JP4696262B2 - 超偏極希ガス製造装置及び超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超偏極希ガス製造装置及び超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置に関するものである。
常圧のガスは、液体や固体に比べ原子密度が低く、従来は核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）や磁気共鳴イメージング法（ＭＲＩ）の対象とはなっていなかった。
しかしながら、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属の蒸気と、質量数１２９のキセノン同位体（１２９Ｘｅ）、質量数３のヘリウム同位体（３Ｈｅ）等のスピン量子数１／２の核スピンを持つ単原子分子からなる希ガスとを共存させて、円偏光レーザーを照射して電子スピン系を励起する（「光ポンピング」という。）と、希ガスのスピン系を偏らせる（「超偏極：ｈｙｐｅｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ」という。）ことができる。
これによりＮＭＲ信号強度が数万倍増強され、同体積の水を用いた場合と比べても１００倍以上強いＮＭＲ信号が得られることが報告されてから、超偏極希ガス（ｈｙｐｅｒｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｎｏｂｅｌ ｇａｓ）を用いたＮＭＲ／ＭＲＩ法が注目されるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。
ここで、超偏極とは、主静磁場に対する配向状態に対応する原子核の核スピンのエネルギー準位を占有するスピン数の分布が、熱平衡時におけるその分布（ボルツマン分布）に比べて、極端に偏っていることをいう。
超偏極希ガスを生成する過程は、一般に光ポンピングと呼ばれている。この原理は、例えば、ルビジウムの基底状態準位にある電子が、光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後、基底状態準位に戻る際、外部から印加した磁場によって磁気的に縮退が解かれたルビジウムの基底状態準位の内の電子準位の一方の準位に、高い確率で遷移して、ルビジウム分子の電子スピン偏極度が高い状態を作製する。そして、この高偏極状態のルビジウムがキセノン等の希ガスと衝突して、この過程でルビジウムの高偏極状態がキセノン等の希ガスの核スピン系に移動することによって、超偏極した希ガスとなるものである。
具体的には、図５に示したように、光ポンピングによって、１２９Ｘｅの核スピンのエネルギー準位が***し、占有するスピン数の分布に偏り（スピン占有数差）を生じる。この光ポンピングの際に外部から印加される磁場は、１０−２Ｔ（テスラ）（１００ガウス）程度の低磁場である。この超偏極した１２９Ｘｅを、このままの状態で測定するのではなく、さらに０．３Ｔ程度の高磁場の核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置に導入することで、スピン占有数差を維持したままで、２つのエネルギー準位間の共鳴周波数を高くすることができるため、ＮＭＲ検出感度を向上することができる。
超偏極希ガスを用いたＮＭＲ／ＭＲＩ法では、従来の一般的なＮＭＲ／ＭＲＩ法と異なり、必ずしもＮＭＲ信号を積算して測定することはしない。したがって、ＮＭＲ信号を１回しか測定しないため、超偏極希ガス生成セルで光ポンピングにより生成した超偏極希ガスを、そのスピン占有数差を維持したままで、核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置まで送給するのが望ましい。
超偏極希ガスのスピン占有数差が減少して、ボルツマン分布の状態に近づく現象を「スピン緩和」と呼ぶ。スピン緩和が起ると、ＮＭＲ信号強度が減少するため好ましくない。スピン緩和の起る主な原因としては、セルや配管等の内壁との衝突によって、超偏極希ガスの電子雲がひずむことが考えられる。
