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。
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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。
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。
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15.
本方案介绍了一种 原位 采用电子顺磁共振(EPR)成像技术监测自旋探针在圆柱形多孔介质中的宏观平移扩散。该方法已在一个主客体体系中得到验证,其中客体为硝酰自旋探针3-(2-碘乙酰胺基)-2,2,5,5-四甲基-1-吡咯烷氧自由基(IPSL),主体为周期性介孔有机硅酸盐(PMO)气凝胶UKON1-GEL,溶剂为乙醇。此前该方案已成功应用16 用于比较 D大体的 通过电子顺磁共振成像确定 D微 对于主体材料 UKON1-GEL 和 SILICA-GEL 以及客体分子 IPSL 和 Tris(8-羧基-2,2,6,6-全氘代-四甲基-苯并[1,2-d:4,5-d′]双(1,3)二硫醇)甲基(三苯甲基),参见 图1.
在基于连续波(CW)电子顺磁共振(EPR)成像的其他方法中17,扩散过程发生在波谱仪外部。相比之下,本文介绍的方法采用原位(in situ)方式。在数小时内,连续记录一系列一维自旋密度分布 ρ1d (t, γ) 的快照。在此期间,快照依次获取,从而提供时间分辨率为约 5 分钟的实时扩散图像。
根据文献报道的方法16,18,19,在内径为3 mm的样品管中合成了UKON1-GEL和SILICA-GEL。UKON1-GEL和SILICA-GEL的合成过程会导致样品收缩。为防止客体分子在气凝胶与样品管管壁之间移动,需将样品置于热缩管中。对于那些可在样品管内直接合成且尺寸不发生变化的样品,此额外步骤并非必需。气凝胶样品在干燥后会发生坍塌,因此必须始终浸没在溶剂中。热缩管所需的加热温度高于常压下乙醇的沸点,因此本实验方案描述了使用高压锅以提高乙醇沸点的方法。
本方案涵盖了为电子顺磁共振(EPR)成像实验预先合成的UKON1-GEL样品的制备过程,以及用于监测IPSL自旋探针扩散行为的波谱仪设置。在数据分析方面,提供了本地编写的软件,并详细说明了其使用方法。来自波谱仪的原始数据可直接导入该软件。软件可计算空间一维自旋密度分布 ρ1d (t, γ),并考虑了谐振腔的灵敏度分布。用户可选择气凝胶的某一区域及特定时间窗口,用于确定扩散系数。软件将根据所选区域自动确定扩散方程的边界条件,并求解该扩散方程。同时支持最小二乘法拟合,以确定使数值解与实验数据最匹配的宏观扩散系数 Dmacro 值。
只要样品的横截面积在整个样品中保持不变,该方案即可通过适当调整用于不同的客体和主体材料,即 ρ1d (t, γ) 可直接反映浓度,且不受样品横截面积变化的影响。Dmacro 可测值的范围估计16在 10-12 m2/sec 至 7·10-9 m2/sec 之间。
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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


2. 确定磁场梯度强度和时间分辨率
3. 准备样品
注意:佩戴安全眼镜。
注意:始终将气凝胶完全浸没在溶剂中。气凝胶的照片和示意图参见图2。
4. 准备光谱仪
5. 准备测量样品
注意:本方案中唯一关键的时间步骤为 5.3 至 6.2,即从加入自旋标记物开始扩散过程,直到光谱仪开始数据采集为止。执行这些步骤时不得引入任何延迟。
6. 进行扩散实验
7. 执行数据分析所需的额外实验
注意:在扩散实验结束后,立即使用同一份样品直接进行7.1和7.2节中的实验,期间不得移动样品。
8. 数据分析
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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...
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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...
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作者无任何利益冲突需要披露。
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。
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| 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 |
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