方法文章

通过电子顺磁共振和校准气体流量探索碳表面的激进性质

DOI：

10.3791/51548

⸱

2014年4月24日

 ,  ,  ,  , 
1Chemistry Institute, The Hebrew University of Jerusalem, 2Biological Chemistry Department, Ariel University, 3Chemistry Department, Faculty of Exact Science, Bar Ilan University, 4Chemistry Department, Ben-Gurion University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

稳定自由基存在于碳底物通过海森堡自旋交换与顺磁氧相互作用。这种相互作用可以显著STP条件下，通过在碳制流动的反磁性气体减少。这个手稿描述了一个简单的方法来描述这些自由基的性质。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

虽然第一电子顺磁共振（EPR）就氧化碳自由基的结构和稳定性影响的研究可以追溯到20世纪80年代初的早期论文的焦点主要特征的变化对结构极其恶劣的条件下（pH值或温度）1-3。它也被称为顺磁性分子氧经过与稳定自由基的海森堡自旋交换作用是极其开阔的EPR信号4-6。最近，我们报道，其中分子氧与现有的稳定的自由基结构的某一部分的这种相互作用可以被可逆地简单地受到通过在STP 7的碳样品流过一个反磁性气体有趣的结果。例如He，CO 2和N 2的流量也有类似的影响这些相互作用发生在大孔体系的表面积。

这个手稿突出了实验吨echniques，工作起来，对影响碳结构的现有稳定的自由基性质分析。希望这将有助于对在社区这些互动的在逃进一步发展和理解。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

不同的C / H / O原子（重量％）的比率基板目前不同类型和稳定的自由基，通过电子顺磁共振（EPR）是检测到的浓度8。这些基团依赖于大分子的结构和它们的芳族性质的高度影响。煤自由基的EPR光谱，其特征在于由单一的宽共振。在这种情况下，只对g值时，线条宽度和自旋浓度可以得到。 EPR谱的G-值可以被用于确定是否一个基是碳中心或氧为中心的。基本方程为电子塞曼相互作用figure-introduction-1定义的g值，其中h是普朗克常数，v是在实验中所施加的恒定MW频率，B 0是谐振磁场和βe为玻尔磁子。对于自由电子的g值是2.00232。 V在从2.00232的g值ariations涉及涉及未成对电子的轨道角动量，其化学环境的磁相互作用。有机基团通常具有G-值接近自由电子克，这取决于自由基在有机基质3，8-10的位置。碳中心自由基具有G-值是接近自由电子的g值2.0023。碳中心自由基与相邻的氧原子具有在2.003-2.004范围内较高的G-值，而中心的氧自由基具有G-数值> 2.004。为2.0034-2.0039的g值的特征是碳中心自由基在附近的氧杂原子而导致增加的G-值较纯碳中心自由基11-15。线宽是由自旋 - 晶格驰豫过程支配。因此，相邻的基团之间或自由基与顺磁氧导致的减少之间的相互作用在自旋晶格弛豫时间，并因此增加了线宽4-6。

停止流动的实验与EPR检测允许观察在EPR信号在两个阶段通过时间扫描采集（动能显示）的相互作用过程中一个独特的字段值的振幅随时间变化。这种测量的结果是一个速率常数的形成，腐烂或转换的顺磁性物质。该过程是类似的完善与其中的光吸收在一个独特的波长的时间依赖性，观察光检测停止流的操作的情况。典型地停止流动实验以液体状态进行与未EPR在液体状态检测由于短的弛豫时间T 1的基团，如，例如羟基（OH×）或超氧化物（O 2 - ）不能直接由EPR-停止研究流技术。它是，但是，possibl e来研究自旋加合物，这些基团与硝酮，产生氮氧自由基型（自旋过滤器），因为它们是EPR-活性和它们的动力学也可以监视由停止流动EPR 16-18。

