超分極（物理学）

超分極とは、ボルツマン分布によって決定される熱平衡条件をはるかに超える磁場内での物質の原子核のスピン分極である。^{[1]これは、 129} Xeや³ He などのガスや、分極レベルを熱平衡レベルより10 ⁴～10 ^{5倍高めることができる小分子に適用できる。超分極}希ガスは、通常、肺の磁気共鳴画像法（MRI）に用いられる。 ^[2] 超分極小分子は、通常、生体内代謝画像法に用いられる。例えば、超分極代謝物を動物や患者に注入し、代謝変換をリアルタイムで追跡することができる。その他の用途としては、非常に分極したターゲット（³ He）からの分極電子の散乱による中性子スピン構造の機能の決定、表面相互作用研究、中性子分極実験などがある。^[3]

スピン交換光ポンピング（SEOP）^[3]は、このページで説明するいくつかの超分極化技術の1つです。この技術は、³ He、¹²⁹ Xe、四重極¹³¹ Xe、⁸³ Kr、²¹ Neなどの超分極（HP）希ガスの作成に特化しています。^[4]希ガスが必要なのは、SEOPが気相で実行され、化学的に不活性で、反応せず、アルカリ金属に対して化学的に安定しており、T _{1 が}分極を構築するのに十分長いためです。スピン1/2希ガスはこれらすべての要件を満たし、スピン3/2希ガスもある程度は満たしますが、一部のスピン3/2はT _{1 が}十分ではありません。これらの希ガスにはそれぞれ特定の用途があり、たとえば肺の生体内分子イメージングや機能イメージングによる肺の空間や組織の特性評価、健康な細胞と癌細胞の代謝の変化の研究、^[4]、または核物理学実験のターゲットとしての使用などがあります。^[5]このプロセスでは、適切な波長に調整された円偏光赤外線レーザー光を使用して、密閉されたガラス容器内のセシウムやルビジウムなどのアルカリ金属の電子を励起します。赤外線はアルカリ金属の電子を励起するために必要な波長を含んでいるため必要ですが、ナトリウムの電子を励起するために必要な波長はこの領域より下です（表1）。

衝突により、角運動量はアルカリ金属の電子から希ガスの原子核に伝達される。窒素は消光ガスとして使用され、分極したアルカリ金属の蛍光を防ぎ、希ガスの脱分極につながる。蛍光が消光されない場合、緩和中に放出される光はランダムに偏光し、円偏光レーザー光に逆らって働く。用途に応じて異なるサイズのガラス容器（セルとも呼ばれる）が使用され、したがって異なる圧力が使用されるが、SEOPには希ガスと窒素の合計圧力1アマガットで十分であり、蛍光を消光するには窒素密度0.1アマガットが必要である。 ^{[3] 129} Xe過分極技術の大幅な改善により、1～2 L/分の流量で50%を超えるレベルが達成され、ヒトの臨床応用が可能になった。^[9]

SEOPの発見には、完全な技術を作り出すためにすべてのピースが揃うまで数十年かかりました。まず、1897年にゼーマンによるナトリウム蒸気の研究が光ポンピングの最初の結果につながりました。^{[4] [10]}次のピースが見つかったのは1950年、カスラーが磁場を印加し、共鳴円偏光で蒸気を照射することでルビジウムアルカリ金属蒸気を電子的にスピン偏極させる方法を見つけたときです。^[4]その10年後、マリーアン・ブシャ、TMカーバー、CMヴァルナムはスピン交換を行い、気相衝突によって電子スピン偏極を希ガス（³ Heと^{129 Xe）の核スピンに転送しました。 [4]}それ以来、この方法は大幅に改良され、他の希ガスやアルカリ金属にも使用できるように拡張されました。

励起、光ポンピング、スピン交換のプロセスを簡単に説明するために、このプロセスに使用される最も一般的なアルカリ金属であるルビジウムを例に挙げます。ルビジウムは奇数の電子を持ち、最外殻の電子は適切な条件下で励起されるのは 1 つだけです。発生する可能性のある遷移は 2 つあり、1 つは D ₁線と呼ばれ、5 ² S _1/2状態から 5 ² P _1/2状態への遷移が発生し、もう 1 つは D ₂線と呼ばれ、5 ² S _1/2状態から5 ² P _3/2状態への遷移が発生します。^{[7] [11]} D ₁遷移と D ₂遷移は、ルビジウム原子にそれぞれ 794.7 nm と 780 nm の波長の光を照射すると発生します (図 1)。^[7]どちらの励起も引き起こすことができますが、D ₁遷移を引き起こすためのレーザー技術が十分に開発されています。これらのレーザーはルビジウムの D ₁波長 (794.7 nm) に調整されていると言われています。

