超极化129Xe自动收集-升华装置研究

陈小明，赵修超，孙献平，谢军帅，李海东，韩叶清，刘小玲，陈 琪，周 欣*

超极化129Xe自动收集-升华装置研究

陈小明1,2#，赵修超1,2#，孙献平1,2，谢军帅1,2，李海东1,2，韩叶清1,2，刘小玲1,2，陈 琪1,2，周 欣1,2*

1. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，波谱与原子分子物理国家重点实验室，武汉磁共振中心，湖北 武汉 430071；2. 中国科学院大学，北京 100049

因其较高的核自旋极化度所提供的探测灵敏度，超极化129Xe气体已被成功应用于动物和人体磁共振成像（MRI）．但是，在超极化129Xe的收集-升华过程中，多种因素会导致129Xe核自旋弛豫，进而限制其应用范围．本文通过理论模型分析和实验测量，验证了温度、磁场、螺旋冷阱材质等对冷冻恢复过程中超极化129Xe弛豫的影响；同时，测量了自动收集-升华装置的稳定性．研究结果表明，升华方式和冷阱材质对129Xe极化度损耗的影响显著；自制收集-升华装置的自动化程度高、长时间稳定，129Xe极化度的恢复率可达到85.6% ± 4.7%．本研究非常有助于提升超极化129Xe在动物和人体MRI中的使用效率．

磁共振成像；超极化129Xe气体；自动收集-升华装置；极化度恢复率

引 言

超极化气体（3He、129Xe和83Kr等）由于具有较高的核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）灵敏度[1,2]，已被广泛应用于NMR波谱和磁共振成像（magnetic resonance image，MRI）等领域[3-5]．“超极化态”主要通过自旋交换光泵技术（spin exchange optical pumping，SEOP）[6]或者亚稳态交换光泵技术（metastability exchange optical pumping，MEOP）[7,8]实现，相应的制备装置称之为超极化装置[9]．与其他超极化气体相比，Xe气易溶于血液、容易在组织内扩散，因此可以提供溶解态成像的信息[10]；同时其具有的较大的化学位移敏感性可用于探测化学和生物环境；由于其在生物体内具有较长的纵向弛豫时间（数秒到几十秒），通常被用于探究肺部结构和功能信息[11]．另外，Xe气天然丰度高、价格低廉、麻醉生物耐受性良好，因此129Xe气体在MRI研究中具有独特的优势[12]．

Xe极化装置有间歇流动和连续流动两种工作模式[13,14]，本文的研究基于连续流动模式．连续流动模式极化装置采用的是低Xe浓度（1%～2%）混合气体作为工作气体[15]，超极化后的Xe气通过低温冷冻积累[16]的方式收集于冷阱内，其他缓冲气体随之排入大气．积累过程中，超极化Xe以固态Xe“冰”的形式储存于液氮（77 K）和磁场（约0.4 T）环境下．超极化态为不稳定态，其寿命受多种因素制约．理论上固态Xe“冰”具有较长的自旋-晶格弛豫时间（1），当处于液氮温度（77 K）和中等强度磁场下，其1>2.5 h[17]．然而，在NMR研究中超极化129Xe大多需要以气态形式存在，因此129Xe经过极化装置极化、冷冻收集后还需要经过升华恢复为超极化Xe气体．

上述收集-升华过程中多种因素会造成超极化129Xe的弛豫．为减弱收集-升华过程中超极化129Xe的弛豫，本文对该过程中的弛豫机制进行了理论分析，并在此基础上研制了一套自动化收集-升华装置，通过该装置进一步研究了磁场、温度和冷阱材质对129Xe弛豫的影响．

1 理论分析

通常在收集-升华过程中，影响超极化129Xe1的因素主要有氧气[18]、磁场[19]、温度[20]、冷阱形状[21]和材质[22]等．

其中，为Xe气的自扩散系数，单位为cm2/s；和分别为x和y方向上的磁场梯度，单位为T/cm；B0为z轴方向主磁场的平均磁场强度，单位为T．在室温T = 300 K、压力p = 2.068 bar条件下，与磁场梯度的关系如图1(b)所示，本文使用的磁场约为0.356 T，磁场在x轴和y轴方向上的梯度小于0.010 T/cm，可知此时5.5 h．

