一种实验方案 原位 利用电子顺磁共振（EPR）成像技术监测客体分子在多孔介质中的扩散。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本文展示了一种利用电子顺磁共振（EPR）成像监测宏观平移扩散的方法。以周期性介孔有机硅（PMO）气凝胶UKON1-GEL为宿主、乙醇为溶剂、硝酰基自旋探针3-(2-碘乙酰胺基)-2,2,5,5-四甲基-1-吡咯烷基氧化物（IPSL）为客体的主客体体系为例，描述了该实验方案。数据来自先前发表的研究，其中该方案已分别应用于IPSL和三(8-羧基-2,2,6,6-全氘代-四甲基-苯并[1,2-d:4,5-d′]双(1,3)二硫杂环戊烯)甲基（Trityl）作为客体分子，以及UKON1-GEL和SILICA-GEL作为宿主体系的情况。
本方法用于制备因在合成过程中发生尺寸变化而无法在测量用样品管中直接合成的气凝胶样品。采用热缩管和压力锅将气凝胶固定在样品管上，以达到所需温度，同时防止溶剂在过程中蒸发。该方法不假设在测量开始时客体分子具有明确的初始分布，而是要求在气凝胶顶部设置一个储液层，并在数据分析过程中实验测定其流入速率。
通过记录样品内一维自旋密度分布，持续监测20小时内的扩散过程。定量描述了成像实验的波谱仪设置。提供数据分析软件，用于考虑探头灵敏度分布，并对扩散方程进行数值求解。该软件通过最小二乘法最小化实验数据与扩散方程数值解之间的差异，从而确定宏观平移扩散系数。
引言
多孔材料在催化和色谱等实际应用中起着重要作用1。通过引入表面官能团并调节孔径大小和表面性质，可将这些材料定制用于特定应用2,3。多孔材料的功能在很大程度上取决于客体分子在孔道内的扩散特性。对于多孔材料，必须区分微观平移扩散系数 Dmicro 和宏观平移扩散系数 Dmacro ：前者描述分子尺度上的扩散行为，而后者则受到分子穿过多个孔道、晶界、孔道曲折度以及材料不均匀性等因素的影响。
有多种磁共振方法可用于研究扩散，每种方法适用于特定的空间尺度。在毫米尺度上，可采用核磁共振（NMR）成像4 以及电子顺磁共振（EPR）成像（如本方案所述）可用于研究。通过在核磁共振（NMR）和EPR实验中使用脉冲场梯度，可实现对更小尺度的探测。5,6在纳米尺度上，可通过观测自旋探针之间海森堡交换相互作用的变化来应用电子顺磁共振（EPR）波谱技术7,8. 利用电子顺磁共振成像研究平移扩散的应用范围涵盖工业催化剂载体， 例如， 氧化铝9，到各向异性流体10,11由聚合物凝胶制成的药物释放系统12-14 以及模型膜<....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
警告：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。乙醇如吞咽或吸入有害，且具有易燃性。
1. 优化连续波电子顺磁共振（CW EPR）参数
- 将IPSL以1 mM的浓度溶于乙醇（p.a.）中，配制40 µl溶液。
- 使用移液控制器将IPSL溶液吸入毛细管中，填充高度为2 cm。再将溶液向上吸入毛细管1 cm，使溶液下方留有空气间隙。用毛细管密封胶将毛细管两端密封。该空气间隙可防止密封胶成分扩散进入样品中。
- 在距离毛细管上下两端各1 cm处，分别缠绕约5 cm长的聚四氟乙烯（PTFE）胶带两圈。
- 将毛细管插入电子顺磁共振（EPR）样品管（内径4 mm）中。确保PTFE胶带使毛细管固定在样品管的中心轴线上。将毛细管推至样品管底部。
- 将样品放入谐振腔中，并使自旋标记溶液位于谐振腔中心位置。
- 按照光谱仪操作手册中的说明，调节光谱仪以实现临界耦合。
- 初步光谱仪设置
- 利用微波频率，通过以下公式设定中心磁场 B：
- 利用微波频率，通过以下公式设定中心磁场 B：
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
收缩管内气凝胶的照片和示意图如图2a和2b所示。图2c中的二维EPR图像清晰地显示了气凝胶的上边缘。气凝胶上方样品管内ρ1d的强度较低，尽管该区域中自旋探针的浓度至少与气凝胶内部相当。然而，由于样品管内径较小，垂直于图像平面的样品深度要小得多。需要注意的是，EPR图像显示样品管内无气泡，且气凝胶在收缩管收缩过程中似乎未产生任何裂纹。
图8a展示了三苯甲基（Trityl）在UKON1-GEL中的扩散热图。图8c展示了IPSL在UKON1-GEL中的相同数据。图8b和图8d分别显示了与（a）和（c）中实验数据相匹配的.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
