Dieses Forschungsprojekt mit Mitteln aus dem European Research Council unter der Europäischen Gemeinschaft Siebten Rahmenprogramms (FP7/2007-2013) / ERC Finanzhilfevereinbarung n ° 242710 erhalten und wurde zusätzlich durch das Human Frontier Science Program und dem Emmy Noether-Programm der Deutschen unterstützt Forschungsgemeinschaft (SCHR 995/2-1).

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	<li>Schr&#246;der, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Xenon+for+NMR+biosensing+-+Inert+but+alert.">Xenon for NMR biosensing - Inert but alert.</a> Phys Med. , (2011).</li><li>Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+agents+for+advanced+MRI+investigations.">Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations.</a> Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).</li><li>Walker, T. G., Happer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-exchange+optical+pumping+of+noble-gas+nuclei.">Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei.</a> Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).</li><li>Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S., Wishnia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+magnetic+resonance+imaging+using+laser-polarized+129Xe.">Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe.</a> Nature. 370, 199-201 (1994).</li><li>Cherubini, A., Bifone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarised+xenon+in+biology.">Hyperpolarised xenon in biology.</a> Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).</li><li>Goodson, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+magnetic+resonance+of+laser-polarized+noble+gases+in+molecules,+materials,+and+organisms.">Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms.</a> J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).</li><li>Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+laser-polarized+xenon+using+fiber-coupled+laser-diode+arrays+narrowed+with+integrated+volume+holographic+gratings.">Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings.</a> J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).</li><li>Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+lung+physiology+with+xenon+polarization+transfer+contrast+(XTC).">Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC).</a> Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).</li><li>Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+alveolar-capillary+gas+transfer+using+hyperpolarized+129Xe+MRI.">Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).</li><li>Spence, M. M., Rubin, S. M., Dimitrov, I. E., Ruiz, E. J., Wemmer, D. E., Pines, A., Yao, S. Q., Tian, F., Schultz, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionalized+xenon+as+a+biosensor.">Functionalized xenon as a biosensor.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).</li><li>Schr&#246;der, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+imaging+using+a+targeted+magnetic+resonance+hyperpolarized+biosensor.">Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor.</a> Science. 314, 446-449 (2006).</li><li>Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+a+low-pressure+high-capacity+129Xe+flow-through+polarizer.">Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer.</a> Phys. Rev. A. 80, 063424 (2009).</li><li>Levron, D., Walter, D. K., Appelt, S., Fitzgerald, R. J., Kahn, D., Korbly, S. E., Sauer, K. E., Happer, W., Earles, T. L., Mawst, L. J., Botez, D., Harvey, M., DiMarco, L., Connolly, J. C., M&#246;ller, H. E., Chen, X. J., Cofer, G. P., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+hyperpolarized+129Xe+produced+by+spin+exchange+with+diode-laser+pumped+Cs.">Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs.</a> Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).</li><li>Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+Hyperpolarized+129Xe+Gas+Without+Nitrogen+by+Optical+Pumping+at+133Cs+D2+Line+in+Flow+System.">Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System.</a> Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).</li><li>Zhou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+noble+gases+as+contrast+agents.">Hyperpolarized noble gases as contrast agents.</a> Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).</li><li>Seltzer, S. J., Michalak, D. J., Donaldson, M. H., Balabas, M. V., Barber, S. K., Bernasek, S. L., Bouchiat, M. A., Hexemer, A., Hibberd, A. M., Kimball, D. F., Jaye, C., Karaulanov, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+antirelaxation+coatings+for+alkali-metal+vapor+cells+using+surface+science+techniques.">Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques.</a> J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).</li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Kritischen Aspekte bei der Herstellung von hyperpolarisiertem Xenon Sauerstoff sind Verunreinigungen in der Gasverteiler einschließlich der Pumpzelle und eine ausreichende Beleuchtung der Zelle mit zirkular polarisiertem Licht. Der oben erwähnte Glühbirne Test ist ein einfacher Weg, um schädliche Sauerstoffkonzentrationen detektieren beim Übertragen Rubidium. Das Alkalimetall kann der glänzenden Oberfläche durch die Zeit, die Zelle in dem Polarisator installiert verlieren. . Einmal, jedoch kann eine ausreichende ...

