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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-6453
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.10435
Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
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Open Access Art: | Primärpublikation |
Datum: | 12 Oktober 2006 |
Begutachter (Erstgutachter): | Eike (Prof. Dr.) Brunner |
Tag der Prüfung: | 24 März 2006 |
Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Biophysik und physikalische Biochemie > Entpflichtet bzw. im Ruhestand > Prof. Dr. Eike Brunner |
Stichwörter / Keywords: | Xenon-129 , NMR-Spektroskopie , Hyperpolarisierung , Apparatur , Hyperpolarisation , Bizellen , Laserpolarisation , xenon , hyperpolarisation , lipid bicells , laser polarisation , NMR spectroscopy |
Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
Status: | Veröffentlicht |
Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
Dokumenten-ID: | 10435 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Die kernmagnetische Resonanz (NMR) hat sich in den vergangenen Jahrzehnten zu einer wichtigen analytischen Methode entwickelt, welche jedoch ein grundlegendes Problem, nämlich eine geringe Empfindlichkeit, besitzt. Um diese zu steigern, kann man entweder die Konzentration der zu detektierenden Kerne vergrößern oder deren Kernspinpolarisation erhöhen. Letzteres kann durch Temperaturerniedrigung, ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Die kernmagnetische Resonanz (NMR) hat sich in den vergangenen Jahrzehnten zu einer wichtigen analytischen Methode entwickelt, welche jedoch ein grundlegendes Problem, nämlich eine geringe Empfindlichkeit, besitzt. Um diese zu steigern, kann man entweder die Konzentration der zu detektierenden Kerne vergrößern oder deren Kernspinpolarisation erhöhen. Letzteres kann durch Temperaturerniedrigung, durch Vergrößerung des angelegten Magnetfeldes oder durch spezielle Methoden zur Erzeugung einer über dem Gleichgewichtswert liegenden Polarisation der Kernspins erreicht werden. Den erstgenannten Methoden sind relativ enge natürliche bzw. technische Grenzen gesetzt. Die letztgenannte Möglichkeit jedoch, welche oft auch als Hyperpolarisation bezeichnet wird, kann unter Umständen eine Signalerhöhung um mehrere Größenordnungen bewirken. Dadurch ergibt sich ein breites Anwendungsgebiet für hyperpolarisiertes Xenon-129. Da Xenon als Edelgas sehr reaktionsträge ist, lässt es sich gut in der biologischen NMR-Spektroskopie einsetzen. Auch der Übertrag der Kernspinpolarisation von hyperpolarisiertem Xenon-129 auf andere Kerne ist von Interesse und ist unter dem Namen Spin-Polarization-Induced Nuclear Overhauser Effect (SPINOE) bekannt geworden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Anlage zur Erzeugung von hyperpolarisiertem Xenon-129 im single-batch-Betrieb entwickelt und aufgebaut, sowie Experimente mit hyperpolarisiertem Xenon durchgeführt. Außerdem wurde die chemische Verschiebung von thermisch polarisiertem Xenon in Abhängigkeit von der Xenondichte bis zu Drücken von ca. 70MPa gemessen.
Auf grund experimenteller Daten und numerischer Berechnungen konnten die Parameter für das optimale optische Pumpen des Alkalimetalls Rubidium und für den Polarisationsübertrag auf das Isotop Xenon-129 des Edelgases Xenon ermittelt werden. Damit erreicht die Anlage eine durchschnittliche Kernspinpolarisation für Xenon-129 von 25%, unter optimalen Bedingungen sogar von über 40%. Experimentell konnte bestätigt werden, dass eine Silikonbeschichtung der Pumpzelle die Kernspinpolarisation wesentlich verbessert.
Nach diesen Vorbereitungen wurde zunächst der Polarisationstransfer von hyperpolarisiertem Xenon auf Protonen durch Verwendung eines speziellen Differenz-SPINOE-Experiments untersucht. Es gelang, den Übertrag von Xenonkernspinpolarisation auf die Protonen des Lösungsmittels Toluol nachzuweisen und die zeitliche Entwicklung dieses Effekts aufzunehmen. Außerdem konnte zum ersten Mal ein SPINOE auf Protonen der Aminosäure Tyrosin beobachtet werden.
Um zu zeigen, dass man diese Technik auch zu Strukturuntersuchungen von großen Molekülen verwenden kann, wurde ein Experiment mit hyperpolarisiertem Xenon in einer wässrigen Lösung mit der Austauschmutante I14A des HPr-Proteins durchgeführt. Da bekannt ist, dass Xenon bevorzugt in die durch die Mutation entstandene Kavität bindet, war zu erwarten, dass es eine lokale Signalerhöhung der Protonen gibt, deren Aminosäuren um die Bindungsstellen lokalisiert sind. Die Messungen zeigten jedoch nur kleine Signalerhöhungen, deren Grund wohl unter anderem in der geringen Probenkonzentration und in der Tatsache, dass kein mit Xenon-129 angereichertes Xenongas verwendet werden konnte, liegt. Der entscheidende Punkt war jedoch, dass das Gas nur in geringen und nicht den Löslichkeiten entsprechenden Mengen in die Lösung zu bringen war. Außerdem traten dabei hohe Verluste der Xenonkernspinpolarisation auf.
