Procedimiento para la hiperpolarización de átomos de litio en una mezcla gaseosa por bombeo óptico de átomos de un primer tipo de metal alcalino y por intercambio de espines desde el electrón bombeado ópticamente de este metal alcalino al electrón y al núcleo de un átomo de litio en la fase gaseosa de una celda para muestras,

caracterizado por una oxidación de los átomos de litio para formar iones de Li + polarizados en los espines nucleares por la adición de un agente de oxidación, acumulándose la correspondiente sal de litio según sea la elección del agente de oxidación

El invento se refiere a la hiperpolarización de litio así como de otros espines nucleares, que están caracterizados por unos largos períodos de tiempo de relajación T1 longitudinal, p.ej. 13C, 29Si, 31P.

Los recientes descubrimientos en la tomografía por resonancia magnética (TRM) así en la espectroscopia por resonancia magnética (RMN) con gases nobles polarizados han proporcionado muchas aplicaciones en la medicina, en la física y en las ciencias de materiales. La polarización de núcleos de gases nobles se puede conseguir mediante un bombeo óptico con ayuda de átomos de metales alcalinos, tal como se puede deducir de la publicación de Happer y colaboradores, Phys. Rev. A, 29, 3092 (1984).

El concepto del bombeo óptico abarca el procedimiento desarrollado por Kastler, de aumentar significativamente, mediante iluminación con luz en una materia, los números de ocupación de determinados estados de energía frente al estado de equilibrio. Por bombeo óptico se pueden modificar los números relativos de ocupación de niveles de energía en átomos, iones, moléculas y cuerpos sólidos y provocar unos estados de ordenación. La densidad de ocupación del estado bombeado ópticamente se desvía manifiestamente de su probabilidad de ocupación térmica de acuerdo con la distribución de Boltzmann. Mediante un bombeo óptico de niveles de Zeeman se puede conseguir p.ej. una posición paralela de los momentos magnéticos de los electrones y respectivamente de los núcleos de átomos.

Típicamente, en la práctica, el átomo del metal alcalino rubidio se emplea en presencia de los gases nobles helio y nitrógeno. Es conocido conseguir con ello una polarización de espines nucleares de p.ej. el 129Xe de aproximadamente un 20 por ciento. Una tal polarización de espines nucleares es aproximadamente 100.000 mayor que la polarización en equilibrio en tomógrafos de resonancia magnética clínicos a 1 T y 300 ºK El drástico aumento, vinculado con esto, de la relación entre señal y ruido explica porqué en el futuro se esperan nuevas posibilidades de aplicación en la medicina, la ciencia y la técnica.

Como polarización se entiende el grado de la orientación (ordenación) de los espines nucleares de átomos, electrones o fotones. Por ejemplo, un 100 por ciento de polarización significa que todos los núcleos o electrones están orientados de la misma manera. Con la polarización de núcleos o electrones está vinculado un momento magnético.

Se designa como hiperpolarización a un grado de polarización de espines nucleares o electrónicos, que es mayor que el grado de polarización térmica de los espines en un campo magnético establecido a la temperatura ambiente.

Los gases nobles hiperpolarizados se emplean como agentes de contraste o para la espectroscopia por RMN. Un 129Xe hiperpolarizado es inhalado por ejemplo por un ser humano o es inyectado en él. A los 10 hasta 15 segundos más tarde, el xenón polarizado se acumula en el cerebro. Con ayuda de la tomografía por resonancia magnética se comprueba la distribución del gas noble en el cerebro. El resultado es usado para ulteriores análisis.

La elección del gas noble depende cada vez del caso de utilización. El 129Xe tiene un desplazamiento químico grande. Si el xenón se adsorbe p.ej. sobre una superficie, entonces se modifica significativamente su frecuencia de resonancia. Además, el xenón se disuelve en líquidos lipófilos. Cuando son deseadas tales propiedades, se emplea el xenón.

El gas noble helio apenas se disuelve en líquidos. El isótopo 3He es utilizado por lo tanto regularmente en el caso de que sean afectadas unas cavidades. El pulmón de un ser humano constituye un ejemplo de una cavidad.