熱平衡を超えて分極レベルを上げるには、スピン状態の分布を変更する必要があります。磁場がない場合、スピンの2つのスピン状態はI = ⁠1/2⁠原子核は同じエネルギーレベルにありますが、磁場が存在すると、エネルギーレベルは m _s = ±1/2 のエネルギーレベルに分割されます (図 2)。^[12]ここで、m _sはスピン角運動量であり、+1/2 (スピンアップ) または -1/2 (スピンダウン) の値を取る可能性があり、それぞれ上向きまたは下向きのベクトルとして描かれることが多いです。これら 2 つのエネルギーレベル間の人口の差が NMR 信号を生成します。たとえば、スピンダウン状態の 2 つの電子は、スピンアップ状態の 2 つの電子を打ち消し、NMR で検出されるスピンアップ原子核は 1 つだけになります。ただし、これらの状態の人口は過分極によって変更でき、スピンアップエネルギーレベルの人口を増やして NMR 信号を増やすことができます。これは、最初にアルカリ金属を光ポンピングし、次に分極を希ガス原子核に移してスピンアップ状態の人口を増やすことによって行われます。

アルカリ金属によるレーザー光の吸収は、SEOP の最初のプロセスです。^{[3]アルカリ金属の D} ₁波長に調整された左円偏光は、スピンダウン² S _1/2 (m _s =-1/2) 状態からスピンアップ² P _1/2 (m _s =+1/2) 状態に電子を励起します。ここで、希ガス原子がアルカリ金属原子と衝突して衝突混合が発生し、m _s =-1/2 状態が部分的に占有されます (図 3)。^[3]円偏光は、低磁場で必要です。これは、1 種類の角運動量のみを吸収して、スピンを偏極できるようにするためです。^[3]次に、原子が窒素と衝突すると、励起状態 (m _s =±1/2) から基底状態 (m _s =±1/2) への緩和が起こり、蛍光の可能性がなくなり、電子が 2 つの基底状態に等しい占有数で戻ります。^[3]スピンが脱分極すると（m _s =-1/2状態に戻る）、連続波レーザー光によって再び励起され、このプロセスが繰り返されます。このようにして、m _s =+1/2状態の電子スピンのより大きな集団が蓄積されます。ルビジウムの分極P _Rbは、以下の式を使用して計算できます。

${\displaystyle {P_{Rb}}={{\mathrm {n} _{\uparrow }-\mathrm {n} _{\downarrow }} \over {\mathrm {n} _{\uparrow }+\mathrm {n} _{\下矢印 }}}}$

ここでn _↑とn _{↓はスピンアップ（ mS} = +1/2）とスピンダウン（mS ₌ -1/2）^2S1 _/2状態の原子の数である。^[13]

次に、光ポンピングされたアルカリ金属が希ガスと衝突し、スピン交換が起こり、アルカリ金属の電子分極が希ガス原子核に伝達されます (図 4)。これが発生するメカニズムは 2 つあります。角運動量は、バイナリ衝突 (図 4A、2 体衝突とも呼ばれます) または、希ガス、N ₂バッファーガス、気相アルカリ金属がファンデルワールス力によって近接しているときに伝達されます (図 4B、3 体衝突とも呼ばれます)。^[3]ファンデルワールス力がバイナリ衝突に比べて非常に小さい場合 ( ³ He の場合など)、希ガスとアルカリ金属が衝突し、分極が AM から希ガスに伝達されます。^{[3]バイナリ衝突は129} Xeでも可能です。高圧ではファンデルワールス力が優勢ですが、低圧ではバイナリ衝突が優勢です。^[3]

この励起、分極、脱分極、再分極などのサイクルは、正味の分極が達成されるまでに時間がかかります。核分極の蓄積 P _N (t) は次のように表されます。

${\displaystyle \mathrm {P} _{N}(\mathrm {t} )=\left\langle \mathrm {P} _{A}\right\rangle \left({\frac {\gamma _{SE}}{\gamma _{SE}+\Gamma }}\right)[1-e^{(\gamma _{SE}+\Gamma )\mathrm {t} }]}$

ここで、⟨P _A ⟩はアルカリ金属の分極、γ _SEはスピン交換速度、Γは希ガスの縦緩和速度である。^[14]核分極の緩和はいくつかのメカニズムを介して起こり、これらの寄与の合計として表される。

${\displaystyle \Gamma =\Gamma _{t}+\Gamma _{p}+\Gamma _{g}+\Gamma _{w}}$

ここで、 Γ _t、 Γ _p、 Γ _g、および Γ _{w は}、それぞれ、過渡的な Xe ₂二量体、永続的な Xe ₂二量体、印加磁場の勾配による拡散、および壁の緩和を表します。^[14]ほとんどの場合、総緩和に最も大きく寄与するのは、永続的な二量体と壁の緩和です。^[14] Xe ₂二量体は、2 つの Xe 原子が衝突してファンデルワールス力によって保持されたときに発生し、3 番目の原子が衝突すると破壊される可能性があります。^[15]これは、ファンデルワールス力によって互いに近接して保持されるスピン交換 (スピン移動) 中の Xe-Rb に似ています。^[15]壁の緩和は、過分極 Xe がセルの壁に衝突し、ガラス内の常磁性不純物によって脱分極されたときに発生します。

