锂和其它原子核的超极化

摘要

本发明涉及一种在样品池中通过光泵激第一类碱金属的原子和由光泵激的该碱金属的电子到锂原子的电子的自旋交换而超极化锂原子的方法。该锂原子有利地被氧化成Li

说明书

本发明涉及锂及特征在于长的纵向T₁弛豫时间的其它原子核自旋 如¹³C、²⁹Si、³¹P的超极化。

使用极化惰性气体的磁共振断层照相术(MRT)及磁共振谱学(NMR) 的新近进展在医学、物理学和材料科学中获得大量应用。惰性气体原 子核的极化可通过借助于碱金属原子的光泵激实现，如可参看Happer 等人，Phys.Rev.A，29，3092(1984)。

术语光泵激包括Kastler研发的方法，即与平衡态相比，通过光 入射到物质中可大大增加某些能态的占有数。通过光泵激可改变原 子、离子、分子和固体中的能级的相对占有数，并产生有序状态。光 泵激状态的占有密度明显偏离按玻耳兹曼分布的热占有机率。通过塞 曼能级的光泵激例如可达到原子的电子或核的磁矩的平行构型。

通常在实际中在有惰性气体氦和氮的存在下应用碱金属原子铷。 已知这样例如达到约20％的¹²⁹Xe的核自旋极化。在1T和300K情 况下，这种核自旋极化比临床的磁共振断层照相法中的平衡极化大大 约100000倍。由此产生的信噪比的大大提高表明，为何可预计其在 医学、科学和技术中将来会有新的应用可能性。

极化是指原子核、电子或光子的自旋的取向(排序)程度。例如100％ 极化意指全部的核或电子以相同方式取向。磁矩与核或电子的极化相 关联。

核自旋或电子自旋的极化度大于在给定磁场中室温下的热极化度 时，该极化度称为超极化。

超极化的惰性气体可用作造影剂或用于NMR光谱中。例如使人 吸入超极化的¹²⁹Xe或将其注射入人体中。10-15秒钟后，极化的氙 聚集在脑中。借助于磁共振断层照相术测定该惰性气体在脑中的分 布。其结果用于进一步分析。

惰性气体的选择分别取决于应用情况。¹²⁹Xe具有大的化学位移。 如果将氙例如吸附在表面上，则其共振频率会有明显变化。此外，氙 还溶于亲脂液体中。如需这类特性就使用氙。

惰性气体氦几乎不溶于液体中。因此如果涉及空腔，通常应用同 位素³He。人类的肺是这类空腔的实例。

一些惰性气体还具有上述外的另一些有价值的特性。如同位素 ⁸³Kr、²¹Ne和¹³¹Xe是四极矩的，其例如对基础研究或表面物理研究中 的实验是有利的。但这些惰性气体是昂贵的，以致需大量应用时是不 适用的。

由Driehuys等人的文献(Appl.Phys.Lett.(1996)，69，1668)已知， 在极化器中以下列方式极化惰性气体。

从气源开始将由¹²⁹Xe、⁴He和N₂的混合物组成的气流浓集在含Rb 蒸气的Rb容器中，并通过泵室输送。借助于激光器产生环形的极化 光，即在此光下光子的角动量或自旋均为同一方向的光。在泵室中Rb 原子以可泵激的形态被激光辐射(λ≈795nm，Rb D1线)以纵向于磁 场的方向光泵激，并从而极化Rb原子的电子自旋。这时将光子的角 动量转移到碱金属原子的自由电子上。由此使碱金属原子的电子自旋 大大偏移热平衡。所以该碱金属原子被极化。通过碱金属原子与惰性 气体原子的碰撞将碱金属原子的电子自旋的极化转移到惰性气体原子 上。这样就产生了核自旋极化的惰性气体。即，通过碱金属原子的光 泵激所产生的碱金属原子的电子自旋的极化通过碱金属电子的自旋交 换被转移到惰性气体的核自旋上，如Bouchiat对Rb/³He体系首次所 指出的。

由WO99/08766已知，除第一种可光泵激的碱金属外还可使用辅 助碱金属作为第二种可极化的物质。光泵激的碱金属物质将电子自旋 极化转移到辅助碱金属物质上，由此更有效和更快速地将碱金属极化 转移到惰性气体核如³He上。

使用碱金属原子，因为其具有大的与光相互作用的光偶极矩。此 外，碱金属原子分别具有自由电子，以致在每个原子的两个和多个电 子之间不会出现有害的相互作用。

铯也是一种很适用的碱金属原子，为实现上述效应其优于铷。但 是，如对借助于铯来极化氙所需的具有合适光Cs波长和足够高功率 的激光器，与相应的用于Rb的激光器相比却很少市售。

为能在应用宽带的高功率半导体激光器时利用尽可能多的光子， 在光泵激惰性气体时在几个大气压下操作。根据待极化的惰性气体种 类的不同，碱金属原子的光泵激是不同的。

为极化¹²⁹Xe，使在约7-10bar压力下的气体混合物连续或半连 续流过筒形玻璃池。该气体混合物由94％的⁴He、5％的氮和1％的氙 组成。该气体混合物的典型流速为1cm/秒。

