الاستقطاب الفائق (الفيزياء)

يُعدّ الضخ الضوئي لتبادل اللف المغزلي (SEOP) ^{[ 3 ]} إحدى تقنيات الاستقطاب الفائق العديدة التي نُناقشها في هذه الصفحة. تتخصص هذه التقنية في إنتاج غازات نبيلة فائقة الاستقطاب (HP)، مثل الهيليوم ^-3 ، والزينون ^-129 ، والزينون ^-131 رباعي الأقطاب، والكريبتون ^-83 ، والنيون ^-21 . ^{[ 4 ]} الغازات النبيلة ضرورية لأن تقنية SEOP تُجرى في الحالة الغازية، وهي خاملة كيميائيًا، وغير متفاعلة، ومستقرة كيميائيًا بالنسبة للمعادن القلوية، كما أن زمن استرخاءها (T1 ₎ طويل بما يكفي لتكوين الاستقطاب. تُلبي الغازات النبيلة ذات اللف المغزلي 1/2 جميع هذه المتطلبات، بينما تُلبيها الغازات النبيلة ذات اللف المغزلي 3/2 إلى حد ما، على الرغم من أن بعضها لا يمتلك زمن استرخاء (T1) كافيًا _. لكل من هذه الغازات النبيلة تطبيقاتها الخاصة، مثل توصيف حيز الرئة وأنسجتها عبر التصوير الجزيئي الحيوي والتصوير الوظيفي للرئتين، لدراسة التغيرات في استقلاب الخلايا السليمة مقابل الخلايا السرطانية، ^{[ 4 ]} أو استخدامها كأهداف لتجارب الفيزياء النووية. ^{[ 5 ]} خلال هذه العملية، يُستخدم ضوء ليزر بالأشعة تحت الحمراء مستقطب دائريًا ، مضبوط على الطول الموجي المناسب، لإثارة الإلكترونات في فلز قلوي ، مثل السيزيوم أو الروبيديوم، داخل وعاء زجاجي محكم الإغلاق. يُعدّ ضوء الأشعة تحت الحمراء ضروريًا لاحتوائه على الأطوال الموجية اللازمة لإثارة إلكترونات الفلز القلوي، على الرغم من أن الطول الموجي اللازم لإثارة إلكترونات الصوديوم يقع أسفل هذا النطاق (الجدول 1).

ينتقل الزخم الزاوي من إلكترونات الفلز القلوي إلى نوى الغاز النبيل عبر التصادمات. يُستخدم النيتروجين كغاز مثبط، مما يمنع تألق الفلز القلوي المستقطب، والذي قد يؤدي إلى إزالة استقطاب الغاز النبيل. في حال عدم تثبيط التألق، سيكون الضوء المنبعث أثناء الاسترخاء مستقطبًا عشوائيًا، مما يعاكس ضوء الليزر المستقطب دائريًا. على الرغم من استخدام أحجام مختلفة من الأوعية الزجاجية (وتُسمى أيضًا خلايا)، وبالتالي ضغوط مختلفة، تبعًا للتطبيق، فإن ضغطًا كليًا مقداره 1 أمغات من الغاز النبيل والنيتروجين يكفي لتقنية SEOP، بينما يلزم 0.1 أمغات من كثافة النيتروجين لتثبيط التألق. ^{[ 3 ]} وقد حققت التحسينات الكبيرة في تقنية الاستقطاب الفائق لـ ¹²⁹ زينون مستوى يزيد عن 50% عند معدلات تدفق تتراوح بين 1 و2 لتر/دقيقة، مما يُمكّن التطبيقات السريرية البشرية. ^{[ 9 ]}

استغرق اكتشاف تقنية الضخ الضوئي المستقطب (SEOP) عقودًا حتى اكتملت جميع عناصرها. ففي عام 1897، أدت دراسات زيمان على بخار الصوديوم إلى أول نتيجة للضخ الضوئي . ^{[ 4 ] [ 10 ]} ثم في عام 1950، توصل كاستلر إلى طريقة لاستقطاب بخار الروبيديوم، وهو فلز قلوي، إلكترونيًا باستخدام مجال مغناطيسي وإضاءة البخار بضوء دائري مستقطب رنيني. ^{[ 4 ]} وبعد عشر سنوات، أجرى كل من ماري آن بوشيات ، وتي إم كارفر، وسي إم فارنوم عملية تبادل الدوران ، حيث نُقل استقطاب الدوران الإلكتروني إلى الدوران النووي لغاز نبيل ( الهيليوم ^-3 والزينون ^-129 ) من خلال تصادمات في الطور الغازي. ^{[ 4 ]} ومنذ ذلك الحين، جرى تحسين هذه الطريقة وتوسيع نطاق استخدامها ليشمل غازات نبيلة أخرى وفلزات قلوية.

لتسهيل شرح عمليات الإثارة والضخ الضوئي وتبادل اللف المغزلي، سنستخدم الروبيديوم، وهو أكثر المعادن القلوية شيوعًا في هذه العملية، كمثال. يحتوي الروبيديوم على عدد فردي من الإلكترونات، حيث يوجد إلكترون واحد فقط في الغلاف الخارجي يمكن إثارته في ظل الظروف المناسبة. هناك انتقالان محتملان، أحدهما يُعرف بخط D1، _حيث يحدث الانتقال من الحالة 52S1 ^/ ₂ إلى الحالة 52P1 ^/ 2 ، والآخر يُعرف بخط D2، _{حيث يحدث} الانتقال من الحالة 52S1 ^/ 2 _إلى الحالة _52P3 / ² . ^{[ 7 ] [ 11 ]} يمكن أن يحدث انتقالا D1 وD2 _إذا أُضيئت ذرات الروبيديوم بضوء ذي طول موجي 794.7 نانومتر و780 نانومتر على التوالي (الشكل 1). ^{[ 7 ]} _{على الرغم من إمكانية إحداث أي من الإثارة، إلا أن} تقنية الليزر متطورة للغاية لإحداث انتقال _D1 . يقال إن هذه الليزرات مضبوطة على الطول الموجي D ₁ (794.7 نانومتر) للروبيديوم.   

