- 原子傳感器揭示了分子極化的隱藏動力學
- 來源：ICFO 發表于 2024/10/23
磁共振成像 （MRI） 長期以來一直是現代醫學的基石，可提供內部器官和組織的高度詳細的圖像。MRI 機器是醫院中常見的大型管狀磁鐵，它使用強大的磁鐵來繪制體內水和脂肪分子的密度。
除了這些分子之外，還可以繪制代謝物等其他物質，但它們的濃度通常太低而無法產生清晰的圖像。為了克服這一限制，采用了一種稱為超極化的技術來增強這些物質的磁共振信號，使它們在 MRI 掃描期間更加明顯。
超極化是指在體外準備一種物質，使其磁化強度（創建 MRI 圖像的關鍵）接近其最大值。與自然狀態相比，此過程可以將信號增強數千倍。一旦超極化，該物質就會被注射到患者體內并運輸到目標器官或組織。然而，在此之前，通過嚴格的質量控制流程確認物質是否充分超極化至關重要。
當前的質量控制技術面臨兩個重大挑戰。首先，這些方法通常會在讀出過程中減少樣品的磁化強度，從而降低其增強 MRI 掃描的能力。其次，測量所需的時間可能很長，在此期間物質的磁化強度會自然衰減，從而限制了連續測量的機會。這導致缺乏關鍵數據，否則這些數據可以幫助最大限度地提高超極化的效率。
此外，一旦樣品被超極化，它就有可能在運輸到 MRI 機器的過程中失去磁化強度。傳統的質量控制技術由于其耗時的性質，可能無法及時檢測到這種損失。
現在，IBEC 研究人員 James Eills 博士（現在德國 Forschungszentrum Jülich）和 Irene Marco Rius 博士以及 ICFO 研究人員 ICREA 教授 Morgan W. Mitchell 和 Michael C. D. Tayler 博士的合作展示了原子傳感器技術在測量超極化材料的磁化強度時如何克服傳統采樣的局限性。這一突破最近在《美國國家科學院院刊》雜志上報道。
特別是，該團隊使用了光泵原子磁力計 （OPM），其工作原理與傳統傳感器根本不同，能夠實時檢測超極化分子產生的場。OPM 的性質使這些研究人員能夠在整個實驗中進行連續、高分辨率和非破壞性的觀察，包括超極化過程本身。
根據作者的說法，如果超極化傳感的領域是電影，那么以前的方法將像一系列靜態照片，讓定格圖片之間的情節留給觀眾猜測。
“相反，我們的技術更像是一段視頻，你可以一幀一幀地看到整個故事。從本質上講，您可以連續觀察且沒有分辨率限制，這樣您就不會錯過任何細節，“ICFO 研究員兼文章合著者 Michael Tayler 博士解釋說。
揭示化合物在磁化過程中的行為
該團隊通過監測臨床相關分子中的超極化來測試他們的 OPM。原子傳感器前所未有的分辨率和實時跟蹤使他們能夠見證代謝物化合物 （[1-13C]-富馬酸鹽）在磁場存在下進化。
原子傳感器揭示了直到現在才被注意到的“隱藏的自旋動力學”，為從過程一開始就優化超極化提供了一條新途徑。
“以前的方法掩蓋了磁化剖面中的細微振蕩，這在以前是無法檢測到的，”Tayler 評論道。“如果沒有 OPM，我們甚至不會意識到最終極化并不理想。”
除了簡單的觀察之外，該方法還可用于實時控制極化過程，并在最方便的點停止它，例如，當達到最大極化時。
該研究揭示了當團隊施加磁場反復磁化和消磁超極化富馬酸鹽分子時的其他意外行為。他們希望看到磁化強度增加到最大值，然后一次又一次地回到零，每次都能從一種狀態平穩地過渡到另一種狀態。與這些簡單的預期相反，由于在一定的磁化-退磁持續時間和磁場中隱藏的共振，該分子表現出復雜的動力學。
“這種理解將幫助我們檢測何時發生不需要的行為并調整參數（如循環的持續時間或磁場的強度）以防止它發生，”Tayler 解釋說。
這項工作代表了超極化 MRI 技術的進步，這在很大程度上要歸功于 IBEC 的精準醫學分子成像小組和 ICFO 的原子量子光學小組的合作努力。IBEC 在超極化方法方面的專業知識和 ICFO 在 OPM 傳感技術方面的專業知識對于取得結果至關重要。
“這是一個美麗的例子，說明來自不同學科的研究人員一起工作時可以實現新科學，IBEC 和 ICFO 的接近意味著我們能夠密切合作并取得真正新穎的成就，”IBEC 研究員、文章第一作者 James Eills 博士承認。
Tayler 博士回顧了團隊的成功，他說：“OPM 測量從一開始就運行良好。傳感器高超的靈敏度揭示了我們沒有預料到的隱藏動態，仿佛它們是為此目的而設計的。易用性和豐富的新信息使它們成為超極化監測的強大工具。
對 MRI 和其他未來應用的好處
這項研究的直接應用是將便攜式原子傳感器集成到 MRI 的臨床樣本質量控制中，目前由西班牙部項目“SEE-13-MRI”中的 ICFO 團隊實施。這樣，就可以在超極化過程中將分子引導到盡可能高的極化水平，并在將物質注射到患者體內之前可靠地證明極化水平。
這一發展可以顯著降低代謝 MRI 的成本和后勤挑戰。如果是這樣，這將將其覆蓋范圍從目前使用的少數專業研究中心擴展到全球許多醫院。
然而，原子傳感器的潛力遠遠超出了醫學成像。使用光泵磁力計 （OPM） 的相同無損實時跟蹤系統可用于監測化學過程中的大分子、研究高能物理目標，甚至優化量子計算中基于自旋的算法。
Tayler 博士說：“我們開發的方法不僅為改進 MRI 開辟了新的途徑，而且為依賴精確磁感應的各個領域開辟了新的途徑，我們對它的進一步發展感到興奮。
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