ビルドアップ時間定数 Γ _Bは、定常分極 (つまり、最大信号出力で示される、達成可能な最大分極) に達するまでの時間内に収まる時間間隔で NMR スペクトルを収集することによって測定できます。次に、信号積分を時間に対してプロットし、ビルドアップ時間定数を取得するためにフィッティングできます。いくつかの異なる温度でビルドアップ曲線を収集し、値をアルカリ金属蒸気密度の関数としてプロットすると (蒸気密度はセル温度の上昇とともに増加するため)、次の式を使用してスピン破壊率と原子あたりのスピン交換率を決定できます。

${\displaystyle \Gamma _{B}=\gamma '\times [AM]+\Gamma _{SD}}$

ここで、γ'は原子あたりのスピン交換率、[AM]はアルカリ金属蒸気密度、Γ _SDはスピン破壊率です。^[16]このプロットは直線になるはずで、γ'は傾き、Γ _SDはy切片です。

スピン交換光ポンピングは、連続照射により無期限に継続できますが、照射が停止されると分極が緩和され、熱平衡集団に戻る要因がいくつかあります。肺画像などの用途で超分極希ガスを使用するには、ガスを実験装置から患者に移す必要があります。ガスが積極的に光ポンピングされなくなるとすぐに、熱平衡に達するまで超分極の程度が低下し始めます。ただし、ガスを患者に移して画像を取得するには、超分極が十分に長く持続する必要があります。照射が停止すると分極が時間の経過とともに減少するため、縦方向のスピン緩和時間 (T ₁と表記) は、NMR スペクトルを収集することで簡単に測定できます。この緩和率は、いくつかの脱分極メカニズムによって決まり、次のように表されます。

${\displaystyle {\frac {1}{\mathrm {T} _{1}}}=\left({\frac {1}{T_{1}}}\right)_{CR}+\left({\frac {1}{T_{1}}}\right)_{MFI}+\left({\frac {1}{T_{1}}}\right)_{O2}}$

ここで寄与する3つの項は、衝突緩和（CR）、磁場不均一性（MFI）緩和、および常磁性酸素（O2）の存在によって引き起こされる緩和である。^[17] T _{1持続時間は、CR、MFI、およびO 2}の影響を軽減するためにどれだけの注意が払われるかに応じて、数分から数時間までの範囲になる可能性がある。最後の項は0.360 s ⁻¹ amagat ⁻¹と定量化されているが、^{[18]最初と2番目の項は、全体のT} ₁への寄与の程度が実験装置とセルがどれだけ適切に最適化され準備されているかに依存するため、定量化が困難である。^[18]

SEOP を実行するには、まず光学セルを準備する必要があります。光学セル (図 5) は、特定のシステムを念頭に置いて設計され、透明な材料、通常はパイレックスガラス (ホウケイ酸ガラス) を使用して吹きガラスで作られています。次に、このセルを洗浄して、すべての汚染物質、特に分極と T ₁を低下させる常磁性材料を除去する必要があります。次に、セルの内面をコーティングして、(a) アルカリ金属による腐食の可能性を減らすためにガラスの保護層として機能させ、(b) 分極したガス分子がセルの壁と衝突することによって生じる脱分極を最小限に抑えます。^[19]壁の緩和が減少すると、希ガスの分極がより長く、より高くなります。^[19]

長年にわたり、いくつかのコーティングがテストされてきましたが、SurfaSil（図6、現在は炭化水素可溶性シリコン化液と呼ばれています）は、長いT ₁値を提供するため、SurfaSil：ヘキサンの比率が1：10で使用される最も一般的なコーティングです。^[19] SurfaSil層の厚さは約0.3〜0.4μmです。^[19]均一にコーティングされ乾燥したら、セルを不活性環境に配置し、アルカリ金属の液滴（≈200 mg）をセル内に配置し、これを分散させてセルの壁に均一なコーティングを作成します。アルカリ金属をセルに移す方法の1つは、蒸留です。^[20]蒸留法では、加圧ガスと真空の両方を保持できるように装備されたガラスマニホールドにセルを接続し、そこにアルカリ金属のアンプルを接続します。^[21]マニホールドとセルを真空にし、アンプルのシールを破ってガストーチの炎でアルカリ金属をセル内に移します。^[21]次に、セルを窒素と希ガスの所望の混合ガスで満たします。^[5]セルの準備のどの段階でもセルを汚染しないように注意する必要があります（セルを大気にさらさないでください）。

長年にわたり、さまざまなセル サイズと設計が使用されてきました。光ポンピング セルの設計は、希望する用途によって決まり、レーザーの直径、最適化の必要性、臨床使用の考慮事項によって異なります。特定のアルカリ金属とガスも、希望する用途に基づいて選択されます。