لزيادة مستوى الاستقطاب فوق مستوى التوازن الحراري، يجب تغيير توزيع الإلكترونات في حالات الدوران المغزلي. في غياب المجال المغناطيسي، تقع حالتا الدوران المغزلي لنواة ذات دوران مغزلي I = ½ في نفس مستوى الطاقة، ولكن في وجود مجال مغناطيسي، تنقسم مستويات الطاقة إلى مستويين m s ₌ ± ½ ( الشكل 2 ) . ^{[ 12} ] هنا، m s _هو الزخم الزاوي المغزلي بقيم محتملة + ½ ( دوران مغزلي لأعلى ) أو - ½ ( دوران مغزلي لأسفل )، وغالبًا ما يُرسمان كمتجهين يشيران لأعلى أو لأسفل، على التوالي. الفرق في ^توزيع الإلكترونات بين هذين المستويين هو ما يُنتج إشارة الرنين المغناطيسي النووي . على سبيل المثال، يلغي الإلكترونان في حالة الدوران المغزلي لأسفل إلكترونين في حالة الدوران المغزلي لأعلى، مما يترك نواة واحدة فقط ذات دوران مغزلي لأعلى ليتم الكشف عنها بواسطة الرنين المغناطيسي النووي. مع ذلك، يمكن تغيير كثافة هذه الحالات عبر الاستقطاب الفائق، مما يسمح بزيادة كثافة مستوى طاقة الدوران الموجب وبالتالي زيادة إشارة الرنين النووي المغناطيسي. ويتم ذلك أولاً عن طريق ضخ فلز قلوي ضوئيًا، ثم نقل الاستقطاب إلى نواة غاز نبيل لزيادة كثافة حالة الدوران الموجب.

يُعد امتصاص ضوء الليزر بواسطة الفلز القلوي العملية الأولى في عملية SEOP. ^{[ 3 ]} يعمل الضوء المستقطب دائريًا يساريًا، والمضبوط على الطول الموجي D1 _{للفلز القلوي، على إثارة الإلكترونات من حالة الدوران السفلي 2S 1/2 (m s = -1/2) إلى حالة الدوران العلوي 2P 1/2 (} m _s ⁼ +1/2 ) _، حيث ^يحدث مزج تصادمي _نتيجة اصطدام ذرات الغاز النبيل بذرات الفلز القلوي، مما يؤدي إلى شغل جزئي لحالة m _s = -1/2 (الشكل 3). ^{[ 3 ]} يُعد الضوء المستقطب دائريًا ضروريًا في المجالات المغناطيسية المنخفضة لأنه يسمح بامتصاص نوع واحد فقط من الزخم الزاوي، مما يسمح باستقطاب اللف المغزلي. ^{[ 3 ]} يحدث الاسترخاء بعد ذلك من الحالات المثارة (m _{_s} = ±1/2) إلى الحالات الأرضية (m_{_s} = ±1/2) عند اصطدام الذرات بالنيتروجين، مما يُخمد أي فرصة للتألق ويؤدي إلى عودة الإلكترونات إلى الحالتين الأرضيتين بنسب متساوية. ^{[ 3 ]} بمجرد زوال استقطاب اللف المغزلي (العودة إلى الحالة m_{_s} = -1/2)، يتم إثارتها مرة أخرى بواسطة ضوء الليزر ذي الموجة المستمرة، وتتكرر العملية. وبهذه الطريقة، يتراكم عدد أكبر من اللف المغزلي للإلكترونات في الحالة m_{_s} = +1/2. يمكن حساب استقطاب الروبيديوم، P_{_Rb}، باستخدام الصيغة التالية:

${\displaystyle {P_{Rb}}={{\mathrm {n} _{\uparrow }-\mathrm {n} _{\downarrow }} \over {\mathrm {n} _{\uparrow }+\mathrm {n} _{\downarrow }}}}$

حيث يمثل n _↑ و n _↓ عدد الذرات في حالتي الدوران لأعلى (m _S = +1/2) والدوران لأسفل (m _S = -1/2) ² S _1/2 . ^{[ 13 ]}

بعد ذلك، يصطدم الفلز القلوي المُضخّم ضوئيًا بالغاز النبيل، مما يسمح بتبادل اللف المغزلي حيث ينتقل استقطاب إلكترونات الفلز القلوي إلى نوى الغاز النبيل (الشكل 4). هناك آليتان لحدوث ذلك. يمكن نقل الزخم الزاوي عبر تصادمات ثنائية (الشكل 4أ، وتُسمى أيضًا تصادمات الجسمين) أو عندما يكون الغاز النبيل وغاز النيتروجين ( _N₂ ) والفلز القلوي في الحالة البخارية على مقربة من بعضها البعض بفعل قوى فان دير فالس (الشكل 4ب، وتُسمى أيضًا تصادمات الأجسام الثلاثة). ^{[ 3 ]} في الحالات التي تكون فيها قوى فان دير فالس صغيرة جدًا مقارنةً بالتصادمات الثنائية (كما هو الحال مع الهيليوم ^-3 )، يصطدم الغاز النبيل بالفلز القلوي وينتقل الاستقطاب من الفلز القلوي إلى الغاز النبيل. ^{[ 3 ]} التصادمات الثنائية ممكنة أيضًا مع الزينون ^-129 . عند الضغوط العالية، تسود قوى فان دير فالس، بينما تسود التصادمات الثنائية عند الضغوط المنخفضة. ^{[ 3 ]}

تستغرق هذه الدورة من الإثارة والاستقطاب وإزالة الاستقطاب وإعادة الاستقطاب، وما إلى ذلك، وقتًا قبل الوصول إلى استقطاب صافٍ. ويُعطى تراكم الاستقطاب النووي، P _{_N (t)، بالمعادلة التالية:}

${\displaystyle \mathrm {P} _{N}(\mathrm {t} )=\left\langle \mathrm {P} _{A}\right\rangle \left({\frac {\gamma _{SE}}{\gamma _{SE}+\Gamma }}\right)[1-e^{(\gamma _{SE}+\Gamma )\mathrm {t} }]}$

حيث ⟨PA⟩ _هي استقطاب الفلز القلوي، وγSE _هي معدل تبادل اللف المغزلي، وΓ هي معدل الاسترخاء الطولي للغاز النبيل. ^{[ 14 ]} يمكن أن يحدث استرخاء الاستقطاب النووي عبر عدة آليات، ويُكتب كمجموع هذه المساهمات:

