Measurements of blood spin polarization relaxation times by Nuclear Magnetic Resonance in Ultra-Low magnetic fields

Relaksometria stanowi technikę Magnetycznego Rezonansu Jądrowego (MRJ) o szerokich możliwościach zastosowania i jest tym samym mniej kosztowną i wymagającą technicznie alternatywą do dwóch pozostałych technik, czyli spektroskopii oraz obrazowania. Technika ta polega na pomiarze czasów relaksacji T1 i T2, które charakteryzują właściwości relaksacyjne spinów jądrowych układu. Na ich podstawie możliwa jest charakteryzacja właściwości biochemicznych badanego układu.Procesy relaksacyjne zależą od siły zewnętrznego pola magnetycznego, którego wpływ na długość czasów relaksacji był badany w ramach niniejszej pracy. Pomiary wykonano za pomocą dwóch spektrometrów działających w różnych reżimach pól magnetycznych. Za pomocą komercyjnie dostępnego wysokopolowego spektrometru typu benchtop operującego w polach magnetycznych rzędu 1,4 tesli analizowano różnice między czasami relaksacji pełnej krwi, osocza oraz surowicy, jak i badano wpływ starzenia się w podwyższonej stałej temperaturze 40◦C na zmiany czasów relaksacji powyższych typów krwi. Drugi wykorzystywany spektrometr nie był komercyjnie dostępny i operował w bardzo słabych polach magnetycznychw zakresie 10 − 510 μT tesli. Umożliwiał on zbadanie wpływu tych pól na czasy relaksacji w celu wykazania tzn. dyspersji relaksacyjnej. Na podstawie uzyskanych wyników wykazano występowanie różnic w czasach relaksacji między składowymi krwi oraz stwierdzono wyraźne zmiany tych czasów w wyniku efektu starzenia się pełnej krwi, podczas gdy w osoczu oraz surowicy zmiany te były minimalne. Zmierzono również czasy relaksacji pełnej krwi oraz osocza w bardzo słabych polach dla kilku próbek w stałym polu oraz dla jednej próbki w zmieniającym się polu. Na podstawie wyników możliwe było zauważenie różnic między tymi rodzajami krwi, jak i wykazano wpływ słabego zewnętrznego pola magnetycznego na wartości czasów relaksacji. Dla obu czasów stwierdzono dyspersję relaksacyjną w odniesieniu do wyników pomiarów w wysokich polach. Otrzymane obserwacje oraz wnioski pozwalają na zaimplementowanie ich do dalszych badań w tym obszarze, w celu rozwoju metod relaksometrycznych jako potencjalne narzędzie do badań diagnostycznych.

Relaxometry is a Nuclear Magnetic Resonance (NMR) technique with a wide range of applications and is therefore a less expensive and technically demanding alternative to the other two techniques, i.e. spectroscopy and imaging. This technique consists in measuring the T1 and T2 relaxation times, which characterize the relaxation properties of the nuclear spins of the system. The analysis of that parameters allows to characterize the biochemical properties of the analyzed system.The relaxation processes depend on the strength of the external magnetic field, the influence of which on the values of the relaxation times was investigated in this work. Measurements were performed using two spectrometers operating in different regimes of magnetic fields. Using a commercially available high-field benchtop NMR spectrometer operating in magnetic fields of the order of 1.4 Tesla, the differences between the relaxation times of whole blood, plasma and serum were analyzed, as well as the effect of aging at an elevated constant temperature of 40◦C on changes in the relaxation times of the above types of blood. The second spectrometer used was not commercially available and operated in ultra-low magnetic fields in the range of 10 − 510 μT Tesla. The influence of these fields on relaxation times in order to demonstrate relaxation dispersion was studied. On the basis of the obtained results, differences in relaxation times between blood components were demonstrated, and clear changes in these times were found as a result of the aging effect of whole blood, while in plasma and serum these changes were minimal. Relaxation times of whole blood and plasma in ultra-low fields were also measured for several samples in a setted field and for one sample in a changing field. Based on the results, it was possible to notice differences between these types of blood, as well as the influence of low magnetic fields on the values of relaxation times. For both times, relaxation dispersion was found in relation to the results of measurements in high fields. The obtained observations and conclusions allow to implement them for further research in this area, in order to develop relaxometric methods as a potential tool for diagnostic tests.