SABRE-hyperpolarisaatiomenetelmän spindynamiikka

Kaikki aine koostuu atomeista, joiden keskellä on pieni ydin. Magneettikentässä nämä ytimet käyttäytyvät kuin mikroskooppiset magneetit niiden sisäisen pyörimismäärän eli spinin vuoksi. Ydinspinien ja magneettikentän välistä vuorovaikutusta voidaan tutkia havaitsemalla, kuinka spinit reagoivat sähkömagneettiseen säteilyyn. Tätä menetelmää kutsutaan ydinmagneettiseksi resonanssiksi, josta tyypillisesti käytetään sen englanninkielistä lyhennettä NMR (nuclear magnetic resonance).

NMR antaa monipuolista tietoa ydinspinien paikallisesta ympäristöstä, minkä vuoksi se on tärkeä menetelmä kemiassa, materiaalitieteessä ja lääketieteellisessä kuvantamisessa. Eräs NMR:n heikkouksista on sen matala signaali-kohinasuhde, joka johtuu alhaisesta spinpolarisaatiosta. Tämän vuoksi esimerkiksi laimeiden näytteiden tutkiminen on haastavaa NMR:llä. NMR-signaalia voidaan kuitenkin vahvistaa merkittävästi hyödyntämällä erilaisia hyperpolarisaatiomenetelmiä. Eräs tapa vahvistaa NMR-signaalia on siirtää polarisaatiota paravetykaasusta tutkittavaan molekyyliin sitomalla nämä väliaikaisesti metallikompleksiin. Tätä menetelmää kutsutaan nimellä SABRE, joka tulee englannin kielen sanoista signal amplification by reversible exchange.

Tässä väitöskirjassa hyödynnetään kokeellisia, laskennallisia ja teoreettisia menetelmiä SABRE-menetelmän taustalla olevan fysiikan ymmärtämiseksi ja SABRE:lla saadun polarisaation parantamiseksi. Työssä keskitytään enimmäkseen fluori-19-ydinten hyperpolarointiin, mikä on mielekäs tavoite lääketieteellisen kuvantamisen näkökulmasta, sillä fluori-19-ytimistä ei tule merkittävää taustasignaalia. SABRE-kokeiden ja -simulaatioiden avulla selitetään keskeiset fysikaaliset mekanismit, joiden välityksellä polarisaatio siirtyy paravedyltä fluori-19-ytimille. Työssä myös osoitetaan, että fluori-19-ydinten polarisaatiota voidaan parantaa merkittävästi valitsemalla polaroinnin aikana käytetty magneettikenttä tarkasti. Lisäksi tässä työssä kehitetään uusi analyyttinen malli SABRE-hyperpolarisaatiolle, mikä luo perustan uusien SABRE-kokeiden ymmärtämiselle ja optimoinnille.