EP1706355A2 - Verfahren zur anreicherung von hyperpolarisierten atomkernen und vorrichtung zur durchf hrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur anreicherung von hyperpolarisierten atomkernen und vorrichtung zur durchf hrung des verfahrens

Info

Publication number
EP1706355A2
EP1706355A2 EP04802897A EP04802897A EP1706355A2 EP 1706355 A2 EP1706355 A2 EP 1706355A2 EP 04802897 A EP04802897 A EP 04802897A EP 04802897 A EP04802897 A EP 04802897A EP 1706355 A2 EP1706355 A2 EP 1706355A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solvent
hyperpolarized
chamber
atomic nuclei
enriched
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04802897A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Wolfgang HÄSING
Stephan Appelt
Kerstin MÜNNEMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1706355A2 publication Critical patent/EP1706355A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K49/00—Preparations for testing in vivo
    • A61K49/06—Nuclear magnetic resonance [NMR] contrast preparations; Magnetic resonance imaging [MRI] contrast preparations
    • A61K49/18—Nuclear magnetic resonance [NMR] contrast preparations; Magnetic resonance imaging [MRI] contrast preparations characterised by a special physical form, e.g. emulsions, microcapsules, liposomes
    • A61K49/1806—Suspensions, emulsions, colloids, dispersions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K49/00—Preparations for testing in vivo
    • A61K49/06—Nuclear magnetic resonance [NMR] contrast preparations; Magnetic resonance imaging [MRI] contrast preparations
    • A61K49/18—Nuclear magnetic resonance [NMR] contrast preparations; Magnetic resonance imaging [MRI] contrast preparations characterised by a special physical form, e.g. emulsions, microcapsules, liposomes
    • A61K49/1806—Suspensions, emulsions, colloids, dispersions
    • A61K49/1815—Suspensions, emulsions, colloids, dispersions compo-inhalant, e.g. breath tests
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B23/00—Noble gases; Compounds thereof
    • C01B23/001—Purification or separation processes of noble gases
    • C01B23/0036—Physical processing only
    • C01B23/0089—Physical processing only by absorption in liquids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0029—Obtaining noble gases
    • C01B2210/0037—Xenon