そこで、発明者らは、超偏極希ガス生成セルの下流に接続する配管の材質について、内径７ｍｍの配管を用いて検討したところ、ステンレス配管、表面処理したステンレス配管と比べ、パイレックス（登録商標）ガラス管が、スピン緩和を起こしにくく優れていることを見出し、これを報告している（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００３−２４５２６３号公報
Moyoko Saito, Takashi Hiraga, Mineyuki Hattori, Toshiharu Nakai, "Aninvestigation of the pipeline materials for continuous hyperpolarized 129Xegas imaging", Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance inMedicine, 2004, May, Vol. 12, pp. 1685
しかしながら、内径４ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラス管を用いても、スピン緩和を起こさずに超偏極希ガスを送給できる距離は、せいぜい１ｍ弱であり、長距離を運べないという問題があった。
特に、核磁気共鳴分光装置や磁気共鳴イメージング装置に高磁場の超伝導磁石等を用いた場合、超伝導磁石からのもれ磁場が大きくなり、このもれ磁場が、上流の超偏極希ガス生成セルに悪影響を及ぼし、超偏極希ガスの生成量を低下させるという問題があった。そのため、超偏極希ガス生成セルと、核磁気共鳴分光装置または磁気共鳴イメージング装置との間は、１ｍ以上、好ましくは２〜３ｍ以上距離を取る必要があった。
また、内径４〜７ｍｍ程度のガラス管は、ステンレス配管と比べて衝撃に弱く割れ易い問題と、曲げられないため、長距離を送給するには取り扱いが不便であるいう問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、スピン緩和の発生を抑制して、長距離送給しても超偏極希ガスのＮＭＲ信号強度が低下しない超偏極希ガス製造装置と、この超偏極希ガス製造装置を組み込んだ超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、希ガスをアルカリ金属存在下で光ポンピングして超偏極希ガスを生成する超偏極希ガス生成セルと、前記超偏極希ガス生成セルの下流に、内径０．１〜１．２５ｍｍ且つ長さ１〜２２ｍの溶融シリカ製又は樹脂製の極細キャピラリー管を備え、前記超偏極希ガスを５〜１００ｓｃｃｍの範囲で流すよう制御されたことを特徴とする超偏極希ガス製造装置である。
請求項１にかかる発明は、希ガスをアルカリ金属存在下で光ポンピングして超偏極希ガスを生成する超偏極希ガス生成セルと、前記超偏極希ガス生成セルの下流に、内径０．１〜１．２５ｍｍ且つ長さ１〜２２ｍの溶融シリカ製又は樹脂製の極細キャピラリー管を備え、前記超偏極希ガスを５〜１００ｓｃｃｍの範囲で流すよう制御されたことを特徴とする超偏極希ガス製造装置である。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の超偏極希ガス製造装置と、核磁気共鳴分光装置を備えたことを特徴とする超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置である。
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の超偏極希ガス製造装置と、磁気共鳴イメージング装置を備えたことを特徴とする超偏極希ガスを用いた磁気共鳴イメージング装置である。
本発明の超偏極希ガス製造装置及び超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置によれば、超偏極希ガス生成セルの下流に、内径０．１〜１．２５ｍｍの極細キャピラリー管を用いて超偏極希ガスを送給することにより、極細キャピラリー管内の体積を減らして、単位体積当たりの超偏極希ガスの移動速度を速めて流通させ、内壁と衝突するのを低減できるため、スピン緩和の発生を抑制して、２２ｍ程度の長距離を送給してもＮＭＲ信号強度の低下を防止することができる。