セルが完成したら、表面コイル（必要なコイルの種類に応じて複数）をセルの外側にテープで貼り付けます。これにより、a) RF パルスを生成して偏極スピンを検出フィールド（x、y 平面）に傾け、b) 偏極核スピンによって生成された信号を検出できます。セルはオーブン内に配置され、セルとその内容物が加熱されてアルカリ金属が気相に入り、セルはコイル システムの中心に配置されて磁場（z 軸に沿って）が生成されます。次に、アルカリ金属の D ₁ライン（電気双極子遷移^[14]）に調整され、ビーム径が光学セルの直径に一致するレーザーが、セルの光学平面に位置合わせされ、セル全体がレーザー光で照らされて可能な限り最大の偏極が得られます（図 7）。レーザーは数十ワットから数百ワットの範囲で使用でき、^[3]出力が高いほど大きな偏極が得られますが、コストも高くなります。偏光をさらに高めるために、セルの後ろに逆反射ミラーを配置し、レーザー光がセルを 2 回通過するようにします。また、IR アイリスをミラーの後ろに配置して、アルカリ金属原子によるレーザー光の吸収に関する情報を提供します。レーザーがセルを照射しているがセルが室温にある場合、IR アイリスを使用してセルを通過するレーザー光の透過率を測定します。セルが加熱されると、ルビジウムが気相に入り、レーザー光を吸収し始め、透過率が低下します。室温のスペクトルとセルが加熱されている間に取得されたスペクトルの IR スペクトルの差を使用して、推定ルビジウム偏光値 P _{Rb を}計算できます。

SEOP が開発と改良を続けるにつれ、これまで超分極ガスを生成するために使用されてきた、または現在も使用されている NMR コイル、オーブン、磁場発生コイル、レーザーにはいくつかの種類があります。一般的に、NMR コイルは、銅線を手で所望の形状に加工するか、^[22]コイルを 3D プリントするかのいずれかの方法で、特定の目的のために手作りされます。^[23]一般的に、オーブンは強制空気オーブンで、レーザー光がセルを通過するための 2 つの面がガラス製で、取り外し可能な蓋と、伝導によってセルを加熱できるように熱風ラインを接続する穴があります。^[24]磁場発生コイルは、必要な磁場強度を生成するために使用される 1 組のヘルムホルツ コイルであり、^[24]必要な磁場は以下によって決まります。

${\displaystyle \omega =\gamma \mathrm {B} _{0}}$

ここで、ωはラーモア周波数、つまり所望の検出周波数、γは対象核の磁気回転比、B0は_所望の周波数で核を検出するのに必要な磁場である。^[25] 4つの電磁コイルのセットも使用可能（Acutran製など）^[22]他のコイル設計もテストされている。

過去には、レーザー技術がSEOPの制限要因となっていました。例えばセシウムレーザーがなかったため、アルカリ金属は数種類しか使用できませんでした。しかし、より優れたセシウムレーザー、より高い出力、より狭いスペクトル幅など、いくつかの新しい開発があり、SEOPの範囲が拡大しています。とはいえ、いくつかの重要な特徴が必要です。理想的には、アルカリ金属と希ガスが常に分極状態を保つように、レーザーは連続波である必要があります。この分極を誘発するには、電子がスピン分極する方向にレーザー光を円偏光させる必要があります。これは、レーザー光を偏光ビームスプリッターに通してs成分とp成分を分離し、次に1/4波長板に通して直線偏光を円偏光に変換することで行われます。^[17]

SEOPは、生物医学用途で³ He、¹²⁹ Xe、および⁸³ Krに対して効果的に使用されており、かなりよく開発されています。 ^[4]さらに、生物医学科学において癌細胞の強調され解釈可能な画像化を得るためのいくつかの改良が進行中です。^{[26] 131} Xeの過分極に関する研究が進行中であり、物理学者の興味をそそっています。スピン移動にルビジウムだけでなくセシウムも利用できるようにするための改良も行われています。原則として、SEOPにはどのアルカリ金属でも使用できますが、蒸気圧が高いため、通常はルビジウムが好まれます。ルビジウムにより、比較的低温（80 °C-130 °C）で実験を行うことができ、ガラスセルを損傷する可能性が低くなります。^[3]さらに、選択したアルカリ金属用のレーザー技術が存在し、十分な分極を得るために十分に開発されている必要があります。これまで、D ₁セシウム遷移を励起できるレーザーは十分に開発されていませんでしたが、現在ではより強力で安価になってきています。SEOP ではルビジウムがアルカリ金属として主に選ばれてきましたが、予備研究ではセシウムの方がルビジウムよりも良い結果をもたらす可能性があることも示されています。

スピン交換光ポンピング（SEOP）と呼ばれる超分極法は、キセノン129やヘリウム3などの希ガスを超分極化するために使用されています。吸入した3Heや129Xeなどの超分極ガスを画像化すると、従来の1H画像化と比較して肺のNMR活性分子の磁化密度が高くなり、得られるMRI画像が向上します。肺組織の解剖学的特徴を報告する陽子MRIとは異なり、キセノンMRIはガス換気、拡散、灌流などの肺機能を報告します。^[27]