Definitions

  • the invention relates to a method for enriching hyperpolarized atomic nuclei and an apparatus for carrying out the method.
  • Electrons understood. For example, 100 percent polarization means that all nuclei or electrons are oriented in the same way. A magnetic moment is associated with the polarization of nuclei or electrons.
  • hyperpolarized 129 Xe is inhaled or injected into a human. 10 to 15 seconds later, the polarized xenon accumulates in the brain. Magnetic resonance tomography is used to determine the distribution of the noble gas in the brain. The result is used for further analyzes.
  • the choice of a polarized noble gas depends on the application. 129 Xe shows a large chemical shift. Xenon z. B. adsorbed on a surface, its resonance frequency changes significantly. Xenon also dissolves in lipophilic liquids. If such properties are desired, xenon is used.
  • the noble gas helium hardly dissolves in liquids.
  • the 3 He isotope is therefore used regularly when cavities are affected. A person's lungs is an example of such a cavity.
  • noble gases have other valuable properties.
  • the isotopes 83 Kr, 21 Ne and 131 Xe have a quadrupole moment, which is interesting, for example, for experiments in basic research or in surface physics.
  • these noble gases are very expensive, so that they are unsuitable for applications in which larger quantities are used.
  • a gas stream consisting of a mixture of 1% 129 Xe and N 2 and 98% 4 He is enriched in a container with Rb vapor and passed through a sample cell.
  • a laser circularly polarized light is provided, that is light in which the angular momentum or the spin of the photons are all in the same
  • the Rb atoms are optically pumped species with the laser beam ( ⁇ ⁇ 795 nm, Rb Dl line) optically pumped longitudinally to a magnetic field, thus polarizing the electron spins of the Rb atoms.
  • the angular momentum of the photons is transferred to the free electrons of the alkali atoms transferred.
  • the spins of the electrons of the alkali atoms therefore show a large deviation from the thermal equilibrium.
  • the alkali atoms are consequently polarized.
  • the collision of an alkali atom with a noble gas atom transfers the polarization of the electron spin from the alkali atom to the noble gas atom. This creates polarized noble gas.
  • the polarization of the electron spin of the alkali atoms generated by the optical pumping of alkali atoms is thus transferred from the alkali electron to the nuclear spin of the noble gases by spin exchange.
  • Alkali atoms are used because they have a large optical dipole moment which interacts with the light. Furthermore, alkali atoms each have a free electron, so that no disadvantageous interactions between two and more electrons per atom can occur.
  • the partial pressure of He in the gas mixture is up to 10 bar. This is very high compared to the other partial pressures (xenon or nitrogen). This relatively high partial pressure means that polarized atoms only rarely reach the sample wall of the glass cell and lose their polarization there, for example due to interaction with paramagnetic centers. With increasing partial pressure of the 4 He, the probability decreases that polarized atoms adversely hit the cell wall.
  • the heavy noble gas atoms e.g. B. Xenon atoms
  • the partial pressure of the xenon gas in the gas mixture must be correspondingly low.
  • Even with a xenon Partial pressure in the gas mixture of 0.1 bar requires laser powers of around 100 watts in order to achieve a polarization of the alkali atoms of around 70 percent in the entire sample volume.
  • the nuclear spin polarization build-up times are between 20 and 40 seconds due to the high spin exchange cross section. Due to the very high rubidium-spin destruction rate for rubidium-xenon impacts, the xenon partial pressure in optical spin-exchange pumps must not exceed the values specified so that a sufficiently high rubidium polarization can be maintained. Therefore 4 He is used as a buffer gas for line broadening in such polarizers.
  • Glass sample cells are used, which are blown from one piece and in which the noble gas atoms or the atomic nuclei are optically pumped.
  • the sample cell is located in a static magnetic field B0 of some 10 Gauss, which is generated by coils, in particular a so-called Helmholtz coil pair.
  • the direction of the magnetic field runs parallel to the cylinder axis of the sample cell or parallel to the beam direction of the laser.
  • the magnetic field is used to guide the polarized atoms.
  • the rubidium atoms which are highly polarized by the light of the laser, collide with the xenon atoms in the glass cell and give up their polarization to the xenon atoms.
  • Typical values of partial pressures at the output of a polarizer are p He ⁇ 7 bar, p N2 ⁇ 0.07 bar, p Xe ⁇ 0.07 bar with a numerical particle density of Rb of ⁇ 10 14 cm -3 .
  • its partial pressure during the polarization is reduced to a few by means of spin exchange optical pumps. wa limited to 0.1 bar.
  • the Xe density in the gas must be increased for the enrichment.
  • a method for the enrichment of hyperpolarized 129 Xe is known from EP 0 890 066 B1.
  • the gas mixture which comprises hyperpolarized 129 Xe
  • the reservoir is cooled, for example with liquid N 2, to a temperature which causes the xenon to condense to the frozen form, so that it is enriched in the reservoir from the flowing starting gas in frozen form.
  • the rubidium is deposited at the outlet of the sample cell due to the high melting point compared to the melting points of the other gases on the wall.
  • the polarized 129 Xe or the residual gas mixture is passed on from the sample cell to a freezer unit. This consists of a glass bulb, the end of which is immersed in liquid nitrogen.
  • the glass bulb is in a magnetic field with a strength of up to approx. 1 Tesla.
  • a magnetic field of the order of about 1 T must be applied, since the relaxation time of the polarized Xe ice is only a few minutes with weaker magnetic fields and at a temperature of the liquid N 2 , so that considerable portions of the polarization disintegrate again with long enrichment times.
  • Longer relaxation times (Tl ⁇ a few hours) can only be achieved if the Xe ice is additionally enriched / stored at the temperature of the liquid He at about 4 K.
  • the object of the invention is to provide an inexpensive method for enriching hyperpolarized atomic nuclei.
  • the method provides for the hyperpolarized atomic nuclei flowing in a gas mixture to be dissolved in a solvent cooled below 293 K.
  • Solubility is defined as the density of the hyperpolarized gas in the solvent in relation to the density of the hyperpolarized gas in the gas space above it at a given temperature and pressure. The solubility is also called the Ostwald coefficient.
  • the solvent has an Ostwald coefficient of at least 2 for the hyperpolarized atomic nuclei below room temperature. With falling temperatures, the solubility or the Ostwald coefficient increases to values of up to 200. Above room temperature, the Ostwald coefficient can advantageously assume a value less than 1.
  • the method according to the invention is in no way limited to the enrichment of hyperpolarized atomic nuclei. Rather, it was recognized that the method can always be used when a specific component to be enriched in a gas mixture dissolves particularly well in a solvent cooled below 293 K compared to other constituents of the mixture.
  • An example of this is the enrichment of the carbon isotopes 12 C and 13 C from a mixture with N 2 and 0 2 . After being dissolved in a solvent cooled below room temperature, the carbon isotopes are enriched and separated from the N 2 and 0 2 . 12 C and 13 C are then separated by isotope separation. Every valuable gas can be enriched from a mixture and, if necessary, separated through further process steps.
  • the method has the advantage that it is inexpensive and easy to use.
  • a lipophilic solvent with high viscosity will be selected for the process.
  • toluene with an Ostwald coefficient of about 5 under standard conditions (293 K, 1 bar) or ethanol with an Ostwald coefficient of about 2.5 under standard conditions is chosen as the solvent for hyperpolarized 129 Xe.
  • Pentane, acetone, methanol and butanol are generally suitable solvents for the enrichment of hyperpolarized noble gases.
  • the solvent can be chosen according to the temperature.
  • the solvent is also present in the liquid phase at low temperatures of, for example, 180 K.
  • the melting point of the solvent is reduced in comparison to the pure solvent without the hyperpolarized atomic nucleus.
  • Hyperpolarized atomic nuclei are accordingly dissolved in the solvent at lower temperatures than is to be expected according to the prior art. This effect is used for enrichment, since the solubility increases rapidly at lower temperatures.
  • Olive oil and benzene as solvents also have a high Ostwald coefficient.
  • the solvent With a suitable choice of the solvent, there is a desired increase in the solubility and thus an enrichment of the hyperpolarized atomic nuclei in the solvent.
  • the solvent includes, for example, ethanol and / or toluene.
  • ethanol for example, ethanol and / or toluene.
  • a high solubility for hyperpolarized atomic nuclei was demonstrated in the context of the invention. It is conceivable to use these solvents to enrich other components from a gas mixture, such as. B. 13 C to use.
  • T ⁇ relaxation time in the solvent is chosen greater than the residence time in the solvent during the process.