${\displaystyle \Gamma =\Gamma _{t}+\Gamma _{p}+\Gamma _{g}+\Gamma _{w}}$

حيث تمثل Γt _و Γp _{و Γg} و Γw _على التوالي الاسترخاء الناتج عن ثنائي Xe2 العابر _، وثنائي Xe2 المستمر _، والانتشار عبر تدرجات المجال المغناطيسي المطبق، والاسترخاء الجداري. ^{[ 14 ]} في معظم الحالات، تُعدّ الثنائيات المستمرة والاسترخاءات الجدارية المساهم الأكبر في الاسترخاء الكلي. ^{[ 14 ]} يمكن أن يتشكل ثنائي Xe2 عندما تصطدم ذرتان من الزينون وترتبطان معًا بقوى فان دير فالس، ويمكن أن ينفصل عند اصطدام ذرة ثالثة به. ^{[ 15 ]} _{وهو مشابه لتفاعل Xe- Rb} أثناء تبادل اللف المغزلي (نقل اللف المغزلي) حيث تبقى الذرات متقاربة جدًا بفعل قوى فان دير فالس. ^{[ 15 ]} يحدث الاسترخاء الجداري عندما يصطدم الزينون فائق الاستقطاب بجدران الخلية ويفقد استقطابه بسبب الشوائب البارامغناطيسية في الزجاج.

يمكن قياس ثابت زمن التراكم، ΓB _، عن طريق جمع أطياف الرنين النووي المغناطيسي على فترات زمنية تقع ضمن الزمن اللازم للوصول إلى حالة الاستقطاب المستقر (أي أقصى استقطاب يمكن تحقيقه، والذي يُلاحظ من خلال أعلى إشارة خرج). ثم تُرسم تكاملات الإشارة مع الزمن، ويمكن مطابقتها للحصول على ثابت زمن التراكم. ويمكن استخدام جمع منحنى التراكم عند درجات حرارة مختلفة ورسم القيم كدالة لكثافة بخار الفلز القلوي (حيث تزداد كثافة البخار مع زيادة درجة حرارة الخلية) لتحديد معدل تدمير اللف المغزلي ومعدل تبادل اللف المغزلي لكل ذرة باستخدام:

${\displaystyle \Gamma _{B}=\gamma '\times [AM]+\Gamma _{SD}}$

حيث γ' هو معدل تبادل اللف المغزلي لكل ذرة، و[AM] هي كثافة بخار الفلز القلوي، وΓSD _هو معدل تدمير اللف المغزلي. ^{[ 16 ]} يجب أن يكون هذا الرسم البياني خطيًا، حيث γ' هو الميل وΓSD _هو الجزء المقطوع من المحور الصادي.

يمكن أن يستمر الضخ الضوئي لتبادل اللف المغزلي إلى أجل غير مسمى مع الإضاءة المستمرة، ولكن هناك عدة عوامل تؤدي إلى استرخاء الاستقطاب، وبالتالي عودة التوزيعات إلى حالة التوازن الحراري عند إيقاف الإضاءة. لاستخدام الغازات النبيلة فائقة الاستقطاب في تطبيقات مثل تصوير الرئة، يجب نقل الغاز من الجهاز التجريبي إلى المريض. بمجرد توقف الضخ الضوئي النشط للغاز، تبدأ درجة فرط الاستقطاب بالتناقص حتى الوصول إلى التوازن الحراري. مع ذلك، يجب أن يستمر فرط الاستقطاب لفترة كافية لنقل الغاز إلى المريض والحصول على صورة. يمكن قياس زمن استرخاء اللف المغزلي الطولي، المشار إليه بـ T1 _، بسهولة عن طريق جمع أطياف الرنين النووي المغناطيسي مع انخفاض الاستقطاب بمرور الوقت بعد إيقاف الإضاءة. يخضع معدل الاسترخاء هذا لعدة آليات لإزالة الاستقطاب، ويُكتب على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {1}{\mathrm {T} _{1}}}=\left({\frac {1}{T_{1}}}\right)_{CR}+\left({\frac {1}{T_{1}}}\right)_{MFI}+\left({\frac {1}{T_{1}}}\right)_{O2}}$

حيث تمثل العوامل الثلاثة المساهمة الاسترخاء التصادمي (CR)، والاسترخاء الناتج عن عدم تجانس المجال المغناطيسي (MFI)، والاسترخاء الناجم عن وجود الأكسجين البارامغناطيسي (O2). _[ ^{17 ] قد} تتراوح مدة T1 من دقائق إلى عدة ساعات، اعتمادًا على مدى العناية المبذولة لتقليل تأثيرات CR وMFI وO2 _. وقد تم تحديد قيمة العامل الأخير بـ 0.360 ثانية⁻¹ ^{أمبيرات⁻¹} ، [ ^{18 ] بينما يصعب تحديد قيمة العاملين الأول والثاني بدقة ،} لأن درجة مساهمتهما في T1 الكلي _تعتمد على مدى جودة إعداد وتجهيز التجربة والخلية. ^{[ 18 ]}

لإجراء عملية SEOP، من الضروري أولاً تحضير الخلية البصرية. تُصمم الخلايا البصرية (الشكل 5) خصيصًا للنظام المطلوب، وتُصنع من الزجاج المنفوخ باستخدام مادة شفافة، عادةً زجاج البايركس (البوروسيليكات). يجب تنظيف هذه الخلية جيدًا لإزالة جميع الملوثات، وخاصة المواد البارامغناطيسية التي تُقلل الاستقطاب وT1 _. بعد ذلك، يُغطى السطح الداخلي للخلية لـ (أ) أن يكون بمثابة طبقة واقية للزجاج لتقليل احتمالية التآكل بفعل المعدن القلوي، و(ب) تقليل إزالة الاستقطاب الناتج عن تصادم جزيئات الغاز المستقطبة مع جدران الخلية. ^{[ 19 ]} يؤدي تقليل استرخاء الجدار إلى استقطاب أطول وأعلى للغاز النبيل. ^{[ 19 ]}