利用快速流动的气体的技术与EPR检测化学反应速率的测量方法也曾被证实19-22。在本质上，该方法依赖于测量，通过EPR，反应物作为距离的函数的浓度（并因此以恒定的速度，时间）超过该反应物已在与反应气体接触的流管。条件，使反应气体的浓度是大致恒定的，通常采用使测得的衰减是假一级。

在目前的工作中，一个简单的气体流量设置实施和气体的恒定流量被引入到固体碳基体的表面。

ntent">有在当前工作中详述的方法，我们成功地实现了，其中分子氧与现有的稳定的自由基结构的某一部分的这种相互作用可以被可逆地简单地受到通过在STP下的碳样品流过一个反磁性气体有趣的结果。作为这种方法的结果是除去相互作用的顺磁性气体的揭示了新的基面有g值，这是更接近于自由电子。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1，准备样品的碳

  1. 磨碎碳样品所需部分尺寸（在此，煤样品研磨成之间74-250毫米的分数大小）。
  2. 在磨削过程中砂轮机应在规范的环境中举行（AC冷却到20°C）。此外，吹扫研磨室用氮气之前研磨的流动在此阶段最小化氧化。
  3. 转移碳样品可密封罐和更换空气气氛氮气。保持样本中的温度调节室（AC冷却至20℃）。
  4. 通过在真空炉中加热该碳样品在惰性环境下制备的碳样品的EPR测量。 （为了除去吸附的水而制得。）
  5. 将每个样品在真空烘箱内开放的玻璃小瓶中（ 图1A）。
  6. 关闭真空烤箱门，更换气氛在室内无线个氮气或氩气，然后加热至60℃。
  7. 保持这些条件下放置24小时。
  8. 关闭烘箱，并允许温度达到室温。然后，打开烤箱，取出样品瓶。
  9. 塞子用橡胶隔片和铝盖（ 图1B）的样品小瓶中。
  10. 使用真空系统（ 图1C），以除去氧气的所有痕迹。
  11. 药瓶连接到系统并密封阀1-5。
  12. 打开真空泵和压力表。
  13. 打开阀1，等到显示器显示〜0.1毫巴的真空。
  14. 确保泄漏极小，通过关闭阀1和计数到30，如果压力增加不大于3毫巴比系统的密封是足够的。
  15. 开阀2和除去大气中的小瓶 - 等到压力返回到步骤1.14确定的初始压力值，并再次测试渗漏。
  16. 如果有多个小瓶是贝因克做在同一时间（阀2-4）然后重复步骤1.15为每个阀门。
  17. 实现真空和有效地清除剩余的气氛的小瓶中后，以期望的气体代替大气。
  18. 关闭阀1，立即打开阀门5，让压力达到0.5个大气压。
  19. 关闭阀5和开阀1，除​​去气体，等到返回到起始真空阀（吹扫1）。
  20. 关闭阀1，立即打开阀门5，让压力达到0.5个大气压。
  21. 关闭阀5，开阀1，除​​去气体，等到返回到起始真空阀（吹扫2）。
  22. 关闭阀1，立即打开阀门5，让压力达到1.0个大气压，然后关闭阀门5。
  23. 关闭阀2和向下轻轻拔出该针取出小瓶。
  24. 除去小瓶打开阀1和后，从真空系统中清除的气体。
  25. 在关闭真空泵，开阀2，以允许空气进入系统，并同时关闭所述泵（这防止了油的回流）。

2，装入EPR3毫米石英管

  1. 冲洗管的EPR用乙醇和干燥与N 2。
  2. 从所需的煤样去除铝密封件。
  3. 轻轻转动EPR管的开口端插入填充有碳样品的小瓶中。
  4. 按下并转动EPR管，然后轻轻拍打，直到试样均匀分散在底部。
  5. 填充管以这种方式高达至少1.5厘米的长度。
  6. 轴封采用腻子约0.5-1.0厘米长（ 图2A）的橡胶腻子铁氟龙管的末端。