超极化的核自旋和电子自旋依其环境或多或少快速弛豫。可区分 为纵向T₁弛豫时间(简称：T₁时间)即所谓的相邻自旋的自旋-晶格弛豫 和横向T₂弛豫时间即所谓的自旋-自旋弛豫。

在³He极化情况下，在极化器中的所需压力是由³He本身产生的， 因为Rb-³He碰撞的电子旋自弛豫率小。而在Rb-¹²⁹Xe的自旋交换泵 激情况下则并非如此，因此压力是通过附加的缓冲气体如⁴He产生的。 由不同的弛豫率和自旋交换率产生不同的极化要求。

在³He情况下，核自旋极化的建立时间以小时计。但因为铷-³He 碰撞的铷自旋破坏率也较小，所以可在高³He压下(＞5bar)操作。

相反，对于¹²⁹Xe，由于较大的自旋交换作用截面，其核自旋极化 建立时间为20-40秒。由于在光自旋交换泵激时铷-氙碰撞的非常大 的铷电子自旋弛豫率，氙分压只能小于100mbar，由此可保持足够高 的铷极化。因此在这种极化器中可使用⁴He作为缓冲气体进行线展宽。

极化器可设计成流动极化器如用于极化¹²⁹He，或设计成适于如³He 的具有封闭式样品池的极化器。

在流动式极化器中，气体混合物首先流过后面称为“贮备容器” 的容器，在该容器中存在有一定量的Rb。其中存在有铷的贮备容器与 接连的玻璃池一起经加热到约100-170℃。通过提供该温度使铷气 化。在气相中，气化的铷原子的浓度由贮备容器中的温度确定。该气 流将气化的铷原子从贮备容器转移进例如筒形样品池中。呈连续运行 的功率约为50-100瓦的提供环形极化光的强功率激光以轴向即在流 动方向上射透样品池，并将铷原子光泵激到高极化状态。该激光的波 长需与铷原子的光吸收线(D1线)相匹配。

换句话说，为将光的极化最佳转移到碱金属原子，该光的频率需 与光学跃迁的共振频率相一致。

该样品池处于约10高斯的静态磁场B₀中，该磁场由线圈，特别 是所谓的亥姆霍兹线圈对产生。该磁场的方向平行于样品池的筒轴或 平行于激光的辐射方向。该磁场用于导向极化的原子。通过激光器的 光以光高极化的铷原子在玻璃池中特别是与Xe原子碰撞，并将其极 化传递给氙原子。

由于铷的熔点比其余气体的熔点高，这就使铷在样品池的出口处 淀积在壁上。极化的氙或残余气体混合物继续从样品池导入冷冻部件 中。该冷冻部件由玻璃烧瓶制成，其端部浸在液氮中。该玻璃烧瓶还 置于＞1000高斯强度的磁场中。高极化的氙气作为冰淀积在冷冻部件 的内玻璃壁上。

在整个装置中的流动速度可经针形阀控制，并用测量仪测定。

如果流动速度增加太快，则没有时间将极化从铷原子转移到氙原 子上。因此仅达小的极化。如果流动速度太低，则要耗费太多时间来 使所需量的高极化氙冷冻。由于在Xe冰中的弛豫，氙原子的极化重 新下降。该氙原子的弛豫会通过冷冻以及通过该冷冻部件经受的强磁 场而明显减慢。因此需在极化后尽快和无损失地冷冻该惰性气体氙。 尽管不能通过冷冻完全避免弛豫，但在氙极化大大下降到不再可继续 应用起始的高极化气体之前，其在77K下保持约1-2小时。

为极化各个自由的碱金属原子，需要一定的能量。该所需的能量 相应于将碱金属原子的自由电子从基态提升到激发态的共振频率。为 将该能量从激光器最佳地转移到碱金属原子上，该激光器的光的频率 要与该碱金属原子的共振频率相一致。一些激光器在一定的频谱内发 射其光。其不是单一的频率，而是多种频率的分布。可供使用的激光 谱以所谓的线宽表征。为经济地极化碱金属原子，拟使用其频率和线 宽与碱金属原子的共振频率或光学线宽相一致的宽带半导体激光器。

为能将能量从缴光器较好地转移到碱金属原子上，在极化期间提 供适于碱金属原子的碰撞配偶体。⁴He原子特别可用作碰撞配偶体。 通过相互作用或通过与氦原子的碰撞展宽了碱金属原子的光学线宽。 该原子谱越宽，就越易于使用光谱宽的并从而廉价的激光器。

压力越高，则在碱金属原子和碰撞配偶体如⁴He之间的碰撞数越 高。例如对⁴He，碱金属原子光学线宽的展宽正比于氦气的压力。此 外，⁴He具有有价值的特性，即其对碱金属原子的极化仅有微小的有 害影响。因此在¹²⁹Xe极化时通常用达94％由⁴He组成以及压力为约10 bar的气体混合物运行。

用于Rb电子超极化的现有技术已知的100瓦强激光器是典型光 谱宽为2-4nm的玻璃纤维偶合的二极管激光器。在10bar的气体压 力下，铷原子的光学跃迁的线宽展宽到约0.3nm。因此在通常使用具 有2nm线宽的高功率二极管激光器进行光泵激的现有的铷-氙极化器 中，仅利用了一小部分激光器光。