私たちの目標は、脳、血液、体液、組織など、体のあらゆる場所の感染症や病気（例えば、がん）を特定することです。この感染細胞は、総称してバイオマーカーと呼ばれます。^[28]世界保健機関（WHO）によると、国連および国際労働機関と協力して、バイオマーカーは「体内またはその産物で測定でき、結果または病気の発生に影響を与えたり予測したりできる物質、構造、またはプロセス」と説得力のある定義がされています。バイオマーカーは、健康における生物学的プロセスの特定のレベルまで定量化可能でなければなりません。^[28]

バイオマーカーの具体例としては、冠状動脈疾患の診断に信頼できる血中コレステロールが挙げられます。また、前立腺特異抗原（PSA）も前立腺がんの原因となると考えられています。^[28]がんの原因となると考えられているバイオマーカーは数多くあります。C型肝炎ウイルスリボ核酸（HCV-RNA）、国際標準化比（INR）、プロトロンビン時間（PT）、モノクローナルタンパク質（Mタンパク質）、がん抗原-125（CA-125）、ヒト免疫不全ウイルスリボ核酸（HIV RNA）、B型ナトリウム利尿ペプチド（BNP）などです。27^リンパ腫細胞（ラモス細胞株およびジャーカット細胞株）はがんの一種です。^[29]

その他の一般的なバイオマーカーとしては、乳がん、卵巣がん、大腸がん、肺がん、脳腫瘍などがある。^[30]

この病気の原因となる判定因子は、特に病気の初期段階では、極めて微量に存在するバイオマーカーです。そのため、バイオマーカーを特定したり画像を取得したりすることは難しく、NMR 技術では不確実な場合もあります。したがって、少なくとも医師が視覚化できるレベルで画像を強調するためには、造影剤を使用する必要があります。バイオマーカーの分子は体内にあまり存在しないため、NMR または MRI 実験では、場合によっては非常に小さな信号しか得られず、バイオマーカーの不足により、分析装置がデータ内の信号ピークを見逃す可能性があります。したがって、問題を引き起こすバイオマーカーの存在について真の結論に達するためには、プローブ (造影メカニズム) を強化して、データ内のピークの位置だけでなく、ピークの高さの最も目に見えるレベルで明確なピークを取得する必要があります。造影剤を使用して NMR または MRI 実験から許容可能で明確に解釈可能なデータを収集できれば、専門家は、すでに癌に苦しんでいる患者を回復するための正しい最初のステップを踏むことができます。^[28] MRI実験で強化されたデータを得るための様々な技術の中で、SEOPはその1つです。

^{SEOP の研究者は129} Xe の使用に興味を持っています。^{[引用が必要] 129} Xe は、NMR 技術において、他の新規ガスよりもコントラスト剤として作用する上で有利な点が数多くある ためです。

• 不活性キセノンは、電子配置が完全に占有されており、放射性でないため、他の金属や非金属のような化学反応を示しません。^{[引用が必要]}
• 天然の気体状態から固体、液体状態を得るのは簡単です (図 8)。129 Xe の固体および液体状態は、^実験的に実現可能な温度および圧力範囲に存在します。^{[引用が必要]}

  

• キセノンは原子核の周囲に分極性の高い電子雲を持っているため、特に生物学的観点からは生体内環境において脂質や有機化合物と容易に溶解する傾向がある。 ^[要出典] (表-2)
• キセノンは、他の分子と相互作用しても、構造的または化学的に変化しません（他の希ガスと同様）。
• 科学者オストワルドによれば、溶解度は吸収液の体積に対する吸収ガスの分配係数として定義されます。キセノンの溶解度、S _Xe(g) = V_{吸収された Xe(g) の量}/V標準温度および圧力 (STP) での_{吸収液です} 。

水媒体中のキセノンの溶解度が 11% ということは、25 °C で 11 mL のキセノンガスが 100 mL の水に吸収されることを意味します。

• キセノンの原子サイズは大きく、外殻電子は原子核から遠く離れているため、特に脂質環境では最外殻電子が分極する傾向が強い。表2は、37℃の水媒体におけるキセノンの溶解度が8％であるのに対し、生体環境における脂肪組織では溶解度が130％であることを示しています。溶解度が高いため、キセノンは生物系で造影剤として使用されています。^[要出典]
• キセノンの溶媒効果は、溶解度（表2）から、¹²⁹キセノンに対して非常に大きい。 ^[要出典] キセノンの化学シフト値の範囲は7500 ppm以上である。しかし、¹ Hと¹³ C（MRI活性核）に対する溶媒効果は、 ¹ Hの化学シフト値の範囲が20 ppm、¹³ Cの化学シフト値の範囲が300 ppmと低いため、範囲が限られている。^{[要出典]したがって、 129} Xeを 使用することが好ましい。