على الرغم من اختبار العديد من الطلاءات على مر السنين، يُعدّ SurfaSil (الشكل 6، ويُشار إليه الآن بسائل السيليكون القابل للذوبان في الهيدروكربونات) الطلاء الأكثر شيوعًا بنسبة 1:10 SurfaSil: هيكسان، نظرًا لقدرته على توفير قيم T1 طويلة _. [ ^{19 ] يبلغ} سمك طبقة SurfaSil حوالي 0.3-0.4 ميكرومتر. ^{[ 19 ]} بعد طلاء الخلية وتجفيفها بشكل متساوٍ، توضع في بيئة خاملة، ثم توضع قطرة من فلز قلوي (حوالي 200  ملغ) داخلها، وتُوزّع لتكوين طبقة متساوية على جدرانها. إحدى طرق نقل الفلز القلوي إلى الخلية هي التقطير. ^{[ 20 ]} في طريقة التقطير، تُوصل الخلية بمجمع زجاجي مُجهز لاحتواء كلٍ من الغاز المضغوط والفراغ، حيث تُوصل أمبولة من الفلز القلوي. ^{[ 21 ]} يتم تفريغ المجمع والخلية من الهواء، ثم يُكسر ختم الأمبولة ويُنقل المعدن القلوي إلى داخل الخلية باستخدام لهب موقد غاز. ^{[ 21 ]} بعد ذلك، تُملأ الخلية بمزيج الغاز المطلوب من النيتروجين والغاز النبيل. ^{[ 5 ]} يجب توخي الحذر لتجنب تسميم الخلية في أي مرحلة من مراحل تحضيرها (تعريض الخلية للهواء الجوي).

استُخدمت على مر السنين أحجام وتصاميم مختلفة للخلايا. ويُحدد التطبيق المطلوب تصميم خلية الضخ الضوئي، ويعتمد ذلك على قطر الليزر، واحتياجات التحسين، واعتبارات الاستخدام السريري. كما يتم اختيار المعادن القلوية والغازات المحددة بناءً على التطبيقات المطلوبة.

بعد اكتمال الخلية، يُلصق ملف سطحي (أو ملفات، حسب نوع الملف المطلوب) على سطحها الخارجي، مما يسمح بما يلي: أ) توليد نبضات ترددات راديوية لتوجيه اللف المغزلي المستقطب نحو مجال الكشف (المستوى س، ص)، ب) كشف الإشارة الناتجة عن اللف المغزلي النووي المستقطب. توضع الخلية في فرن لتسخينها ومحتوياتها حتى يتحول المعدن القلوي إلى الحالة البخارية، وتُمركز الخلية في نظام ملفات يُولّد مجالًا مغناطيسيًا (على طول المحور ع). ثم يُوجّه ليزر، مضبوط على خط D1 ₍ انتقال ثنائي القطب الكهربائي ^{[ 14 ]} ) للمعدن القلوي، وبقطر شعاع مطابق لقطر الخلية البصرية، إلى الأسطح البصرية للخلية بحيث يُضاء كامل سطحها بضوء الليزر لتوفير أكبر استقطاب ممكن (الشكل 7). يمكن أن تتراوح قدرة الليزر بين عشرات ومئات الواط، ^{[ 3 ]} حيث تؤدي القدرة الأعلى إلى استقطاب أكبر، ولكنها أكثر تكلفة. ولزيادة الاستقطاب، توضع مرآة عاكسة خلف الخلية لتمرير ضوء الليزر عبرها مرتين. بالإضافة إلى ذلك، توضع عدسة الأشعة تحت الحمراء خلف المرآة، لتوفير معلومات عن امتصاص ذرات الفلز القلوي لضوء الليزر. عندما يُسلط الليزر على الخلية وهي في درجة حرارة الغرفة، تُستخدم عدسة الأشعة تحت الحمراء لقياس نسبة نفاذية ضوء الليزر عبر الخلية. عند تسخين الخلية، يتحول الروبيديوم إلى الحالة البخارية ويبدأ بامتصاص ضوء الليزر، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة النفاذية. يمكن استخدام الفرق في طيف الأشعة تحت الحمراء بين طيف درجة حرارة الغرفة وطيف مُسجل أثناء تسخين الخلية لحساب قيمة استقطاب الروبيديوم التقريبية، P_{_Rb} .

مع استمرار تطوير وتحسين تقنية SEOP، توجد أنواع عديدة من ملفات الرنين المغناطيسي النووي، والأفران، وملفات توليد المجال المغناطيسي، والليزر التي استُخدمت ولا تزال تُستخدم لتوليد غازات فائقة الاستقطاب. عمومًا، تُصنع ملفات الرنين المغناطيسي النووي يدويًا لهذا الغرض، إما عن طريق لف سلك نحاسي يدويًا بالشكل المطلوب، ^{[ 22 ]} أو عن طريق طباعة الملف ثلاثي الأبعاد. ^{[ 23 ]} عادةً ما يكون الفرن فرنًا يعمل بالهواء القسري، وله وجهان زجاجيان لمرور ضوء الليزر عبر الخلية، وغطاء قابل للإزالة، وفتحة لتوصيل خط هواء ساخن، مما يسمح بتسخين الخلية بالتوصيل. ^{[ 24 ]} يمكن أن تكون ملفات توليد المجال المغناطيسي زوجًا من ملفات هيلمهولتز، تُستخدم لتوليد شدة المجال المغناطيسي المطلوبة، ^{[ 24 ]} والتي يُحدد المجال المطلوب وفقًا لما يلي:

${\displaystyle \omega =\gamma \mathrm {B} _{0}}$

حيث ω هي تردد لارمور، أو تردد الكشف المطلوب، وγ هي النسبة المغناطيسية الدورانية للنوى المراد رصدها، وB₀ _هو المجال المغناطيسي اللازم للكشف عن النوى عند التردد المطلوب. ^{[ 25 ]} يمكن أيضًا استخدام مجموعة من أربعة ملفات كهرومغناطيسية (مثلًا من شركة أكيوتران) ^{[ 22 ]} ، ويجري اختبار تصميمات أخرى للملفات.