また、内径０．１〜１．２５ｍｍの極細キャピラリー管を用いることにより、これを曲げることができるため、衝撃による割れ・破損を防止して取り扱いを容易とすることができる。
また、本発明の超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置によれば、超偏極希ガスを長距離送給できることから、超偏極希ガス生成セルと、核磁気共鳴分光装置または磁気共鳴イメージング装置との距離を広く取って装置を設置することができ、超偏極希ガス生成セルへの核磁気共鳴分光装置または磁気共鳴イメージング装置からのもれ磁場の影響を抑制することができる。その結果、超偏極希ガスの生成量を向上させて、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
以下、本発明の実施の形態に係る超偏極希ガス製造装置を備えた、超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置の一例を図面に示し、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る超偏極希ガス製造装置３１を備えた、超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置１の概略構成図である。また、図２は、本実施形態に係る超偏極希ガス製造装置３１の超偏極希ガス生成セル１４と極細キャピラリー管２０との接続部分の要部拡大断面図である。
本実施形態に係る超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置１は、希ガス供給装置３０と、超偏極希ガス製造装置３１と、核磁気共鳴計測装置３２とから概略構成されている。
希ガス供給装置３０は、原料となる希ガスを超偏極希ガス製造装置３１に送給するものである。本実施形態では、希ガスボンベ２と、これに接続したマスフローコントローラー３を用いて、希ガス供給ライン１１から流量５〜１００ｓｃｃｍ、好ましくは１０〜３０ｓｃｃｍ、特に好ましくは１５ｓｃｃｍの希ガスを超偏極希ガス生成セル１４に供給できるようになっている。
また、希ガス供給ライン１１には、さらにパージ用の窒素ガス供給ライン６と窒素ガスボンベ４が接続されていて、希ガス供給装置３０と超偏極希ガス製造装置３１を洗浄、パージできるようになっている。
超偏極希ガス製造装置３１は、アルカリ金属貯蔵容器１０と、超偏極希ガス生成セル１４と、光ポンピング用磁石１７，１７と、光ポンピング励起用光源１５と、極細キャピラリー管２０から概略構成されている。
超偏極希ガス生成セル１４の上流には、希ガス供給装置３０とアルカリ金属貯蔵容器１０が接続されていて、光ポンピング剤であるアルカリ金属と原料となる希ガスを、それぞれ別々に超偏極希ガス生成セル１４に導入できるようになっている。
超偏極希ガス生成セル１４の長手方向側方には、光ポンピング励起用光源１５と光ポンピング用磁石１７，１７が配置されていて、超偏極希ガス生成セル１４内に光を照射すると共に磁場を印加して、希ガスを超偏極できるようになっている。
超偏極希ガス生成セル１４の下流には、図２に示したように、保護用配管４０、ガイド用ガラス管１９を介して、内部に極細キャピラリー管２０が挿入・接続されていて、超偏極希ガスを核磁気共鳴計測装置３２に送給できるようになっている。さらに、保護用配管４０には、ゲートバルブ１８が接続されていて、超偏極希ガス生成セル１４に、アルカリ金属を導入する際には、ガイド用ガラス管１９と極細キャピラリー管２０とを取り出して、ラインを開閉できるようになっている。
アルカリ金属貯蔵容器１０は、円筒状または直方体状のステンレス製の容器で、内部にアルカリ金属を封入したガラスアンプルをそのまま収容できる大きさのものである。アルカリ金属貯蔵容器１０の一端は、配管１３と接続されていて、配管１３を通ってアルカリ金属を超偏極希ガス生成セル１４に導入できるようになっている。
さらに、この配管１３には、バルブ８を介して排気ポンプ９が接続されていて、ガイド用ガラス管１９と極細キャピラリー管２０とを取り出して、ゲートバルブ１８を閉止すれば、排気ポンプ９により、アルカリ金属貯蔵容器１０、配管１３、超偏極希ガス生成セル１４内を真空引きできるようになっている。
