超极化设备、系统和工艺的制作方法

1.本发明涉及用于使基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂超极化以用于随后的磁共振成像(mri)应用的设备、工艺和系统。


背景技术：

2.磁共振成像(mri)已经被广泛用于医学学科中，用于从人体获取三维结构信息。
3.通过获得三维图像，医学从业者能够看穿患者的器官，并确定患者体内是否存在任何结构异常。
4.一个这样的异常是肿瘤组织的存在。传统的mri技术检测人体内的1h核，从而能够看到水和脂肪的分布。由于不涉及电离辐射，因此它被认为是比x射线成像技术更安全的调查方法。
5.然而，仅检测1h核不是总能区分正常组织和癌组织，并且如此能够认为该技术不如x射线计算机断层扫描(ct)和正电子发射断层扫描(pet)那样适用。
6.因此，为了增强正常组织和癌组织之间的对比，需要将造影剂引入体内。这些mri造影剂通常含有钆，然而，钆对患者的肾脏和神经系统具有一定的毒性。
7.患有肾脏疾病的患者在将基于钆的造影剂注射到体内后被认为容易患有肾功能衰竭。此外，钆在mri扫描后能够在人体内长时间停留，这也增加了患者安全相关问题的风险。
8.除了基于钆的造影剂外，还已经存在基于
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c核的mri成像来区分正常和癌组织的一些研究。众所周知，碳是所有有机化合物的组成部分。
9.由于
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c核是稳定的，因此认为使用
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c对生物体进行mri成像没有害处。然而，碳中
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c核的天然丰度仅为1.1％，远小于氢中的1h核99.98％的天然丰度。此外，mri中的
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c信号比1h弱得多。
10.这两个因素一起能够被认为使通过
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c的mri在实际上非常困难。尽管如此，也已经存在用于丰富生物分子中的
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c丰度的技术。因此，能够在商业上获得高纯度的
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c增强化合物。
11.关于
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c相较于1h的低信号，本领域也存在用于增强的技术。在室温下，磁场内
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c的核自旋排列在热平衡下极少。
12.发明目的
13.本发明的目的是提供用于使基于
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c同位素的磁共振成像造影剂超极化以用于随后的磁共振成像(mri)应用的设备、工艺和系统，其克服或至少部分地改善了与现有技术相关联的一些缺陷。


技术实现要素：

14.在第一方面，本发明提供了用于增强基于
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c同位素的磁共振成像造影剂的极化的设备，所述设备包括：
15.一个或多个金刚石材料结构和与金刚石材料结构相邻设置的一个或多个通道；
16.其中，所述金刚石材料结构提供带有负电荷的氮空位(nv-)中心的源，用于被放置在所述一个或多个通道中的基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂的极化；并且，
17.其中，所述金刚石材料结构提供用于激发氮空位(nv-)中心的光的光导，以使所述基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂极化。
18.设备可以包括多个限定在其间的所述通道的多个柱，其中所述柱从所述金刚石材料结构形成。
19.可以从合成金刚石形成金刚石材料结构。
20.可以从cvd(化学气相沉积晶体形成)金刚石形成金刚石材料结构。
21.可以从hpht(高压高温)金刚石形成金刚石材料结构。
22.可以由光学激光施加光。可以由脉冲激光提供光。可以由连续激光提供光。光可以是单色的。
23.基于