3，设置流动系统

  1. 将石英管放入EPR谐振器，请确保EPR管装满煤的部分填满整个谐振腔。
  2. 这里报道的EPR测量是CONDucted在室温292-297 K。
  3. 设置一个罐用所需流量的气体（N 2，CO 2，赫）确保有2个操作阀门，以控制流动（ 图2B）。
  4. 连接橡胶管连接到油箱。确保该长度达到EPR石英管具有足够的拉力的前端，以便不把应变在石英管中。
  5. 一个流量控制器连接到橡胶管来监测气体流动。
  6. 通过使用小针头插入管通过橡胶特氟隆腻子。
  7. 插入针头，直到它在接近（约3-4厘米以上的煤表面）的样品，但足够远从样品以免影响磁场（ 图2C）。
  8. 离开流关闭（调整后只能打开流量）。
  9. 戳在橡胶腻子的孔释放流出气体。

4。EPR测量

  1. 打开EPR谱仪之三。
  2. 调整，没有气流。打开微波炉调节面板，找到浸达33.0 dB的功率，并使用自动调谐以获得最佳的调谐条件..
  3. 将微波功率为2.0毫瓦，在这个功率没有饱和。
  4. 开2D实验中，作为磁场和时间的函数。
  5. 设置实验的参数如下:
    微波功率为2.0毫瓦
    调制振幅= 1.0克
    时间常数= 60毫秒
    扫描宽度= 100g的
    延迟= 120秒
    点的场扫描扫描= 1024号
    点号作为时间= 50的函数
  6. 开始测量周期。
  7. 打开气体流动。
  8. 在样品达到平衡，并没有进一步的变化在EPR线的形状，这些参数后，分别测量它们之间的120秒的延迟，大约25 CW-EPR谱，停止气体流动。样品暴露在大气中，并继续进行测量，直到50秒pectra获得，或直至达到平衡。有停止燃气的流量后不需要再调整。测量自动继续，每个CW-EPR谱之间120秒的延迟。
  9. 如果到达以较慢的速度平衡，增加点的数量作为时间的函数。
  10. 如果达到以更快的速度的平衡，减少每次扫描之间的延迟时间。

5。数据分析

  1. 模拟使用MATLAB的23实施easyspin工具箱每个EPR场扫描光谱。采取两种考虑，在每个物种的g值，线宽，以及电子顺磁共振谱的贡献程度装有通过编写程序文件，如下所示:
    清晰，CLF，CLC
    ％负载实验文件
    expdata =负载（'t0s.txt'）;
    ％定义的物种一个自旋系统
    SysC.g = 2.004;
    SysC.lwpp = 0.62;
    ％定义实验参数规格IES 1
    Exp.mwFreq = 9.85764; ％以GHz
    Exp.Range = [347 357]; ％为mT
    Exp.Harmonic = 1;
    ％计算连续波EPR谱的生物种类之一
    [BX，specX] =辣椒（SYSC，地契）;
    ％定义物种两个自旋系统
    SysC2.g = 2.0028;
    SysC2.lwpp = 0.145;
    ％定义实验参数进行种内的两个
    Exp2.mwFreq = 9.85764;
    Exp2.Range = [347 357];
    Exp2.Harmonic = 1;
    ％计算连续波EPR谱种的两个
    [BX2，specX2] =辣椒（SysC2，Exp2后）;
    X = 0:0.1:1;
    ％结合两个物种的光谱。
    spectot = 1.0 * specX +0.0 * specX2;
    ％绘制实验和模拟光谱。
    BX * 10，spectot，expdata（:，1），expdata（:，2））;