図２に示すように、超偏極希ガス生成セル１４は、円筒状、直方体状、または平板状のガラス製セルの短手方向両端に、内径４〜６ｍｍのガラス管が接続されたものである。上流側のガラス管の先端は、符号４２で示した部分で金属−ガラス溶接により金属配管と接合されている。さらに、この金属配管は、フランジを介してステンレス配管１３と接続している。
超偏極希ガス生成セル１４に設けられた下流側のガラス管は、途中で内径が６〜１２ｍｍと広がった後、符号４２で示した部分で金属−ガラス溶接により金属配管と接合されている。さらに、この金属配管は、フランジを介してステンレス製の保護用配管４０、ゲートバルブ１８と接続している。
超偏極希ガス生成セル１４に用いられるガラスとしては、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラスが好ましい。超偏極希ガス生成セル１４の材質として、金属を用いることもできるが、その場合には光ポンピング励起用光源１５からの光を透過できるように窓を設ける必要がある。
超偏極希ガス生成セル１４の材質として、金属ではなくガラスを用いることにより、光ポンピング励起用光源１５からの光を、アルカリ金属に充分照射することができると共に、生成した超偏極希ガスとセル内壁との衝突によるスピン緩和の発生を抑制することができる。
図２に示したように、超偏極希ガス生成セル１４の下流側の保護用配管４０とゲートバルブ１８の内部には、内径４〜７ｍｍのガイド用ガラス管１９が挿入されている。ガイド用ガラス管１９の長さは３０〜４０ｃｍで、ゲートバルブ１８、保護用配管４０、金属−ガラス接合部４２を通過して、円内を拡大した図に示したように、Ｏ−リング４４，４４により、ガイド用ガラス管１９の上流側先端が係止されている。
ガイド用ガラス管１９の内部には、極細キャピラリー管２０が挿入されている。極細キャピラリー管２０の上流側先端は、ガイド用ガラス管１９を通過して、超偏極希ガス生成セル１４に設けられた下流側ガラス管内にまで４０〜５０ｃｍ程度挿入されている。そして、極細キャピラリー管２０が金属配管と直接接触しないようになっている。
極細キャピラリー管２０をガイド用ガラス管１９に挿入して、金属配管と直接接触しないようにすることにより、生成した超偏極希ガスが金属壁面と衝突することがないため、スピン緩和の発生を抑制して、超偏極希ガスを核磁気共鳴計測装置３２に送給することができる。
ゲートバルブ１８の下流側では、コネクター４３により、ガイド用ガラス管１９と極細キャピラリー管２０が係止させられていて、ガイド用ガラス管１９を支持できるようになっていると共に、ガイド用ガラス管１９の先端を密封できるようになっている。
また、ゲートバルブ１８の下端４１は、排気ポンプ（図示略）と接続していて、超偏極希ガス生成セル１４に、アルカリ金属を導入する際には、ガイド用ガラス管１９と極細キャピラリー管２０とを取り出して、ゲートバルブ１８を閉止してからラインを排気できるようになっている。
そして、図２に示したように、超偏極希ガス生成セル１４は、一部に窓を設けた加熱炉４５で覆われていて、窓を通して光ポンピング励起用光源１５からの光を照射できるようになっていると共に、室温〜３００℃に加熱できるようになっている
極細キャピラリー管２０は、内径０．１〜１．２５ｍｍ、好ましくは内径０．２〜０．８ｍｍ、特に好ましくは内径０．２５〜０．５３ｍｍ、長さ１〜２２ｍ、好ましくは３〜１０ｍの管である。極細キャピラリー管２０は１本のチューブからなり、途中に継目を設けないのが、スピン緩和の発生を抑制する点から好ましい。
極細キャピラリー管２０の内径を０．１〜１．２５ｍｍとすることにより、柔軟性に富み、曲げても折れたりしないため、衝撃による割れ・破損を防止して取り扱いを容易とすることができる。また、極細キャピラリー管２０内の体積を、従来の太い配管の場合と比べて減少させられるため、単位体積当たりの超偏極希ガスの移動速度を速めて流通させることができる。その結果、超偏極希ガスが極細キャピラリー管２０の内壁と衝突するのを低減できるため、スピン緩和の発生を抑制することができる。そして、長さ１〜２２ｍの距離であっても、ＮＭＲ信号強度の低下を起こさないで送給することができる。