在气体混合物中⁴He的分压最高为10bar。与通常的分压(氙或氮) 相比，其是非常高的。这应导致极化的碱金属原子或惰性气体原子极 少达到玻璃池的内壁并在那里例如由于与顺磁中心的相互作用而失去 其极化。随⁴He分压增加，极化原子不利地碰撞内壁的机率下降。

极化的碱金属原子如铷可产生荧光辐射。如果该辐射由其它极化 的碱金属原子所俘获，则该俘获将导致该碱金属原子去极化。在惰性 气体极化时在气体混合物中所用的氮用于阻止荧光，并由此阻止辐射 俘获。在气体混合物中的元素氮也如氙一样仅具有小的分压。该分压 通常约为0.1bar，

重的惰性气体原子如氙原子在与碱金属原子碰撞时会引起该碱金 属原子的极化的强烈驰豫。为在光泵激时保持该碱金属原子的极化尽 可能大，在气体混合物中氙气的分压需相应较小。甚至在气体混合物 中氙气的分压为0.1bar的情况下，仍需约100瓦的激光器功率，以在 整个样品体积中达到约70％的碱金属原子的极化。

按现有技术，具有合适组成的气体体积是通过筒形样品池压制 的。产生极化的激光器的光在样品池中被吸收。这时泵射束沿混合物 流向并平行于磁场照过样品池，该混合物包括可光泵激的物质和待超 极化的原子核。

相反，由US2002/0107439A1已知，激光以与流动的混合物呈逆 流方向照射入样品池。

在生物体系中，在血液中惰性气体核的短的纵向T₁时间以及在水 溶液中的小溶解度大大限制了超极化惰性气体的使用。例如对用于医 学目的，至今未能成功转移具有足够极化密度的¹²⁹Xe至脑中，因为 在血液中的该T₁时间仅很短(约10秒)，并且其转移技术也非常昂贵， 或甚至还未研制出这种转移技术。同样这也适用于论述中的其余惰性 气体。

在DE10238637A1中提出一种用于制备核自旋极化的液体的方 法。其中借助于光泵激或用斯特恩-革拉赫装置产生极化的Li原子束， 并导至液体上。

但其缺点是在原子束中的锂原子密度仅可达最高10¹³cm^-3。此外 该方法仅在小压力即＜10^-3mbar下可行。这显著限制了所产生的极化 Li原子或离子的总数(＜10¹⁵)。

对在生命科学和材料科学中使用超极化的⁶Li和⁷Li，希望的是较 大量即约10¹⁹超极化的Li⁺离子或Li原子的生产和贮备。

本发明的目的在于提供一种用于锂超极化的方法，该方法产生密 度高得多的或总数目大得多的极化锂原子或锂离子。

此外本发明的目的还在于提供一种用于制备较大量的固态或液态 的超极化物质的一般方法。

本发明的目的是通过权利要求1以及两附权利要求的总体特征的 的方法实现的。优选实施方案列于其从属权利要求中。

本发明的通过在样品池中的光泵激而超极化混合物中的锂原子的 方法的特征在于，借助于激光对第一类碱金属进行光泵激。然后导致 该第一类碱金属的光泵激电子自旋交换到基态的锂原子的电子上。

如下面所述，以此方式可替代现有技术已知的和如上所述具有显 著缺点的超极化惰性气体作为造影剂。

如表1所示，一系列碱金属可在其蒸气相中以不同难度进行光极 化。如果该碱金属作为带单一正电荷的离子如以盐的形式存在，则其 除少数例外(如LiF)外均易溶于水。

碱金属原子的所有原子核均有电核四极矩。但⁷Li⁺离子、²³Na⁺离 子、⁴¹K⁺离子、Rb⁺离子具有量级为0.1e·10^-24cm²的较大核四极矩， 以致其在水溶液中的核自旋极化会由于强的四极交换作用而较快速即 在约10ms(Na⁺)-18秒(⁷Li⁺)后衰变。¹³³Cs⁺虽有小的核四极矩(4·10^-3e·10^-24cm²)，但核自旋极化也由于大的斯特因海姆因子而快速衰变。 该斯特因海姆因子描述了由于与Cs离子的电子壳层的碰撞而使电场 梯度增强。

已知基于此观点，优异的候选者为⁶Li⁺离子。其具有非常小的核 四极矩(4.6·10^-4e·10^-24cm²)和小的斯特因海姆因子。此外其有小的 回转磁比即0.62kHz/G。

由此，⁶Li⁺离子的T¹时间可非常长。其为从在水相中的约10min 至对⁶LiD固体的大于2000h(在B＝0.4T和T＜1K时)。

因为超极化的相对⁶Li⁺较廉价、具有长的T₁时间并如此小，以致 在池中、多孔材料中、纳米通道或离子通道中的核自旋极化几乎可无 损失地扩散，所以其作为NMR示踪剂是所有超极化惰性气体的较好 替代物。

