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Xenon und hyperpolarisiertes Xenon in der NMR

Die Anwendungen von Xenon in der NMR-Spektroskopie sind vielfältig und von zunehmender Bedeutung. So wird Xenon zum Beispiel als Sonde in der Materialwissenschaft eingesetzt ebenso wie zur Lokalisierung von spezifischen und unspezifischen Xenon-Bindungsstellen an Proteinoberflächen oder zur Untersuchung von Xenon-Protein-Wechselwirkungen in wässriger Lösung. Auf Grund seiner hydrophoben Eigenschaften eignet sich Xenon hervorragend zur Detektion von sogenannte Kavitäten in Proteinen. Dabei kann z.B. durch Beobachtung der chemischen Verschiebung der H-1-, N-15- und C-13-Kerne des Proteins auf Xenon-Protein-Wechselwirkungen geschlossen werden. Außerdem besitzt Xenon im Vergleich zu Protonen in Flüssigkeiten eine deutlich größere chemische Verschiebung von bis zu 300 ppm. Allerdings besitzt die NMR den Nachteil einer relativ geringen Sensitivität, welche aus der kleinen Polarisation der Kernspins im thermischen Gleichgewicht resultiert. Durch die Hyperpolarisation von Edelgasen kann die Polarisation und damit die Sensitivität um 4-6 Größenordnungen erhöht werden.
So liegt zum Beispiel die Gleichgewichtspolarisation von Xe-129 in einem Magnetfeld von 7 Tesla bei Raumtemperatur bei nur 0,0007%. Hyperpolarisiertes Xenon erreicht dagegen bis zu ca. 50% Kernspinpolarisation!


Abb. 1: Vergleich zwischen thermisch polarisiertem Xenon (links) und hyperpolarisiertem Xenon (rechts)

In unserer Arbeitsgruppe werden Arbeiten zu folgenden Schwerpunkten ausgeführt:

  • Numerische Simulationen und Experimente mit dem Ziel eines tiefergehenden physikalischen Verständnisses und zur Optimierung des Polarisationsvorgangs
  • NMR-spektroskopische Untersuchungen von Proteinen mittels Edelgasen (Xenon, Argon), u.a. durch chemical shift mapping
  • Xenon-NMR Spektroskopie und Spinpolarisationstransfer auf Proteine mittels hyperpolarisiertem Xenon

Der Prozess der Hyperpolarisation von Xe-129 beginnt mit dem optischen Pumpen der Valenzelektronen eines Alkalimetalls mit Hilfe eines Lasers. Die Elektronen sind in der Lage, ihre Elektronenspinpolarisation auf die Kerne eines Edelgases durch Spinaustausch zu übertragen.

 
Abb. 2: Zirkular polarisiertes Laserlicht der Wellenlänge 794,8 nm trifft in einem Ofen auf ein Gemisch aus Rubidiumdampf, Helium, Stickstoff und Xenon.

Um die Effektivität unserer Anlage zu verbessern, wurden in unserer Arbeitsgruppe umfangreiche theoretische Betrachtungen und numerische Simulationen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode durchgeführt. Mit Hilfe dieser 3D-Simulationen können die thermo- und aerodynamischen Prozesse in der Pumpzelle realistisch modelliert werden, wie der Vergleich mit den Experimenten zeigt.


Abb. 3: Einfluss der Ofentemperatur auf die Xenon-Kernspinpolarisation im Pumpzylinder

Durch Variation verschiedener Systemparameter (Ofentemperatur, Xenon-, Stickstoff-, Heliumpartialdruck, Laserleistung, u.s.w.) können somit die Pumpbedingungen für maximale Xenonpolarisation optimiert werden.

 
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