في الماضي، كانت تقنية الليزر تُشكل عائقًا أمام استخدام تقنية SEOP، حيث اقتصرت على استخدام عدد قليل من المعادن القلوية نظرًا لنقص أنواع معينة، مثل ليزر السيزيوم. إلا أن التطورات الحديثة، بما في ذلك ليزر السيزيوم المُحسّن، والطاقة الأعلى، وعرض الطيف الأضيق، وغيرها، تُتيح توسيع نطاق استخدام تقنية SEOP. ومع ذلك، لا تزال هناك عدة خصائص أساسية مطلوبة. من الناحية المثالية، يجب أن يكون الليزر ذو موجة مستمرة لضمان استقطاب المعدن القلوي والغاز النبيل باستمرار. ولتحقيق هذا الاستقطاب، يجب أن يكون ضوء الليزر مستقطبًا دائريًا في الاتجاه الذي يسمح للإلكترونات بالاستقطاب الدوراني. ويتم ذلك بتمرير ضوء الليزر عبر مُقسّم شعاع استقطابي لفصل مُكوّني s و p ، ثم عبر صفيحة ربع موجة، التي تُحوّل الضوء المستقطب خطيًا إلى ضوء مستقطب دائريًا. ^{[ 17 ]}

استُخدمت تقنية SEOP بنجاح، وهي متطورة إلى حد كبير، مع نظائر ^{الهيليوم-3} ، والزينون ^-129 ، والكريبتون ^-83 في التطبيقات الطبية الحيوية. ^{[ 4 ]} إضافةً إلى ذلك، يجري العمل على تحسينات عديدة للحصول على صور محسّنة وقابلة للتفسير للخلايا السرطانية في العلوم الطبية الحيوية. ^{[ 26 ]} وتُجرى حاليًا دراسات تتناول الاستقطاب الفائق للزينون ^-131 ، مما أثار اهتمام الفيزيائيين. كما تُجرى تحسينات للسماح باستخدام السيزيوم، بالإضافة إلى الروبيديوم، في نقل اللف المغزلي. من حيث المبدأ، يمكن استخدام أي فلز قلوي في تقنية SEOP، ولكن يُفضّل استخدام الروبيديوم عادةً نظرًا لضغط بخاره العالي، مما يسمح بإجراء التجارب في درجات حرارة منخفضة نسبيًا (80-130  درجة  مئوية)، ويقلل من احتمالية تلف الخلية الزجاجية. ^{[ 3 ]} علاوةً على ذلك، يجب أن تكون تقنية الليزر للفلز القلوي المُختار موجودة ومتطورة بما يكفي لتحقيق استقطاب كبير. في السابق، لم تكن الليزرات المتاحة لتحفيز انتقال السيزيوم D ₁ متطورة بشكل كافٍ، لكنها أصبحت الآن أكثر قوة وأقل تكلفة. وتشير الدراسات الأولية إلى أن السيزيوم قد يُحقق نتائج أفضل من الروبيديوم، على الرغم من أن الروبيديوم كان المعدن القلوي المفضل في عملية SEOP.

تُستخدم طريقة الاستقطاب الفائق، المعروفة باسم الضخ البصري لتبادل اللف المغزلي (SEOP)، لاستقطاب الغازات النبيلة مثل الزينون-129 والهيليوم-3. عند تصوير غاز مستقطب فائقًا مستنشق، مثل الهيليوم-3 أو الزينون-129، تظهر كثافة مغناطيسية أعلى للجزيئات النشطة في الرنين المغناطيسي النووي في الرئة مقارنةً بالتصوير التقليدي بالبروتون-1، مما يُحسّن صور الرنين المغناطيسي التي يُمكن الحصول عليها. على عكس تصوير الرنين المغناطيسي للبروتون الذي يُظهر الخصائص التشريحية لأنسجة الرئة، يُظهر تصوير الرنين المغناطيسي للزينون وظائف الرئة، بما في ذلك تهوية الغاز وانتشاره وترويته. ^{[ 27 ]}

الأساس المنطقي

هدفنا هو تحديد العدوى أو المرض (كالسرطان مثلاً) في أي مكان في الجسم، كالدماغ والدم والسوائل والأنسجة. تُسمى هذه الخلايا المُعدية مجتمعةً بالمؤشرات الحيوية. ^{[ 28 ]} وقد عرّفت منظمة الصحة العالمية، بالتعاون مع الأمم المتحدة ومنظمة العمل الدولية، المؤشر الحيوي بأنه "أي مادة أو بنية أو عملية يمكن قياسها في الجسم أو منتجاته، وتؤثر على حدوث المرض أو تتنبأ به". يجب أن يكون المؤشر الحيوي قابلاً للقياس الكمي حتى مستوى معين في العمليات البيولوجية المتعلقة بالصحة. ^{[ 28 ]}

من الأمثلة المحددة على المؤشرات الحيوية مستوى الكوليسترول في الدم، وهو مؤشر شائع الاستخدام وموثوق به لأمراض القلب التاجية؛ ومن المؤشرات الحيوية الأخرى مستضد البروستات النوعي (PSA) الذي يُعتقد أنه يساهم في تشخيص سرطان البروستات. ^{[ 28 ]} وهناك العديد من المؤشرات الحيوية الأخرى التي تُعتبر مرتبطة بالسرطان، منها: الحمض النووي الريبي لفيروس التهاب الكبد الوبائي سي (HCV-RNA)، والنسبة المعيارية الدولية (INR)، وزمن البروثرومبين (PT)، والبروتين أحادي النسيلة (بروتين M)، ومستضد السرطان 125 (CA-125)، والحمض النووي الريبي لفيروس نقص المناعة البشرية (HIV-RNA)، والببتيد الناتريوتيكي من النوع B (BNP). [ ²⁷ ] كما تُعد خلايا اللمفوما (خطوط خلايا راموس وخطوط خلايا جركات) نوعًا من أنواع السرطان. ^{[ 29 ]}

ومن المؤشرات الحيوية الشائعة الأخرى سرطان الثدي، وسرطان المبيض، وسرطان القولون والمستقيم، وسرطان الرئة، وأورام الدماغ. ^{[ 30 ]}

