Applications of para-hydrogen induced polarization

Abstract

Diese Promotionsarbeit befasst sich mit Anwendungen von Parawasserstoff Induzierter Hyperpolarisation (PHIP) zur Signalverst"arkung der Kernspinresonanz Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) in L"osung. Parawasserstoff ist molekularer Wasserstoff im Kernspin Singulett-Zustand. PHIP ist eine chemische Methode zur Herstellung von Kernspin-Hyperpolarisation durch "Ubertragung der Spinordnung von angereichertem Parawasserstoff auf Kernspins in einem Molek"ul. Dies kann durch eine die Spinordnung erhaltende paarweise Hydrierung einer unges"attigten kovalenten Bindung mit angereichertem Parawasserstoff geschehen (hydrogenative PHIP), oder durch "Ubertragung der Spinordnung "uber Kernspin-Kopplungen innerhalb eines kurzlebigen Komplexes, an den sowohl Parawasserstoff als auch das zu polarisierende Substratmolek"ul vor"ubergehend gebunden werden (non-hydroge-native PHIP, Signal Amplification By Reversible Exchange (SABRE)). Da mittels PHIP Kernspinpolarisationen der Ordnung $mathcal{O}sim 10^{-1}-1$ erreicht werden k"onnen, birgt die Methode im Vergleich zur NMR Spektroskopie mit thermischer Polarisation ($mathcal{O}sim 10^{-5}$) ein Signalverst"arkungspotenzial von 4-5 Gr"oss{}enordnungen. Die Problemstellung dieser Arbeit liegt darin, dass jede Art von Kernspin-Hyperpolarisation in L"osung innerhalb von Sekunden bis Minuten mittels Spin-Gitter-Relaxation zerf"allt, was f"ur technische und medizinische Anwendungen ein gross{}es Problem darstsellt. In drei Unterprojekten wurde daran gearbeitet diese zeitliche Limitierung entweder durch kontinuierliche re-polarisation oder durch Ausnutzung eines langlebigen Kernspin-Singulett-zustandes im Molek"ul zu umgehen. Der Kernspin-Singulettzustand wurde auf Fumars"aure Dinatriumsalz gel"ost in Wasser hergestellt, welches biokompatibel und damit interessant f"ur eine zuk"unftige Anwendung als hyperpolarisiertes MRT (Magnetresonanztomographie) Kontrastmittel ist. Hierbei kann die im Singulett-Zustand gespeicherte Hyperpolarisation durch Verstoffwechselung in detektierbare starke Kernspin-Magnetisie-rung konvertiert werden. Kontinuierliche re-polarisation mittels SABRE wurde als Magnetisierungsquelle f"ur Langzeitmessungen mit Null- bis Ultraniedrigfeld (ZULF) NMR Spektroskopie angewendet.

This work deals with applications of Parahydrogen Induced Polarization (PHIP) to achieve signal enhancement in solution-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy. Parahydrogen is the nuclear spin singlet state isomer of molecular hydrogen. PHIP is a chemical method to create nuclear spin hyperpolarization by transferring the nuclear spin order of enriched parahydrogen into a molecule. This can be achieved by a spin-order conserving pairwise hydrogenation of an unsaturated covalent bond with enriched parahydrogen (hydrogenative PHIP), or the spin-order is transferred through nuclear spin couplings within a short-lived complex to which both parahydrogen and the substrate molecule to be polarized are temporarily bound (non-hydrogenative PHIP, Signal Amplification By Reversible Exchange (SABRE)). PHIP is able to create nuclear spin polarization of the order $mathcal{O}sim 10^{-1}-1$. Therefore, in comparison with NMR spectroscopy on thermal polarization ($mathcal{O}sim 10^{-5}$) PHIP holds a signal enhancement potential of 4-5 orders of magnitude. However, every kind of nuclear spin hyperpolarization in solution decays within seconds to minutes due to spin-lattice-relaxation, which poses a big problem for technical or medical applications. In three projects it was attempted to overcome this time limitation either by continuous re-polarization or by making use of a molecular long-lived nuclear spin singlet state. The long-lived molecular singlet-state was created on fumaric acid disodium salt dissolved in water, which is biocompatible and therefore of interest for future applications as hyperpolarized MRI (Magnetic Resonance Imaging) contrast agent. Hyperpolarization stored in fumarate's long-lived singlet state can be converted into strong detectable nuclear spin magnetization by metabolism. Continuous re-polarization using SABRE was applied as source of magnetization for long-time measurements with zero- to ultralow-field (ZULF) NMR spectroscopy.