極細キャピラリー管２０としては、溶融シリカ、ガラス、樹脂等からなる市販のガスクロマトグラフ用キャピラリー管を用いることができる。そのなかでも、スピン緩和の発生を抑制する点から、溶融シリカが好ましい。このようなものとしては、例えば、ジーエルサイエンス製 未処理ヒューズドシリカキャピラリーチューブ（内径０．５３ｍｍ、０．２５ｍｍ）、及び、不活性処理ヒューズドシリカキャピラリーチューブ（内径０．５３ｍｍ、０．２５ｍｍ）が挙げられる。
また、樹脂を使用する場合、特に限定されないが、超偏極希ガス生成セル１４近傍で用いる場合は、温度が１５０〜２００℃近くとなり、またアルカリ金属により強アルカリ性となるため、ポリカーボネートやポリイミド等が好ましい。
また、超偏極希ガス生成セル１４の長手方向側面の上方及び下方には、光ポンピング用磁石１７，１７が配置されている。超偏極希ガス生成セル１４を上下方向から挟むように光ポンピング用磁石１７，１７を配置することで、超偏極希ガス生成セル１４の長手方向に当たるガスが流れる方向と垂直方向から、磁場を印加することができる。
光ポンピング用磁石１７，１７としては、光を透過できるような空芯構造のヘルムホルツ型電磁石や永久磁石を用いることができる。光ポンピング用磁石１７，１７が発生する磁場は、０．２×１０−２〜１０×１０−２Ｔ程度でよく、このような低磁場であっても充分希ガスを超偏極させることができる。
超偏極希ガス生成セル１４の長手方向側方には、さらに光ポンピング励起用光源１５が配置されている。光ポンピング励起用光源１５としては、公知のランプ、レーザー等を使用することができる。そのなかでも、レーザーダイオードアレイが出力が高く線幅がシャープである点から好ましい。
光ポンピング励起用光源１５を、図１に示したように、光ポンピング用磁石１７の外側に配置した場合には、光ポンピング励起用光源１５から出射された光が、光ポンピング用磁石１７を通過して超偏極希ガス生成セル１４に到達できるよう、光ポンピング用磁石１７が光透過性を有することが必要である。この場合には、超偏極希ガス生成セル１４内を磁力線が通過する方向と、光ポンピング励起用光源１５から出射された光が入射する方向とは略同一方向になっている。
なお、本実施形態では、光ポンピング用磁石１７の外側に光ポンピング励起用光源１５を配置しているが、光ポンピング用磁石１７と直角方向に当たる超偏極希ガス生成セル１４の長手方向側方に光ポンピング励起用光源１５を配置して、超偏極希ガス生成セル１４内を磁力線が通過する方向と、光が入射する方向とが略垂直となるようにしてもよい。この場合には、超偏極希ガス生成セル１４内をガスが流れる方向と、磁力線が通過する方向と、光が入射する方向とが、いずれも垂直方向となるため、希ガスを流しながら超偏極率をさらに向上させることができる。
核磁気共鳴計測装置３２は、核磁気共鳴計測用磁石２２，２２とＮＭＲ検出部２１を備えている。ＮＭＲ検出部２１は、極細キャピラリー管２０と接続されていて、超偏極希ガスを導入できるようになっている。核磁気共鳴計測用磁石２２，２２としては、０．２〜２１Ｔ程度の高磁場を発生する超伝導磁石や永久磁石等を用いることができる。また、核磁気共鳴計測装置３２には、公知の核磁気共鳴分光装置を用いることができる。
本実施形態では、核磁気共鳴計測装置３２として、ＲＦ照射用コイルを一基有する核磁気共鳴分光装置を用いているが、複数のコイルを備えて勾配磁場を発生させるようにした磁気共鳴イメージング装置を用いてもよい。
極細キャピラリー管２０を用いて超偏極希ガスを送給することにより、スピン緩和の発生が抑制されて、長さ１〜３０ｍの距離でも送給することができるため、超偏極希ガス生成セル１４と、核磁気共鳴計測装置３２との距離を広く取って設置することができる。その結果、超偏極希ガス生成セル１４への核磁気共鳴計測用磁石２２，２２からのもれ磁場の影響を低減することができ、超偏極希ガス生成セル１４での超偏極希ガスの生成量を向上させて、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
次に、本実施形態に係る超偏極希ガス製造装置３１による超偏極希ガスの製造方法について説明する。