  • deuterated solvents such as. B. C 6 D 5 CD 3 (toluene) or CD 3 CD 2 OD (ethanol) in which the relaxation time of the hyperpolarized atomic nuclei is greater than 100 seconds.
  • a hyperpolarized noble gas is advantageously dissolved in the solvent from the gas stream of a polarizer in a chamber in which the solvent is either cooled or is still being cooled. Accordingly, other gases to be enriched are passed into such a chamber.
  • the method optionally provides for a component to be enriched, e.g. B of a hyperpolarized noble gas to cause degassing from the solvent.
  • a component to be enriched e.g. B of a hyperpolarized noble gas to cause degassing from the solvent.
  • the solvent can be passed from the cooling chamber into a further chamber with degassing means. It is conceivable to carry out the redemption and degassing in one and the same chamber if the chamber has cooling and heating means.
  • the volume of the chambers, in particular the chamber in which the degassing takes place, is chosen so large that in the case of
  • the tu time of hyperpolarized atomic nuclei is determined, among other things, by their interaction with the inner wall of the chamber.
  • Ti times of more than 1 hour can be achieved.
  • a fundamental T ⁇ time (Xe-Xe interaction) of 56 h / [amagat] can be used as a basis for Xe gas.
  • hyperpolarized atomic nuclei can therefore be enriched and stored longer than with the known methods.
  • the solvent can be passed into chambers specially provided for this purpose. This procedure enables a pump effect and, for enrichment, a further increase in density of the component to be enriched to be achieved.
  • the flow of the solvent can be controlled continuously or semi-continuously by controlling the pressure in the chambers or in pressure equalization containers or stores.
  • the method has the advantage that, depending on the solvent, only small amounts of N 2 are dissolved in the storage medium. In contrast, considerable amounts of N 2 are frozen out in the known freezing-out process.
  • a device for carrying out a method accordingly comprises at least one chamber with means for degassing the enriched component, which is dissolved in a solvent in the chamber.
  • the chamber has z. B. heating coils and / or means for training ultrasound.
  • the device also has at least one means for forming a magnetic field with a maximum strength of 0.04 Tesla, e.g. B. a Helmholtz coil.
  • a magnetic field with a maximum strength of 0.04 Tesla e.g. B. a Helmholtz coil.
  • expensive and heavy magnets no longer have to be used to generate strong magnetic fields for the hyperpolarized atomic nuclei.
  • the chamber also has means for degassing. if necessary, means for cooling.
  • the temperature of the solvent can be set to, for example, about 180 K during the enrichment, compared to 77 K in the case of condensed Xe ice.
  • the temperatures required in the enrichment process according to the invention with solvents can therefore with standard cooling processes and agents such.
  • B. can be achieved with Peltier elements. This advantageously enables a compact structure of the device according to the invention for mobile systems.
  • the device has at least one chamber in which the hyperpolarized atomic nuclei or other components to be enriched are dissolved, and a further second chamber connected to this chamber.
  • the cold solvent with the gas enriched in it is passed from the first to the second chamber, where it is degassed.
  • the second chamber then has the means for degassing from the solvent.
  • the device optionally has a storage for the enriched gas e.g. a hyperpolarized noble gas.
  • the storage tank is connected to the chamber or chambers in which the degassing takes place.
  • the enriched, possibly hyperpolarized gas is fed into the storage.
  • the solvent on the other hand, is disposed of or returned to the cooling chamber with cooling.
  • the device has at least two cascaded tete units each from a chamber in which the component to be enriched, for. B. a hyperpolarized noble gas is dissolved in a cooled solvent, and a further chamber in which it is degassed again.
  • a hyperpolarized noble gas is dissolved in a cooled solvent
  • a further chamber in which it is degassed again.
  • the solvents cooled below 293 K can be used not only for enrichment but also for storing and transporting a component to be enriched, e.g. B. a certain hyperpolarized noble gas can be used.
  • the once enriched gases, in particular hyperpolarized noble gases, are of particular interest even in the cooled solvent itself.
  • the method according to the invention is not limited to the advantages mentioned. In many applications, it is necessary e.g. B. hyperpolarized 129 Xe dissolved in a liquid from the outset to make it available to the objects or substances to be examined, eg. B. to get to complex molecules or to study the diffusion of liquids in porous structures.
  • the thawing step from the Xe ice is advantageously omitted in the method according to the invention.
  • a cooled solvent with a dissolved hyperpolarized noble gas is therefore a direct contrast medium for magnetic resonance tomography examinations.
  • Chilled ethanol or toluene with dissolved 129 Xe may again be mentioned as an example.
  • a cold solvent with hyperpolarized atomic nuclei, or 13 C, 235 U or 238 U, in which the solvent has a temperature of less than 293 K is therefore of particular interest.
  • the solvent can also include pentane or other solvents. Such a solvent can
  • FIG. 2 shows a device for carrying out the method according to the invention.
  • a device for enrichment can be seen, for example, in FIG. 2.
  • a gas mixture 1 with hyperpolarized atomic nuclei flows from a polarizer (not shown) into a first chamber 2, which contains a cooled solvent.
  • Chamber 2 has means for cooling the solvent.
  • the solvent with the gas mixture is cooled to a temperature i of e.g. 180 K.
  • the gas components are enriched according to their solubility in the solvent and thus separated from one another.
  • the components of the mixture that are not required are discharged via valve 3.
  • the solvent enriched with the hyperpolarized atomic nuclei is passed via a connecting line from the chamber 2 into another chamber 5.
  • Chamber 5 comprises degassing means, such as a device for generating ultrasound and / or a heater. The solvent is thus degassed by heat and / or ultrasound in the chamber 5.
  • Chamber 5 thus represents a degassing chamber 5 for the hyperpolarized atomic nuclei from the solvent.
  • the hyperpolarized In the atomic nuclei above the solvent a gas pressure of the originally dissolved gas entered.
  • the gas pressure is determined by the partial pressure of the hyperpolarized atomic nuclei (gas component) in the solvent chamber 2 and the ratio of the solubilities of this gas component in the solvent at the temperatures Ti in chamber 2 and T 2 in chamber 5.
  • the degassing chamber 5, into which the solvent is passed, has a sufficiently large volume that a long Tx relaxation time of the hyperpolarized nuclei is ensured.
  • the volume is measured so that a gas pressure of about 2 bar is established.
  • the process of solution and degassing can be repeated, as shown in FIG. 2 by means of solid lines.
  • the gas with the hyperpolarized atomic nuclei is passed into chamber 6 and cooled there to the temperature T x .
  • the temperature T x After enrichment in the solvent, it is passed into chamber 8 at a temperature T 2 for degassing.
  • Chamber 8 again has a sufficient volume.
  • Chamber 6 like chamber 2 for cooling, is provided with a cooling unit 7 for cooling the solvent.
  • the respective temperatures Ti and T 2 in the chambers 2, 6 and 5, 8 can, but need not necessarily, be identical. Rather, the chambers can be provided with heaters and means for generating ultrasound, depending on the application.
  • the degassed hyperpolarized atomic nuclei are passed from the chamber 8 into a memory 9.
  • the inner walls of the memory 9 are lined with PFA or monochlorosilane in order to extend the relaxation time of the hyperpolarized atomic nuclei.
  • all chambers and connecting lines of the device can be designed in this way.
  • the solvent is passed into a waste container 14 and disposed of, or temporarily stored in a container 10 for reuse. Transport can be controlled by gas pressure.
  • the solvent is, for. B. in the container 10 exposed to pressure equalization.
  • the waste container 14 is arranged behind the chamber or chambers 5, 8 for degassing.
  • the solvent is then fed back into the chamber 2 via a cooling coil 11 via the connecting line 12.
  • a storage container 13 with solvent is arranged in front of the cooling coil 11, so that used solvent can be replaced and pre-cooled to the intended temperature Ti.
  • the entire process can be controlled continuously or semi-continuously by controlling the pressure in the accumulator 9 and in the surge tank 10.
  • the method can be controlled at least partially discontinuously via the valves shown. Additional valves, not shown, can be arranged, for. B. behind chamber 8 before the branch to waste bin 14th
  • a magnetic field of less than 0.01 T is sufficient to store the gas in storage 9.
  • Helmholtz coils are arranged in a suitable manner for this purpose and are part of the device.
  • 129 Xe densities can be set at different temperatures in the solvent (toluene / ethanol): Level 1 Level 2 (Chamber 2) (Chamber 6)
  • T 240K, pXe, Sol -0.7 bar -3.5 bar
  • T 200K, pXe, Sol -2.1 bar -10 bar

