Interested Article - Гиперполяризация (физика)

Гиперполяризация — поляризация ядерных спинов веществ далеко за пределами теплового равновесия. Гиперполяризованные благородные газы обычно используются при магнитно-резонансной томографии лёгких. Уровень поляризации ¹²⁹ Xe и ³ He может в 10 ⁴ —10 ⁵ раз превышать уровень теплового равновесия.

Методы гиперполяризации:

спин-обменная оптическая накачка;
оптическая накачка с обменом метастабильностью;
динамическая поляризация ядер (ДПЯ);
индуцированная параводородом поляризация ядер (ИППЯ);
усиление сигнала в результате обратимого обмена.

Спин-обменная оптическая накачка

Луч лазера с круговой поляризацией вызывает электронные переходы в атомах щелочных металлов (например, рубидий ) находящихся в газообразном состоянии, тем самым создавая электронную поляризацию. При столкновении щелочных металлов с благородными газами (например, ксенон ) в процессе спинового обмена поляризация с электронов переносится на ядра благородных газов.

Динамическая поляризация ядер

Динамическая поляризация ядер основана на переносе электронной поляризации на ядра. Перенос поляризации может осуществляться спонтанно или при спиновом смешивании.

В методе динамической поляризации ядер в жидкой фазе (dissolution-DNP, d-DNP) процесс гиперполяризации происходит в твердом состоянии при низких температурах, после чего образец растворяется в разогретом растворителе и впрыскивается ЯМР ампулу, расположенную в спектрометре ЯМР.

Аналогично ДПЯ в жидкой фазе, существует метод ДПЯ для работы в газовой фазе, где также процесс гиперполяризации происходит в твердом состоянии, после чего вещество в процессе сублимации нагревается и переходит в газообразной состояние, подходящее для детекции в спектрометре ЯМР.

Индуцированная параводородом поляризация ядер

В данном методе используется спиновый изомер водорода — параводород, у которого ядерные спины противоположно направлены. При присоединении параводорода к интересующей молекуле, магнитная эквивалентность ядерных спинов параводорода нарушается, но сохраняется корреляция их спинов, что позволяет наблюдать усиление сигнала в спектрах ЯМР .

Эффекты ИППЯ впервые наблюдались в ходе реакции гидрирования параводородом в сильном поле. Такой эффект был назван PASADENA (Parahydrogen And Synthesis Allows Dramatically Enhanced Nuclear Alignment). В этом случае заселяются уровни имеющие синглетную симметрию, а в спектрах ЯМР наблюдаются два антифазных сигнала.

Другой эффект — ALTADENA (Adiabatic Longitudinal Transport After Dissociation Engenders Nuclear Alignment) — обнаруживается при гидрировании субстрата в слабом магнитном поле. В ALTADENA экспериментах заселяется только один из уровней, соответствующий синглетной симметрии.

Примечания

Thad G. Walker, William Happer. (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 1997-04-01. — Vol. 69 , iss. 2 . — P. 629–642 . — ISSN . — doi : .
A Abragam, M Goldman. // Reports on Progress in Physics. — 1978-03-01. — Т. 41 , вып. 3 . — С. 395–467 . — ISSN . — doi : .
Guannan Zhang, Christian Hilty. (англ.) // Magnetic Resonance in Chemistry. — 2018-7. — Vol. 56 , iss. 7 . — P. 566–582 . — doi : .
A. Comment, S. Jannin, J.-N. Hyacinthe, P. Miéville, R. Sarkar. (англ.) // Physical Review Letters. — 2010-07-01. — Vol. 105 , iss. 1 . — ISSN . — doi : .
C. Russell Bowers, D. P. Weitekamp. (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1987-9. — Vol. 109 , iss. 18 . — P. 5541–5542 . — ISSN . — doi : . 2 июня 2020 года.
Michael G. Pravica, Daniel P. Weitekamp. (англ.) // Chemical Physics Letters. — 1988-4. — Vol. 145 , iss. 4 . — P. 255–258 . — doi : . 6 марта 2019 года.