原料となる希ガスは、単原子分子からなり、核スピンを有するガスである。そのなかでも、スピン量子数１／２の核スピンを持つ質量数１２９のキセノン同位体（１２９Ｘｅ）、質量数３のヘリウム同位体（３Ｈｅ）が好ましい。スピン量子数が３／２や５／２の核スピンを持つガスでも超偏極を起こすことは可能であるが、核四重極モーメントを介したスピン緩和を起こして超偏極状態が短時間しか維持できないため、あまり好ましくない。また、３Ｈｅの天然存在比は０．０００１３８％であるため、濃縮する必要があるが、１２９Ｘｅの天然存在比は２６．４４％であるため、濃縮することなく使用できる点から、コスト等を考慮するとキセノンガスがより好ましい。
本実施形態では、微量の窒素ガスを含有する９８体積％のキセノンガスを用いている。微量の窒素ガスは、クエンチャーガスとしての機能を有する。励起光を照射して励起された光ポンピング剤であるアルカリ金属は、励起状態から基底状態に戻る際に、エネルギーを自然放出して基底状態に戻る主過程と、非放射遷移で基底状態に戻る副過程とを有している。この副過程は緩和時間が長いため、クエンチャーガスを導入することで、アルカリ金属の中間準位のエネルギーをクエンチャーガスに遷移させて短時間で基底状態に戻すことができる。このクエンチャーガスをまったく含有させなくても超偏極希ガスを製造することは可能である。
クエンチャーガスとしては、水素、窒素などのガス、あるいは不飽和結合を有する無機ガス、例えば、アセチレン、ベンゼン、π電子系化合物等の不飽和結合を有する有機ガスを用いることができる。そのなかでも、窒素ガスが好ましい。クエンチャーガスの含有量は、使用する希ガスとアルカリ金属により、適宜異なるが、８０体積％以下であるのが好ましい。また、希ガス及びクエンチャーガスは、アルカリ金属の酸化を防止する点から、不純物である水・酸素の含有量が極力少ないことが好ましい。
また、光ポンピング剤であるアルカリ金属としては、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ナトリウム（Ｎａ）等が挙げられる。光ポンピング剤とは、円偏光された励起光の照射により、この基底状態準位にある電子が光吸収により励起されて励起状態準位を経由した後に基底状態準位に戻る際に、外部から印加された磁場によって磁気的に縮退が解かれた基底状態準位の内の電子準位の一方の準位に高い確率で遷移し、電子スピン偏極度が高い状態を作製することのできる性質を持つ物質をいう。そのなかでも、超偏極希ガス生成セル１４内を真空にして、気化させて送給する点から、蒸気圧の高いルビジウムが好ましい。
光ポンピング励起用光源１５の波長としては、使用するアルカリ金属の種類により励起可能な波長は異なるが、例えば、ルビジウムを用いた場合は、中心波長が、７９４．５〜７９５．１ｎｍであるのが好ましい。
また、光ポンピング励起用光源１５の出力は、超偏極希ガス生成セル１４の大きさと希ガスの流量によって適宜定められるが、超偏極希ガス生成セル１４内の希ガスをすべて超偏極するには、出力が高いことが好ましく、例えば、１０〜２００Ｗであるのがより好ましい。
超偏極希ガスを製造するには、光ポンピング剤であるアルカリ金属を超偏極希ガス生成セル１４に導入してから、次いで希ガスを導入し、レーザー光を照射して、超偏極させる。
まず、アルカリ金属貯蔵容器１０に、アルカリ金属を封入した市販のガラスアンプルを収容した後、バルブ７及びゲートバルブ１８を閉止して、バルブ８を開け、超偏極希ガス生成セル１４内を排気ポンプ９により真空引きする。この時、ガイド用ガラス管１９と極細キャピラリー管２０は取り外されている。
次いで、バルブ８を開放したままにして、アルカリ金属貯蔵容器１０をその外側からクランプ等で挟んで、内部のガラスアンプルを破砕し、さらに真空引きしてガラスアンプルに封入されていたガスを除去する。その後、アルカリ金属貯蔵容器１０をヒーター等で２００〜２５０℃に加熱してアルカリ金属を気化させて、超偏極希ガス生成セル１４まで真空中を移送し、超偏極希ガス生成セル１４の底面を室温の空気流により冷却して、アルカリ金属を堆積させる。
アルカリ金属の移送が完了したら、バルブ８を閉じて真空排気を停止すると共に、アルカリ金属貯蔵容器１０を室温まで降温した後、バルブ７を開けて、超偏極希ガスの原料となる高純度の希ガスを、希ガスボンベ２から導入する。超偏極希ガス生成セル１４の内部が大気圧よりやや高くなったところで、ゲートバルブ１８を開けて、マスフローコントローラー３で制御した流量で、原料である希ガスを連続的に流す。
