原子传感器揭示了分子极化的隐藏动力学

磁共振成像 （MRI） 长期以来一直是现代医学的基石，可提供内部器官和组织的高度详细的图像。MRI 机器是医院中常见的大型管状磁铁，它使用强大的磁铁来绘制体内水和脂肪分子的密度。

除了这些分子之外，还可以绘制代谢物等其他物质，但它们的浓度通常太低而无法产生清晰的图像。为了克服这一限制，采用了一种称为超极化的技术来增强这些物质的磁共振信号，使它们在 MRI 扫描期间更加明显。

超极化是指在体外准备一种物质，使其磁化强度（创建 MRI 图像的关键）接近其最大值。与自然状态相比，此过程可以将信号增强数千倍。一旦超极化，该物质就会被注射到患者体内并运输到目标器官或组织。然而，在此之前，通过严格的质量控制流程确认物质是否充分超极化至关重要。

当前的质量控制技术面临两个重大挑战。首先，这些方法通常会在读出过程中减少样品的磁化强度，从而降低其增强 MRI 扫描的能力。其次，测量所需的时间可能很长，在此期间物质的磁化强度会自然衰减，从而限制了连续测量的机会。这导致缺乏关键数据，否则这些数据可以帮助最大限度地提高超极化的效率。

此外，一旦样品被超极化，它就有可能在运输到 MRI 机器的过程中失去磁化强度。传统的质量控制技术由于其耗时的性质，可能无法及时检测到这种损失。

现在，IBEC 研究人员 James Eills 博士（现在德国 Forschungszentrum Jülich）和 Irene Marco Rius 博士以及 ICFO 研究人员 ICREA 教授 Morgan W. Mitchell 和 Michael C. D. Tayler 博士的合作展示了原子传感器技术在测量超极化材料的磁化强度时如何克服传统采样的局限性。这一突破最近在《美国国家科学院院刊》杂志上报道。

特别是，该团队使用了光泵原子磁力计 （OPM），其工作原理与传统传感器根本不同，能够实时检测超极化分子产生的场。OPM 的性质使这些研究人员能够在整个实验中进行连续、高分辨率和非破坏性的观察，包括超极化过程本身。

根据作者的说法，如果超极化传感的领域是电影，那么以前的方法将像一系列静态照片，让定格图片之间的情节留给观众猜测。

“相反，我们的技术更像是一段视频，你可以一帧一帧地看到整个故事。从本质上讲，您可以连续观察且没有分辨率限制，这样您就不会错过任何细节，“ICFO 研究员兼文章合著者 Michael Tayler 博士解释说。

揭示化合物在磁化过程中的行为

该团队通过监测临床相关分子中的超极化来测试他们的 OPM。原子传感器前所未有的分辨率和实时跟踪使他们能够见证代谢物化合物 （[1-13C]-富马酸盐）在磁场存在下进化。

原子传感器揭示了直到现在才被注意到的“隐藏的自旋动力学”，为从过程一开始就优化超极化提供了一条新途径。

“以前的方法掩盖了磁化剖面中的细微振荡，这在以前是无法检测到的，”Tayler 评论道。“如果没有 OPM，我们甚至不会意识到最终极化并不理想。”

除了简单的观察之外，该方法还可用于实时控制极化过程，并在最方便的点停止它，例如，当达到最大极化时。

该研究揭示了当团队施加磁场反复磁化和消磁超极化富马酸盐分子时的其他意外行为。他们希望看到磁化强度增加到最大值，然后一次又一次地回到零，每次都能从一种状态平稳地过渡到另一种状态。与这些简单的预期相反，由于在一定的磁化-退磁持续时间和磁场中隐藏的共振，该分子表现出复杂的动力学。

“这种理解将帮助我们检测何时发生不需要的行为并调整参数（如循环的持续时间或磁场的强度）以防止它发生，”Tayler 解释说。

这项工作代表了超极化 MRI 技术的进步，这在很大程度上要归功于 IBEC 的精准医学分子成像小组和 ICFO 的原子量子光学小组的合作努力。IBEC 在超极化方法方面的专业知识和 ICFO 在 OPM 传感技术方面的专业知识对于取得结果至关重要。

“这是一个美丽的例子，说明来自不同学科的研究人员一起工作时可以实现新科学，IBEC 和 ICFO 的接近意味着我们能够密切合作并取得真正新颖的成就，”IBEC 研究员、文章第一作者 James Eills 博士承认。

Tayler 博士回顾了团队的成功，他说：“OPM 测量从一开始就运行良好。传感器高超的灵敏度揭示了我们没有预料到的隐藏动态，仿佛它们是为此目的而设计的。易用性和丰富的新信息使它们成为超极化监测的强大工具。

对 MRI 和其他未来应用的好处

这项研究的直接应用是将便携式原子传感器集成到 MRI 的临床样本质量控制中，目前由西班牙部项目“SEE-13-MRI”中的 ICFO 团队实施。这样，就可以在超极化过程中将分子引导到尽可能高的极化水平，并在将物质注射到患者体内之前可靠地证明极化水平。

这一发展可以显著降低代谢 MRI 的成本和后勤挑战。如果是这样，这将将其覆盖范围从目前使用的少数专业研究中心扩展到全球许多医院。

然而，原子传感器的潜力远远超出了医学成像。使用光泵磁力计 （OPM） 的相同无损实时跟踪系统可用于监测化学过程中的大分子、研究高能物理目标，甚至优化量子计算中基于自旋的算法。

Tayler 博士说：“我们开发的方法不仅为改进 MRI 开辟了新的途径，而且为依赖精确磁感应的各个领域开辟了新的途径，我们对它的进一步发展感到兴奋。

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