在本发明范畴中还可看出，高密度下的Li原子不可直接进行光泵 激。如表1所示，对于锂原子光学D1能级和D2能级相互非常接近(仅 0.12nm)。

这意味着，在中等缓冲气体压力(＞50mbar He气)下和在较大的 锂浓度(＞10¹²cm^-3)下，锂的D₁线或D₂线即已由于碰撞展宽而重叠。 结果，例如在环形极化泵激光下，Li原子的两基态会同时减少占据， 由此使Li基态的最终总极化几乎为零。

表1：碱金属原子的物理性质

其中：

η_alk：同位素丰度

I：核自旋

γ_alk：回转磁比

D₁线：²S_1/2→²P_1/2光学跃迁

D₂线：²S_1/2→²P_3/2光学跃迁

ω_hf：基态的超精细分裂

  物质   η _alk  I   γ_alk/2π   [kHz/G]   D₁线   [nm]   D₂线   [nm]   ω_hf/2π   [MHz]   ⁶Li   0.075   1   934.16   670.78   670.66   228.2   ⁷Li   0.925   3/2   700.621   670.78   670.66   803.5   23Na   1.0   3/2   700.621   589.59   588.99   1771.6   ³⁹K   0.931   3/2   700.621   769.90   766.49   461.72   ⁴¹K   0.0688   3/2   700.621   769.90   766.49   254.01   ⁸⁵Rb   0.7215   5/2   467.081   794.76   780.02   3035.73   ⁸⁷Rb   0.2785   3/2   700.626   794.76   780.02   6834.68   ¹³³Cs   1.0   7/2   350.31   894.35   852.11   9192.63

因此，在本发明方法的过程中，首先光泵激第一类碱金属(AM)如 Rb或K或还有Cs是有利的。该第一类碱金属在中等密度即＜10¹⁵cm^-3下被非常有效地泵激，即极化度是非常高的(＞80％)。

此外，在本发明范围内看到，可实现在呈基态的第一类碱金属原 子的光泵激电子与呈基态的锂原子的电子之间的自旋交换，其中Li原 子的密度可以非常高。在Rb和Li之间的该极化交换的速率为γ_eX^Rb，Li。

已发现，在所述的碱金属原子和锂原子之间的间接光泵激能特别 好地进行，只要可将极为侵蚀性的热的锂蒸气有控制地、即尽可能地 在避免壁接触和Li壁弛豫的情况下导入到样品池中，并可发生与第一 类碱金属如Rb、K或Cs的交换作用即可。由此要使一种设备适于实 施该方法，如下面将描述的。

与现有技术相比，有利的是在本发明方法中对Li极化过程和累积 过程不需真空，并且Li原子的密度可调节到比现有技术例如高出10³倍。

在本发明中，借助于第一类碱金属的间接光泵激有利的是可在样 品池中选用非常高的Li粒子浓度，如在约600℃温度下至少为10¹⁵cm^-3。优选在约750-1200℃下可调节为10¹⁶-10¹⁸cm^-3。但该锂原子 可用中等密度的第一类碱金属有效地间接极化。

对此可使用密度为约10¹²-10¹⁵cm^-3(碱金属气化温度：Cs：T＝70 -180℃，Rb：T＝100-200℃，K：T＝200-300℃)的Cs、Rb、K， 因为这样自旋交换率γ_eX^AM，Li比碱金属电子自旋的极化衰变率γ_sd要 高。

通过本发明方法可特别有利地提供较高密度的且极化度大于50％ 的超极化锂原子。

但在本发明的一个特别有利的方案中也可在另一方法步骤中氧化 超极化锂原子，并以此方法有利地提供、特别有利地是累积相应量的 Li⁺离子。该氧化的优点在于，Li离子的核的T₁时间比Li原子的T₁弛 豫时间长多个数量级，例如至少是长10¹⁵倍。

以此方法特别有利的是可累积Li⁺离子。该Li⁺离子可用作超极化 的MRT造影剂，通过此方法其可溶于合适的特别是生物相容的溶剂 中。

从以高密度存在的极化锂蒸气出发，通过氧化从每一锂原子中去 除一个电子，同时不会衰变Li核自旋极化。

特别有利的是，在电子传递过程中尽管有氧化还原反应，仍保持 了Li原子的核自旋极化。

为此，在本发明范围内可看出，利用的是所参与的Li原子的超精 细偶合常数。该关系在于，在其壳层电子上的Li⁶原子的核自旋与228 MHz的超精细偶合常数相偶合(见表1)。这意味，该超精细交换作用 的超精细周期约为4.3ns。因为该周期比电子传递时间(几ps)长1000 倍以上，因此该核自旋几乎完全不受影响并因此保持核自旋极化。以 此方法可产生、累积和贮备大量的⁶Li核自旋极化。

在固体或在合适的液体中，Li核的极化度可无困难地达到1- 90％。

作为氧化剂可使用如D₂、H₂或Cl₂气体。将该氧化剂例如导入样 品池的出口，并将超极化的锂原子氧化成Li分子或Li盐。将相应于 氧化剂的极化锂分子(盐)如LiD、LiH、LiCl引入冷阱。依所用冷却剂 相，该锂分子溶解或直接作为锂盐以固体形式在冷阱中析出。