In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz konnte eine neue Methode entwickelt werden, hyperpolarisiertes Xenon mit nur geringen Kernspinpolarisationsverlusten unter kontinuierlichem Fluss in die Lösung einzubringen. Dafür wird eine Membran, welche in der Medizin eingesetzt wird, verwendet, durch welche das Gas in die Flüssigkeit diffundieren kann. Mittels dieser Technik wurde hyperpolarisiertes Xenon in H2O und DMSO gelöst. Die Effizienz und Zuverlässigkeit dieser neuen Apparatur wurde durch Vergleichsmessungen mit und ohne hyperpolarisiertes Xenon in einer wässrigen Lösung mit den Phospholipiden DHPC/DMPC, die darin sog. Bizellen bilden, bewiesen. Somit wurde ein System entwickelt, mit dessen Hilfe hyperpolarisiertes Xenon ohne Blasenbildung und ohne Polarisationsverluste in Lösung gebracht werden kann. Das neue Membranmodul vereinfacht somit das Lösen von hyperpolarisiertem Xenon in Flüssigkeiten und wird dadurch hoffentlich den Anwendungsbereich von hyperpolarisiertem Xenon in der biomolekularen NMR wesentlich vergrößern.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Nuclear magnetic resonance (NMR) has developed into an important analytical method during the last decades. A fundamental problem, however, is its low sensitivity. To increase the sensitivity, one can either enlarge the concentration of nuclei to be detected or increase their nuclear spin polarisation. The latter can be achieved by decreasing the temperature, by increasing the external magnetic ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Nuclear magnetic resonance (NMR) has developed into an important analytical method during the last decades. A fundamental problem, however, is its low sensitivity. To increase the sensitivity, one can either enlarge the concentration of nuclei to be detected or increase their nuclear spin polarisation. The latter can be achieved by decreasing the temperature, by increasing the external magnetic field or by special methods for the production of a polarisation beyond the equilibrium value. Due to technical limitations, the former methods are less promising than the latter one, which is often denoted as hyperpolarisation. Under certain circumstances, hyperpolarisation may result in a signal increase by several orders of magnitude. This extraordinarily high polarisation opens hyperpolarised Xe-129 a wide area of applications. Xenon as a chemically inert noble gas can be used very well in biological NMR spectroscopy. Another very interesting application is the transfer of nuclear spin-polarisation from hyperpolarised xenon to other nuclei. This effect is known as the Spin-Polarization-Induced Nuclear Overhauser Effect (SPINOE).
In the present work, an apparatus for the production of hyperpolarised Xe-129 in the single-batch mode was designed and constructed. Experiments with hyperpolarised xenon were carried out. In addition, the chemical shift of thermally polarised xenon was measured as a function of the xenon density up to pressures of ca. 70MPa.
The optimum parameters for the optical pumping process of the alkali metal rubidium and for the spin exchange to the isotope Xe-129 of the noble gas xenon were determined by numerical calculations and experiments. The apparatus delivers an average nuclear spin polarisation for Xe-129 of 25%, under best conditions even more than 40%. It could be confirmed experimentally that a silicone coating of the pump cell greatly improves the nuclear spin polarisation.
After this experimental work, the polarisation transfer of hyperpolarised xenon to protons was examined by the use of a special Difference-SPINOE-experiment. A successful transfer of magnetisation from hyperpolarised xenon to the protons of the solvent toluene was carried out and the effect was detected as a function of time. In addition, a SPINOE transfer could be observed for the protons of the amino acid tyrosine for the first time.
To show that this technique could also be used for studies of larger molecules, an experiment was carried out with hyperpolarised xenon in an aqueous solution containing the I14A mutant of the HPr protein. As it is well-known that xenon preferentially binds into hydrophobic cavities, it was, therefore, expected that there is a local signal enhancement of the proton signals belong to amino acids which are localised around the binding places. The measurements showed, however, only small signal enhancements. The reason for this might be the small protein concentration and the fact that no isotopically enriched xenon gas could be used. The critical point, however, was that the gas was brought into the solution only in quantities which are small and lower than the Ostwald solubilities. In addition, heavy losses of the xenon nuclear spin polarisation appeared.
In order to solve these problems, a new method could be developed in cooperation with the Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz. Hyperpolarised xenon can now be dissolved under continuous flow into the solutions. The polarised xenon is transferred into the solutions through a membrane system which is arranged inside a standard NMR tube. The gas can diffuse directly into the liquids. By using this technique, hyperpolarised xenon could be solved in H2O and DMSO. The efficiency and reliability of this new membrane system was demonstrated by comparative measurements with and without hyperpolarised xenon in an aqueous solution containing phospholipid bicelles (DHPC/DMPC). These measurements showed that it is possible to dissolve hyperpolarised xenon in a solution without the formation of bubbles and without polarisation losses. That means, the new membrane system simplifies the application of hyperpolarised Xe-129 in liquid-state NMR spectroscopy by improving the dissolution process and will hopefully widen the application of hyperpolarised xenon in the field of biomolecular NMR.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 12:59