Hyperpolarisierte Agenten gewinnen zunehmend an Aufmerksamkeit für NMR / MRI-Anwendungen, da sie die Empfindlichkeit Problem unter Umständen lösen können 2. Drei wichtige Ansätze werden derzeit verwendet (dynamische Kernpolarisation, DNP; para-Wasserstoff-induzierte Polarisation, PHIP und Spinaustausch optisches Pumpen, SEOP), dass alle einen künstlich erhöht Spinpopulation Differenz außerhalb eines NMR-Magneten vor der eigentlichen Spektroskopie oder Bildgebung Experiment vorzubereiten . Hier beschreiben wir die Funktions-und Wirkungsweise einer Einrichtung SEOP die für die Produktion von hyperpolarisiertem 129 Xe in Lösungszustand verwendet Experimenten optimiert wurde. Ein wesentlicher Bestandteil ist eine intensive Lichtquelle, Infrarot-Photonen bei 795 nm. Laser-Dioden-Arrays (LDA) sind bequem, die eine hohe Leistung&gt; 100 W zu vertretbaren Kosten bieten. In vielen Aufbauten wird die LDA in eine optische Faser emittiert, daß mehr oder weniger die Polarisation beibehält the Laserlicht. Um eine ausreichende SEOP Prozesses garantieren elliptische Polarisation muss in Zirkularpolarisation von hoher Reinheit umgewandelt werden. Hauptkomponenten der Polarisationsoptik sind in den 1 und 2 gezeigt und der Einrichtung des Systems ist schematisch in ergänzenden Film 1 erläutert. Das zirkulare Polarisieren von Licht wir zuerst den Faserende an einen primären Strahlaufweitungsoptik (zB ein Faserkollimator) zum Reduzieren Leistungsdichte. Das Licht geht dann durch einen polarisierenden Strahlteilerwürfel, Erzeugen linear polarisiertes Licht. Durch Drehen dieses Würfels können wir die bevorzugte Achse des verbleibenden Polarisation mit einem Leistungsmesser bestimmen. Maximale Übertragungsrate entspricht der Situation, wo der schnellen Achse des Würfels mit dem Hauptlichtbündel Polarisationsachse ausgerichtet ist. Cubes mit hohen Extinktionskoeffizienten (100.000: 1 oder besser) ergeben eine gute Trennung der Polarisationskomponenten. Dies kann getestet werdenVerwendung eines zweiten Strahlteilerwürfel als Analysator, der gedreht wird, während das erste für maximale Transmission des außerordentlichen Strahls ausgerichtet ist. Sobald die lineare Polarisation des durchgelassenen Lichts bestätigt wurde, wird ein λ / 4 Plättchen für 795 nm ausgelegt in den außerordentlichen Strahl zu konvertieren in Zirkularpolarisation linearen eingeführt. Zu diesem Zweck ist die schnelle Achse der Wellenplatte um 45 ° gedreht gegenüber dem Strahlteilerwürfel schnellen Achse. (Falls gewünscht, können kreisförmige Polarisation des reflektierten Strahls mit seinen gewöhnlichen linearen Polarisation senkrecht zu der außerordentlichen Strahls auf eine ähnliche Weise erreicht werden.) Die Qualität der Zirkularpolarisation kann mit einem zweiten Strahlteilerwürfel, die konstante Transmission bei Drehung nachgeben sollte getestet werden. Ein sekundärer Strahlaufweitungsoptik (zB zwei Linsen in einer Galilei-Fernrohr-Konfiguration), dann erhöht sich die Strahldurchmesser vollständig illuminate die Glaszelle für den Pumpvorgang in einem Ofen ein. Absorption des Laserlichts durch Rb-Dampf in der Zelle wird durch ein Stiftloch hinter der Pumpzelle am Ende des Kastens überwacht: einen Kollimator sammelt ein attenuiertes IR-Strahls, mit einem optischen Spektrometer analysiert werden (siehe Abbildung 3 für Pumpzelle Setup ). Ein Heizmechanismus außerhalb der Pumpzelle eine teilweise verdampft Rb Tröpfchens sitzt innerhalb der Zelle (4a) und somit bewirkt Laserlichtabsorption. Dichte des Dampfes kann über den Heizsollwert des jeweiligen PID-Regler eingestellt werden. Hohe Temperaturen (ca. 190 ° C) sind gut für kompakte Setups, wo die Xenon hat eine begrenzte Menge an Zeit für den Aufbau Polarisation. Das Gasgemisch, das Xe, N 2 und He durchströmt die Pumpzelle entgegengesetzt zur Richtung des Laserstrahls (Abbildung 3). Ein äußeres Magnetfeld mit dem Laserstrahl ausgerichtet ist sichergestellt, dass the IR-Photonen werden nur Pumpen ein Rb Übergang. Relaxation der Elektronen Zustände schnell und muss nicht strahlende zur Emission von IR-Photonen mit &#39;falschen&#39; Polarisierung zu vermeiden. Hier kommt die N 2 ins Spiel als Quenchgas. Schließlich baut der Rb System eine Überbevölkerung eines der Grundzustaenden während die andere kontinuierlich durch den Laser (Abbildung 5) abgereichert. Xenon immer in engem Kontakt mit den Atomen Rb erfährt Spin-Spin-Wechselwirkungen und die Elektronenspinpolarisation wird auf Xe Kerne in Flip-Flop-Prozesse übertragen. Das hyperpolarisierte Gas fließt aus der Pumpzelle enthält Spuren von Rb-Dampf, daß Kondensat an der Schlauchwand in wenigen cm der Auslaß aufgrund der niedrigen Temperatur (ähnlich Figur 4b). In-vivo-Anwendungen sind jedoch zusätzliche Elimination erfordern würde der Alkali-(zB durch eine Kühlfalle), während in vitro experiments können sicher mit dem Gas durchgeführt werden, wie es die Hyperpolarisator verlässt. Teflonschlauch verbindet den Polarisator Auslass mit dem Einlass eines Glasapparatur NMR Experimente an Testlösungen durchzuführen. Massendurchflussregler verwendet, um die Menge von Xe einströmende NMR Einstellung anpassen. Sie werden durch Befehle in der NMR-Pulssequenz ausgelöst. Nach Überprüfung der erzielte Polarisations-Enhancement kann das Gas als NMR / MRI Kontrastmittels in Lösungszustand Experimente verwendet werden. Xe hat eine gewisse Löslichkeit in Wasser (4,5 mM / atm) und anderen Lösungsmitteln. Es kann somit bereits in eigener dienen als Kontrastmittel, um die Verteilung von einigen Flüssigkeiten anzuzeigen. Es ist jedoch auch möglich, die NMR-aktiven Kernen, bestimmte Moleküle zu koppeln, um molekular-spezifische Informationen durch die sonst Inertgas erwerben. Durch die Bereitstellung einer molekularen Wirt für den gelösten Xe, ist es möglich, molekularen Spezifität zur Xe-NMR-Signal zu übertragen. Dies bietet die Möglichkeit,Design funktionalisierten Kontrastmitteln - auch als Biosensoren - wenn eine solche Wirtstruktur an ein Targeting-Einheit, die auf bestimmte Analyten von biomedizinischem Interesse (Abbildung 6) bindet, gekoppelt ist. Weitere Empfindlichkeitsanhebung ist erforderlich, wenn der Biosensor in Konzentrationen, die niedriger sind für MR-Kontrastmitteln (&lt;100 uM) erkannt werden sollte. Dies kann durch chemische Austausch Sättigungstransfer (CEST) erreicht werden. Dieses Verfahren erfasst die Biosensor indirekt durch Zerstören der Magnetisierung des caged Xe und Beobachten der Signaländerung von freien Xe in Lösung. Da das hyperpolarisierte Kerne werden kontinuierlich nach einigen 10 ms, viele 100-1000 Kerne Übertragung der Information auf dem erfassten Pools ersetzt und das Signal verstärken ca. 10 3-fach (siehe Film 2).