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung von hy­perpolarisierten Atomkernen. Das Verfahren sieht vor, in ei­nem Gasgemisch strömende hyperpolarisierte Atomkerne in einem unterhalb 293 K gekühlten Lösungsmittel zu lösen. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst min­destens eine Kammer mit Mitteln zur Entgasung von hyperpola­risierte Atomkernen, die in einem in der Kammer befindlichen Lösungsmittel gelöst sind. Die Vorrichtung umfasst Mittel zur Ausbildung eines Magnetfeldes von maximal 0,04 T.

Description

Beschreibung Verfahren zur Anreicherung von hyperpolarisierten Atomkernen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung von hyperpolarisierten Atomkernen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Neuere Entwicklungen in der Magnet Resonanz Tomographie (MRT) sowie in der Magnet Resonanz Spektroskopie (NMR) mit polarisierten Edelgasen lassen Anwendungen in der Medizin, in der Physik und in den Materialwissenschaften erwarten. Große Polarisationen von Kernspins von Edelgasen können durch optisches Pumpen mit Hilfe von Alkaliatomen erzielt werden, wie der Druckschrift Happer et al . , Phys . Rev. A, 29, 3092 (1984) zu entnehmen ist .
Mittels optischen Pumpens durch Lichteinstrahlung in Materie, werden die Besetzungszahlen bestimmter Energiezustände gegenüber dem Gleichgewichtszustand bedeutend erhöht. Unter Pola- risation wird dabei der Grad der Ausrichtung (Ordnung) der Spins von Atomkernen oder
Elektronen verstanden. Zum Beispiel bedeutet 100 Prozent Polarisation, dass sämtliche Kerne oder Elektronen in gleicher Weise orientiert sind. Mit der Polarisation von Kernen oder Elektronen ist ein magnetisches Moment verbunden.
Hyperpolarisiertes 129Xe wird zum Beispiel von einem Menschen inhaliert oder in ihn injiziert. 10 bis 15 Sekunden später sammelt sich das polarisierte Xenon im Gehirn an. Mit Hilfe der Magnetischen Resonanz Tomographie wird die Verteilung des Edelgases im Gehirn festgestellt. Das Ergebnis wird für weitere Analysen genutzt. Die Wahl eines polarisierten Edelgases hängt jeweils vom Anwendungsfall ab. 129Xe weist eine große chemische Verschiebung auf. Wird Xenon z. B. auf einer Oberfläche adsorbiert, so verändert sich signifikant seine Resonanzfrequenz. Außerdem löst sich Xenon in lipophilen Flüssigkeiten. Wenn derartige Eigenschaften erwünscht sind, wird Xenon eingesetzt.
Das Edelgas Helium löst sich kaum in Flüssigkeiten. Das Isotop 3He wird daher regelmäßig dann verwendet, wenn Hohlräume betroffen sind. Die Lunge eines Menschen stellt ein Beispiel für einen solchen Hohlraum dar.
Einige Edelgase weisen andere wertvolle Eigenschaften auf. So besitzen z.B. die Isotope 83Kr, 21Ne und 131Xe ein Quadrupolmo- ment, welches z.B. für Experimente in der Grundlagenforschung bzw. in der Oberflächenphysik interessant ist. Diese Edelgase sind allerdings sehr teuer, so dass diese für Anwendungen, bei denen größere Mengen verwendet werden, ungeeignet sind.
Aus der Druckschrift Driehuys et al . (Appl . Phys . Lett . (1996) . 69, 1668) ist bekannt, 129Xe auf folgende Weise in einem Polarisator zu polarisieren.
Ausgehend von einer Gasversorgung, wird ein Gasstrom, bestehend aus einem Gemisch von je 1% 129Xe und N2 sowie 98 % 4He in einem Behälter mit Rb-Dampf angereichert und durch eine Probenzelle geleitet. Mit Hilfe eines Lasers wird zirkulär polarisiertes Licht bereitgestellt, also Licht, bei dem der Drehimpuls bzw. der Spin der Photonen alle in die gleiche
Richtung zeigen. In der Probenzelle werden die Rb-Atome als optisch pumpbare Spezies mit dem Laserstrahl (λ~ 795 nm, Rb Dl-Linie) longitudinal zu einem Magnetfeld optisch gepumpt und so die Elektronenspins der Rb-Atome polarisiert. Dabei wird der Drehimpuls der Photonen auf die freien Elektr/onen der Alkaliatome übertragen. Die Spins der Elektronen der Alkaliatome weisen somit eine große Abweichung vom thermischen Gleichgewicht auf. Die Alkaliatome sind folglich polarisiert. Durch einen Stoß eines Alkaliatoms mit einem Edelgasatom wird die Polarisation des Elektronenspins vom Alkaliatom auf das Edelgasatom übertragen. Es entsteht so polarisiertes Edelgas. Die durch das optische Pumpen von Alkaliatomen erzeugte Polarisation des Elektronenspins der Alkaliatome wird also durch Spinaustausch vom Alkali-Elektron auf den Kernspin der Edel- gase übertragen.
Alkaliatome werden eingesetzt, da diese über ein großes optisches Dipolmoment verfügen, welches mit dem Licht Wechsel- wirkt. Ferner weisen Alkaliatome jeweils ein freies Elektron auf, so dass keine nachteilhaften Wechselwirkungen zwischen zwei und mehr Elektronen pro Atom auftreten können.
Der Partialdruck von He beträgt in dem Gasgemisch bis zu 10 bar. Im Vergleich zu den übrigen Partialdrucken (Xenon bzw. Stickstoff) ist dies sehr hoch. Dieser relativ hohe Partialdruck bewirkt, dass polarisierte Atome nur selten an die Pro- benwand der Glaszelle gelangen und dort z.B. durch Wechselwirkung mit paramagnetischen Zentren ihre Polarisation verlieren. Mit zunehmendem Partialdruck des 4He nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass polarisierte Atome nachteilhaft an die Zellenwand stoßen.
Die schweren Edelgas-Atome, z. B. Xenon-Atome, verursachen bei Stößen mit den Alkaliatomen eine starke Relaxation der Polarisation der optisch gepumpten Alkaliatome. Um die Polarisation der Alkaliatome beim optischen Pumpen so groß wie möglich zu halten, muss der Partialdruck des Xenongases im Gasgemisch entsprechend klein sein. Selbst bei einem Xenon- Partialdruck im Gasgemisch von 0,1 bar braucht man Laserleistungen um die 100 Watt, um im ganzen Probenvolumen eine Polarisation der Alkaliatome von etwa 70 Prozent zu erreichen.
Für 129Xe liegen die Kernspin-Polarisations-Aufbauzeiten auf- grund des hohen Spinaustausch-Wirkungsquerschnittes zwischen 20 bis 40 Sekunden. Aufgrund der sehr großen Rubidium-Spin- Zerstörungsrate für Rubidium-Xenon-Stöße darf beim optischen Spinaustauschpumpen der Xenon-Partialdruck genannte Werte nicht übersteigen, damit eine genügend hohe Rubidium- Polarisation aufrecht erhalten werden kann. Deshalb wird in solchen Polarisatoren 4He zur Linienverbreiterung als Puffergas eingesetzt.
Es werden Probenzellen aus Glas eingesetzt, die aus einem Stück geblasen sind und in denen die Edelgasatome bzw. die Atomkerne optisch gepumpt werden.
Die Probenzelle befindet sich gemäß Stand der Technik in einem statischen magnetischen Feld B0 von einigen 10 Gauss, das von Spulen, insbesondere einem sogenannten Helmholtzspulen- paar, erzeugt wird. Die Richtung des magnetischen Feldes ver- läuft parallel zur Zylinderachse der Probenzelle bzw. parallel zur Strahlrichtung des Lasers. Das Magnetfeld dient der Führung der polarisierten Atome. Die durch das Licht des Lasers optisch hochpolarisierten Rubidium-Atome kollidieren in der Glaszelle unter anderem mit den Xenon-Atomen und geben ihre Polarisation an die Xenon-Atome ab.
Typische Werte von Partialdrücken am Ausgang eines Polarisators sind pHe~ 7 bar, pN2 ~ 0,07 bar, pXe ~ 0,07 bar bei einer numerischen Teilchendichte des Rb von ~ 1014 cm-3. Bei der Hy- perpolarisation von 129Xe ist dessen Partialdruck während der Polarisation mittels Spin-Austausch-Optischen-Pumpens auf et- wa 0,1 bar begrenzt. Um eine für viele Anwendungen hinreichende und ausreichende Menge und Dichte des hyperpolarisier- ten Gases herzustellen, muss zur Anreicherung die Xe-Dichte im Gas erhöht werden.
Ein Verfahren zur Anreicherung von hyperpolarisiertem 129Xe ist aus EP 0 890 066 Bl bekannt. Während des Verfahrens strömt das Gasgemisch, welches hyperpolarisiertes 129Xe umfasst, durch ein Anreicherungsreservoir. Das Reservoir wird z.B. mit flüssigem N2 auf eine Temperatur gekühlt, die be- wirkt, dass das Xenon zur gefrorenen Form kondensiert, so dass es aus dem strömenden Ausgangsgas in gefrorener Form im Reservoir angereichert wird. Das Rubidium scheidet sich am Ausgang der Probenzelle aufgrund des hohen Schmelzpunkts im Vergleich zu den Schmelzpunkten der übrigen Gase an der Wand ab. Das polarisierte 129Xe bzw. das Restgasgemisch wird von der Probenzelle in eine Ausfriereinheit weitergeleitet. Diese besteht aus einem Glaskolben, dessen Ende in flüssigen Stickstoff getaucht ist . Der Glaskolben befindet sich in einem Magnetfeld mit einer Stärke von bis zu ca. 1 Tesla. Um lange AnreicherungsZeiten des 129Xe von etwa 1 Stunde zu erreichen, muss ein Magnetfeld in der Größenordnung von etwa 1 T angelegt werden, da bei schwächeren Magnetfeldern und bei einer Temperatur des flüssigen N2 die Relaxationszeit des polarisierten Xe-Eises nur einige Minuten beträgt, so dass be- trächtliche Anteile der Polarisation bei langen Anreicherungszeiten wieder zerfallen. Längere Relaxationszeiten (Tl~ einige Stunden) können nur erreicht werden, wenn das Xe-Eis zusätzlich bei der Temperatur des flüssigen He bei etwa 4 K angereichert / gespeichert wird.