研究发现，固态129Xe的弛豫主要受自旋-转动相互作用和偶极-偶极相互作用共同影响[20]. Kuzma等[17]对固态129Xe的弛豫机制进行了系统研究，结果表明自旋-转动相互作用导致了Xe晶体的光子拉曼散射，其纵向弛豫时间反比于温度的平方．129Xe与其临近原子核的偶极-偶极相互作用受空穴扩散调制影响且强烈依赖于温度．如图2所示，Xe“冰”内侧与缓冲气体接触，外侧通过冷阱壁与液氮间接接触．Xe“冰”层内外表面存在温度梯度，厚度越大，温度梯度越大，引起的极化度损耗越大．因此温度对固态超极化129Xe弛豫的影响与冷冻储存Xe“冰”层的厚度密切有关[20]，通过增大129Xe与冷阱的接触面积可以降低温度导致的弛豫.与传统直通冷阱相比，螺旋冷阱[21]可以增加液氮与冷阱的接触面积，降低Xe“冰”层厚度，缩短相变过程的时间，减少因温度造成的极化度损耗.假设通过连续不断抬升液氮液面高度的方式来实现超极化Xe气的冷冻收集，理论上可以进一步降低Xe“冰”的厚度，从而降低Xe“冰”层的温度梯度.

图2 超极化Xe“冰”在冷阱内的积累模型

壁弛豫主要与冷阱内表面的电磁环境有关．常用的螺旋冷阱有玻璃和可熔性聚四氟乙烯（perfluoroalkoxy，PFA）两种材质：玻璃冷阱一般使用耐高低温派热克斯玻璃制作，其生产过程会引入顺磁性杂质，这将造成129Xe的退极化弛豫[22]；而PFA冷阱材质为少量全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物，与玻璃冷阱相比，PFA不含“磁性”杂质，可极大的降低壁弛豫的影响，因此可用于超极化Xe气体的收集．

目前常用的超极化Xe收集-升华为人工操作方式．收集时，向液氮杜瓦内注入适量的液氮，将储存冷阱放入液氮杜瓦内开始收集超极化Xe气体，以气体流速计算收集总用时，然后间隔一定时间（本文为5 min）向液氮杜瓦内注入适量的液氮直至达到所需Xe气体量．由于液氮温度远低于Xe气的凝固温度，Xe气凝固于冷阱内，而缓冲气体（4He、N2）则随气路管道排入大气，最终超极化Xe气将随着液氮液面上升逐层累积附着于冷阱内壁．升华时，需要快速将冷阱从液氮杜瓦中取出再放入升华杜瓦内，将收集采样袋与冷阱相连使超极化气体进入采样袋．该收集方式由于采用间歇添加液氮的方式，且添加的液氮量无法精确定量，因此会使Xe“冰”层厚度存在差异导致温度梯度；另一方面，在升华过程中，Xe“冰”多次切割磁场，空间磁场梯度也会增强超极化129Xe的弛豫．

基于上述理论及分析，我们研制了一套129Xe自动收集-升华装置，该装置可通过软件精确自动控制超极化Xe的收集-升华；并通过测量极化度恢复率，对自动收集-升华装置与传统人工操作系统进行了比较和研究．

2 自动收集-升华装置

自制的超极化Xe自动收集-升华装置的框架图如图3(a)所示，由硬件装置和控制程序两部分组成：

（1）硬件装置：主要由升降步进电机模组和旋转步进电机[图3(b)]协调配合工作．升降步进电机模组滑台带动液氮杜瓦上下运动，可精确（步进精度1.5 mm/min）改变冷阱浸没于液氮中的位置，实现超极化Xe“冰”的冷冻收集；升华时升降步进电机模组的滑台以较高的速率（60 mm/s）快速下降一定高度，旋转步进电机（4 rad/s）带动扇形旋转台旋转90˚，热水杜瓦被旋转至冷阱的正下方后快速上升（60 mm/s），使冷阱浸没在热水中迅速完成超极化Xe“冰”升华．升华过程典型用时约为5 s．