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c同位素的磁共振成像造影剂可以是丙酮酸盐。
24.在第二方面，本发明提供了用于增强基于
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c同位素的磁共振成像造影剂的极化的系统，所述系统包括：
25.根据第一方面的设备；
26.光源，该光源用于氮空位(nv-)中心的电子自旋的光学泵浦和为氮空位(nv-)中心的电子自旋提供激发；
27.无线电频率发射器，该无线电频率发射器用于提供无线电频率信号；
28.微波发射器，该微波发射器提供微波场，使得nv中心被极化，并且使得在nv中心的拉比(rabi)频率与
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c的拉莫尔(larmor)频率匹配时nv中心的电子自旋被转移到
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c原子。
29.可调谐电磁体，该可调谐电磁体用于提供磁场，使得氮空位(nv-)中心的氮空位(nv-)中心电子自旋活动状态被充分分开，以便于在微波场的存在下在金刚石内提供统一的电子自旋态。
30.无线电频率信号可以是静态无线电频率波。无线电频率信号是脉冲信号。微波可以是连续波。微波可以是脉冲信号。
31.电磁体可以是可调谐谐磁体。
32.在第三方面，本发明提供了用于增强基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂的极化以用于随后的mri成像的工艺，所述工艺包括以下步骤：
33.(i)提供根据第一方面的设备；
34.(ii)利用所述设备的通道引入基于
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c同位素的磁共振成像造影剂；
35.(iii)使所述基于
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c同位素的磁共振成像造影剂极化。
36.在第四方面，本发明提供用于清洁和消毒第一方面的增强基于
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c同位素的磁共振成像造影剂的极化的设备的系统，所述系统包括：
37.(i)消毒室，该消毒室用于同时清洁和消毒所述一个或多个设备；
38.(ii)处置室，其中，在所述一个或多个设备上保留的任何废弃物从系统被处置，以及
39.(iii)干燥室，该干燥室用于使被清洁的一个或多个所述设备干燥。
40.消毒室可以包括用于所述一个或多个设备的消毒的紫外光源。紫外光源可以是
200nm至400nm波长。紫外光源可以由led或激光提供。
41.消毒室可以具有用于存储有机液体以及任何类型的水的储蓄池，其允许所述一个或多个设备在其中被清洁。
42.干燥室可以使用炉子或电磁波作为热源以用于干燥目的。干燥室可以包括用于所述一个或多个设备的消毒的紫外光源。紫外光源可以是200nm至400nm波长。紫外光源可以由led或激光提供。
43.在第五方面，本发明提供用于由第一方面的设备提供的对基于
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c同位素的磁共振成像造影剂增强超极化效果的工艺，所述工艺包括以下步骤：
44.(i)处理所述金刚石材料结构使得金刚石材料是基于等离子或基于光子的；
45.(ii)照亮光源到所述金刚石材料结构以用于氮空位(nv-)中心的电子自旋的光学泵浦并且提供对氮空位(nv-)中心的电子自旋的激发，以及如此以提供在所述金刚石材料结构的表面上的表面等离子激元；以及
46.(iii)提供电磁扰动到所述设备。
47.可以通过在金刚石材料结构表面上形成金属涂层来处理金刚石材料。可以通过将金刚石材料与金属微观结构或纳米结构耦合来处理金刚石材料。可以通过在金刚石材料结构表面上形成介电涂层来处理金刚石材料。可以通过将金刚石材料与介电微观结构或纳米结构耦合来处理金刚石材料。
48.电磁扰动可以由微波源、无线电频率波源等中的任何一个来被提供。
附图说明
49.为了能够对上述发明得到更准确的理解，将参考附图所示的其特定实施例对以上简要描述的本发明进行更具体的描述。本文所呈现的附图可能不是按比例绘制的，并且对附图中的尺寸或以下描述的任何参考都特定于所公开的实施例。
50.图1a(i)至图1a(iv)示出了根据本发明的设备的示意示例性示例；
51.图1b示出了根据本发明的系统的示意图；
52.图2示出了根据本发明的超极化设备的实施例的示意图；以及
53.图3示出了根据本发明的超极化壳的实施例的示意图；
54.图4示出了基于等离子或基于光子的金刚石表面上的表面等离子激元的形成示意图；