特别是，呈固态的超极化的⁶Li核有特别长的T₁时间，例如对LiD 在磁场为0.4T和温度＜1K下为2000小时以上。在T＝77K时，T₁约为几小时。

另一应用目的决定了在产生极化的锂离子后所进行的处理的方 式。

因此本发明的可能应用决不是仅限于此。

更确切地说，如此制备的超极化Li盐可用于制备其它呈液态或固 态的超极化物质，其中，如下所述，可将Li⁺离子的核自旋极化转移 到阴离子的核自旋上。

对此通用的方法包括下列步骤：

-通过在样品池中用激光光泵激第一类碱金属和将第一类碱金属 的经光泵激的电子自旋交换到锂原子的电子上而超极化锂原子，

-将锂原子氧化成Li⁺离子，这时保持锂离子的核自旋极化，

-将Li⁺离子的极化转移到呈相应Li_xA_y固体(x，y是自然数)形式 的阴离子A的核自旋上。

下面论述相应涉及独立权利要求和从属权利要求的方法。

为超极化锂原子，引入样品池中的混合物除含第一类碱金属和锂 外还含例如N₂和⁴He。通过环形极化激化首先光激发呈蒸气的第一类 碱金属的D₁线，并使该碱金属原子的价电子的自旋呈高度极化。将由 碱金属蒸气和锂蒸气以及N₂和⁴He组成的总混合物连续导过加热的样 品池。附加的N₂作为所谓的猝灭气体抑制第一类碱金属的荧光。

⁴He气体用作缓冲气，并用于压力展宽第一类碱金属原子的D₁线， 以有效地吸收所使用的宽带激光辐射。

在本发明特别有利的方案中，该混合物可包括³He，这时该³He 的核自旋被间接光泵激的Li原子极化。该极化经⁶Li(或⁷Li)-³He超 精细交换作用实现。这里有利的是，在如10¹⁷锂原子情况下，³He核 极化的速度明显较大(自旋向上时间：＜1h)。

非常有利的是可使用具有通常1-4nm光学线宽的廉价的半导体 激光器作为泵激激光器。

流过样品池后，如上所述该超极化的锂由氧化剂氧化，并且所形 成的Li分子在离析器中和在＞0.05T的磁场中作为Li盐淀积，同时 在此过程期间进行累积。其他气相产物例如作为废气排出。

用此方法可有利地超极化⁶Li原子以及⁷Li原子，并氧化成其相应 的离子和实现累积。

通常锂原子应以密度至少为10¹⁴cm^-3，且第一类碱金属应以密度 至少为10¹²cm^-3导入样品池中和进行光泵激。然后发生自旋交换。

在这种高Li浓度情况下可确保在由超极化的Li化合物的长T₁时 间给出的最大累积时间中产生足够量的超极化的Li化合物。

为将锂转化成气相，该超极化要在＞500℃，特别是在约900℃下 进行。

随温度增加，样品池中锂原子的密度变大，且该密度可依温度按 需调节。

该锂原子特别有利地可通过加入氧化剂如Cl₂、I₂、Br₂、D₂、H₂或有机氧化剂氧化成Li⁺离子。通过氧化可按氧化剂的选择而有利地 产生相应的锂盐。该Li原子通过持续氧化和将气体混合物导入以例如 N₂或H₂O作冷却剂的冷阱中而在磁场＞0.05T时以相应的锂盐形式累 积到相当的量(例如最高达10¹⁹)。

在固体或在合适的液体中的Li核的极化度可无困难地达到1- 90％。

按本发明产生的锂盐可特别有利地作为极化介质用于超极化其它 阴离子的核。该阴离子的核自旋有利地具有长的T₁时间，并因此可被 贮存或需要时溶于溶剂以用于成像方法或NMR谱术中。

特别是可以以大于1％的极化度和如10¹⁹原子的相应量产生对核 自旋共振是如此重要的其特征为长T₁时间的核¹³C、³¹P、²⁹Si和一些 Al核。可设想，以此方法产生＞50％的极化度。

如果将例如按本发明制备的核自旋极化的⁶Li⁺Cl^-与其它阴离子A (A为例如CO₃^2-、SiO₄^4-、PO₄^3-、Al₂O₃)一起制成水溶液，则通过接着 的溶剂蒸发特别可得到相应的Li_xA_y盐即Li₂CO₃、Li₄SiO₄和Li₃PO₄。 要注意，这种方法仅用⁶Li作为极化介质才是可能的，因为溶解过程 和蒸发过程要持续几分钟，并在此时间内锂核自旋极化不应发生损失 (在H₂O中的⁶Li的T₁约为10分钟)。

因此，所有在Li_xA_y固体或溶液中的具有长的纵向T₁时间的核即 核⁶Li、¹³C、²⁹Si和³¹P等对该方法均是特别有利的。特别有利的是该 所述核的T₁时间是在几分钟至几小时范围内。表2中列出Li化合物 的T₁时间的实例。

表2：核⁶Li、⁷Li、¹³C、³¹P和²⁹Si在固体中的T₁弛豫时间

    化合物     核     T₁时间[min]     LiF     ⁷Li     5     LiCl     ⁷Li     40     LiD     ⁶Li     ＞60     Li₂CO₃    ¹³C     ＞20     XPO₄    ³¹P     ＞1     XSiO₄    ²⁹Si     ＞30