Algunos gases nobles tienen otras valiosas propiedades distintas de las antes mencionadas. Así, p.ej. los isótopos 83Kr,21Ne y 131Xe poseen un momento cuadripolar, que es interesante p.ej. para experimentos en la investigación de los fundamentos o respectivamente en la física de las superficies. No obstante, estos gases nobles son muy caros, por lo que éstos son inapropiados para unas aplicaciones en las que se utilizan cantidades más grandes.

A partir de la publicación de Driehuys y colaboradores (Appl. Phys. Lett. (1996). 69, 1668) es conocido polarizar los gases nobles en un polarizador de la siguiente manera.

Partiendo de un abastecimiento de gases, una corriente gaseosa, que se compone de una mezcla de 129Xe, 4He y N2, se enriquece con vapor de Rb en un recipiente para Rb y se conduce a través de una celda de bombeo. Con ayuda de un láser se pone a disposición una luz polarizada circularmente, es decir una luz, en la cual el impulso de rotación y respectivamente el espín de los fotones apuntan todos ellos en la misma dirección. En la celda de bombeo, los átomos de Rb como especie bombeable se bombean ópticamente con el rayo de láser (~ 795 nm, línea D1 de Rb) en dirección longitudinal con respecto a un campo magnético y de esta manera se polarizan los espines electrónicos de los átomos de Rb. En este caso el impulso de rotación de los fotones es transferido a electrones libres de átomos de metales alcalinos. Los espines de los electrones de los átomos de metales alcalinos presentan por consiguiente una gran desviación desde el equilibrio térmico. Como consecuencia de esto, los átomos de metales alcalinos son polarizados. Mediante un choque de un átomo de un metal alcalino con un átomo de un gas noble se transfiere la polarización de los espines electrónicos desde el átomo del metal alcalino al átomo de gas noble. De esta manera, resulta un gas noble polarizado en los espines nucleares. La polarización de los espines electrónicos de los átomos de metales alcalinos, producida mediante el bombeo óptico de átomos de metales alcalinos, se transfiere por lo tanto mediante intercambio de espines desde el electrón del metal alcalino al espín nuclear de los gases nobles, tal como se mostró por primera vez por Bouchiat en el sistema de Rb y 3He.

A partir del documento de solicitud de patente internacional WO 99/08766 es conocido emplear, junto a un primer metal alcalino bombeable ópticamente, un metal alcalino auxiliar como segunda especie polarizable. La especie de metal alcalino bombeado ópticamente transfiere en este caso la polarización de los espines electrónicos a la especie de metal alcalino auxiliar, con lo cual se transfiere más efectivamente y con mayor rapidez la polarización de los metales alcalinos a los núcleos de los gases nobles, p.ej. para el 3He.

Se emplean átomos de metales alcalinos, puesto que éstos disponen de un momento dipolar óptico grande, que interactúa con la luz. Además, los átomos de metales alcalinos tienen en cada caso un electrón libre, de manera tal que no pueden aparecer interacciones desventajosas de ningún tipo entre dos y más electrones por cada átomo.

El cesio sería asimismo un átomo de metal alcalino bien apropiado, que es superior con respecto al rubidio para la consecución de los efectos antes mencionados. Los láseres con la longitud de onda óptica conveniente del Cs y con una potencia suficientemente alta, como se necesitarían para la polarización del xenón mediante el cesio, están sin embargo poco propagados en el mercado, en comparación con los correspondientes láseres para Rb.

Con el fin de poder aprovechar el mayor número de fotones en el caso de la utilización de un láser de semiconductores de alta potencia y de banda ancha, en el caso del bombeo óptico de gases nobles se trabaja a unas presiones de varias atmósferas. En tal caso, el bombeo óptico de átomos de metales alcalinos se diferencia según sea el tipo del gas noble que se ha de polarizar.