下の図 9 では、NMR 実験データにおいて、生体内環境の組織ごとに異なる化学シフト値があります。すべてのピークは、 ¹²⁹ Xe の化学シフト値の範囲が非常に広いため、有効です。129 Xe^は、NMR データで最大 1700ppm の化学シフト値範囲を持つためです。^{[引用が必要]} その他の重要なスペクトル情報には、次のものがあります。

図9.生体内生物システム におけるXe-129バイオセンサーのNMRデータ。^{[引用が必要]}

• 当然ながら、¹²⁹ Xe NMR ピークは 0.0ppm で参照としてカウントされています。^{[引用が必要]}
• ¹²⁹ Xe が Cryptophane-A 分子に取り込まれて結合すると、NMR 取得における化学シフト値は約 70 ppm にシフトします。^{[引用が必要]}
• 超分極¹²⁹キセノンガスを脳内に溶解すると、5つのNMR スペクトルピークが観察される。^[31]
• その中で最も鋭いピークは194.7ppmです。さらに、189ppmのピークは脳以外の組織から出てきます。^[要出典]
• ^{191.6 ppm と 197.8 ppm の 2 つのピークはまだ不明です。209.5 ppm では、 129} Xe が血流に溶解した際の NMR データで、より小さいながらも幅広いピークが見つかりました。 ^{[引用が必要]}
• 超偏極¹²⁹ Xe はバイオマーカー (生体システム内の癌の形態) の非常に感度の高い検出器です。^{[引用が必要]}
• ¹²⁹ Xeまたは一般に希ガスの核スピン偏極はSEOP技術によって最大5倍まで増加させることができる。 ^[3]
• SEOP過分極技術を用いることで、ヒトの脳組織におけるキセノンの取り込みの画像を得ることができる。^[32]

(図10) ¹²⁹ Xe _(g)は、熱による分極増強と比較して、SEOP中の分極増強が良好であることを示しています。これは、異なる磁場強度でNMRスペクトルを取得したときの実験データ値によって実証されています。^[22]実験データから得られた重要な点は次のとおりです。

• ^{SEOP技術による129} Xeの分極は、NMR実験における^1H分極の熱強化に比べて約144,000倍増加しました。これを示した両方の実験は、NMR実験中に同一の条件で、同じ無線周波数を使用して行われました。^[22]
• ^{実験NMRデータでも、SEOPにおける129} Xeの過分極は、基準となる熱増強¹³ C NMR信号と比較して140,000倍の信号増強という同様の値を示しています。両方のデータは、同一のラーモア周波数およびその他の実験条件、およびNMRデータ収集中の同じ無線周波数で収集されています。^[22]

（図11）縦スピン緩和時間（T ₁）は磁場の増加に非常に敏感であるため、¹²⁹ Xeの場合、SEOPでNMR信号の増強が顕著になります。^[22]青いマーキングコンディショニングではT ₁が高くなるため、NMR実験では他の実験と比較してピークが増強されます。^[22]テドラーバッグ内の過分極^{129 Xeの場合、1.5 mTの磁場の存在下でデータを収集した場合、T} ₁は38±12分です。ただし、3000 mTの磁場の存在下でデータを収集した場合、T ₁遅延時間（354±24分）に十分な増加が見られます。^[22]

^{一般的に、不活性窒素ガスとともに87} Rb または¹³³ Cs アルカリ金属原子を使用できます。ただし、¹²⁹ Xeとのスピン交換を行うために窒素とともに¹³³ Cs 原子を使用することで、次のような利点が得られます。

• ¹³³ Cs は天然完全存在比を持ちますが、ルビジウムには 2 つの同位体 (85 Rb と 87 Rb) があります^。これら²つの同位体 ( ⁸⁵ Rb と^{87 Rb) から 1 つの同位体を別々に抽出することは、 133} Cs 同位体を収集することに比べて困難です。133 Cs の抽出は^便利です。^{[引用が必要]}
• 光ポンピングセルは通常、化学的分解の問題を避けるために低温で動作します。SEOP は低温で¹³³ Cs を使用しているため、SEOP セル壁ガラスの化学的腐食が少なくなります。^{[引用が必要]}
• ¹³³ Cs- ^{129 Xe カップルのスピン交換率は約 10% で、 87} Rb- ¹²⁹ Xe カップルのスピン交換率よりも高い。^{[引用が必要]}

¹²⁹ Xe は NMR 技術において多くの好ましい特性用途がありますが、 ^{83 Kr も129} Xeとは異なる方法で NMR 技術において多くの利点があるため使用できます。