图3 自动收集/升华装置：(a)框架图；(b)核心部分模型图；(c)控制程序图形用户界面（GUI）

（2）控制程序：软件功能采用NI仪器的LabVIEW程序语言编写，其功能主要由收集、升华，以及复位、保护四个独立板块组成[图3(c)]．a. 收集，在图形用户界面（GUI）上输入收集气体的体积，点击“开始”按键，升降步进电机模组的滑台在脉冲作用下逐渐抬升液氮液面高度，直到收集结束；b. 升华，点击“升华”按键，升降步进电机模组与旋转步进电机协调配合使冷阱完全浸没在热水中，升华结束后滑台和扇形旋转台自动复位到初始位置等待下次收集指令；c. “复位”按键的作用是当控制程序运行中出现异常时，将装置恢复到初始收集状态；d. “保护”功能为收集结束后将液面再次上升一定高度，避免由于液氮挥发导致超极化129Xe弛豫．

超极化Xe自动收集-升华装置可以在极化装置连续使用中实现超极化Xe气的自动收集、固态Xe“冰”长时间储存、远程运输及升华使用，并且控制程序操作简单、运行稳定．

3 实验部分

3.1 极化度恢复率计算

低场下热极化129Xe气体的NMR信号强度比较低，因此，实验中超极化129Xe气体的核自旋极化度可以通过129Xe与质子的NMR信号强度计算获得，其计算公式为[23,24]：

实验中使用同一套射频线圈系统，对质子和129Xe NMR谱图的采集时仅对电磁场大小进行相应调节，因此上式可进一步简写为：

由理想气体定律可知NMR测试泡内129Xe原子核数目为[24]：

样品泡内水质子原子核数目为：

热平衡态水质子的核自旋极化度计算公式为：

将(5)～(7)式带入(4)式中可得，超极化129Xe气体极化度计算公式为：

超极化129Xe气体极化度恢复率（）定义为：

超极化129Xe气体的NMR信号在冷冻收集过程中会受到自旋-晶格弛豫的影响，导致极化度损耗．通过(9)式计算升华后和收集-升华前超极化129Xe气体的极化度的百分比，可以对超极化129Xe气体极化度的恢复情况进行评估．

3.2 信号测量

超极化129Xe气体NMR信号测试气路原理图如图4所示，其中通道1表示为收集-升华前Xe混合气体流动管路，通道2为Xe升华后测试气路流动通道．为了减少气体压力平衡建立时间，气路中增加柔性Tedlar采样袋来快速平衡测试泡内的压力．工作气体为自然丰度（129Xe原子核丰度为26.4%）的Xe混合气体（2% Xe、10% N2、88%4He），流速为0.5 SLPM（标准升每分钟，standard liter per minute）．

图4 超极化129Xe NMR信号测试气路原理示意图

收集-升华前混合气体中超极化129Xe NMR信号测试过程：关闭通道2中螺旋冷阱的两个阀门（进气、出气），打开针阀1将气路通道1与测试泡直接连接；然后对气路管道真空处理（<10-5bar），真空处理后打开针阀2让管路内的气体开始流通，并测量测试泡内的混合气体中129Xe的NMR信号．

升华后超极化129Xe NMR信号测试过程：首先关闭针阀1，打开螺旋冷阱进气、出气阀门，使其与测试泡相连；然后同样对气路管道真空处理，真空处理结束后打开针阀2让管路内的气体开始流通，此时超极化Xe气将被收集储存于冷阱内，待达到所需气体量后关闭针阀2和冷阱进/出口阀门；随后将采样袋接入气路管道中，再次对气路管道进行真空处理；真空处理结束后快速将冷阱内气体升华并打开冷阱出口阀门让超极化Xe气进入NMR测试泡，并测量测试泡内129Xe NMR信号.

3.3 结果与讨论

3.3.1 超极化Xe自动收集-升华装置的NMR信号测量

实验使用低场NMR系统[25]对超极化129Xe气体的NMR信号进行测量，低场NMR系统的工作频率约为102 kHz，工作磁场由电磁线圈提供. 图5(a)是水质子标样泡的NMR信号，经由200次采样平均获得．图5(b)是收集-升华前测试泡的单次超极化129Xe NMR信号，测试泡内为2% Xe混合气体．图5(c)是利用手动收集-升华装置获得的升华后测试泡的单次超极化129Xe NMR信号，图5(d) 利用自动收集-升华装置获得的升华后测试泡的单次超极化129Xe NMR信号，两种装置测试时测试泡内均为100 mL纯Xe气体. 超极化129Xe NMR信号强度与测试泡内129Xe的原子核数目有关，因此纯Xe气体中129Xe信号强度显著高于混合气体，如图5(b)～5(d)所示．与手动收集-升华装置相比，自动收集-升华装置避免了升华时冷阱取出Xe“冰”切割磁场过程，因此自动收集-升华装置获得的NMR信号强度高于手动收集-升华装置，如图5(c)和5(d)所示．