次いで、ガイド用ガラス管１９と極細キャピラリー管２０を、保護用配管４０内に挿入し、極細キャピラリー管２０と核磁気共鳴計測装置３２を接続してから、希ガスの流量を５〜１００ｓｃｃｍ、好ましくは１０〜３０ｓｃｃｍ、特に好ましくは１５ｓｃｃｍに調整して送給する。この状態で、加熱炉４５を１００〜２５０℃、好ましくは２２０℃に加熱し、光ポンピング励起用光源１５からレーザー光を照射し、光ポンピング用磁石１７，１７で磁場を印加することにより、超偏極希ガスを生成する。
希ガスの流量を５〜１００ｓｃｃｍとすることにより、超偏極希ガス生成セル１４での生成速度と同程度の速度で、超偏極希ガスを核磁気共鳴計測装置３２に送給できるため、超偏極希ガス生成セル１４内に超偏極希ガスが停留することがなく、内壁との衝突によるスピン緩和の発生を抑制することができる。また、極細キャピラリー管２０内を層流で送給できるため、極細キャピラリー管２０内壁との衝突によるスピン緩和の発生も抑制することができる。
次いで、生成した超偏極希ガスを、極細キャピラリー管２０から核磁気共鳴計測装置３２に送給して、ＮＭＲ信号強度を測定する。
本実施形態では、超偏極希ガス生成セル１４として、希ガスを流しながら超偏極させるフロー型セルを用いて、超偏極希ガスを連続的に供給できるようにしているが、溜式セルを用いて、バッチ式で超偏極希ガスを供給してもよい。
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
［実施例１〜２］流量とＮＭＲ信号強度と関係
内径０．５３ｍｍ（実施例１）、内径０．２５ｍｍ（実施例２）で、長さがいずれも１．２ｍの溶融シリカからなる極細キャピラリー管（ジーエルサイエンス製 ヒューズドシリカキャピラリーチューブ）を用いて、超偏極キセノンガスの流量を、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５ｓｃｃｍと変化させながら、ＮＭＲ信号強度を測定した。
内径０．５３ｍｍ（実施例１）、内径０．２５ｍｍ（実施例２）で、長さがいずれも１．２ｍの溶融シリカからなる極細キャピラリー管（ジーエルサイエンス製 ヒューズドシリカキャピラリーチューブ）を用いて、超偏極キセノンガスの流量を、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５ｓｃｃｍと変化させながら、ＮＭＲ信号強度を測定した。
超偏極希ガス生成セルとしては、石英製で、長手方向の長さ７ｃｍ、短手方向の長さ５ｃｍ、セル内部のガスが流れる間隙の高さは１ｍｍであり、セル両端に内径４ｍｍの石英管が接続されている平板型フローセルを用いた。
まず、ルビジウム（フルウチ化学製 純度９９．９９％）を、温度２２０℃に加熱して気化させ、１０-４Ｐａに真空引きした超偏極希ガス生成セルに移送した。
次いで、９８体積％のキセノン、窒素混合ガス（大陽日酸製）を、超偏極希ガス生成セルに導入し、レーザーダイオード（コヒーレント製：Ｂ１−７９−４０．０Ｃ−１９−３０）を用いて、波長７９４．７ｎｍ、半値幅３ｎｍ、出力６０Ｗの光を照射した。また、永久磁石（住友特殊金属製）を用いて、１．２５×１０−２Ｔの磁場を超偏極希ガス生成セルに印加した。また、超偏極希ガス生成セルの温度は１４５℃に設定した。
ＮＭＲ信号測定は、パルス式ＮＭＲ分光計（サムウェイ製）で信号の強度を測定した。測定条件は、磁場０．３Ｔ、周波数３．５７４ＭＨｚ、単一パルス後のＦＩＤ収集とした。超偏極キセノンガスの流量とＮＭＲ信号強度との関係を、図３のグラフに示す。
図３の結果から、実施例１及び実施例２のいずれも、ＮＭＲ信号強度は、流量が２０ｓｃｃｍ付近で最大値を示すことがわかった。流量とＮＭＲ信号強度との関係が、極細キャピラリー管の内径にはあまり依存しないことから、超偏極希ガス生成セルにおける超偏極希ガスの最大生成速度は、２０ｓｃｃｍ近傍に相当すると考えられる。
すなわち、流量が２０ｓｃｃｍよりも多い場合に、ＮＭＲ信号強度が低下しているのは、超偏極希ガス生成セルにおける生成速度が追いつかないため、超偏極していないガスもいっしょに送給されたためであり、２０ｓｃｃｍよりも少ない場合に、ＮＭＲ信号強度が低下しているのは、超偏極希ガスがセル内に停留して内壁との衝突を起こしたためと考えられる。