Para la polarización del 129Xe se conduce una mezcla gaseosa de manera continua o semicontinua a través de una celda de vidrio cilíndrica bajo una presión de aproximadamente 7.000 hasta 10.000 hPa. La mezcla gaseosa se compone en un 94 por ciento de 4He, en un 5 % de nitrógeno y en un 1 % de xenón. La velocidad típica de circulación de la mezcla gaseosa es de 1 cm por segundo.

Los espines nucleares y electrónicos hiperpolarizados se relajan con mayor o menor rapidez en dependencia de su entorno. Se establece diferencia entre el período de tiempo de relajación T1 longitudinal (abreviadamente tiempo T1), la denominada relajación de espín -retículo de espines contiguos y el período de tiempo de relajación T2 transversal, es decir la denominada relajación de espín -espín.

En el caso de la polarización... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la hiperpolarización de átomos de litio en una mezcla gaseosa por bombeo óptico de átomos de un primer tipo de metal alcalino y por intercambio de espines desde el electrón bombeado ópticamente de este metal alcalino al electrón y al núcleo de un átomo de litio en la fase gaseosa de una celda para muestras,

caracterizado por una oxidación de los átomos de litio para formar iones de Li+ polarizados en los espines nucleares por la adición de un agente de oxidación, acumulándose la correspondiente sal de litio según sea la elección del agente de oxidación.

2. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado porque

la polarización de los espines nucleares de los iones de Li+ es transferida a un espín nuclear de un anión.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

un bombeo óptico mediante una luz de láser.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado porque

la mezcla gaseosa, junto al primer tipo de metal alcalino y litio, comprende N2 y 4He.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado porque

la mezcla gaseosa comprende 3He, siendo polarizado el espín nuclear del gas de 3He a través de los átomos de Li bombeados ópticamente de manera indirecta.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

la elección de átomos de Rb, Cs o K como el primer tipo de metal alcalino.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una densidad del primer tipo de metal alcalino de desde 1011 cm-3 hasta 1015 cm-3 en la celda para muestras.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una densidad de los átomos de litio de desde 1014 cm-3 hasta 1018 cm-3 en la celda para muestras.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una hiperpolarización de átomos de 6Li o de 7Li.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una temperatura de > 500 ºC, en particular de 900 a 1.200 ºC en la celda para muestras.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una oxidación del átomo de litio hiperpolarizado mediante Cl2, J2, Br2, D2, H2, H2O, D2O o un agente de oxidación orgánico para dar la correspondiente molécula o respectivamente sal de litio.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11,

caracterizado porque

las moléculas de litio hiperpolarizadas se depositan como cuerpos sólidos o se disuelven en un disolvente.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12,

caracterizado porque

la deposición se efectúa en un campo magnético mayor que 0,05 T.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una acumulación de hasta 5-1020 o más iones de Li+ hiperpolarizados.

15. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones 2 hasta 14,

caracterizado porque

el anión comprende 13C, 29Si, 31P u otro núcleo con un período de tiempo de relajación Tj de 1 min.

16. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones 2 hasta 15,

caracterizado por

la elección de CO32-, SiO44-o PO43-como anión.

17. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado porque

los iones de Li+ hiperpolarizados y los aniones se introducen en un disolvente.

18. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17,

caracterizado porque

se precipitan los iones de Li+ y/o los aniones que se encuentran en el disolvente.

19. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 18,

caracterizado por una precipitación de un cuerpo sólido por evaporación del disolvente.

20. Procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones,

caracterizado por

una polarización cruzada o un procedimiento de ciclación de campo.

21. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19,

caracterizado porque

la polarización de los espines nucleares de los iones de Li+ en el cuerpo sólido se transfiere a núcleos del anión en el cuerpo sólido.

22. Dispositivo para la realización de un procedimiento de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones con una celda para muestras,

caracterizado por

la elección de zafiro o de vidrio cuarzoso revestido con zafiro como material de las paredes internas de la celda para muestras.

23. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 22,

caracterizado por

al menos dos sistemas de calentamiento, uno para el litio y el otro para el primer metal alcalino.