在离子型Li_xA_y固体中，只有借助于交叉极化法或场循环法才可 高效率地将大的Li⁺核自旋极化转移到¹³C、²⁹Si或³¹P核自旋上。

这时可将最高50％的Li核自旋极化转移到其它核上。

交叉极化是一种标准方法，其中借助于两个射频脉冲将自旋类A 的相干极化转移到自旋类B上。在大磁场情况下，该两自旋类应满足 所谓的匹配条件即也称为哈特曼-哈恩条件。当自旋类A和B的两射 频脉冲H₁^A和H₁^B的振幅满足条件γ_AH₁^A＝γ _BH₁^B时，该哈特曼-哈恩- 条件是满足的。在此，γ_A和γ_B是自旋类A和B的回转磁比。在场 循环法中，该匹配条件通过快速降低磁场达到值零而实现。这时实现 A和B之间的自旋极化的相干转移。

交叉极化和场循环仅当相关自旋呈永久偶极偶合时即相应自旋不 可相对相互移动时才起作用。在实际中固体能最好满足。在各质子上 呈偶极偶合的¹³C核磁化的增益因子在交叉极化过程后增大4倍就是 实例。

以此法核自旋极化的阴离子A可由于其长的纵向T₁时间而贮存 或进入合适的溶剂中，其可用作NMR探头或MRT探头。

通过该方法首次按所选固体或溶剂类型制备了用于MRT分析或 NMS分析的造影剂，其T₁时间为10min(如水中的⁶Li⁺)至几小时(如 在LiD中的⁶Li⁺、²⁹SiO₄固体)甚至还要更长。

该方法可有利地如此应用，即将气体混合物的成分(⁴He蒸气、N₂蒸气、锂蒸气和碱金属蒸气)如此导入样品池中，使混合物不接触或仅 在少范围接触样品池的内壁。

为此，该气体混合物可作为自由射流引入样品池中。术语自由射 流包括在样品池中展宽的射流或经屏蔽的射流，该射流不应接触接触 样品池的内壁，或相比现有技术仅在少范围接触样品池内壁。为此可 设想，导入由惰性气体如N₂和/或⁴He组成的保护性屏蔽流至样品池 中以将该混合物与其内壁分开。

这种措施是有意义的，因为热的锂蒸气反应性极强。

激光可以优选垂直于样品池中流动的混合物的流动方向射入样品 池中。用于光泵激所需的磁场选为平行于激光的展宽方向。这样，产 生的锂原子未经空间迂回或偏转地泵激、氧化和作为离子离析。

一种本发明的设备由蓝宝石或蓝宝石涂覆的石英玻璃制成或由其 它透明的耐锂和耐温的材料作为样品池的内衬制成。

有利的是可能会与热Li蒸气接触的样品池内壁包括耐Li材料。

该设备可包括至少一种部件，该部件可将由可光泵激的碱金属物 质和待超极化的核和/或其它惰性气体组成的混合物中的组分以使该混 合物不与样品池的内壁相接触的方式导入样品池中。

为此，该设备的有利特征在于有至少一个喷嘴作为部件。

这类部件在混合物注入样品池中时形成展宽的自由射流。

此外，该一种或多种部件可形成防混合物与壁接触的屏蔽流。

在用于超极化锂原子的设备中有利地如此配置一个或多个激光 器，以使激光可垂直于混合物的流向入射样品池中。

适于激光的样品池的入射窗离样品池的碱金属物质的入口有尽可 能远的间距。

该设备具有至少一个用于碱金属的贮罐。特别有利的是其中配置 有至少两个贮罐的装置：一个贮罐用于第一类碱金属，以及至少另一 个用于锂。

在本发明的另一有利的方案中，该设备具有至少两个加热系统： 一个用于第一类碱金属的贮罐，该第二个用于含锂的贮罐。

下面以实施例和附图详述本发明。

图1示出Rb和Li的谱项图。如所见，在Rb情况下和气压小于 10bar时，D₁线和D₂线在能量上是分开的，即仅D₁线被泵激。与此 相反，在Li情况下D₁跃迁和D₂跃迁的较高能级重叠；因此两基态能 级被激空。

如图1所示，Li的光D₁能级和D₂能级相互非常接近。即在中等 缓冲气体压力(＞50mbar)和较大Li浓度下，D₁线或D₂线即已通过碰 撞展宽而重叠。因此在气相中的Li原子在较高压力或较高浓度下不能 直接被光泵激。这意味着，例如在环形极化泵激光下，Li原子的两基 态(S＝+1/2，S＝-1/2)可同时被泵激，由此所产生的Li基态的总极化 几乎为零。

图2-3示出锂原子超极化的本发明原理和接着的作为累积基础 的氧化和其它超极化核的产生。

按本发明，Li并非直接而是间接地被第二类碱金属光泵激。这种 间接光泵激的机理示于图2。

另一类可被有效泵激的碱金属(Rb、K、Cs)可通过激光极化。在 基态的碱金属原子的经光泵激的电子和基态的Li原子的电子之间通过 碰撞发生自旋交换。在Rb和Li之间的极化交换的速度为γ_eX^Rb，Li。该 电子-电子自旋交换在例如⁴He的任意缓冲气压力下以及在Li原子的 大的粒子密度下可有利地进行。

