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Mobiler Xenon-Polarisator

Besonders interessant für:
  • Grundlagenforschung
  • biomolekulare Forschung
  • biomedizinische Bildgebung

Eine von der PTB aufgebaute mobile Apparatur zur Erzeugung hoher Kernspinpolarisation des Edelgasisotops Xenon-129 wird seit einem Jahr in verschiedenen Berliner Laboren zur Untersuchung von Fragestellungen im Bereich Biomedizin und in der physikalischen Grundlagenforschung eingesetzt.

Hochkernspinpolarisiertes 129Xe-Gas erlangt immer neue Einsatzgebiete. Dieses ursprünglich für die physikalische Grundlagenforschung entwickelte, sogenannte hyperpolarisierte 129Xe wird nach erfolgreichem Einsatz für die Magnetresonanzbildgebung der Lunge nun auch in anderen Bereichen der biomedizinischen Forschung angewandt. Aber auch Fragen zum Verständnis des Aufbaus der Materie, die bei der Suche nach Theorien jenseits des Standardmodells auftauchen, sollen damit untersucht werden.

Da selbst unter hochreinen Bedingungen der künstlich erzeugte Zustand der Hyperpolarisation eine Lebenszeit von nur wenigen Minuten besitzt, ist der Transport von hyperpolarisiertem 129Xe in der Gasphase nur über kurze Strecken in speziellen Glaskugeln möglich. Soll zudem kontinuierlich hochpolarisiertes 129Xe zur Verfügung gestellt werden, muss die Kernspinpolarisation im Xenongas jeweils vor Ort in einem dem Experiment angepassten Volumenfluss erzeugt werden. Der für die Erzeugung verwendete Prozess ist jedoch sehr komplex. Der an der PTB aufgebaute mobile 129Xe-Polarisator erfüllt alle hierfür nötigen Anforderungen. Das Gerät kann prinzipiell in jedem Labor betrieben werden, da es abgesehen von der Strom- und Druckluftversorgung auf keine weitere Infrastruktur angewiesen ist. Transport und Wiederinbetriebnahme lassen sich binnen eines Tages durchführen. Bei kompaktem Aufbau wurde der Betriebsmodus variabel gehalten: Je nach Bedarf ist es möglich, entweder zyklisch oder kontinuierlich hyperpolarisiertes 129Xe-Gas zu gewinnen.

Nach erfolgreichem Test im Labor der PTB Berlin ist der Polarisator im vergangenen Jahr an das Leibniz-Institut für molekulare Pharmakologie nach Berlin- Buch gebracht worden, um ihn dort in Verbindung mit einem Magnetresonanz- Micro-Imager zu betreiben. Ziel dieser Arbeiten im Rahmen von BMBF- und EMRP-Vorhaben ist die Entwicklung von Methoden für die molekulare Bildgebung mit hyperpolarisiertem 129Xe auf zellulärer Ebene und im Kleintier.

Auch in der PTB selbst werden die Mobilität und Flexibilität des Polarisators ausgenutzt. Hier wird ein Experiment zur Suche nach dem elektrischen Dipolmoment des Xenon-Kernspins (Xe-EDM-Projekt mit der TU-München) vorbereitet, für das in den Berliner PTB-Laboren Untersuchungen zur Kernspinpräzession in ultraniedrigen Magnetfeldern (nT) durchgeführt werden. Hierfür wurde der Polarisator zwischenzeitlich auch direkt in der Nähe der magnetisch abgeschirmten Messkabine (BSMR-2) betrieben, um optimale Versuchsbedingungen für dieses neue Forschungsvorhaben zu erhalten.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

S. E. Korchak, W. Kilian, L. Mitschang: Configuration and performance of a mobile 129Xe polarizer. Appl. Magn. Reson. 44, 65–80 (2013)