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> Rb Ingot </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 276.332-1G </td><td></td></tr><tr><td> P 4 O 10 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 79.610-500G </td><td></td></tr><tr><td> Ar </td><td> Praxair </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Xe </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 00.472-1EA </td><td></td></tr><tr><td> O 2 </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 00.476-1EA </td><td></td></tr><tr><td> Laser-System </td><td> QPC Laser / Laser Operationen </td><td> BrightLock 50 </td><td></td></tr><tr><td> Vakuum-System </td><td> Pfeiffer </td><td> HiCube </td><td></td></tr><tr><td> Thermoelemente </td><td> NewportOmega </td><td> SA2F-KI-3M </td><td></td></tr><tr><td> Silicon Heizung </td><td> Newport Omega </td><td> FMA5514 </td><td></td></tr><tr><td> Druckmessumformer </td><td> Newport Omega </td><td> PR 33X-V-10 </td><td></td></tr><tr><td> Prozess-Anzeige </td><td> Newport Omega </td><td> INFCP-100B </td><td></td></tr><tr><td> Mass Flow Controller </td><td> Newport Omega </td><td> MFC </td><td></td></tr><tr><td> PID-Regler </td><td> Newport Omega </td><td> CN7800 </td><td></td></tr><tr><td> Control Software </td><td> Newport Omega </td><td> DasyLab </td><td></td></tr><tr><td> Datenerfassung </td><td> Newport Omega </td><td> DAQBOARD 3000 </td><td></td></tr><tr><td> Vakuumsensor </td><td> Oerlikon </td><td> TTR91 </td><td></td></tr><tr><td> Vakuum-Controller </td><td> Vacom </td><td> MVC-3 </td><td></td></tr><tr><td> Kollimator </td><td> Thorlabs </td><td> F810SMA-780 </td><td></td></tr><tr><td> Polarisierenden Strahlteilerwürfel </td><td> Thorlabs </td><td> GL15-B </td><td></td></tr><tr><td> λ / 4 Plättchen </td><td> Thorlabs </td><td> WPQ10M-780 </td><td></td></tr><tr><td> Strahlaufweitung Objektive </td><td> Thorlabs </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Optisches Spektrometer </td><td> Ocean Optics </td><td> HR4000 </td><td></td></tr><tr><td> Lichtleitfaser </td><td> Ocean Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Niederdruck-NMR-Röhrchen </td><td> Wilmad </td><td> 513-7LPV-7 </td><td></td></tr><tr><td> 5mm NMR-Röhrchen </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> HX58.1 </td><td></td></tr><tr><td> Helmholtz-Spulen </td><td> Phywe </td><td> 06960-00 </td><td></td></tr><tr><td> Fused silica Kapillaren </td><td> Polymicro </td><td> TSG 250350 </td><td></td></tr></tbody></table>