由现有技术还未知在碱金属原子和Li原子之间的间接光泵激实 验。

其主要障得是与非常侵蚀性的热Li蒸气有关的技术困难。这至今 妨碍了用锂的超极化进行的分析。

但间接光泵激的主要优点是，Li粒子浓度可非常高(如10¹⁷cm^-3)， 并且用中等Rb密度(如10¹⁵cm^-3)仍可进行间接极化。

从具有高密度的经如此极化的Li蒸气出发可实现锂原子的氧化 (见图3)。

在通过氧化剂Ox引出Li原子的电子时的关键点是，在电子转移 过程中虽然存在氧化还原反应，但仍保持Li原子的核自旋极化。

按表2，⁶Li原子在其壳电子上的核自旋与228MHz的超精细偶 合常数相偶合。这表明超精细交换作用的超精细周期约为4.3ns。因 为该周期比电子转移的时间长1000倍以上，所以核自旋几乎完全不 受影响，因此保持了核自旋极化。假设虽然存在锂分子的其它弛豫通 道如自旋-旋转偶合，但Li离子以快于锂分子或盐的T₁时间溶入水相 或形成离子型固体(锂盐)，则最后仍保持化合物中或溶液中的⁶Li核自 旋极化。达到了足够量的贮备的⁶Li核自旋极化。

利用这一组合方法即混合光泵激与接着的电子转移过程(氧化)相 组合，可特别有利地达到大于50％和最高达90％的Li离子极化度。

下面通过光泵激Rb来制备、累积和贮存超极化的⁶Li离子的实例 再详述该方法。

首先可制备含足够高的碱金属密度的由He、N₂、Rb和Li组成的 气体流。气体流中的Li密度可例如约为10¹⁷cm^-3。这相应于约900℃ 的气化温度。约10¹⁵cm^-3的Rb密度是足够的，其相应T约为200℃。 Li密度与温度的关系示于图4中。

热的Li蒸气几乎侵蚀光泵激池的所有容器壁。因此通常的Pyrex 玻璃或Duran玻璃完全不适用。可设想例如用由蓝宝石(Al₂O₃)内涂层 的石英玻璃或蓝宝石池本身作为光泵激池的材料。

间接光极化的Li蒸气可在无极化损失的情况下作为离子转移到固 体中。例如Li原子可与气相反应剂Ox如Cl₂或D₂气反应并以固体盐 (LiD或LiCl)形式沉积。在固体中的Li离子的纵向T₁弛豫时间应尽可 能长，以在累积时间中尽可能减少极化损失。

图5示出本发明的Rb-Li射流极化器，该极化器通过碱金属的间 接光泵激适于锂的超极化产生过程。

在该方法中，由含约0.1bar N₂气和1-10bar ⁴He气的容器1中 将气体混合物3导入Rb贮槽4中。氮气用于光泵激时的猝灭。借助 线圈18将Rb贮槽感应加热到200℃，并从而产生约为10¹⁵cm^-3的Rb 密度。含Rb、⁴He和N₂的气流5通入Li贮槽6中，该贮槽用另一线 圈18加热到约900℃。这相应于Li密度约为10¹⁷cm^-3。如此得到的 由Li、Rb、⁴He和N₂组成的气流通过喷嘴呈自由射流7经展宽和扩 展进入光泵激池。该喷嘴的直径例如为15mm。该自由射流7在光泵 激池或样品池11中扩展，这时该自由射流7仅与池11的壁产生很少 接触。由此避免Li原子或Rb原子在壁上反应或去极化。

本发明的样品池由Al₂O₃或涂覆Al₂O₃的石英玻璃或其它透明的 耐锂和耐温的材料制成。

该混合物的典型气流速度约为100cm³min^-1。

紧接样品池11入口之后，气流7中的Rb原子由垂直于射流7进 入的两激光器的环形极化光8光极化到Rb-D₁线。该经光泵激的Rb 原子处于由Hallbach磁铁13产生的磁场14中，其场方向平行于激光 8的入射方向并垂直于气流方向。极化的Rb原子借助于电子-电子自 旋交换使Li基态极化。这种交换过程快速进行，通常在100μs之内 或更快；对于Li原子，通过自旋交换的极化时间大大短于Rb电子或 Li电子的纵向自旋弛豫时间。因为⁴He气压可自由选定(0.1-10bar)， 所以可应用廉价的约2nm的宽带半导体激光器来进行光泵激。

此外，在含Rb和Li的超极化气体混合物中还可混入氧化剂如D₂或H₂、Cl₂等。该氧化剂通过在样品池11的侧面配置的输入管9以相 对流向呈约45°混入。如可看到的，该混入在样品池11的出口处进行。

该氧化剂D₂氧化Li原子或Rb原子，这时形成LiD分子或RbD 分子。这些分子进入用液N₂或用水12冷却的阱10中，其中其以LiD 固体形式沉积。在H₂或Cl₂作为氧化剂的情况下，相应沉积出LiH或 LiCl。