Nachteilig ist es somit erforderlich, nach der Polarisierung das 129Xe sehr schnell und möglichst verlustfrei einzufrieren, mittels eines starken Magnetfeldes von ~ 1 T zu speichern und anschließend wieder in Xe-Gas zu verdampfen. Es verbleiben aber auch dann zur Nutzung des Edelgases nur ungefähr 1 bis 2 Stunden, ehe die Xenon-Polarisation durch Relaxation so stark abgenommen hat, dass eine weitere Verwendung nicht mehr möglich ist. Der Aufwand zur Bereitstellung starker Magnetfelder und von Temperaturen zur Kondensierung des 129Xe machen das Verfahren teuer und zudem aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein preiswertes Verfahren zur Anreicherung hyperpolarisierter Atomkerne bereit zu stellen.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Ne- benanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Das Verfahren sieht vor, die in einem Gasgemisch strömenden hyperpolarisierten Atomkerne in einem unterhalb 293 K gekühlten Lösungsmittel zu lösen. Die Löslichkeit ist definiert als die Dichte des hyperpolarisierten Gases in dem Lösungsmittel im Verhältnis zur Dichte des hyperpolarisierten Gases im darüber befindlichen Gasraum bei gegebener Temperatur und Druck. Die Löslichkeit wird auch als Ostwaldkoeffizient bezeichnet.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mittels eines unterhalb Raumtemperatur gekühlten, insbesondere organischen Lösungsmittels, wie z. B. eines Kohlenwasserstoffes, eine große Dichteerhöhung des Gases im Lösungsmittel im Vergleich zur Gasphase erzielt wird. Im unterhalb Raumtemperatur ge- kühlten Lösungsmittel wird im Vergleich zur Raumtemperatur eine mindestens 2-fach höhere Löslichkeit erzielt, die zur Anreicherung der hyperpolarisierten Atomkerne im Lösungsmittel genutzt wird.
Das Lösungsmittel weist unterhalb der Raumtemperatur einen Ostwaldkoeffizienten von mindestens 2 für die hyperpolarisierten Atomkerne auf. Bei absinkenden Temperaturen steigt die Lδslichkeit bzw. der Ostwaldkoeffizient auf Werte bis zu 200 an. Oberhalb der Raumtemperatur kann der Ostwaldkoeffi- zient vorteilhaft auch einen Wert kleiner 1 annehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist keineswegs auf die Anreicherung hyperpolarisierter Atomkerne beschränkt. Vielmehr wurde erkannt, dass das Verfahren immer dann anwendbar ist, wenn eine bestimmte anzureichernde Komponente in einem Gasge- misch sich im Vergleich zu anderen Bestandteilen des Gemisches besonders gut in einem unterhalb 293 K gekühlten Lösungsmittel löst .
Beispielhaft sei hier die Anreicherung der Kohlenstoffisotope 12C und 13C aus einem Gemisch mit N2 und 02 genannt. Nach Lö- sung in einem unterhalb Raumtemperatur gekühlten Lösungsmittel werden die Kohlenstoffisotope angereichert und vom N2 und 02 getrennt. 12C und 13C werden im Anschluss durch Isotopentrennung getrennt. Es kann jedes wertvolle Gas aus einem Gemisch angereichert werden und gegebenenfalls über weitere Verfahrensschritte separiert werden. Das Verfahren weist den Vorteil auf, dass es preiswert und einfach zu handhaben ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird für das Verfahren ein lipophiles Lösungsmittel mit hoher Viskosität gewählt werden. Als Lösungsmittel für hyperpolarisiertes 129Xe wird beispielsweise Toluol mit einem Ostwaldkoeffizienten von etwa 5 bei Standardbedingungen (293 K, 1 bar) oder Ethanol mit einem Ostwaldkoeffizienten von etwa 2,5 bei Standardbedingungen ge- wählt werden.
Pentan, Aceton, Methanol und Butanol sind generell geeignete Lösungsmittel für die Anreicherung hyperpolarisierter Edelgase. Das Lösungsmittel kann entsprechend der Temperatur gewählt werden.
Das Lösungsmittel liegt in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch bei tiefen Temperaturen von beispielsweise 180 K in der flüssigen Phase vor.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung tritt bei der Lösung hyperpolarisierter Atomkerne eine Erniedrigung des Schmelzpunkts des Lösungsmittels im Vergleich zum reinen Lösungsmittel ohne die hyperpolarisierten Atomkerne auf.
Eine derartige Schmelzpunkterniedrigung wurde für Toluol, in welches 129Xe gelöst wurde, im Rahmen der Erfindung nachgewiesen.
Die Lösung hyperpolarisierter Atomkerne im Lösungsmittel erfolgt demgemäss bei niedrigeren Temperaturen, als dies gemäß Stand der Technik zu erwarten ist. Dieser Effekt wird zur Anreicherung genutzt, da mit niedrigeren Temperaturen eine rapide Erhöhung der Löslichkeit erfolgt.
Olivenöl und Benzol als Lösungsmittel weisen ebenfalls einen hohen Ostwaldkoeffizienten auf. Es kommt bei geeigneter Wahl des Lösungsmittels zur erwünschten Erhöhung der Löslichkeit und damit zur Anreicherung der hyperpolarisierten Atomkerne im Lösungsmittel .
Das Lösungsmittel umfasst beispielsweise Ethanol und/oder To- luol . Für beide Lösungsmittel wurde unterhalb der Raumtemperatur eine große Löslichkeit für hyperpolarisierte Atomkerne im Rahmen der Erfindung nachgewiesen. Es ist denkbar, diese Lösungsmittel auch zur Anreicherung anderer Komponenten aus einem Gasgemisch, wie z. B. 13C zu verwenden.
Im Falle anzureichernder hyperpolarisierter Atomkerne, wird während des Verfahrens deren Tχ-Relaxationszeit im Lösungsmittel größer gewählt, als die Verweilzeit im Lösungsmittel. Hierzu können deuterierte Lösungsmittel wie z. B. C6D5CD3 (Toluol) oder CD3CD2OD (Ethanol) gewählt werden, in denen die Relaxationszeit der hyperpolarisierten Atomkerne größer 100 Sekunden beträgt .
Das Einlösen eines hyperpolarisierten Edelgases im Lösungsmittel aus dem Gasstrom eines Polarisators heraus geschieht zweckmäßigerweise in einer Kammer, in der das Lösungsmittel entweder gekühlt vorliegt oder noch abgekühlt wird. Entsprechend werden andere anzureichernde Gase in eine derartige Kammer geleitet.
Das Verfahren sieht optional vor, nach der Lösung einer anzureichernden Komponente, z. B eines hyperpolarisierten Edelga- ses eine Entgasung aus dem Lösungsmittel herbeizuführen. Zu diesem Zweck kann das Lösungsmittel aus der Kühlkammer in eine weitere Kammer mit Mitteln zur Entgasung geleitet werden. Es ist denkbar, die Einlösung und Entgasung in ein und derselben Kammer durchzuführen, sofern die Kammer Kühl- und Heizmittel aufweist.
Das Volumen der Kammern, insbesondere der Kammer in der die Entgasung erfolgt, wird so groß gewählt, dass im Falle der
Anreicherung hyperpolarisierter Atomkerne die Relaxationszeit der Kerne durch Wandberührung an den Innenwänden länger ist, als die Anreicherungszeit.
Die Tu.-Zeit hyperpolarisierter Atomkerne wird unter anderem durch deren Wechselwirkung mit der Kammerinnenwand bestimmt. Durch die Beschichtung der Innenwände der Kammern und/oder der Verbindungsleitungen zwischen den Kammern, z.B. mit deu- teriertem Monochlorsilan oder PFA (Perfluoralkoxy-Verbindungen) können Ti-Zeiten von mehr als 1 Stunde erreicht wer- den. Beispielhaft kann für Xe-Gas eine fundamentale Tχ-Zeit (Xe-Xe-Wechselwirkung) von 56 h/ [amagat] zu Grunde gelegt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher hyperpolari- sierte Atomkerne länger angereichert und gespeichert werden, als mit den bekannten Verfahren.
Besonders vorteilhaft kann während des Verfahrens zur Anreicherung eine mehrfache Wiederholung der Schritte Lösung und Entgasung der anzureichernden Komponente bzw. der hyperpolarisierten Atomkerne in und aus einem gekühlten Lösungsmittel herbeigeführt werden. Insbesondere kann das Lösungsmittel in speziell hierzu vorgesehene Kammern geleitet werden. Durch diese Vorgehensweise kann ein Pumpeffekt und zur Anreicherung eine weitere Dichteerhöhung der anzureichernden Komponente erzielt werden. Der Fluss des Lösungsmittels kann kontinuierlich oder semikontinuierlich durch Steuerung über den Druck in den Kammern oder in Druckausgleichsbehältern oder Speichern gesteuert werden.