hyperpolarized xenon for nmr and mri applications

Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie und-Imaging (MRI) leiden unter inneren geringe Empfindlichkeit weil selbst starke externe Magnetfelder von ~ 10 T nur einen kleinen nachweisbar net-Magnetisierung der Probe bei Raumtemperatur 1 zu erzeugen. Folglich basieren die meisten NMR und MRI-Anwendungen auf dem Nachweis von Molekülen an relativ hohen Konzentration (zB Wasser zur Bildgebung biologischer Gewebe) oder erfordern übermäßige Erfassungszeiten. Dies schränkt unsere Fähigkeit, die sehr nützlich molekularen Spezifität von NMR-Signalen für viele biochemische und medizinische Anwendungen zu nutzen. Jedoch neuartige Ansätze sind in den letzten Jahren herauskristallisiert: Manipulation der erfassten Spinspezies vor der Detektion im NMR / MRI-Magneten drastisch erhöhen kann die Magnetisierung und damit ermöglicht den Nachweis von Molekülen bei viel niedrigeren Konzentration 2. Hier präsentieren wir eine Methode zur Polarisation von einer Xenon-Gas-Gemisch (2-5% Xe, 10%N 2, He-Balance) in einem kompakten Aufbau mit einem ca. 16000-fache Signalverstärkung. Modernen Line-Diodenlasern verengte ermöglichen effiziente Polarisation 7 und sofortigen Nutzung Gasgemisch auch wenn das Edelgas nicht von den anderen Komponenten getrennt sind. Die Vorrichtung SEOP erklärt und Bestimmung der Spinpolarisation erreicht wird zur Leistungsregelung des Verfahrens demonstriert. Die hyperpolarisiertem Gas können Leerraum Bildgebung verwendet werden, einschließlich Gasstrom Bildgebung oder Diffusion Studien an den Schnittstellen mit anderen Materialien 8,9. Darüber hinaus ist das NMR-Signal Xe extrem empfindlich auf seiner molekularen Umgebung 6. Dies ermöglicht die Möglichkeit, es als NMR / MRI-Kontrastmittel verwenden, wenn in wässriger Lösung mit funktionalisierten molekularen Gastgeber, die vorübergehend fangen das Gas 10,11 aufgelöst. Direkte Erfassung und hohe Empfindlichkeit indirekten Nachweis solcher Konstrukte wird sowohl spektroskopische und Imaging-Modus gezeigt. &lt;/ P&gt;

