образец добавляют парамагнитные центры (например, радикалы). При низких температурах (1–4 К) и в сильном магнитном поле (несколько тесла) электронные спины сильно поляризуются (их спины выстраиваются вдоль поля).
- Передача поляризации: образец облучают микроволнами на частоте электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Это вызывает перенос поляризации с электронов на ядра.
- После гиперполяризации образец быстро размораживают и используют в ЯМР или МРТ (сигнал должен быть зарегистрирован до того, как он затухнет за счет релаксации).
В методе DNP в жидкой фазе (dissolution-DNP, d-DNP) процесс гиперполяризации происходит в твердом состоянии при низких температурах, после чего образец растворяют в разогретом растворителе и впрыскивается в ЯМР ампулу, расположенную в спектрометре ЯМР.[2]
Аналогично существует метод DNP в газовой фазе, где также процесс гиперполяризации происходит в твердом состоянии, после чего вещество нагревается и в процессе сублимации переходит в газообразной состояние, подходящее для детекции в ЯМР-спектрометре.[3]
Индуцированная параводородом поляризация ядер
В методе индуцированной параводородом поляризации ядер (ИППЯ, Para-Hydrogen Induced Polarization, PHIP) используется спиновый изомер водорода — параводород (p-H2), у которого ядерные спины противоположно направлены. При присоединении параводорода к интересующей молекуле, магнитная эквивалентность ядерных спинов параводорода нарушается, но сохраняется корреляция их спинов, что позволяет наблюдать усиление сигнала в спектрах ЯМР.
Эффекты ИППЯ впервые наблюдались в ходе реакции гидрирования параводородом в сильном магнитном поле. Такой эффект был назван PASADENA (Parahydrogen And Synthesis Allows Dramatically Enhanced Nuclear Alignment).[4] В этом случае заселяются уровни, имеющие синглетную симметрию, а в спектрах ЯМР наблюдаются два антифазных сигнала.
Другой эффект — ALTADENA (Adiabatic Longitudinal Transport After Dissociation Engenders Nuclear Alignment) — обнаруживается при гидрировании субстрата в слабом магнитном поле.[5] В ALTADENA экспериментах заселяется только один из уровней, соответствующий синглетной симметрии.
Луч лазера с круговой поляризацией вызывает электронные переходы в атомах щелочных металлов (например, рубидия), находящихся в газообразном состоянии, тем самым создавая электронную поляризацию. При столкновении щелочных металлов с благородными газами (например, ксеноном) в процессе спинового обмена поляризация с электронов переносится на ядра благородных газов.
Примеры применения гиперполяризации
Методы гиперполяризации радикально (на 4-5 порядков) расширили границы чувствительности методов ЯМР и МРТ, позволив изучать ранее недоступные процессы.
- Гиперполяризованные благородные газы (например, 129Xe и 3He) используются в МРТ легких для визуализации их структуры и функции.
- Гиперполяризованные малые молекулы применяются для детектирования метаболитов in vivo. Например, гиперполяризованный метаболит можно ввести животным или пациентам и отслеживать его биохимические превращения в реальном времени.
- Исследование спиновой структуры нейтронов путем рассеяния поляризованных электронов на сильно поляризованной мишени (3He).
- Изучение поверхностных взаимодействий.
- Эксперименты с поляризацией нейтронов.
Примечания
- ↑ A Abragam, M Goldman. Principles of dynamic nuclear polarisation // Reports on Progress in Physics. — 1978-03-01. — Т. 41, вып. 3. — С. 395–467. — ISSN 1361-6633 0034-4885, 1361-6633. — doi:10.1088/0034-4885/41/3/002.
- ↑ Guannan Zhang, Christian Hilty. Applications of dissolution dynamic nuclear polarization in chemistry and biochemistry (англ.) // Magnetic Resonance in Chemistry. — 2018-7. — Vol. 56, iss. 7. — P. 566–582. — doi:10.1002/mrc.4735.
- ↑ A. Comment, S. Jannin, J.-N. Hyacinthe, P. Miéville, R. Sarkar. Hyperpolarizing Gases via Dynamic Nuclear Polarization and Sublimation (англ.) // Physical Review Letters. — 2010-07-01. — Vol. 105, iss. 1. — ISSN 1079-7114 0031-9007, 1079-7114. — doi:10.1103/PhysRevLett.105.018104.
- ↑ C. Russell Bowers, D. P. Weitekamp. Parahydrogen and synthesis allow dramatically enhanced nuclear alignment (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1987-9. — Vol. 109, iss. 18. — P. 5541–5542. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00252a049. Архивировано 2 июня 2020 года.
- ↑ Michael G. Pravica, Daniel P. Weitekamp. Net NMR alignment by adiabatic transport of parahydrogen addition products to high magnetic field (англ.) // Chemical Physics Letters. — 1988-4. — Vol. 145, iss. 4. — P. 255–258. — doi:10.1016/0009-2614(88)80002-2. Архивировано 6 марта 2019 года.
- ↑ Thad G. Walker, William Happer. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 1997-04-01. — Vol. 69, iss. 2. — P. 629–642. — ISSN 1539-0756 0034-6861, 1539-0756. — doi:10.1103/RevModPhys.69.629.
| У этой статьи есть несколько проблем, помогите их исправить: Пожалуйста, после исправления проблемы исключите её из списка параметров. После устранения всех недостатков этот шаблон может быть удалён любым участником. |