يوجد العامل المسبب للمرض، وهو المؤشر الحيوي، بكميات ضئيلة للغاية، خاصةً في المراحل المبكرة من المرض. لذا، يُعدّ تحديد هذا المؤشر أو الحصول على صور له أمرًا صعبًا، وفي بعض الحالات، غير مؤكد باستخدام تقنية الرنين المغناطيسي النووي. لذلك، يجب استخدام عامل التباين لتحسين الصور، على الأقل لتمكين الأطباء من رؤيتها بوضوح. نظرًا لقلة جزيئات المؤشر الحيوي في الجسم الحي، فإن تجربة الرنين المغناطيسي النووي أو التصوير بالرنين المغناطيسي تُنتج إشارة ضعيفة جدًا، حتى أن المحلل قد لا يرصد ذروة الإشارة في البيانات في بعض الحالات بسبب نقص المؤشرات الحيوية. لذلك، وللتأكد من الوصول إلى استنتاج صحيح بشأن وجود المؤشرات الحيوية المسببة للمرض، نحتاج إلى تحسين المجس (آليات التباين) للحصول على ذروة واضحة عند أعلى مستوى ممكن من ارتفاع الذروة وموقعها في البيانات. إذا أمكن جمع بيانات مقبولة وقابلة للتفسير بوضوح من تجربة الرنين المغناطيسي النووي أو التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام عامل التباين، فسيكون بإمكان الخبراء اتخاذ الخطوة الأولى الصحيحة لإنقاذ المرضى الذين يعانون بالفعل من السرطان. ^{[ 28 ]} من بين التقنيات المختلفة للحصول على البيانات المحسنة في تجربة التصوير بالرنين المغناطيسي، تعد SEOP واحدة منها.

يهتم الباحثون في مجال هندسة العمليات والفيزياء النووية باستخدام الزينون ^-129 ، وذلك لما يتمتع به من خصائص مميزة في تقنية الرنين ^{المغناطيسي} النووي، مما يجعله مناسبًا للعمل كعامل تمييز حتى مقارنةً بالغازات الجديدة الأخرى.

• لا يُظهر الزينون الخامل تفاعلاً كيميائياً مثل المعادن واللافلزات الأخرى لأن التكوين الإلكتروني للزينون مشغول بالكامل، كما أنه ليس مشعاً أيضاً.
• ^{يُعدّ تحويل الحالة الغازية الموجودة في الطبيعة إلى الحالة الصلبة أو السائلة عملية سهلة (الشكل 8). وتقع حالتا الزينون -129} الصلبة والسائلة ضمن نطاقات درجة الحرارة والضغط التي يمكن تحقيقها تجريبياً.

  

• يمتلك الزينون سحابة إلكترونية عالية الاستقطاب تحيط بنواته، ولذلك فهو عرضة للذوبان بسهولة مع الدهون أو المركبات العضوية، خاصة في البيئة الحيوية. (الجدول 2)
• لا يُغير الزينون التركيب البنيوي أو الكيميائي (على غرار الغازات النبيلة الأخرى) عند تفاعله مع الجزيئات الأخرى.
• بحسب العالم أوستوالد، تُعرَّف الذوبانية بأنها معامل توزيع الغاز الممتص على حجم السائل الممتص. ذوبانية الزينون، S _Xe(g) = V _{كمية الزينون الممتصة} / V _{السائل الممتص} عند درجة الحرارة والضغط القياسيين (STP).

نسبة ذوبان الزينون في الوسط المائي 11% تعني أنه عند درجة حرارة 25  درجة مئوية، يمكن امتصاص 11 مل من غاز الزينون بواسطة 100 مل من الماء.

الجدول 2. قيم الذوبانية لـ ¹²⁹ Xe في أوساط مختلفة وفقًا لقانون أوستوالد لذوبانية أحد المكونات.

اسم مركب المذيب	درجة الحرارة (°مئوية)	ذوبانية أوستوالد (حجم/حجم)٪
ماء	25	0.11
الهكسان	25	4.8
البنزين	25	3.1
فلوروبنزين	25	3.3
ثاني كبريتيد الكربون	25	4.2
ماء	37	0.08
محلول ملحي	37	0.09
بلازما	37	0.10
كريات الدم الحمراء (98٪)	37	0.20
الألبومين البشري (مُستنبط بنسبة 100%)	37	0.15
دم	37	0.14
زيت	37	1.90
الأنسجة الدهنية	37	1.30
DMSO	37	0.66
إنترا ليبيد (20%)	37	0.40
PFOB (بيرفلوبرون)	37	1.20
PFOB (90% وزن/حجم، تقديري)	37	0.62

• حجم ذرة الزينون كبير، وإلكترونات غلافها الخارجي بعيدة عن النواة، مما يجعلها عرضةً للاستقطاب، خاصةً في البيئة الدهنية. يوضح الجدول 2 أن ذوبانية الزينون في الماء عند 37  درجة مئوية تبلغ 8%، بينما تصل إلى 130% في الأنسجة الدهنية داخل الجسم الحي. هذه الذوبانية المنخفضة تجعل الزينون مناسبًا للاستخدام في الأنظمة البيولوجية كعامل تباين.
• يُعدّ تأثير المذيب على الزينون كبيرًا جدًا بالنسبة للزينون ^-129 نظرًا لذوبانيته العالية (الجدول 2). ويتجاوز نطاق قيمة الإزاحة الكيميائية للزينون 7500 جزء في المليون. مع ذلك، يكون تأثير المذيب محدودًا بالنسبة للهيدروجين ^-1 والكربون ^-13 (نوى نشطة في التصوير بالرنين المغناطيسي) نظرًا لانخفاض نطاق قيمة الإزاحة الكيميائية للهيدروجين ^-1 (20 جزء في المليون) وللكربون ^-13 (300 جزء في المليون). لذا، يُفضّل استخدام الزينون ^{-129 .}

يوضح الشكل 9 أدناه، في بيانات تجارب الرنين النووي المغناطيسي، وجود قيم إزاحة كيميائية مختلفة للأنسجة المختلفة في البيئة الحيوية . تقع جميع القمم ضمن نطاق واسع من قيم الإزاحة الكيميائية لنظير الزينون ^-129 ، مما يجعله مناسبًا للاستخدام. ويعود ذلك إلى أن نطاق قيم الإزاحة الكيميائية لنظير الزينون ^-129 في بيانات الرنين النووي المغناطيسي واسع ويصل إلى 1700 جزء في المليون. تشمل المعلومات الطيفية المهمة الأخرى ما يلي:

الشكل 9. بيانات الرنين النووي المغناطيسي للمستشعر الحيوي Xe-129 في النظام البيولوجي داخل الجسم الحي .