• ⁸³ Kr安定同位体はスピンI= 9/2を持ち、より大きなファンデルワールス力の大きさ2.02A ⁰を持つ。^[要出典]四極子効果を持ち、近くの環境にすぐに明確に拡散することができる（生体内システムでは極性媒体から非極性媒体へ）。^[33]
• ^{物質の化学組成は、超偏極83Kr}の縦緩和に影響を与える可能性がある。^[33]
• 緩和は疎水性基質と親水性基質を区別することができる。3Heと^129Xeはスピンが半分であるが、四極子活性ではない。^[33]
• しかし、²¹ Ne ( I=3/2)、⁸³ Kr ( I=9/2)、 ¹³¹ Xe ( I=3/2)は四極子モーメントを持っています。34^四極子相互作用により、これらの同位体はスピン緩和を起こします。^[33]
• このスピン緩和と進化により、これらの同位体は、透過性媒体の表面の構造的特徴と化学組成を決定するためのプローブに関するコントラスト剤として使用することができます。^[33]
• ^{SEOPは、 83} Kr信号の非線形最小二乗法フィッティングの式と、NMR実験の無線周波数パルスの媒体フリップ角の実験値（≈12°）を使用して、スピンT ₁の緩和を計算することができます。^[33]
• 超偏極^83Krは、光ポンピングプロセスでスピン交換された後、87Rbガス^から分離され、その後、MRI信号を取得するためにさまざまな生体内システムで使用されます。これは、スピンが9であるにもかかわらず、MRI技術に多くの適用性を示した最初の同位体です。+1/2⁠ . ^[33]
• 犬の肺組織の実験では、使用した磁石は9.4 Tで、媒体は多孔質で、大気圧で拡散する肺胞の寸法と同様の多孔性でした。スピン格子緩和は十分に長いため、酸素レベルが20%になる場合でも生体システムに適用できます。 ^[33]
• ⁸³ Kr造影剤は肺疾患を特定するための純粋な生体内MRI法の開発に有望であり、その効果はサーファクタント濃度により実質表面に引き起こされる。^[33]
• この特定の造影剤は、材料科学における多孔質媒体の体積の大きさを決定するために使用できる。^[33]
• さらに、この技術は、表面コーティング、表面の空間的変動を準備するのにも役立ちます。最終的には、このコントラスト剤の天然存在比（⁸³ Krの11.5％）のような良好な兆候が尽きることなく、手頃な価格で5ドル/リットルで簡単に入手できます。^[33]

学界や産業界では、この超分極ガスを肺の画像診断に利用する取り組みも進められている。ガス（¹²⁹ Xe）がSEOPプロセスによって超分極化され、アルカリ金属が除去されると、患者（健康な人でも肺疾患を患っている人でも）はガスを吸入し、MRIを撮影することができる。^[34]これにより、ガスで満たされた肺の空間の画像が得られる。患者の画像診断に至るまでのプロセスには、この技術と装置に精通した科学者の知識が必要になるかもしれないが、この知識の必要性をなくす取り組みが進められており、病院の技術者が分極器を使用して超分極ガスを生成できるようになる。^{[22] [23]}

過分極装置は現在、肺の可視化剤として使用される過分極キセノンガスの開発に使用されています。キセノン129は安全な不活性希ガスで、肺機能を定量化するために使用できます。10秒間の呼吸停止で、過分極キセノン129をMRIと組み合わせて使用​​​​すると、3次元肺画像が可能になります。^[35]キセノンMRIは、肺血管疾患、閉塞性肺疾患、または線維性肺疾患の患者のモニタリングに使用されています。^[36]

自動化された高出力バッチモデルにおける温度傾斜^{129 Xe SEOPでは、過分極129} Xeは、特定の条件を設定するために3つの主要な温度範囲を利用できます。第1に、¹²⁹ Xeの過分極率は、高温状態で非常に高くなります。第2に、暖かい状態では、 ^{129 Xeの過分極は1です。第3に、低温状態では、 129} Xeガスの過分極レベルは、⁸⁷ Rbの割合が低い（5 ng/L未満の線量）テドラーバッグに移送中であっても、少なくとも（人体温度で）画像化できます。^[37]

高キセノン圧および光子束での⁸⁷ Rb/ ¹²⁹ Xe SEOPのマルチパラメータ解析は、臨床規模で3Dプリントおよびストップトフロー造影剤として使用できる可能性があります。 ^[38] in situ技術では、NMR装置を使用して、データ収集温度、光子束、および¹²⁹ Xe分圧（P _{Xe ）を強化するための}¹²⁹ Xe分圧などのさまざまな動作パラメータを使用して、SEOPセルコンディショニングの関数として¹²⁹ Xe分極のダイナミクスを追跡しました。^[38]

¹²⁹ Xeのこれらの分極値はすべて、超分極¹²⁹ Xeガスを押し出すことによって承認されており、すべてのMRI実験もより低い磁場47.5 mTで行われました。^[38]最後に、このような高圧領域では、¹²⁹ Xeガスの分極は、すでに示されている限界よりもさらに増加できることが実証されました。SEOPの熱管理の改善と分極速度の最適化がさらに改善され、優れた効率が得られました。^[38]