Im Falle von hyperpolarisiertem 129Xe als anzureichernder Komponente, weist das Verfahren den Vorteil auf, dass im Speichermedium, abhängig vom Lösungsmittel, nur geringe Mengen N2 gelöst werden. Im Gegensatz hierzu werden bei dem bekannten Ausfrierverfahren erhebliche Mengen N2 ausgefroren.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, umfasst demgemäss mindestens eine Kammer mit Mitteln zur Entgasung der angereicherten Komponente, welche in einem in der Kammer befindlichen Lösungsmittel gelöst ist.
Die Kammer weist zum Zwecke der Entgasung z. B. Heizspiralen und/oder Mittel zur Ausbildung von Ultraschall, auf.
Für ein hyperpolarisiertes Edelgas als anzureichernder Komponente, weist die Vorrichtung zudem mindestens ein Mittel zur Ausbildung eines Magnetfeldes von einer Stärke von maximal 0,04 Tesla auf, z. B. eine Helmholtzspule auf. Vorteilhaft müssen also keine teuren und schweren Magnete mehr zur Erzeugung starker Magnetfelder für die hyperpolarisierten Atomkerne verwendet werden.
Es reichen vielmehr einfache Helmholtz-Elektromagnete oder Permanentmagnete aus, da zur Anreicherung das gekühlte Lδ- sungsmittel einem Magnetfeld von nur maximal 0,04 Tesla ausgesetzt werden muss. Dies hat Auswirkungen auf die Mobilität, die man mit derartigen Vorrichtungen hat.
Wenn die Einlösung und die Entgasung in derselben Kammer stattfinden, weist die Kammer neben Mitteln zur Entgasung ge- gebenenfalls noch Mittel zur Kühlung auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Anreicherung hyperpolarisierter Atomkerne bei einer Temperatur ermöglicht, die erheblich höher ist, als diejenige, die gemäß Stand der Technik angewen- det wird. Die Temperatur des Lösungsmittels kann während der Anreicherung auf beispielsweise etwa 180 K eingestellt werden, gegenüber 77 K im Falle von kondensiertem Xe-Eis. Die bei dem erfindungsgemäßen Anreichungsverfahren mit Lösungsmitteln benötigten Temperaturen können daher mit Standard- kühlverfahren und Mitteln, wie z. B. mit Peltierelementen erzielt werden. Dieses ermöglicht vorteilhaft einen kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung für mobile Anlagen.
Sofern die Entgasung in einer anderen Kammer durchgeführt wird, weist die Vorrichtung mindestens eine Kammer auf, in der die hyperpolarisierte Atomkerne oder andere anzureichernde Komponenten gelöst werden, und eine weitere, mit dieser Kammer in Verbindung stehende zweite Kammer auf. Das kalte Lösungsmittel mit dem darin angereicherten Gas wird von der ersten in die zweite Kammer geleitet, wo dessen Entgasung er- folgt . Die zweite Kammer weist dann die genannten Mittel zur Entgasung aus dem Lösungsmittel auf.
Die Vorrichtung weist gegebenenfalls einen Speicher für das angereicherte Gas z.B. ein hyperpolarisiertes Edelgas auf. Der Speicher steht mit der oder den Kammern, in der die Ent- gasung erfolgt, in Verbindung. Das angereicherte, gegebenenfalls hyperpolarisierte Gas wird in den Speicher geleitet. Das Lösungsmittel wird hingegen entsorgt, oder aber unter Kühlung in die Kühlkammer zurückgeführt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens zwei hintereinander geschal- tete Einheiten aus jeweils einer Kammer, in der die anzureichernde Komponente, z. B. ein hyperpolarisiertes Edelgas in einem gekühlten Lösungsmittel gelöst wird, und einer weiteren Kammer, in der dieses wieder entgast werden, auf. Dadurch kann das Verfahren aus Einlösung und Entgasung wiederholt werden und erfolgt beispielsweise zweistufig. Dadurch entsteht besonders vorteilhaft eine weitere Erhöhung der Löslichkeit bzw. Anreicherung im Lösungsmittel.
Selbstverständlich können die unterhalb 293 K gekühlten Lö- sungsmittel nicht nur zu Anreicherung, sondern vielmehr auch zur Speicherung und zum Transport einer anzureichernden Komponente, z. B. eines bestimmten hyperpolarisierten Edelgases verwendet werden .
Die einmal angereicherten Gase, insbesondere hyperpolarisier- te Edelgase sind aber auch im gekühlten Lösungsmittel selbst schon von besonderem Interesse. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nämlich nicht auf die genannten Vorteile beschränkt. In vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, z. B. hyperpolarisiertes 129Xe von vornherein in einer Flüssigkeit gelöst zur Verfügung zu stellen, um es an die zu untersuchenden Objekte oder Substanzen, z. B. an komplexe Moleküle heranzubringen oder die Diffusion von Flüssigkeiten in porösen Strukturen zu untersuchen. Der Schritt des Auftauens aus dem Xe-Eis entfällt vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ein gekühltes Lösungsmittel mit einem gelösten hyperpolarisierten Edelgas ist daher direkt ein Kontrastmittel für Magnetresonanz-Tomographische Untersuchungen.
Beispielhaft sei wiederum gekühltes Ethanol oder Toluol mit gelöstem 129Xe genannt . Ein kaltes Lösungsmittel mit hyperpolarisierten Atomkernen, oder 13C, 235U oder 238U, bei dem das Lösungsmittel eine Temperatur von weniger als 293 K aufweist ist daher von besonderem Interesse. Das Lösungsmittel kann neben Toluol oder Ethanol auch Pentan oder andere Lösungsmittel umfassen. Ein solches Lösungsmittel kann
Im weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbei- spielen und den beigefügten Figuren näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt Messergebnisse zur Löslichkeit von 129Xe in Tolu- ol und Ethanol in Abhängigkeit von der Temperatur der Lösungsmittel .
Fig.2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Gemäß Fig. 1 zeigte sich überraschend, dass bereits bei einer Temperatur von 273 K eine deutliche Erhöhung der Löslichkeit bzw. des Ostwaldkoeffizienten von 129Xe gegenüber Raumtemperatur erzielt wird.
Bei einer Temperatur von etwa 240 Kelvin wird eine gegenüber der Gasphase bereits 10-fach höhere Dichte an 129Xe sowohl in Ethanol als auch in Toluol erzielt. Noch höhere Löslichkeiten von 129Xe im Lösungsmittel erzielt man, wenn man diese auf Temperaturen von 180 Kelvin kühlt. In diesem Fall werden bereits 100-fach höhere Dichten sowohl in Toluol als auch in Ethanol gegenüber der Gasphase erzielt. Eine weitere Abküh- lung um nur wenige Kelvin bewirkt eine Erhöhung des Ostwaldkoeffizienten auf einen Wert von bereits 200 (Fig. 2) .
Ein weiterer sprunghafter Anstieg der Löslichkeit erfolgt, sofern das Lösungsmittel weiter abgekühlt wird. Dieser Effekt kann auch bei anderen Lösungsmitteln und anderen hyperpolarisierten Atomkernen oder auch mit 13C, gegebenenfalls anderer darin gelöster Komponenten erfolgen. Dieser sprunghafte Anstieg bei niedrigen Temperaturen ist besonders interessant, da bei der Lösung hyperpolarisierter Atomkerne eine Erniedrigung des Schmelzpunkts des Lösungsmittels im Vergleich zum reinen Lösungsmittel ohne hyperpolarisierte Atomkerne nachweisbar ist, und auch für andere Lösungsmittel zu erwarten ist .
Eine Vorrichtung zur Anreicherung ist beispielhaft der Fig. 2 entnehmbar .
Ein Gasgemisch 1 mit hyperpolarisierten Atomkernen strömt aus einem Polarisator (nicht dargestellt) in eine erste Kammer 2, welche ein gekühltes Lösungsmittel enthält. Kammer 2 weist Mittel zur Kühlung des Lösungsmittels auf. Das Lösungsmittel mit dem Gasgemisch wird dabei auf eine Temperatur i von z.B.180 K abgekühlt.
In der Kammer 2 werden die Gaskomponenten gemäß ihrer Löslichkeit im Lösungsmittel angereichert und somit voneinander separiert. Die nicht benötigten Bestandteile des Gemisches werden über Ventil 3 abgelassen. Das mit den hyperpolarisierten Atomkernen angereicherte Lösungsmittel wird über eine Verbindungsleitung aus der Kammer 2 in eine weitere Kammer 5 geleitet. Kammer 5 umfasst Mittel zur Entgasung, wie bei- spielsweise eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall und/oder eine Heizung. Die Entgasung des Lösungsmittels erfolgt also durch Wärme und/oder Ultraschall in der Kammer 5.
Kammer 5 stellt somit eine Entgasungskammer 5 für die hyperpolarisierten Atomkerne aus dem Lösungsmittel dar. In der Kammer 5 stellt sich durch die Entgasung der hyperpolarisier- ten Atomkerne über dem Lösungsmittel ein Gasdruck des ursprünglich gelösten Gases ein. Der Gasdruck wird durch den Partialdruck der hyperpolarisierten Atomkerne (Gaskomponente) in der Lδsungsmittelkammer 2 und dem Verhältnis der Löslich- keiten dieser Gaskomponente im Lösungsmittel bei den Temperaturen Ti in Kammer 2 und T2 in der Kammer 5 bestimmt .