• بطبيعة الحال، تم اعتبار قمة الرنين النووي المغناطيسي ^{لـ 129 Xe كمرجع عند 0.0 جزء في المليون.}
• عندما تم دمج ¹²⁹ Xe وربطه بجزيء Cryptophane-A، فإن قيمة الإزاحة الكيميائية في اكتساب NMR تحولت إلى حوالي 70 جزء في المليون.
• إذا تم إذابة غاز الزينون ¹²⁹ المستقطب للغاية في الدماغ، فإنه يمكن ملاحظة خمس قمم طيفية في الرنين المغناطيسي النووي . ^{[ 31 ]}
• ومن بينها ذروة حادة عند 194.7 جزء في المليون. بالإضافة إلى ذلك، تظهر ذروة عند 189 جزء في المليون من الأنسجة غير الدماغية.
• لا تزال قمتان أخريان مجهولتين عند 191.6 جزء في المليون و197.8 جزء في المليون. وقد تم العثور على قمة أصغر ولكنها عريضة عند 209.5 جزء في المليون في بيانات الرنين المغناطيسي النووي عند إذابة الزينون ^{-129 في مجرى الدم.}
• ^{يُعد الزينون 129} المستقطب للغاية كاشفًا حساسًا للغاية للعلامات الحيوية (شكل من أشكال السرطان في النظام الحي).
• يمكن زيادة استقطاب الدوران النووي لنظير الزينون ^{-129 ، أو بشكل عام للغازات النبيلة، حتى خمسة أضعاف باستخدام تقنية SEOP. [ 3 ]}
• باستخدام تقنية الاستقطاب الفائق SEOP، يمكننا الحصول على صور لامتصاص الزينون في أنسجة الدماغ البشري. ^{[ 32 ]}

(الشكل 10) يُظهر الزينون ^-129 _(غاز) تحسنًا مُرضيًا في الاستقطاب أثناء عملية الاستقطاب المحفز بالضوء (SEOP) مقارنةً بالتحسن الحراري في الاستقطاب. ويتضح ذلك من خلال قيم البيانات التجريبية عند الحصول على أطياف الرنين النووي المغناطيسي (NMR) عند شدات مجال مغناطيسي مختلفة. ^{[ 22 ]} ومن النقاط المهمة المستخلصة من البيانات التجريبية ما يلي:

• ازداد استقطاب نظير الزينون-129 بمقدار 144,000 ضعف تقريبًا في تقنية SEOP مقارنةً بالاستقطاب المُحسَّن حراريًا لنظير ^{الهيدروجين -1} في تجربة الرنين المغناطيسي النووي. وقد أُجريت كلتا التجربتين اللتين أظهرتا هذه الزيادة في ظروف متطابقة وباستخدام نفس التردد الراديوي أثناء تجربة الرنين المغناطيسي النووي. ^{[ 22 ]}
• لوحظت قيمة مماثلة لتحسين الإشارة بمقدار 140,000 ضعف لفرط استقطاب الزينون ^-129 في تقنية SEOP مقارنةً بإشارة الرنين النووي المغناطيسي للكربون ^-13 المُحسَّنة حراريًا ، وذلك في بيانات الرنين النووي المغناطيسي التجريبية. وقد جُمعت كلتا البيانات عند تردد لارمور نفسه وفي ظل ظروف تجريبية أخرى متطابقة، وباستخدام التردد الراديوي نفسه أثناء جمع بيانات الرنين النووي المغناطيسي. ^{[ 22 ]}

(الشكل 11) يُعد زمن استرخاء اللف المغزلي الطولي (T1 ₎ شديد الحساسية لزيادة المجال المغناطيسي، وبالتالي يُلاحظ تعزيز إشارات الرنين المغناطيسي النووي في تقنية SEOP في حالة الزينون ^-129 . ^{[ 22 ]} ونظرًا لارتفاع قيمة T1 _في تجربة الرنين المغناطيسي النووي المُهيأة للعلامة الزرقاء، فقد أظهرت قمةً أكثر وضوحًا مقارنةً بالتجارب الأخرى. ^{[ 22 ]} بالنسبة للزينون ^-129 المُستقطب فائقًا في أكياس تيدلار، بلغت قيمة T1 ₃₈ ±12 دقيقة عند جمع البيانات في وجود مجال مغناطيسي 1.5 ملي تسلا. ومع ذلك، لوحظت زيادة مُرضية في زمن تأخير T1 ₍ 354±24 دقيقة) عند جمع البيانات في وجود مجال مغناطيسي 3000 ملي تسلا. ^{[ 22 ]}

تُتخذ خطوات في الأوساط الأكاديمية والصناعية لاستخدام هذا الغاز فائق الاستقطاب في تصوير الرئة. فبعد استقطاب الغاز ( زينون ^-129 ) عبر عملية SEOP وإزالة المعدن القلوي، يستطيع المريض (سواء كان سليمًا أو مصابًا بمرض رئوي) استنشاق الغاز، ثم يُجرى له تصوير بالرنين المغناطيسي. ^{[ 34 ]} ينتج عن ذلك صورة للفراغات في الرئتين المملوءة بالغاز. ورغم أن عملية تصوير المريض قد تتطلب خبرة من علماء مُلِمّين بهذه التقنية والأجهزة، إلا أن هناك خطوات تُتخذ للاستغناء عن هذه الخبرة، بحيث يتمكن فنيو المستشفيات من إنتاج الغاز فائق الاستقطاب باستخدام جهاز استقطاب. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تُستخدم أجهزة الاستقطاب الفائق حاليًا لإنتاج غاز الزينون المستقطب فائقًا، والذي يُستخدم كعامل تصوير للرئتين. يُعدّ الزينون-129 غازًا نبيلًا خاملًا وآمنًا، يُمكن استخدامه لتقييم وظائف الرئة. وبحبس النفس لمدة عشر ثوانٍ فقط، يُستخدم الزينون-129 المستقطب فائقًا مع التصوير بالرنين المغناطيسي لتمكين التصوير ثلاثي الأبعاد للرئتين. ^{[ 35 ]} يُستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام الزينون لمراقبة المرضى الذين يعانون من أمراض الأوعية الدموية الرئوية، أو الانسدادية، أو التليفية الرئوية. ^{[ 36 ]}