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Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Die Produktion von hyperpolarisiertem Xenon mittels Spin-Austausch optisches Pumpen (SEOP) beschrieben. Dieses Verfahren ergibt ein ~ 10.000-fache Verstärkung der Kernspinpolarisation von Xe-129 und hat Anwendungen in Kernresonanzspektroskopie und Bildgebung. Beispiele von Gasphase und Lösungszustand Experimenten angegeben.

Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 ...

hyperpolarized-xenon-for-nmr-and-mri-applications

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

19.5K Aufrufe.  Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie. Die Produktion von hyperpolarisiertem Xenon mittels Spin-Austausch optisches Pumpen (SEOP) beschrieben. Dieses Verfahren ergibt ein ~ 10.000-fache Verstärkung der Kernspinpolarisation von Xe-129 und hat Anwendungen in Kernresonanzspektroskopie und Bildgebung. Beispiele von Gasphase und Lösungszustand Experimenten angegeben.

Serie: Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 &deg;C), flammable, and volatile organic electrolytes. These organic based electrolyte systems are viable at ambient temperatures, but require a cooling system to ensure that temperatures do not exceed 80 &deg;C. These cooling systems tend to increase battery costs and can malfunction which can lead to battery malfunction and explosions, thus endangering human life. Increases in petroleum prices lead to a huge demand for safe, electric hybrid vehicles that are more economically viable to operate as oil prices continue to rise. Existing organic based electrolytes used in lithium ion batteries are not applicable to high temperature automotive applications. A safer alternative to organic electrolytes is solid polymer electrolytes. This work will highlight the synthesis for a graft copolymer electrolyte (GCE) poly(oxyethylene) methacrylate (POEM) to a block with a lower glass transition temperature (Tg) poly(oxyethylene) acrylate (POEA). The conduction mechanism has been discussed and it has been demonstrated the relationship between polymer segmental motion and ionic conductivity indeed has a Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) dependence. Batteries containing commercially available LP30 organic (LiPF6 in ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) at a 1:1 ratio) and GCE were cycled at ambient temperature. It was found that at ambient temperature, the batteries containing GCE showed a greater overpotential when compared to LP30 electrolyte. However at temperatures greater than 60 &deg;C, the GCE cell exhibited much lower overpotential due to fast polymer electrolyte conductivity and nearly the full theoretical specific capacity of 170 mAh/g was accessed.

Lithium ion batteries employ flammable and volatile organic electrolytes that are suitable for ambient temperature applications. A safer alternative to organic electrolytes are solid polymer batteries. Solid polymer batteries operate safely at high temperatures (&gt;120 &deg;C), thus making them applicable to high temperature applications such as deep oil drilling and hybrid electric vehicles. This paper will discuss (a) the polymer synthesis, (b) the polymer conduction mechanism, and (c) provide temperature cycling for both solid polymer and organic electrolytes.

Solid-State-Graft Copolymer Elektrolyte für Lithium-Batterie-Anwendungen

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Forschung

Ingenieurwesen

Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

In the past decades, new methods for tumor staging, restaging, treatment response monitoring, and recurrence detection of a variety of cancers have emerged in conjunction with the state-of-the-art positron emission tomography with 18F-fluorodeoxyglucose ([18F]-FDG PET). 13C magnetic resonance spectroscopic imaging (13CMRSI) is a minimally invasive imaging method that enables the monitoring of metabolism in vivo and in real time. As with any other method based on 13C nuclear magnetic resonance (NMR), it faces the challenge of low thermal polarization and a subsequent low signal-to-noise ratio due to the relatively low gyromagnetic ratio of 13C and its low natural abundance in biological samples. By overcoming these limitations, dynamic nuclear polarization (DNP) with subsequent sample dissolution has recently enabled commonly used NMR and magnetic resonance imaging (MRI) systems to measure, study, and image key metabolic pathways in various biological systems. A particularly interesting and promising molecule used in 13CMRSI is [1-13C]pyruvate, which, in the last ten years, has been widely used for in vitro, preclinical, and, more recently, clinical studies to investigate the cellular energy metabolism in cancer and other diseases. In this article, we outline the technique of dissolution DNP using a 3.35 T preclinical DNP hyperpolarizer and demonstrate its usage in in vitro studies. A similar protocol for hyperpolarization may be applied for the most part in in vivo studies as well. To do so, we used lactate dehydrogenase (LDH) and catalyzed the metabolic reaction of [1-13C]pyruvate to [1-13C]lactate in a prostate carcinoma cell line, PC3, in vitro using 13CMRSI.

Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

Dynamic nuclear polarization with subsequent sample dissolution has enabled real-time studies of metabolism in biological systems. Hyperpolarized [1-13C]pyruvate was used to study lactate dehydrogenase activity in a prostate carcinoma cell line in vitro.

hyperpolarisiertem<sup&gt; 13</sup&gt; C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

In the past decades, new methods for tumor staging, restaging, treatment response monitoring, and recurrence detection of a variety of cancers have ...

Krebsforschung

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. From the measured surface, 3D topographic maps can be subsequently analyzed using a variety of software packages to extract the information that is needed.
In this article we describe how white light interferometry, and optical profilometry (OP) in general, combined with generic surface analysis software, can be used for materials science and engineering tasks. In this article, a number of applications of white light interferometry for investigation of surface modifications in mass spectrometry, and wear phenomena in tribology and lubrication are demonstrated. We characterize the products of the interaction of semiconductors and metals with energetic ions (sputtering), and laser irradiation (ablation), as well as ex situ measurements of wear of tribological test specimens.
Specifically, we will discuss:
<ol class="lroman">
	<li>Aspects of traditional ion sputtering-based mass spectrometry such as sputtering rates/yields measurements on Si and Cu and subsequent time-to-depth conversion.</li>
	<li>Results of quantitative characterization of the interaction of femtosecond laser irradiation with a semiconductor surface. These results are important for applications such as ablation mass spectrometry, where the quantities of evaporated material can be studied and controlled via pulse duration and energy per pulse. Thus, by determining the crater geometry one can define depth and lateral resolution versus experimental setup conditions.</li>
	<li>Measurements of surface roughness parameters in two dimensions, and quantitative measurements of the surface wear that occur as a result of friction and wear tests.</li>
</ol>
Some inherent drawbacks, possible artifacts, and uncertainty assessments of the white light interferometry approach will be discussed and explained.

White light microscope interferometry is an optical, noncontact and quick method for measuring the topography of surfaces. It is shown how the method can be applied toward mechanical wear analysis, where wear scars on tribological test samples are analyzed; and in materials science to determine ion beam sputtering or laser ablation volumes and depths.

Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

Erkennung und Wiedergewinnung von Palladium, Gold und Kobalt-Metalle aus der Urban-Mine mit Hilfe neuartiger Sensoren / Adsorbentien mit nanoskaligen Wagon-Rad-förmigen Poren Ausgewiesene

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

Die Verwendung eines Mehrfach Dynamische einzelner Enzym-Phantom für Studien von hyperpolarisiertem Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

Dreidimensionale Particle Tracking Velocimetry für Turbulence Anwendungen: Fall eines Jet Fluss

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Hochwertige hyperpolarisierte Xenon-129-Magnetresonanzbilder erhalten

Troubleshooting and Quality Assurance in Hyperpolarized Xenon Magnetic Resonance Imaging: Tools for High-Quality Image Acquisition

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces high-resolution images of an inhaled breath of xenon gas for investigation of lung function. However, implementing 129Xe MRI is uniquely challenging as it requires specialized hardware and equipment for hyperpolarization, procurement of xenon imaging coils and coil software, development and compilation of multinuclear MR imaging sequences, and reconstruction/analysis of acquired data. Without proper expertise, these tasks can be daunting, and failure to acquire high-quality images can be&#160;frustrating, and expensive. Here, we present some quality control (QC) protocols, troubleshooting practices, and helpful tools for129Xe MRI sites, which may aid in the acquisition of optimized, high-quality data and accurate results. The discussion will begin with an overview of the process for implementing HP 129Xe MRI, including requirements for a hyperpolarizer lab, the combination of 129Xe MRI coil hardware/software, data acquisition and sequence considerations, data structures, k-space and image properties, and measured signal and noise characteristics. Within each of these necessary steps lies opportunities for errors, challenges, and unfavorable occurrences leading to poor image quality or failed imaging, and this presentation aims to address some of the more commonly encountered issues. In particular, identification and characterization of anomalous noise patterns in acquired data are necessary to avoid image artifacts and low-quality images; examples will be given, and mitigation strategies will be discussed. We aim to make the 129Xe MRI implementation process easier for new sites while providing some guidelines and strategies for real-time troubleshooting.