Die Entgasungskammer 5, in die das Lösungsmittel geleitet wird, weist ein genügend großes Volumen auf, so dass eine lange Tx-Relaxationszeit der hyperpolarisierten Kerne gewähr- leistet wird. Das Volumen wird so bemessen, dass sich ein Gasdruck von etwa 2 bar einstellt.
Nach der Entgasung in Kammer 5 kann der Prozess aus Lösung und Entgasung wiederholt werden, wie in der Fig. 2 mittels durchgezogener Linien dargestellt ist. Hierzu wird ausgehend von Kammer 5 am Ende der ersten Anreicherungsstufe, das Gas mit den hyperpolarisierten Atomkernen in Kammer 6 geleitet und dort auf die Temperatur Tx gekühlt . Nach der Anreicherung im Lösungsmittel wird dieses in Kammer 8 mit einer Temperatur T2 zur Entgasung geleitet. Kammer 8 weist wiederum ein aus- reichendes Volumen auf.
Kammer 6 ist wie Kammer 2 zur Kühlung mit einem Kühlaggregat 7 zur Kühlung des Lösungsmittels versehen.
Die jeweiligen Temperaturen Ti und T2 in den Kammern 2, 6 sowie 5, 8 können, müssen aber nicht notwendigerweise identisch sein. Vielmehr können die Kammern je nach Anwendungsfall mit Heizungen und Mitteln zur Erzeugung von Ultraschall versehen sein. Von der Kammer 8 werden die entgasten hyperpolarisierten Atomkerne in einen Speicher 9 geleitet. Die Innenwände des Speichers 9 sind mit PFA oder Monochlorsi- lan ausgekleidet, um die Relaxationszeit der hyperpolarisierten Atomkerne zu verlängern. Grundsätzlich können alle Kammern und Verbindungsleitungen der Vorrichtung so ausgestaltet sein.
Das Lösungsmittel wird in einen Abfallbehälter 14 geleitet und entsorgt, oder aber zur Wiederverwendung in einem Behälter 10 zwischengespeichert. Der Transport kann durch den Gasdruck gesteuert werden. Hierzu wird das Lösungsmittel z. B. im Behälter 10 einem Druckausgleich ausgesetzt. Der Abfallbehälter 14 ist hinter der oder den Kammern 5, 8 zur Entgasung angeordnet .
Anschließend wird das Lösungsmittel über eine Kühlschlange 11 über den Verbindungsleitung 12 wieder in die Kammer 2 zurück- geführt.
Ein Vorratsbehälter 13 mit Lösungsmittel ist vor der Kühlschlange 11 angeordnet, so dass verbrauchtes Lösungsmittel ersetzt und auf die vorgesehene Temperatur Ti vorgekühlt werden kann.
Das gesamte Verfahren kann kontinuierlich oder semikontinuierlich durch Steuerung über den Druck im Speicher 9 und im Druckausgleichsbehälter 10 gesteuert werden.
Das Verfahren kann zumindest teilweise diskontinuierlich über die eingezeichneten Ventile gesteuert werden. Zusätzliche, nicht dargestellte Ventile können angeordnet sein, z. B. hinter Kammer 8 vor der Abzweigung nach Abfallbehälter 14.
Es ist auch möglich, das Verfahren einstufig durchzuführen, wie in Fig. 2 über die gepunkteten Linien angegeben ist. Dann gewährleisten weitere, nicht dargestellte Ventile, dass das aus Kammer 5 abgegebene Lösungsmittel gegebenenfalls in den Druckausgleichsbehälter 10 geleitet wird, oder aber es wird ein entsprechendes Drei-Wege-Ventil vor Druckausgleichsbehal- ter 10 eingesetzt.
Zur Speicherung des Gases in Speicher 9 genügt es ein Magnetfeld von weniger als 0,01 T bereit zu stellen. Helmholtzspu- len sind hierzu in geeigneter Weise angeordnet und Bestandteil der Vorrichtung.
Es lassen sich im Lösungsmittel (Toluol / Ethanol) folgende 129Xe-Dichten bei verschiedenen Temperaturen einstellen: Stufe 1 Stufe 2 (Kammer 2) (Kammer 6)
T = 240K, pXe,Sol -0,7 bar -3,5 bar T = 200K, pXe,Sol -2,1 bar -10 bar
T = 180K, pXe,Sol -7,0 bar -20 bar
Ähnliche Werte werden für Pentan, Aceton, Methanol und andere Lösungsmittel erzielt.
Selbstverständlich lässt sich mit einer solchen Vorrichtung auch ein anderes wertvolles Gas anreichern, z. B. 13C .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Anreicherung einer Komponente eines Gasgemisches, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gasgemisch strömende Komponente in einem un- terhalb 293 K gekühlten Lösungsmittel gelöst wird.
2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass hyperpolarisierte Atomkerne angereichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , gekennzeichnet durch Wahl eines organischen Kohlenwasserstoffes als Lösungsmittel .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wahl eines Lösungsmittels mit einem Ostwaldkoeffizienten von mindestens 2 für die hyperpolarisierten Atomkerne bzw. für die anzureichernde Komponente.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wahl von Ethanol, Toluol, Benzol, Olivenöl, Butanol, Pentan, Methanol und/oder Aceton als Lösungsmittel.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 129Xe oder 13C angereichert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein deuteriertes Lösungsmittel gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Anreicherung das gekühlte Lösungsmittel einem Magnetfeld von maximal etwa 0,01 bis 0,04 Tesla ausgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Temperatur des gekühlten Lösungsmittels von bis zu 180 K gewählt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach der Lösung der Komponente bzw. der hyperpolarisierten Atomkerne eine Entgasung aus dem Lösungsmittel erfolgt.
11. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem das Lösungsmittel vor der Entgasung in eine Kammer zur Entgasung geleitet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einmalige Wiederholung der Schritte Lösung und Entgasung der Komponente bzw. der hyperpolarisierten Atomkerne in das und aus dem gekühlten Lösungsmittel .
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch Lösung der anzureichernden Komponente eine Schmelzpunkterniedrigung des Lösungsmittels auftritt.
14. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 13, umfassend mindestens eine Kammer mit Mitteln zur Entgasung einer angereicherten Komponente.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, umfassend mindestens eine Kammer mit einer Kühlvorrich- tung .
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch Mittel zur Ausbildung eines Magnetfeldes von maximal 0,04 T.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, umfassend mindestens eine Helmholtzspule und/oder einen Permanentmagneten.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch einen Speicher für die angereicherte Komponente, die mit der Entgasungskammer in Verbindung steht .
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände der Kammern, Speicher oder sonstiger Verbindungsleitungen insbesondere deuteriertes Monochlor- silan und/oder PFA umfassen.
20. Verwendung von unterhalb 293 K gekühlten Lösungsmitteln zur Anreicherung, Speicherung und/oder zum Transport hyperpolarisierter Atomkerne oder 13C.
21. Verwendung nach vorhergehendem Anspruch 20 , gekennzeichnet durch Ethanol, Toluol, Benzol, Olivenöl, Butanol, Pentan, Methanol und/oder Aceton als Lösungsmittel .
22. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 oder 21, gekennzeichnet durch einen lipophilen Kohlenwasserstoff als Lösungsmittel.
23. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch ein deuteriertes Lösungsmittel .
24. Lösungsmittel mit darin gelösten hyperpolarisierten Atomkernen oder 13C, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel eine Temperatur von weniger als 293 K aufweist.
25. Lösungsmittel nach vorhergehendem Anspruch 24, gekennzeichnet durch Ethanol, Toluol, Benzol, Olivenöl, Butanol, Pentan, Methanol und/oder Aceton als Lösungsmittel.
26. Lösungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel deuteriert ist.
27. Lösungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 26, gekennzeichnet durch 129Xe als hyperpolarisiertes Edelgas.
28. Lösungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Schmelzpunkt durch Lösung von hyperpolarisierten Atomkernen oder 13C erniedrigt ist.
29. Kontrastmittel, umfassend ein Lösungsmittel mit hyperpolarisierten Atom- kernen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 28
EP04802897A 2004-01-19 2004-12-08 Verfahren zur anreicherung von hyperpolarisierten atomkernen und vorrichtung zur durchf hrung des verfahrens Withdrawn EP1706355A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004002639A DE102004002639A1 (de) 2004-01-19 2004-01-19 Verfahren zur Anreicherung von hyperpolarisierten Atomkernen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
PCT/DE2004/002689 WO2005068359A2 (de) 2004-01-19 2004-12-08 Verfahren zur anreicherung von hyperpolarisierten atomkernen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1706355A2 true EP1706355A2 (de) 2006-10-04