55.图5a示出了在金刚石表面不存在表面等离子激元的情况下，金刚石在被聚焦光激发时的氮空位能量图；
56.图5b示出了在金刚石表面存在表面等离子激元的情况下，金刚石在被聚焦光激发时的氮空位能量图；以及
57.图6示出了根据本发明的一个或多个超极化设备的消毒系统的实施例的示意图。
具体实施方式
58.本发明人已经识别了现有技术存在的问题的不足，并且已经提供了更加一致和可靠的系统，并且克服了现有技术的问题。
59.本发明
60.本发明涉及对基于
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c同位素的磁共振成像(mri)造影剂进行增强的超极化。本发明人已经提供了提高基于
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c同位素的磁共振成像(mri)造影剂的光学超极化的效率的工艺、设备和系统。
61.本发明人已经开发了方法、设备和系统以用于使用光学泵浦来对基于
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c同位素的磁共振成像(mri)造影剂进行增强，其能够在室温下进行。
62.发明背景理论
63.众所周知，癌细胞表现出独特的代谢指纹，该代谢指纹提供了将癌细胞与良性组织区分开来的手段。为了调查癌细胞，磁共振成像是工具中的一种。
64.特别地，
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c磁共振成像(mri)对代谢成像很有吸引力，因为碳是几乎所有有机分子的主干，因此允许在癌症代谢领域中的调查。
65.然而，在实践中，由于
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c同位素的天然丰度非常低，来自
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c标记的示踪物的信号已被认为太弱而无法进行活体成像。
66.为了改善
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c核的mri信号，能够合成地使检测探针丰富以增加分子中
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c标记的浓度。mri信号能够通过超极化工艺被进一步显著地增强。
67.为了增强
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c信号，需要极大增加磁场下校准的核自旋比率，使其超过热平衡。该现象在本领域内被称为超极化。
68.动态核极化(dnp)是能够使
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c超极化的方法，以便于
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c信号与室温下的热平衡相比能够被增强10000折。这利用带有自由基的化合物来提供孤对电子，其校准的自旋能够使
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c的核自旋极化。通过在4.6t至5t的磁场中以1k左右将自由基添加到
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c化合物中30min至90min，
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c核自旋能够被超极化。
69.由于dnp中使用的自由基对人体细胞具有一定的毒性，并且dnp工艺必须在低温环境中进行，因此已经提出了其他用于
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c的超极化而开发的方法。
70.超极化的原理是在共振微波照射下，顺磁性自由基的高自旋极化能够被转移到另一个分子上的
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c核上。
71.然而，常规方法通常涉及低温(～《＝k)和高磁场(》＝3t)的条件以首先产生电子极化。据报道，
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c核的超极化信号能够相对于7t的热信号增加720倍，并且经由光学超极化保持数分钟长的时间段。
72.金刚石包含具有从周围捕获的一个负电荷的氮空位(nv)中心。金刚石nv中心是顺磁性的，自旋s＝1，具有大的零场分裂，d＝2.87ghz。其中，d是nv中心零场分裂的电子自旋态之间的能量差，能量范围是在微波频带中。
73.激光能够被用于对nv中心的电子自旋进行光学泵浦，提供激发。当nv中心的拉比频率与