图5 典型的NMR实验结果．(a)质子NMR信号（200次采样平均）；(b)收集-升华前超极化129Xe气体NMR信号（单次采样）；(c)手动和(d)自动收集-升华装置获得的升华后超极化129Xe气体NMR信号（单次采样）

3.3.2 极化度恢复率的温度依赖关系的比较

由理论分析可知，温度对超极化129Xe弛豫的影响与冷冻收集过程中Xe“冰”层的厚度有关. Xe“冰”层厚度越大，升华时压力达到平衡需要的时间越长．在自动升华方式下，比较自动和手动收集方式Xe“冰”升华过程中气体压力平衡时间，探究两种收集方式中Xe“冰”层厚度的差异．利用低场NMR系统测量两种收集方式下的极化度恢复率，探究温度造成的极化度的损耗．

由于升华过程早期管道内气体较少，所以温度传导较弱导致压力上升缓慢且存在波动，为降低计算误差，我们选取稳态压力值10%～90%对应的时间10%～90%进行比较．图6显示了自动升华方式下自动和手动收集方式极化度恢复率和压力变化曲线．实验中分别对两种收集方式进行了3次400 mL气体升华实验，自动和手动收集方式下测得的10%～90%分别为4.9 ± 0.7 s和5.4 ± 1.3 s，极化度恢复率分别为85.7% ± 1.7%和84.7% ± 2.3%．由结果可知，两种收集方式Xe“冰”升华压力达到稳定的时间无显著差异（=0.58），极化度恢复率也无显著性差异（=0. 59）．上述结论表明两种收集方式中极化度损耗基本一致，间接证明冷冻收集过程手动间歇式添加液氮与全自动连续“添加”方式未有明显的温度梯度差异．

图6 自动与手动收集方式下(a)极化度恢复率及其(b)相应升华气体压力变化曲线（1 psi»6 895 Pa）

3.3.3 极化度恢复率的磁场依赖关系的比较

磁场对超极化129Xe弛豫的影响与冷阱所在空间区域的磁场均匀度有关．自动收集-升华方式通过对液氮与热水杜瓦进行快速替换完成升华，该过程中并不改变收集冷阱所处的磁场环境．而手动方式需要将冷阱从液氮杜瓦取出放入热水杜瓦内进行升华．两者差异为手动方式升华过程中Xe“冰”多次切割磁场．同时，为了探究升华保护磁场对超极化129Xe弛豫的影响，我们设计了手动收集在不同磁场和相同磁场中升华的极化度恢复率的测量实验．不同磁场升华方式为手动将储存Xe“冰”的冷阱取出放入相邻的升华保护磁场的热水杜瓦内；相同磁场升华方式为手动将储存Xe“冰”的冷阱和液氮杜瓦一同取出，然后将热水杜瓦放入收集保护磁场，最后再将冷阱取出放入热水杜瓦内．

如图7所示，在自动收集-升华、手动收集-手动异/同磁场升华方式下，分别对三种方式进行了6次重复实验，测得100 mL超极化129Xe气体极化度恢复率分别为83.7% ± 5.0%、64.1% ± 4.4%和68.2% ± 4.7%．统计结果表明，手动收集-手动异/同磁场升华方式极化度恢复率无显著性差异（= 0.07），因此升华保护磁场的磁场梯度对Xe“冰”极化度损耗影响较小；手动收集-手动异/同磁场升华与自动收集-升华方式极化度恢复率均存在显著性差异（< 0.001），表明手动升华方式下冷阱在液氮杜瓦和热水杜瓦切换时切割磁场造成较大的极化度损耗．与手动收集-手动异/同磁场升华方式相比，自动收集-升华方式极化度恢复率分别提高了约30.6%和22.7%．