该方案可用于监测顺磁性客体分子的扩散过程。选择一维成像方法是因为与二维或三维成像相比，它具有更高的时间分辨率。一维成像要求样品的横截面积保持恒定，因为所获得的一维图像的强度不仅取决于浓度，还取决于样品的横截面积。该方法还要求样品中自旋探针的电子顺磁共振（EPR）谱图仅在强度上发生变化，而形状保持不变；否则需采用更为耗时的光谱-空间成像方法，而这超出了本方案的范围。此外，当样品观测区域长度在1 mm至1 cm之间、观测时间在1小时至72小时之间时，该方法仅适用于宏观扩散系数 Dmacro 介于10-12 m2/sec 与 7·10-9 m2/sec 之间的体系16。
尽管UKON1-GEL和SILICA-GEL已在样品管中合成，但在制备过程中样品会发生收缩，从而在气凝胶与样品管管壁之间形成间隙，这会阻碍采用一维成像方法来监测扩散过程。该问题已通过将气凝胶置于热缩管内得以解决。对于气凝胶与样品管之间无间隙的样品，可直接.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢 Peter Imming 教授和 Diana Müller 合成三苯甲基自旋探针，感谢 Sebastian Polarz 教授、Martin Wessig 和 Andreas Schachtschneider 合成多孔材料。感谢德国研究基金会（DFG，项目编号 DR 743/7-1）以及 SPP 1570 项目提供的经费支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| X波段波谱仪 | Bruker | E580 | |
| 波谱仪软件 | Bruker | Xepr 2.6b.108 | |
| 梯度线圈系统 | Bruker | E540 GCX2 | |
| 成像谐振器 | Bruker | TMHS 1007 | |
| 微量经典移液器控制器 | Brand | 25900 | |
| 50 µl 微量毛细管环帽 | Hirschmann | 9600150 | 内径 0.5 mm |
| 内径 2 mm 的EPR样品管 | Bruker | ER 221TUB/2 | |
| 内径 4 mm 的EPR样品管 | Bruker | ER 221TUB/4 | |
| 热缩管 DERAY-IB | DSG-Canusa | 2210048952 | 4.8 mm/2.4 mm，收缩比 2:1，使用温度范围 95 °C - 200 °C |
| 热风枪 | Bosch | PHG 600-3 | |
| PTFE 带 | VWR | 332362S | 宽度 12 mm |
| 试管 | 长度 16 cm，直径 1.5 cm | ||
| 烧杯 | 250 ml，高度 9 cm，直径 7 cm | ||
| 毛细管密封装置 | Fisher Scientific | 02-678 | |
| 压力锅，3 L，带蒸架 | Beem | Vital-X-Press V2, F1000675 | |
| 带加热元件的磁力搅拌器 | |||
| 乙醇（分析纯） | |||
| 乙醇（工业级） | |||
| 注射器 | Hamilton | 1705 | 0.05 ml，定制长度：20 cm |
| 巴斯德毛细吸管 | 长度 23 cm | ||
| 数据分析软件 | 自制 | 可从 http://www.uni-konstanz.de/drescher/software 下载。需使用 Matlab。 | |
| UKON1-GEL | 由 Prof. Sebastian Polarz、Martin Wessig 和 Andreas Schachtschneider 惠赠 | 合成方法见参考文献 16、18、19 |
参考文献
- Schüth, F., Sing, K. S. W., Weitkamp, J. Handbook of Porous Solids. , Wiley-VCH Verlag GmbH. Weinheim, Germany. (2002).
- Hoffmann, F., Cornelius, M., Morell, J., Fröba, M. Silica-Based Mesoporous Organic-Inorganic Hybrid Materials. Angew. Chem. Int. Edit. 45 (20), 3216-3251 (2006).
- Sanchez, C., Boissière, C., ....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