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c的拉莫尔频率匹配时，nc中心的电子自旋能够从而被转移到
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c原子。
74.本发明详情
75.根据本发明，已经提出并开发了用于使基于
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c同位素的磁共振成像造影剂超极化的光学泵浦效率增强的工艺、设备和系统，以用于随后的磁共振成像(mri)应用。
76.本发明实现了用于使基于
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c同位素的磁共振成像造影剂超极化以用于随后的磁共振成像(mri)应用的这样的增强的光学泵浦效率。
77.本发明人已经克服现有技术的缺陷并提供能够增强光学泵浦效率的解决方案的方式是通过提供超极化设备，该超极化设备包括多个通道，其中基于
13
c同位素的磁共振成
像造影剂可以作为溶液或者以颗粒形式来被引入其中。
78.有利地，为了实现本发明的目的，围绕或邻近通道的材料从金刚石——优选地是合成金刚石——来形成，其也被称为实验室生长的金刚石或实验室创造的金刚石。
79.与由地质工艺创造的天然金刚石或由看起来类似于金刚石的非金刚石材料制成的仿金刚石形成对比，这样的金刚石是通过受控工艺生产的。
80.合成金刚石也被广泛称为hpht(高压高温)金刚石或cvd金刚石(化学气相沉积晶体形成)，因为其从这些方法形成。
81.根据基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂的超极化的需要，由于本发明的超极化设备包括从金刚石材料形成的金刚石材料结构，该金刚石材料结构的金刚石材料提供带有负电荷氮空位(nv-)的源，以用于基于
13
c同位素的磁共振成像(mri)造影剂的超极化，以用于随后的患者的mri成像。
82.像这样，超极化设备提供了基于
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c同位素的磁共振成像(mri)造影剂的增强的超极化，因为其如下发挥作用：
83.(i)金刚石材料结构由于被超极化所需要而充当光的光导，并且进一步进入相邻的mri造影剂，从而提供更大的穿透力和增加的mri造影剂的超极化，以及
84.(ii)金刚石材料结构由于被根据本发明的mri造影剂的超极化所需要而提供带有负电荷的氮空位(nv-)的源。
85.现在参考图1a(i)至图1a(iv)，示出了根据本发明的用于增强基于
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c同位素的磁共振成像造影剂的极化的设备100a(i)、100a(ii)、100a(iii)和100a(iv)的图解示例性示例。
86.设备100a(i)、100a(ii)、100a(iii)和100a(iv)包括一个或多个金刚石材料结构120a(i)、120a(ii)、120a(iii)和120a(iv)以及被设置与金刚石材料结构120a(i)、120a(ii)、120a(iii)和120a(iv)相邻的一个或多个通道105a(i)、105a(ii)、105a(iii)和105a(iv)。
87.金刚石材料结构120a(i)、120a(ii)、120a(iii)和120a(iv)提供带有负电荷的氮空位(nv-)中心的源，以用于被设置在所述一个或多个通道的基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂的极化；以及
88.进一步地，金刚石材料结构120a(i)、120a(ii)、120a(iii)和120a(iv)提供用于氮空位(nv-)中心的激发的光的光导，以用于所述基于
13
c同位素的磁共振成像造影剂的极化。
89.如将在图1a(i)和图1a(ii)中看到，金刚石材料结构120a(i)、120a(ii)在结构上是单一的，通道105a(i)、105a(ii)通过其延伸。将理解的是，根据本发明可以存在多个通道或单个通道。
90.现在将在图1a(iii)和图1a(iv)中看到，金刚石材料结构120a(iii)、120a(iv)不是单一的结构，并且由分开的组件121a(iii)、121a(iv)提供。
91.将理解的是，不是所有分开的组件121a(iii)、121a(iv)必须从金刚石材料形成，然而只要足够的金刚石材料被设置在相邻于通道，根据本发明的极化就可以被实现。
92.将理解的是，在分开的组件121a(iii)、121a(iv)被连接在一起时，设备100a(iii)、100a(iv)中的通道105a(iii)和105a(iv)形成。