SEOP は希ガスの超分極化に使用できるだけでなく、最近では固体に対する SEOP も開発されています。これは 2007 年に初めて実行され^[21]、固体内の核を分極化するために使用され、他の方法では分極化できない核を超分極化できるようになりました。^[21]たとえば、CsH の固体膜の形で^{133 Cs の核分極をボルツマン限界を超えて増加させることができます。 [21]}これは、最初にセシウム蒸気を光ポンピングし、次にスピン分極を CsH 塩に転送することで行われ、4.0 の増強が得られます。^[21]

セルは前述のように蒸留法で作られ、水素ガスで満たされて加熱され、Cs金属がガス状水素と反応してCsH塩が形成される。^[21]未反応の水素が除去され、このプロセスが数回繰り返されてCsH膜の厚さが増し、窒素ガスで加圧された。^[21]通常、SEOP実験は前述のようにヘルムホルツコイルまたは電磁コイルの中心にセルを置いて行われるが、これらの実験は、磁石を通してレーザーを照射し、セルを電気的に加熱することにより、9.4 Tの超伝導磁石内で行われた。^{[21]将来的には、この技術を使用して6} Liまたは⁷ Liに分極を転移することが可能になる可能性があり、T ₁が長くなると予想されるため、さらに多くの用途につながる。^[21] 固体の特性評価を可能にするこの技術の発見以来、固体を分極するために偏光が不要になるように改良されており、代わりに磁場内の非偏光を使用できる。^[39]この方法では、グラスウールにCsH塩をコーティングすることでCsHの表面積を増やし、スピン転移の可能性を高め、低磁場（0.56 T）で80倍の増強が得られる。^[39]このグラスウール法では、CsHフィルムの過分極と同様に、セシウム金属を水素ガスと反応させるが、この場合、CsHはガラスセルではなくガラス繊維上に形成される。^[39]

³ He は、準安定交換光ポンピング (MEOP) を使用して超偏極させることもできます。^[要出典]このプロセスでは、準安定状態の³ He 核を光ポンピングして基底状態の^{3 He 核を偏極させることができます。MEOP は、室温および低圧 (≈数 mbar) の3} He 核のみを対象とします。MEOP のプロセスは非常に効率的 (高偏極率) ですが、ガスを大気圧まで圧縮する必要があります。

¹ H、¹³ C、¹⁵ NなどのNMR感受性核を含む化合物は、動的核分極(DNP)を使用して過分極できます。 DNP は通常、低温 (≈1 K) および高磁場 (≈3 T) で実行されます。 化合物はその後解凍および溶解され、過分極核を含む室温溶液が得られます。^{[40]この液体は、腫瘍学[42]}およびその他の用途の生体内代謝イメージング^[41]に使用できます。固体化合物の^{13 C 分極レベルは最大≈64% に達する可能性があり、} NMR測定用のサンプルの溶解および移動中の損失は数パーセントに最小限に抑えることができます。^[43] NMR活性核を含む化合物は、パラ水素との化学反応を使用して過分極することもできます。パラ水素誘起分極 (PHIP) を参照してください。

分子状水素 H ₂には、パラ水素とオルト水素という2 つの異なるスピン異性体が含まれており、室温ではその比率は 25:75 です。パラ水素誘起分極 (PHIP) ^[44]を生成すると、この比率が上昇し、言い換えればパラ水素が濃縮されます。これは、水素ガスを冷却し、鉄酸化物または木炭触媒を介してオルトからパラへの変換を誘導することで実現できます。この手順を ≈70 K (つまり液体窒素) で行うと、パラ水素は 25% から約 50% に濃縮されます。20 K 未満に冷却し、オルトからパラへの変換を誘導すると、ほぼ 100% のパラ水素が得られます。^{[引用が必要]}

実際の用途では、PHIPは、遷移金属触媒の存在下で超分極水素を前駆体分子と反応させることによって有機分子に転移されるのが最も一般的です。PHIPを使用せず、室温で「熱」分極のみを行う同じ有機分子のNMR信号と比較して、約10,000倍の強度のプロトンNMR信号^[45]が得られます。

可逆的交換による信号増幅 (SABRE) は、サンプルを化学的に改変することなく過分極化する技術です。オルト水素や有機分子と比較すると、パラ水素の水素原子核の大部分は、印加磁場と一列に並びます。SABRE では、金属中心がテスト分子とパラ水素分子の両方に可逆的に結合し、ターゲット分子がパラ水素の分極を拾い上げます。^[46]この技術は、アンモニアなどの中間「リレー」分子を使用することで改善され、さまざまな有機分子に利用できます。アンモニアは金属中心に効率的に結合し、パラ水素から分極を拾い上げます。次に、アンモニアはそれを金属触媒にあまり結合しない他の分子に転送します。^[47]この強化された NMR 信号により、非常に少量の物質を迅速に分析できます。

• 動的核分極
• 電子常磁性共鳴
• 超偏極炭素13MRI

• ユーロフィジックス - 「分極希ガスを吸い込んでみよう」
• バージニア大学 - 「超偏極ガス MR 画像」
• スイス DNP イニシアティブ - 「DNP-NMR 13C 超分極」 2008-12-11 にWayback Machineでアーカイブ