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结果

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当预成型的各类煤样的EPR实验，作为曝光时间的函数的反磁性气体流有人指出，气体流动过程中，第二个物种在g〜2.0028出现。这g值是接近自由电子的值，并与未取代的脂族碳中心自由基一致。然而，总自旋浓度为每一个样品我们的实验误差范围内保持恒定（±10％） 图3A给出两个扫描:0秒和1,900秒后煤样已暴露于CO 2气体（HA）。电子顺磁共振谱1,900秒的特点是两个物种。一个在g = 2.004，线宽为5.5 G和第二个物种，这是在g = 2.0028窄得多，具有2.0 G.对于HA的线宽，人们发现，形成的该第二物种的速率为〜500秒（ 图3B）。然而，形成该第二自由基物种的比率是每个煤样不同，一次被发现的100-5,000秒的范围内。有趣，形成该第二物种的，稳定化后的程度是类似的所有煤样品，并评价为〜相对于初始自旋浓度4-5％。然而，自旋的其余部分对应于任一克〜2.003-2.0032，碳中心自由基（BA，SA）或g〜2.004（碳为中心的自由基与相邻的氧原子。）占主导地位的自由基种的各样品中的不同的G-值是依赖于煤的性质，如8

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

碳材料的表面氧化是显著的工业和学术兴趣。碳底物氧化的影响已被鉴定具有广泛的分析技术，包括EPR。当调查的分子氧与碳基材如煤具有倾向发生氧化（因此它主要利用作为能源资源）的相互作用的样品制备和储存是极其重要的。

我们的样品是已经海外运送大型货舱为能源行业的煤炭利用基板。即使该样品在运输过程中由于发生一些氧化，我们试图通过随后将它们存储在N 2下并在冷藏区域阻碍进一步氧化。作为样品进行测量样品之前，吸附空气中的水必须始终真空中于60℃下放置24小时下进行干燥。

而我测量的ThOD很简单的条件和测量的类型还没有被我们的工作7日前报道。以确保该样品被正确地干燥，并进行校准，以使动力学的精确估计，在气体 - 固体界面的气体流量和压力是十分重要的。在这方面更复杂的设置，例如那些先前尝试用气体流量的实验可以适用于提高我们的结果19-22。

为了确保平衡确实达到密封的EPR管在真空或氮气环境中的碳样品，还必须检查，以确定这...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

没有利益冲突的声明。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

SR承认以色列科学基金会的支持下，不授予。十二分之二百八十零。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
EPR 波谱仪BrukerElexsys E500
EPR 石英管Wilmad-Lab 玻璃
真空烘箱 HeraeusVT6060
平衡丹佛仪器100A
高真空硅脂VWR International59344-055
特氟龙腻子 
实验室（橡胶）塞Sigma-AldrichZ114111
铝制压接密封 Sigma-AldrichZ114146
手动压接器Sigma-AldrichZ114243
硼硅酸盐样品瓶 Sigma-AldrichZ11938
橡胶管 
铝制软管夹
螺丝刀 
定制真空系统 
玻璃储气瓶 
BD 常规斜面针BD305122
氦气  Oxar Ltd
氩气    Oxar Ltd
CO2 99.99%Maxima
N2 99.999%Oxar Ltd
O2Maxima
AirMaxima