Autor im Rampenlicht: Verwendung von hyperpolarisierter Xenon-129-MRT zur Untersuchung von Lungenerkrankungen 

Here, we present a protocol for obtaining high-quality hyperpolarized xenon-129 magnetic resonance images, covering hardware, software, data acquisition, sequence selection, data management, k-space utilization, and noise analysis.

Fehlersuche und Qualitätssicherung in der hyperpolarisierten Xenon-Magnetresonanztomographie: Werkzeuge für eine hochwertige Bildaufnahme

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces ...

Biotechnik

Hyperpolarized 129Xe Lung MRI and Spectroscopy in Mechanically Ventilated Mice

Hyperpolarized (HP) xenon-129 (129Xe) is an inhaled magnetic resonance imaging (MRI) contrast agent with unique spectral and physical properties that can be exploited to quantify pulmonary physiology, including ventilation, restricted diffusion (alveolar-airspace size), and gas exchange. In humans, it has been used to evaluate disease severity and progression in a variety of pulmonary disorders and is approved for clinical use in the United States and United Kingdom. Beyond its clinical applications, the ability of 129Xe MRI to noninvasively assess pulmonary pathophysiology and provide spatially resolved information is valuable for preclinical research. Among animal models, mice are the most widely used due to the accessibility of genetically modified disease models. Here, 129Xe MRI is promising as a minimally invasive, radiation-free, and sensitive technique to longitudinally monitor lung disease progression and therapy response (e.g., in drug discovery). This technique can extend to preclinical applications by incorporating an MRI-triggered, free-breathing apparatus or mechanical ventilator to deliver gas. Here, we describe the steps and provide checklists to ensure robust data collection and analysis, including creating a thermally polarized xenon gas phantom for quality control, optimizing polarization, animal handling (sedation, intubation, ventilation, and care for mice), and protocols for ventilation, restricted diffusion, and gas exchange data. While preclinical 129Xe MRI can be applied in various animal models (e.g., rats, pigs, sheep), this protocol focuses on mice due to the challenges posed by their small anatomy, which are balanced by their affordability and the availability of many disease models.

Hyperpolarized xenon MRI can quantify regional lung microstructure (air-space dimensions) and physiology (ventilation and gas exchange) in translational research and clinical care. Although challenging, it can provide comparable pulmonary insights in preclinical studies. This protocol describes the infrastructure and procedures needed to perform routine xenon lung MRI in mice.

Hyperpolarized (HP) xenon-129 (129Xe) is an inhaled magnetic resonance imaging (MRI) contrast agent with unique spectral and physical properties that can ...

Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen

Zusammenfassung

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Solid-State-Graft Copolymer Elektrolyte für Lithium-Batterie-Anwendungen

hyperpolarisiertem

Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

Erkennung und Wiedergewinnung von Palladium, Gold und Kobalt-Metalle aus der Urban-Mine mit Hilfe neuartiger Sensoren / Adsorbentien mit nanoskaligen Wagon-Rad-förmigen Poren Ausgewiesene

Die Verwendung eines Mehrfach Dynamische einzelner Enzym-Phantom für Studien von hyperpolarisiertem Magnetic Resonance Agents

Dreidimensionale Particle Tracking Velocimetry für Turbulence Anwendungen: Fall eines Jet Fluss

Fehlersuche und Qualitätssicherung in der hyperpolarisierten Xenon-Magnetresonanztomographie: Werkzeuge für eine hochwertige Bildaufnahme

Fehlersuche und Qualitätssicherung in der hyperpolarisierten Xenon-Magnetresonanztomographie: Werkzeuge für eine hochwertige Bildaufnahme

Fehlersuche und Qualitätssicherung in der hyperpolarisierten Xenon-Magnetresonanztomographie: Werkzeuge für eine hochwertige Bildaufnahme

Hyperpolarized ¹²⁹Xe Lung MRI and Spectroscopy in Mechanically Ventilated Mice