图7 三种收集-升华方式（自动收集-升华、手动收集-异/同磁场升华）的极化度恢复率比较

3.3.4 极化度恢复率的冷阱材质依赖关系的比较

壁弛豫对超极化129Xe弛豫的影响主要与冷阱材质有关，考虑到超极化Xe的收集-升华环境，收集冷阱的材质一般采用耐高低温的派热克斯玻璃.由于玻璃材质在生产制造的过程中受工艺影响不可避免的残留部分杂质，该杂质会在其周围产生局部电磁场，当超极化Xe与之“接触”时会造成弛豫．PFA为少量全氟丙基全氟乙烯基醚与聚四氟乙烯的共聚物，其不含“磁性”杂质，可极大的降低壁弛豫的影响．实验中分别对两种材质螺旋收集冷阱进行了6次极化度恢复率测试，结果如图8所示，100 mL超极化Xe在玻璃和PFA螺旋冷阱的极化度恢复率分别为83.7% ± 5.0%和50.1% ± 2.5%. 统计结果表明，两种冷阱内极化度恢复率存在显著性差异（< 0.001）．与玻璃冷阱相比，PFA冷阱具有更小的壁弛豫，测试结果与理论分析结果一致．

图8 在自动收集-升华方式下，PFA和玻璃螺旋冷阱的极化度恢复率比较

3.3.5 适用性测试

自动收集-升华装置应适用于不同体积超极化Xe气的冷冻恢复，以便用于动物和人体超极化气体MRI研究.因此，需要对自动收集-升华装置在不同收集体积下的适用性进行研究.实验中首先分别对100、200、300和400 mL等4种不同收集体积进行了6次重复测试，获得相应极化度恢复率分别为83.7% ± 5.0%、86.3% ± 5.2%、86.8% ± 5.0%和84.7% ± 3.8%，不同体积下的极化度恢复率均处于较高水平[图9(a)]．同时，为了验证该装置工作的稳定性，我们选择300 mL超极化Xe冷冻恢复实验进行了长时跟踪测试（每个时间节点进行4次重复实验），结果表明，自动收集-升华装置性能良好、工作稳定[图9(b)]．

图9 在PFA螺旋冷阱内，使用自动收集-升华装置得到的(a)不同体积和(b)不同时间点的极化度恢复率

4 结论

对于连续流动工作模式的超极化装置系统来说，收集-升华过程中如何降低弛豫因素的影响对超极化气体NMR研究具有重要意义．本研究通过对收集-升华过程中超极化129Xe弛豫的影响因素进行分析，设计和搭建了一套超极化Xe自动收集-升华装置．通过对自动与手动收集-升华方式的比较，验证了温度、磁场对冷冻恢复过程中超极化129Xe弛豫的影响；并且比较了螺旋冷阱材质对冷冻恢复过程中超极化129Xe弛豫的影响．结果表明，磁场梯度和螺旋冷阱材质会显著影响冷冻恢复后超极化129Xe气体极化度；与手动方式相比，自动方式可以显著降低冷冻恢复过程中超极化129Xe气体极化度的损耗．重复实验表明，自动收集-升华装置性能良好且稳定．自动收集-升华装置的设计，对降低超极化129Xe极化度损耗、提高超极化129Xe气利用率具有重要意义，为人体肺部超极化129Xe气体MRI的科学研究和大规模临床推广与应用提供了技术支持．

无

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Study on the Automatic Accumulation-thawing Device of Hyperpolarized129Xe

1,2#，1,2#，1,2，1,2，1,2，1,2，1,2，1,2，1,2*

1. State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and MolecularPhysics, National Center for Magnetic Resonance in Wuhan, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Due to the detection sensitivity provided by the high nuclear spin polarization, hyperpolarized129Xe has been employed in animal and human magnetic resonance imaging (MRI). However, during the accumulation-thawing process of hyperpolarized129Xe, multiple factors lead to the relaxation of spin polarization and would hinder the wider application of129Xe. In this research, the spin relaxation mechanism of hyperpolarized129Xe during the accumulation-thawing process is investigated by both theoretical model analysis and experimental measurements. Meanwhile, the stability of the homebuilt device for the accumulation-thawing is measured. Our results demonstrate that the thawing mode and the cold trap material significantly affect the polarization loss; the automatic device is very stable during long-term operation and shows a high degree of automation, resulting in a polarization recovery ratio of 85.6% ± 4.7%. This research greatly helps to improve the efficiency of hyperpolarized129Xe in animal and human MRI.

magnetic resonance imaging, hyperpolarized129Xe gas,automatic accumulation-thawing device,recovery ratios of polarization

O482.53

A

10.11938/cjmr20222998

2022-04-14;

2022-05-12

国家自然科学基金资助项目(11905288，82127802).

* Tel: 027-87198802, E-mail: xinzhou@wipm.ac.cn.

# 共同第一作者