该沉积过程在大于0.1T的磁场中进行(见Hallbach磁铁13)，因 为否则的话在固体中的Li核的T₁时间太短。在磁场＞0.1T情况下， 该优点是固体中的⁶Li(或⁷Li)离子的特别长的T₁时间，其在0.4T和77 K时例如对于⁶LiCl大于1小时。在77K时的⁶LiD的T₁时间的实验 测定未进行；⁶LiD在T＜1K和0.4T时的T₁时间是已知的：其约为2000 h。

因此，借助于本发明方法开辟了全新的前景。

气态产物(He、N₂、H₂、Cl₂、HD、可能还有O₂)经废气管和经针 形阀15排出。经针形阀15可控制连续的气流。最后一步例如可将超 极化的LiD(LiCl)与水混合，由此可得到在溶液中的超极化的Li⁺离子 或OH^-(Cl^-)离子和逸出的HD气体。

以所述的方法可使超极化的Li⁺离子累积总数为5·10²⁰。

随转移到阴离子上的超极化的⁶LiCl盐的累积与医学上的典型应 用实例一起可作为按从属权利要求的本方法的实施例。

具有Li密度约为10¹⁷cm^-3的超极化⁴He、Li、N₂、Rb气流7的流 量在7bar的总压力下为100cm³/min。总气压同样为7bar和Cl₂分压 为0.1bar的⁴He-Cl₂气体混合物经导入管9连续流入样品池11的气室， 这时其与超极化的Rb、Li原子反应形成LiCl或RbCl分子。该RbCl 或LiCl分子作为盐在冷的冷却体10上沉积。在例如10min的累积时 间时，密度为10¹⁷cm^-3的1000cm³的Li蒸气以固体LiCl的形式沉积 出来。这相应于约10²⁰超极化的Li离子的累积总数。

需要时该超极化的LiCl盐例如可完全溶于冷水中，并直接作为样 品的Li-NMR探头导入，例如注射给待检测的病人。因为水中⁶Li的 T₁时间约为10min，所以例如该⁶Li⁺离子可无明显极化损失地到达人 脑中或器官中，并用Li-MRT进行检测。

原则上可应用所有的卤化物作为备择性的氧化剂，如I₂、Br₂、Cl₂、 F₂气，还可能是简单的有机分子如CH₄。几乎所有的Li卤化物盐均有 长的T₁时间(如⁷LiCl的T₁＝40min)。这开启了可能的Li氧化过程或 电子转移过程的总化学。

在核自旋共振中作为超极化的Li盐的适用性与相应的Li-T₁时 间、其在所选溶剂中的溶解度和其生物相容性有关。

为超极化适于NMR或MRT的其它重要的核如¹³C、²⁹Si或³¹P， 可利用超极化的Li离子作为极化介质。

如果例如将核自旋极化的LiCl与其它阴离子A(如A＝CO₃^2-、 SiO₄^4-、PO₄^3-)一起制成溶液，则通过接着的溶剂气化特别可尤其得到 相应Li_xA_y盐即Li₂CO₃、Li₄SiO₄和Li₃PO₄。在Li_xA_y固体中的⁶Li、¹³C、 ²⁹Si和³¹P核的纵向T₁时间是长的，并在几分钟到几小时范围内。这 些相关核的T₁时间的实例列于表2中。

在离子型Li_xA_y固体中，现可借助于交叉极化法或场循环法将大 的Li核自旋极化以高效率转移到¹³C、²⁹Si或³¹P核自旋上。这时通常 为50％的Li核自旋极化被转移到其它核上。以此方法核自旋极化的 阴离子A会由于其长的T₁时间再次被引入到合适的溶剂中，在溶剂 中其可用作NMR或MRT探头。

在实施例中所述的反应物和方法步骤当然仅应理解为是示例性 的。

本领域技术人员可无困难地选用其它各方法步骤和参数(温度、密 度、流速、反应物)，以得到其它锂盐或核。适配于特别问题和检测对 象也是容易作到的。

关于化合物溶于生物相容的溶剂和其它的溶剂中以制备造影剂以 及交叉极化或场循环的方法可参考文献。

例如也可设想图6中所示的设备，用此设备也可实施本发明方法 以超极化锂原子。

图7示出氧化超极化的锂的反应区的截面放大图。按此建议在导 入氧化剂的上方位置处配置多孔壁5，该氧化剂例如以高浓液体经该 壁送入。该多孔壁5导致细分散作用和湍流以及形成反应层。该多孔 壁在样品池(如蓝宝石管)的中心有一开孔，通过该开孔流过气体产物 和反应产物，并作为锂盐8而沉积。

如对其它的实施例一样，Li原子通过持续的氧化和引入气体混合 物到用例如N₂或H₂O作为冷却剂的冷阱中在＞0.05 T的磁场中作为相 应的锂盐累积到相当的量(如达5·10²⁰)。

对图7可设想，在该位置不加入氧化剂，而是加入H₂CO₃、或H₃PO₄或H₄SiO₄或阴离子CO₃^2-、PO₄^3-或SiO₄^4-的高浓盐溶液。由此似乎也可 无需间接经由锂卤素盐而得到阴离子核。可能形成的冷凝物可通过引 出相应的溶剂而去除，并利用固体将极化转移到阴离子核上。

按此方案，全部方法可至少部分在液相中进行而不是在纯气相中 进行。