93.还将理解的是，通道105a(i)、105a(ii)、105a(iii)和105a(iv)合适地改变尺寸以
便于提供用于如下将参考图2进一步特别详细描述的极化工艺。
94.此外，将理解的是，通道105a(i)、105a(ii)、105a(iii)和105a(iv)不一定是圆形的，并且可以是任何几何形状，并且本实施例不赋予关于通道105a(i)、105a(ii)、105a(iii)和105a(iv)的几何或尺寸限制。此外，尽管示例性实施例中描绘的通道105a(i)、105a(ii)、105a(iii)和105a(iv)完全延伸穿过金刚石材料结构120a(i)、120a(ii)、120a(iii)和120a(iv)，这不一定是本发明的所有实施方式中的情况，并且再一次，当前环境仅是示例性的并且不提供设备100a(i)、100a(ii)、100a(iii)和100a(iv)的结构上的任何限制。
95.进一步且有利地，在本发明的实施例中，超极化设备100a(i)、100a(ii)、100a(iii)和100a(iv)能够被结合到具有必需的微波发生器、磁场发生器和用于输送所需预定波长的光的激光光源的超极化系统中。
96.参考图1b，示出了根据本发明的可以实现本发明的设备的系统100b的示意图。
97.本发明提供了用于在室温下经由光学超极化来增强
13
c同位素mri成像信号的系统、设备和工艺。
98.系统100b能够被放置在与mri(磁共振成像)机器相同的房间或分开的房间中。
99.图1b示出了系统100b的示意图，其包括用于控制光学激发和收集设备130b的操作的控制器110b、用于提供微波场的微波(mw)发射器和接收器120b、以及用于提供无线电频率的无线电频率(rf)发射器和接收器140b、和用于提供可调谐磁场的可调谐电磁体160b。
100.设备150b能够被暴露在微波、无线电频率、磁场和光源下。
101.磁场的存在允许简并电子自旋态分裂成按照微波能量尺度的非简并电子自旋次能级。
102.简并电子自旋态能够被磁场分裂和分离，这被称为塞曼(zeeman)效果，次能级在微波区域中被非常少量的能量分开。在光能的照射下，样本能够从电子基能自旋态被激发到电子激发自旋态。然后样本将通过以光或热的形式释放能量而衰变回基态。
103.在激发和衰变工艺期间，样本的电子自旋态可以在荧光活性和荧光非活性电子自旋态之间切换。当在任何两个荧光活性和荧光非活性电子自旋态之间存在任何允许的转变时，微波将被样本吸收。
104.由此，由于塞曼效果，磁场分裂并分离样本的简并电子自旋态，并且从而在微波场存在下在样本内提供统一的电子自旋态。
105.在不存在磁场的情况下，样本内nv中心的电子自旋无法被统一，并且因此会被抵消。
106.能够使用任何类型的微波发射器120b，并且如此提供脉冲或连续微波。脉冲或连续微波能够被均匀或不均匀地施加在设备130b上。
107.能够使用任何类型的无线电频率发射器120b，并且如此提供脉冲或连续无线电频率。脉冲或连续无线电频率能够被均匀或不均匀地施加在设备130b上。
108.能够使用任何类型的电磁体160b，并且如此在样本上提供脉冲或连续磁场。脉冲或连续磁场能够被均匀或不均匀地施加在样本上。
109.例如，光能够由激光光源130b提供。光可以是脉冲光或连续光。优选使用单色光。尽管光源优选地是激光光源，但其他光源可以被用于替代配置和实施例中。磁场和微波场也被施加到超极化设备和其中的基于
13
c同位素的造影剂，使得金刚石材料的nv中心被极
化，并且然后当nv中心的拉比频率与
13
c的拉莫尔频率相匹配时，金刚石材料的nv中心的电子自旋将被转移到
13
c原子上。参考图2，示出了根据本发明的用于增强基于13c同位素的磁共振成像造影剂的极化的超极化设备200的实施例的示意图。
110.设备200包括金刚石材料结构220和被设置在邻近于所述金刚石材料结构的一个或多个通道205。金刚石材料结构220为放置在所述一个或多个通道中的基于13c同位素的磁共振成像造影剂的极化提供带有负电荷的氮空位(nv-)中心的源。此外，金刚石材料结构220提供用于激发氮空位(nv-)中心的光的光导，以用于所述基于13c同位素的磁共振成像造影剂的极化。
111.如所示，设备200包括单端开口圆柱形的带有负电荷的氮空位(nv-)富集金刚石管210的多孔通道205。
112.如图2所示的超极化设备(200)在使用中被放置在包括电子顺磁共振器(epr)和具有光学扰动通道的核磁共振器(nmr)的共振器中。
113.现在参考图3，示出了根据本发明的超极化壳(300)的实施例的示意图。
114.如图3所示，在超极化壳(300)中，示出了仪器的抗磁性外部罩、壳体或笼310，其能够实现对包括mri机器的外部磁源的磁屏蔽。
115.根据本发明，电子顺磁共振器(epr)和核磁共振器(nmr)能够被同时操作或分开操作。