［実施例３］極細キャピラリー管の長さとＮＭＲ信号強度と関係
内径０．５３ｍｍ（実施例３）の溶融シリカからなる極細キャピラリー管（ジーエルサイエンス製 ヒューズドシリカキャピラリーチューブ）を用いて、その長さを、それぞれ１、３、５、１０、２２ｍと変化させながら、ＮＭＲ信号強度を測定した。超偏極キセノンガスの流量依存を実施例１と同様にして測定を行った。極細キャピラリー管の長さとＮＭＲ信号強度と関係を、表１及び図４のグラフに示す。
内径０．５３ｍｍ（実施例３）の溶融シリカからなる極細キャピラリー管（ジーエルサイエンス製 ヒューズドシリカキャピラリーチューブ）を用いて、その長さを、それぞれ１、３、５、１０、２２ｍと変化させながら、ＮＭＲ信号強度を測定した。超偏極キセノンガスの流量依存を実施例１と同様にして測定を行った。極細キャピラリー管の長さとＮＭＲ信号強度と関係を、表１及び図４のグラフに示す。
［実施例４］
内径０．２５ｍｍ（実施例４）の極細キャピラリー管を用いて、その長さを、それぞれ１、３、５、１０ｍと変化させた以外は、実施例３と同様にして、ＮＭＲ信号強度を測定した。極細キャピラリー管の長さとＮＭＲ信号強度と関係を、表１及び図４のグラフに示す。
内径０．２５ｍｍ（実施例４）の極細キャピラリー管を用いて、その長さを、それぞれ１、３、５、１０ｍと変化させた以外は、実施例３と同様にして、ＮＭＲ信号強度を測定した。極細キャピラリー管の長さとＮＭＲ信号強度と関係を、表１及び図４のグラフに示す。
表１及び図４の結果から、実施例３では、長さが２２ｍでもＮＭＲ信号が観察され、測定できることが確認された。また、実施例４では、長さが１０ｍでＮＭＲ信号が観察された。極細キャピラリー管の長さとＮＭＲ信号強度との関係は、極細キャピラリー管の内径にはあまり依存せず、実施例３及び実施例４のいずれも、極細キャピラリー管の長さが長くなるにつれてＮＭＲ信号強度が徐々に低下する傾向にあることがわかった。
［比較例１〜２］
内径４ｍｍ、長さ０．５ｍ（比較例１）と、内径４ｍｍ、長さ１ｍ（比較例２）のパイレックス（登録商標）ガラス管をそれぞれ用いて、超偏極キセノンガスの流量を２０ｓｃｃｍとして、実施例１と同様にしてＮＭＲ信号強度の測定を行った。比較例１では、信号強度１．４Ｖで信号が観察されたが、比較例２では、信号は検出されなかった。
内径４ｍｍ、長さ０．５ｍ（比較例１）と、内径４ｍｍ、長さ１ｍ（比較例２）のパイレックス（登録商標）ガラス管をそれぞれ用いて、超偏極キセノンガスの流量を２０ｓｃｃｍとして、実施例１と同様にしてＮＭＲ信号強度の測定を行った。比較例１では、信号強度１．４Ｖで信号が観察されたが、比較例２では、信号は検出されなかった。
以上の結果から、本発明に係る超偏極希ガス製造装置によれば、スピン緩和の発生を抑制して、２２ｍの長距離でも超偏極希ガスを送給できることが確認された。
本発明の超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置並びに磁気共鳴イメージング装置は、ヒトや動物の呼吸器、脳の診断に利用することができる。
１ 超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置
１４ 超偏極希ガス生成セル
２０ 極細キャピラリー管
３１ 超偏極希ガス製造装置
１４ 超偏極希ガス生成セル
２０ 極細キャピラリー管
３１ 超偏極希ガス製造装置
Claims (3)
- 希ガスをアルカリ金属存在下で光ポンピングして超偏極希ガスを生成する超偏極希ガス生成セルと、
前記超偏極希ガス生成セルの下流に、内径０．１〜１．２５ｍｍ且つ長さ１〜２２ｍの溶融シリカ製又は樹脂製の極細キャピラリー管を備え、前記超偏極希ガスを５〜１００ｓｃｃｍの範囲で流すよう制御されたことを特徴とする超偏極希ガス製造装置。 - 請求項１に記載の超偏極希ガス製造装置と、核磁気共鳴分光装置を備えたことを特徴とする超偏極希ガスを用いた核磁気共鳴分光装置。
- 請求項１に記載の超偏極希ガス製造装置と、磁気共鳴イメージング装置を備えたことを特徴とする超偏極希ガスを用いた磁気共鳴イメージング装置。
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