原子传感器揭示了分子极化的隐藏动力学

一种含有铷金属的小电池，它是原子磁强计内的中心磁场感应元件。来源：国际民航组织

       磁共振成像（MRI）长久以来都是现代医学的重要组成部分，它能够提供内部器官和组织极为详细的图像。磁共振成像仪是医院中常见的巨大管状磁铁，利用强大的磁场来绘制体内水和脂肪分子的密度图。除了这些分子外，代谢物等其他物质也能被绘制出来，但因其浓度往往过低，难以产生清晰图像。为突破这一限制，一种名为超极化的技术被用于增强这些物质的磁共振信号，使其在核磁共振扫描中更加明显。超极化是在体外制备一种物质，使其磁化（产生 MRI 图像的关键）接近最大值。与自然状态相比，这个过程能将信号增强数千倍。超极化后的物质被注射到病人体内，并被输送至目标器官或组织。然而，在此之前，通过严格的质量控制过程确认物质充分超极化至关重要。

       当前的质量控制技术面临两大挑战。其一，这些方法通常在读出过程中会降低样品的磁化强度，从而减弱其增强 MRI 扫描的能力。其二，测量所需时间可能很长，在此期间物质的磁化会自然衰减，限制了连续测量的机会。这就导致关键数据的缺失，而这些数据有助于最大化超极化的效率。

       此外，一旦样品被超极化，在运往核磁共振成像仪的过程中有可能失去磁化。传统的质量控制技术由于其耗时的特性，可能无法及时发现这种损失。

       现在，IBEC 研究人员 James Eills 博士（现就职于德国 Forschungszentrum j）。根据作者的说法，如果超偏振传感的领域是电影，那么以前的方法就像一组静止的照片，在静止的照片之间留下情节让观众去猜测。“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，你可以连续观察，没有分辨率限制，这样你就不会错过任何细节。”ICFO 研究员和该文章的共同作者迈克尔・泰勒博士解释说。

       该团队通过监测临床相关分子的超极化来测试他们的 OPMs。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）在磁场存在下的极化演变。原子传感器揭示了迄今为止未被注意到的 “隐藏自旋动力学”，为从超极化过程的最开始优化超极化提供了一条新途径。

信息图原子传感器。

       “以前的方法掩盖了磁化曲线中微妙的振荡，这在以前是无法检测到的，” 泰勒说道。“如果没有 OPM，我们可能会在没有意识到的情况下实现次优的最终极化。”

       除了简单的观察之外，该方法还能够实时控制偏振过程，并在最适宜的点（比如达到最大偏振时）停止它。

       当研究小组应用磁场反复磁化和消磁超极化富马酸盐分子时，研究揭示了其他意想不到的行为。他们原本期望看到磁化强度增加到最大值，然后一次又一次地回到零，每次都从一个状态平稳地过渡到另一个状态。但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下隐藏的共振，分子表现出复杂的动力学。

       泰勒解释说：“这种理解将帮助我们发现不必要的行为，并调整参数（如周期的持续时间或磁场的强度）来防止它发生。” 这项工作代表了超极化核磁共振技术的进步，这在很大程度上得益于 IBEC 的精确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取得成果至关重要。

       “这是一个美丽的例子，当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 的邻近意味着我们能够密切合作，实现一些真正新颖的东西，”IBEC 研究员和文章的第一作者 James Eills 博士承认。泰勒博士回顾了团队的成功，他说：“OPM 测量从一开始就非常有效。传感器的灵敏揭示了我们没有预料到的隐藏动力，好像它们就是为了这个目的而存在的。易用性和丰富的新信息使它们成为超极化监测的有力工具。”

       MRI 和其他未来应用的益处

       这项研究的直接应用将是把便携式原子传感器集成到 MRI 的临床样品质量控制中，这是目前由 ICFO 团队在西班牙政府项目 “SEE - 13 - MRI” 中实施的。通过这种方法，可以在超极化过程中引导分子达到最高的极化水平，并在将物质注射到患者体内之前可靠地验证极化水平。这一进展可以显著降低代谢 MRI 的成本和后勤挑战。如果是这样的话，它将从目前使用的少数专业研究中心扩展到世界各地的许多医院。然而，原子传感器的潜力远远超出了医学成像。使用光泵浦磁强计（OPMs）的非破坏性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的自旋算法。

       根据泰勒博士的说法，“我们开发的方法不仅为改进 MRI 开辟了新的途径，而且为依赖精确磁传感的各种领域开辟了新的途径，我们对其进一步发展感到兴奋。”