116.epr系统和nmr系统两者都能够在连续波(cw)模式下操作，并且也可以在脉冲模式下操作。
117.epr的cw模式意味着静态微波和连续可调谐静磁能够在操作期间被施加到样本上。电子顺磁共振器(epr)的脉冲模式意味着脉冲微波和固定静磁能够在操作期间被施加到样本上。
118.类似地，nmr的cw模式意味着静态无线电频率(rf)波和连续可调谐静磁能够在操作期间被施加到样本上，并且电子顺磁共振器(epr)的脉冲模式意味着脉冲rf波和固定静磁在操作期间被施加到样本上。
119.光学扰动通道由波长在500nm至600nm范围中的激光或led构成。光学扰动通道能够在cw模式或脉冲模式中操作。
120.特别参考图2，超极化设备(200)的实施例包括金刚石材料结构220，该金刚石材料结构220由单端开口圆柱形带有负电荷的氮空位(nv-)富集金刚石管210的多孔通道构成，其能够存储所需数量的基于
13
c同位素的磁共振成像(mri)造影剂的样本，以用于随后患者的mri成像。
121.样本设备(200)具有透明的底部，使得光学扰动能够从底部进入。
122.在设备(200)的外侧表面上做了抗磁性金属涂层，这将在样本支持器的内部空间和所包含的样本之间捕获并散射光。此外，设备200在独立并且适当的消毒程序后可重复使用。
123.泵浦注射通道在操作期间被连接到设备200的开口端，以便于在短时间内将超极化样本注射到患者体内，用于对患者进行mri成像。仪器中使用的样本是基于
13
c同位素的造影剂。例如，用作造影剂的样本能够是富集
13
c的丙酮酸盐。
124.超极化设备200能够由合成金刚石(例如化学气相沉积(cvd)金刚石)构成，cvd金
刚石是通过化学气相沉积合成的，其允许气体中的碳原子以结晶金刚石形式沉积在基质上。
125.利用cvd，诸如合成金刚石的形状的特性能够在其生长期间被很好地控制，使得能够很容易地生产出多孔通道单端开口圆柱形状的超极化设备200。
126.这优于使用需要从原始金刚石精确切割的天然金刚石。
127.超极化设备200还充当nv中心的源，其在激发时，电子自旋在超极化设备200的nv中心内。然后当nv中心的拉比频率与
13
c的拉莫尔频率相匹配时，nc中心的电子自旋能够被转移到
13
c原子。
128.在本实施例中，金刚石材料结构220被描绘为从单片金刚石材料形成，具有限定其间的通道的柱。
129.然而，应当明白和理解，设备的金刚石材料结构可以由多于一块的金刚石材料构成，并且设备还可以包括可以形成通道边界的一部分的其他材料。然而，如果金刚石材料结构被布置使得通道被设置成用于造影剂的相邻引入，并且金刚石材料结构能够充当如本文所述的用于超极化的光导，那么这样的实施例将被理解为落入本发明的范围内，
130.像这样，一个或金刚石材料结构可以被布置为形成与金刚石材料相邻的通道或其一部分，或者通道可以至少部分地延伸穿过金刚石材料结构。
131.本发明对金刚石材料结构的形状、几何或尺寸没有结构限制。
132.本发明的示例
133.系统和设备能够与临床环境中的mri机器放置在相同的房间内，也可以放置在单独的房间内。
134.系统可以包含放置在共振器中的样本支持器，该共振器由具有光学扰动通道的电子顺磁共振器和核磁共振器构成。
135.仪器能够具有仪器的抗磁性外部罩、壳体或笼，其实现对包括mri的外部磁源的磁屏蔽。
136.电子顺磁共振器和核磁共振器能够同时操作或分开操作。
137.电子顺磁共振器和核磁共振器两者都能够在连续波(cw)模式下操作，也能够在脉冲模式下操作。
138.电子顺磁共振器的cw模式意味着静态微波和连续可调谐静磁能够在操作期间被施加到样本上。
139.电子顺磁共振器的脉冲模式意味着脉冲微波和固定静磁能够在操作期间被施加到样本上。
140.核磁共振器的cw模式意味着静态无线电频率(rf)波和连续可调谐静磁在操作期间被施加到样本上。
141.电子顺磁共振器的脉冲模式意味着脉冲rf波和固定静磁能够在操作期间被施加到样本上。
142.光学扰动通道可以由激光或led或任何适当的光源提供。
143.光学扰动通道的波长在500nm至600nm的范围内。
144.光学扰动通道能够在cw模式和脉冲模式下操作。
145.样本支持器可以是多孔通道单端开口圆柱形金刚石管，其能够存储所需数量的样
本。
146.设备可以由带有负电荷的氮空位(nv-)富集金刚石构成。
147.设备可以在其外侧表面具有抗磁性金属涂层。
148.抗磁性金属表面涂层在设备的内部空间和所包含的试剂样本之间提供光的捕获和散射。
149.设备使光学扰动能够从样本支持器的底部进入。
150.设备在消毒后可重复使用。
151.泵浦注射通道在操作期间可以被连接到样本支持器的开口端，以便于在短时间内注射患者以用于mri成像。
152.样本优选地是基于
13
c同位素的造影剂。
153.增强
13
c同位素造影剂的超极化效果。
154.在本发明的实施例中，基于