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Jezierski, A., Czechowski, F., Jerzykiewicz, M., Chen, Y., Drozd, J. Electron parametric resonance (EPR) studies on stable and transient radicals in humic acids from compost, soil, peat and brown coal. Spectrochim. Acta A. 56 (2), 379-385 (2000).
  2. Ottaviani, M. F., Mazzeo, R., Turro, N. J., Lei, X. EPR study of the adsorption of dioxin vapours onto microporous carbons and mesoporous silica. Micropor. Mesopor. Mat. 139 (1-3), 179-188 (2011).
  3. Pilawa, B., Wieckowski, A. B., Pietrzak, R., Wachowska, H. Multi-component EPR spectra of coals with different carbon content. Acta Physica Polonica. A. 108 (2), 403-407 (2005).
  4. Kweon, D. -H., Kim, C. S., Shin, Y. -K. Regulation of neuronal SNARE assembly by the membrane. Nat. Struct. Biol. 10 (6), 440-447 (2003).
  5. Merianos, H. J., Cadieux, N., Lin, C. H., Kadner, R. J., Cafiso, D. S. Substrate-induced exposure of an energy-coupling motif of a membrane transporter. Nat. Struct. Biol. 7 (3), 205-209 (2000).
  6. Xu, Y., Zhang, F., Su, Z., McNew, J. A., Shin, Y. -K. Hemifusion in SNARE-mediated membrane fusion. Nat. Struct. Mol. Biol. 12 (5), 417-422 (2005).
  7. Green, U., Aizenshtat, Z., Ruthstein, S., Cohen, H. Reducing the spin-spin interaction of stable carbon radiclas. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (17), 6182-6184 (2013).
  8. Green, U., Aizenshtat, Z., Ruthstein, S., Cohen, H. Stable radicals formation in coals undergoing weathering: effect of coal rank. Phys .Chem. Chem. Phys. 14 (37), 13046-13052 (2012).
  9. Weil, J. A., Bolton, J. R. Electron Paramegntic Resonance: Elementary theory and parctical applications. , 2nd edition, John Wiley & Sons. New Jersey. (2007).
  10. Aizenshtat, Z., Pinsky, I., Spiro, B. Electron spin resonance of stabilized free readicals in sedimentary organic matter. Org. Geochem. 9 (6), 321-329 (1986).
  11. Dellinger, B., et al. Formation and stabilization of persistent free radicals. Proc. Combust. Inst. 31 (1), 521-528 (2007).
  12. Kausteklis, J., et al. EPR study of nano-structured graphite. Phys. Rev. B. Condens. Matter Mater. Phys. 84 (12), 125406-125411 (2011).
  13. Pol, S. V., Pol, V. G., Gedanken, A. Encapsulating ZnS and ZnSe nanocrystals in the carbon shell: a RAPET approach. J. Phys. Chem. C. 111 (36), 13309-13314 (2007).
  14. Ross, M. M., Chedekel, M. R., Risby, T. H., Lests, S. S., Yasbin, R. E. Electron Paramagnetic Resonance spectrometry of diesel particulate matter. Environm. Int. 7, 325-329 (1982).
  15. Tian, L., et al. Carbon-centered free radicals in particulate matter emissions from wood and coal combustion. Energy Fuels. 23 (5), 2523-2526 (2009).
  16. Jiang, J., Bank, J. F., Scholes, C. P. The method of time-resolved spin-probe oximetry: its application to oxygen consumption by cytochrome oxidase. Biochemistry. 31 (5), 1331-1339 (1992).
  17. Jiang, J., Bank, J. F., Scholes, C. P. Subsecond time-resolved spin trapping followed by stopped-flow EPR of Fenton products. J. Am. Chem. Soc. 115 (11), 4742-4746 (1993).
  18. Lassmann, G., Schmidt, P. P., Lubitz, W. An advanced EPR stopped-flow apparatus based on a dielectric ring resonator. J. Magn. Reson. 172 (2), 312-323 (2005).
  19. Breckenridge, W. H., Miller, T. A. Kinetic Study by EPR of the Production and Decay of SO(1Δ) in the Reaction of O2(1Δg) with SO(3Σ. J. Chem. Phys. 56 (1), 465-474 (1972).
  20. Brown, J. M., Thrush, B. A. E.s.r. studies of the reactions of atomix oxygen and hydrogen with simple hydrocarbons). Trans. Faraday Soc. 63 (1), 630-642 (1967).
  21. Hollinden, G. A., Timmons, R. B. Electron Spin Resonance study of the kinetics of the reaction of oxygen (1. DELTA.. zeta.) with tetramethylethylene and 2,5,-dimethylfuran. J. Am. Chem. Soc. 92 (14), 4181-4184 (1970).
  22. Westenberg, A. A. Applications of Electron Spin Resonance to Gas-Phase kinetics. Science. 164, 381-388 (1969).
  23. Stoll, S., Schweiger, A. EasySpin, a comprehensive software package for spectral simulation and analysis in EPR. J. Magn. Reson. 178 (1), 42-55 (2006).

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