Family

ID=34778083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04802897A Withdrawn EP1706355A2 (de) 2004-01-19 2004-12-08 Verfahren zur anreicherung von hyperpolarisierten atomkernen und vorrichtung zur durchf hrung des verfahrens

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20070156046A1 (de)
EP (1) EP1706355A2 (de)
JP (1) JP2007521860A (de)
DE (1) DE102004002639A1 (de)
WO (1) WO2005068359A2 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8703102B2 (en) * 2008-04-04 2014-04-22 Millikelvin Technologies Llc Systems and methods for producing hyperpolarized materials and mixtures thereof
AU2007254464B2 (en) * 2006-02-21 2013-02-21 Avrum Belzer Hyperpolarization methods, systems and compositions
US7576538B2 (en) * 2006-03-14 2009-08-18 Thomas Meersmann Nuclear electric quadrupolar properties of hyperpolarized gases to probe surfaces and interfaces
US7359059B2 (en) * 2006-05-18 2008-04-15 Honeywell International Inc. Chip scale atomic gyroscope
CA2720333C (en) * 2008-04-04 2017-01-24 Millikelvin Technologies Llc Manufacture, transport and delivery of material containing highly polarized nuclei
WO2009143368A2 (en) * 2008-05-23 2009-11-26 University Of Utah Non-cryogenic storage cell for hyperpolarized 129xe
US8624594B2 (en) * 2008-08-01 2014-01-07 Osaka University Polarized xenon gas concentration method, polarized xenon gas manufacturing supply device, and MRI system
EP2151260A1 (de) * 2008-08-08 2010-02-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Beruhigungsvorrichtung
US9289518B2 (en) * 2008-08-22 2016-03-22 The Brigham And Women's Hospital Enhanced 13C NMR by thermal mixing with hyperpolarized 129XE
CA2772190A1 (en) * 2009-08-31 2011-03-03 Millikelvin Technologies Llc Systems and methods for producing hyperpolarized materials and mixtures thereof
EP2537042A1 (de) * 2010-02-16 2012-12-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Optische hyperpolarisierung mittels licht mit orbitalem drehimpuls

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995021012A1 (en) * 1994-02-04 1995-08-10 University Of Chicago Apparatus for detection and separation of heavy noble gases
US6123919A (en) * 1994-04-08 2000-09-26 The Trustees Of Princeton University Magnetic resonance imaging using hyperpolarized noble gases
US5809801A (en) * 1996-03-29 1998-09-22 The Trustees Of Princeton University Cryogenic accumulator for spin-polarized xenon-129
JP2001503646A (ja) * 1996-03-29 2001-03-21 ローレンス バークレー ナショナル ラボラトリィ 過分極化希ガス存在下でのｎｍｒまたはｍｒｉの増強

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2005068359A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005068359A3 (de) 2006-12-21
WO2005068359A2 (de) 2005-07-28
JP2007521860A (ja) 2007-08-09
US20070156046A1 (en) 2007-07-05
DE102004002639A1 (de) 2005-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69637324T2 (de) Behälter für hyperpolarisiertes edelgas mit einer oberfläche beschichtet mit einem modifizierten polymer
EP1716426B1 (de) Verfahren zur hyperpolarisation von atomkernen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens
DE69726720T2 (de) Vorrichtung zur hyperpolarisation von spin-polarisiertem edelgas mit hoher kapazität
Ruset et al. Optical pumping system design for large production of hyperpolarized Xe 129
EP1839067B1 (de) Verfahren zum ausführen einer dynamischen nuklearpolarisierung
EP1880227B9 (de) Hyperpolarisation von li und weiteren kernen
WO2005068359A2 (de) Verfahren zur anreicherung von hyperpolarisierten atomkernen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens
WO2001011379A1 (de) Hochdruckpolarisator zur hyperpolarisierung der kernspins von edelgasen
DE60018408T2 (de) Verfahren zur herstellung eines mr-kontrastmittels
DE60133651T2 (de) Verfahren zur polarisierung nuklearer spezies
DE1798413B2 (de) Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen. Ausscheidung aus: 1423462
DE69820276T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung hyperpolarisierter Gase mit hohem Druck und Anwendung des Verfahrens
DE60309333T2 (de) Automatisierte dynamische druckempfindliche systeme zur abgabe von hyperpolarisiertem gas und zugehörige verfahren und rechnerprogrammprodukte
DE102008059313A1 (de) NMR-Messaparatur mit Durchfluss-Probenkopf und druckgasbetriebener Mischkammer, insbesondere zur para-Wasserstoff-induzierten Polarisierung einer flüssigen NMR-Messprobe
DE10000675C2 (de) Lineardurchführung, Vorrichtung und Verfahren zur hochproduktiven Erzeugung von hoch kernspinpolarisiertem Helium-3 Gas
DE60312172T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kontrastmitteln für magnetresonanzbildgebung
DE60111944T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur abgabe dosierter mengen hyperpolarisierten edelgases
DE60313354T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kontrastmitteln für Magnetresonanzbildgebung
EP2585843B1 (de) Hyperpolarisationseinrichtung und verfahren zur verabreichung eines hyperpolarisierten flüssigen kontrastmittels
DE102004023345B4 (de) Verfahren zur Hyperpolarisation von Atomkernen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Trantham et al. Failure to observe electron circular dichroism in camphor
DE19927788C2 (de) Polarisator für die Polarisation eines Edelgases
EP1530728B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung von hoch kernspinpolarisierten flüssigkeiten
DE102014107365A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Regelung von Magnetfeldern mit höchster Genauigkeit anhand der freien Präzessionsfrequenz von hyperpolarisierten Kernspins
DE19927159C1 (de) Vorrichtung für die Polarisation von Edelgasen mit einem Verbindungselement für zwei Leitungen, von denen wenigstens eine aus Glas besteht

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20060704

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA HR LV MK YU

PUAK Availability of information related to the publication of the international search report

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009015

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20091201