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c同位素的造影剂的超极化效果能够通过利用等离子体辅助方法操纵金刚石内的氮空位电子自旋来增强。
155.如本领域技术人员所知，表面等离子激元(sp)是存在于任何两个材料之间的界面处的相干离域电子振荡，其中介电函数的实部跨界面(例如，金属-介电界面，诸如空气中的金属板)改变符号。
156.根据本发明，通过将高度集中的光束照射到金刚石材料的表面上，将表面等离子激元提供到超极化设备的金刚石材料的表面上，该金刚石材料被处理为基于等离子或基于光子的。
157.如图4所示，在将高度聚焦的激光410照射到基于等离子或基于光子的金刚石420的表面上时，表面等离子激元430形成在金刚石420的表面上。
158.可以通过向金刚石表面提供金属涂层或将金刚石与金属微米/纳米结构耦合来实现对金刚石材料的使其基于等离子或基于光子的处理。可替代地，处理还可以指在金刚石表面形成介电涂层或将金刚石与介电微米/纳米结构耦合。
159.由于表面等离子激元430存在于基于等离子或基于光子的金刚石材料420的表面上，金刚石的氮空位电子自旋能够在受到适当微波场被光源激发时被操纵。
160.现在参考图5a和5b，其示出了在基于等离子或基于光子的金刚石的表面上存在或不存在表面等离子激元的情况下金刚石材料的电子自旋的可能能量图。
161.图5a示出了在没有表面等离子激元的情况下的金刚石的nv电子自旋的能量图。微波场540a被提供以将金刚石的氮空位中心泵浦到电子自旋激发态。在被聚焦离子束510a激发时，激发的氮空位(nv-)中心将通过荧光衰变520a或通过发射光子(如箭头530a所指示)返回到基能状态。
162.在不涉及等离子激元的传统超极化方法中，激发的氮空位(nv-)中心返回其基能级通常主要由光子发射路径530a主导，其电子自旋激发率低于由荧光衰变520a所提供的。因此，
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c同位素基造影剂的整体超极化率将受到阻碍。
163.相反，由于存在表面等离子体，如图5b的能量图所示，通过荧光衰变520b而不是通过发射光子530b，在聚焦光束510b的激发和微波场540b的存在以将金刚石的氮空位中心泵浦到电子自旋激发态时，激发的氮空位(nv-)中心有更高的机会返回其基能级。
164.这样的等离子体辅助方法操纵氮空位电子自旋以主要经受具有较高电子自旋活
动率的荧光衰变，并且从而引起
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c样本的更有效的超极化。
165.超极化设备的消毒系统
166.本发明的超极化设备在使用如图6所示的消毒系统进行适当的清洁和消毒后能够多次被重复使用。
167.图6示出了用于同时清洁和消毒一个或多个超极化设备的消毒系统600。在提供激活到基于
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c同位素的mri造影剂之后，超极化设备被送到消毒系统600进行彻底清洁，然后能够在消毒工艺之后被重复使用。
168.如图6所示，消毒系统400包括三个室，它们是：(i)消毒室610，(ii)处置室630，以及(iii)干燥室650。
169.消毒室610为一个或多个使用过的超极化设备615提供主要的清洁和消毒功能。布置有容纳诸如清洁剂、有机流体和水的流体613的储蓄池612，一个或多个使用过的超极化设备615将被放入其中用于彻底清洁。
170.还布置了紫外光源611，用于向使用过的超极化设备615发射紫外光，并且从而对它们进行消毒。在实施例中，紫外光源能够由led或激光提供，并且所发射的紫外光的波长范围是200nm至400nm。
171.在清洁和消毒之后，一个或多个超极化设备615然后被送到处置室630，其中处置室630允许处置来自超极化设备635的主体的任何废弃物，包括废水和保留的清洁剂。如箭头633所示，废弃物被引导离开处置室633。
172.在消毒工艺的最后一步中，一个或多个超极化设备635被送到干燥室650，其中安装有干燥单元653，其用于干燥清洁的超极化设备655并去除仍然保留在其上的任何液体。干燥室650还包括紫外光源651，紫外光源651与在消毒室中的相同被用于通过对其照射紫外光对超极化设备655进行进一步消毒。
173.在实施例中，紫外光源可以是led或激光，以及所发出的紫外光的波长范围是200nm至400nm。
174.干燥室650提供足够的空间用于多个超极化设备655在清洁工艺后同时被干燥，并且因此清洗和干燥工艺能够被有效且高效地进行。
175.本发明提供了优点，包括增强的超极化时间以适用于在临床环境中用于mri调查的造影剂，不需要在造影剂中引入附加的元素，以及将造影剂直接输送给病人。