^{يمكن استخدام تقنية SEOP باستخدام غاز الزينون -129} المُستقطب فائقًا، والتي يتم رفع درجة حرارتها تدريجيًا في نموذج دفعي آلي عالي الإنتاجية ^، مع ثلاثة نطاقات حرارية رئيسية لتحقيق شروط معينة: أولًا، يكون معدل الاستقطاب الفائق لغاز الزينون ^-129 مرتفعًا للغاية في الظروف الساخنة. ثانيًا، في الظروف الدافئة، يكون الاستقطاب الفائق لغاز الزينون ^-129 مساويًا للوحدة. ثالثًا، في الظروف الباردة، يمكن لمستوى الاستقطاب الفائق لغاز الزينون ^{-129 أن يسمح بالتصوير (عند درجة حرارة جسم الإنسان)، على الرغم من انخفاض نسبة الروبيديوم -87} (أقل من 5 نانوغرام/لتر) أثناء نقله إلى كيس تيدلار  . ^{[ 37 ]}

يمكن استخدام تحليل متعدد المعايير لتقنية SEOP باستخدام نظير ^{الروبيديوم-87} /الزينون ^-129 عند ضغط زينون عالٍ وتدفق فوتوني مرتفع كعامل تباين للطباعة ثلاثية الأبعاد وتقنية التدفق المتوقف على نطاق سريري. ^{[ 38 ]} في تقنية التصوير الموضعي ، تم تشغيل جهاز الرنين المغناطيسي النووي لتتبع ديناميكيات استقطاب الزينون ^-129 كدالة لتكييف خلية SEOP مع معايير تشغيل مختلفة مثل درجة حرارة جمع البيانات، وتدفق الفوتونات، والضغط الجزئي للزينون ^-129 لتعزيز استقطاب _{الزينون} ^-129 ( PXe ). ^{[ 38 ]}

تم تأكيد جميع قيم الاستقطاب لغاز الزينون ^{-129 عن طريق دفع غاز الزينون -129} فائق الاستقطاب ، كما أُجريت جميع تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي عند مجال مغناطيسي منخفض قدره 47.5 ملي تسلا. ^{[ 38 ]} وأظهرت التجارب أن استقطاب غاز الزينون ^-129 في منطقة الضغط العالي هذه يمكن أن يزيد عن الحد الذي تم إثباته سابقًا. وقد تم تحسين إدارة الحرارة في نظام SEOP وتحسين حركية الاستقطاب بشكل ملحوظ. ^{[ 38 ]}

لا يقتصر استخدام تقنية SEOP على زيادة استقطاب الغازات النبيلة فحسب، بل يشمل أيضًا تطبيقها على المواد الصلبة، وهو تطور حديث. أُجريت هذه التقنية لأول مرة عام 2007 ^{[ 21 ]} ، واستُخدمت لاستقطاب النوى في مادة صلبة، مما يسمح باستقطاب النوى التي لا يمكن استقطابها بطرق أخرى إلى درجة استقطاب فائقة. ^{[ 21 ]} على سبيل المثال، يمكن زيادة الاستقطاب النووي للسيزيوم ^-133 في صورة غشاء صلب من هيدريد السيزيوم (CsH) إلى ما فوق حد بولتزمان. ^{[ 21 ]} ويتم ذلك عن طريق ضخ بخار السيزيوم ضوئيًا أولًا، ثم نقل الاستقطاب المغزلي إلى ملح هيدريد السيزيوم، مما ينتج عنه زيادة قدرها 4.0. ^{[ 21 ]}

تُصنع الخلايا كما وُصف سابقًا باستخدام التقطير، ثم تُملأ بغاز الهيدروجين وتُسخّن للسماح بتفاعل معدن السيزيوم مع الهيدروجين الغازي لتكوين ملح CsH. ^{[ 21 ]} يُزال الهيدروجين غير المتفاعل، وتُكرر العملية عدة مرات لزيادة سُمك طبقة CsH، ثم تُضغط بغاز النيتروجين. ^{[ 21 ]} عادةً، تُجرى تجارب SEOP مع وضع الخلية في مركز ملفات هيلمهولتز أو ملفات كهرومغناطيسية، كما وُصف سابقًا، ولكن هذه التجارب أُجريت في مغناطيس فائق التوصيل بقوة 9.4 تسلا عن طريق تسليط الليزر من خلال المغناطيس وتسخين الخلية كهربائيًا. ^{[ 21 ]} في المستقبل، قد يكون من الممكن استخدام هذه التقنية لنقل الاستقطاب إلى ^6Li أو ^7Li ، مما يؤدي إلى المزيد من التطبيقات نظرًا لتوقع أن يكون T1 أطول. _[ ^{21 ] منذ} اكتشاف هذه التقنية التي تسمح بتوصيف المواد الصلبة، تم تحسينها بحيث لا يكون الضوء المستقطب ضروريًا لاستقطاب المادة الصلبة؛ بدلاً من ذلك، يمكن استخدام ضوء غير مستقطب في مجال مغناطيسي. ^{[ 39 ]} في هذه الطريقة، يُغطى الصوف الزجاجي بملح سيزيوم هيدرات (CsH)، مما يزيد من مساحة سطح CsH وبالتالي يزيد من فرص انتقال اللف المغزلي، مما يؤدي إلى تحسينات تصل إلى 80 ضعفًا عند مجال منخفض (0.56 تسلا). ^{[ 39 ]} كما هو الحال في غشاء CsH فائق الاستقطاب، سُمح لفلز السيزيوم في طريقة الصوف الزجاجي هذه بالتفاعل مع غاز الهيدروجين، ولكن في هذه الحالة، تشكل CsH على ألياف الزجاج بدلاً من خلية الزجاج. ^{[ 39 ]}