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Artículo de método

Monitoreo in situ de la difusión de las moléculas huéspedes en medios porosos Usando Resonancia paramagnética de electrones

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DOI:

10.3791/54335

⸱

2 de septiembre de 2016

 ,  , 
1Department of Chemistry, Universität Konstanz

En este artículo

Resumen

Se presenta un protocolo para la monitorización in situ de la difusión de moléculas huésped en medios porosos mediante imágenes de resonancia paramagnética electrónica (EPR).

Resumen

Se demuestra un método para monitorizar la difusión traslacional macroscópica mediante imágenes de resonancia paramagnética electrónica (EPR). Para describir el protocolo, se utiliza como ejemplo un sistema huésped-huésped con sonda de espín de nitrógeno 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetrametil-1-pirrolidiniloxi (IPSL) como huésped dentro del aerogel organosilicológico mesoporoso periódico (PMO) UKON1-GEL como huésped y etanol como disolvente. Los datos se muestran a partir de una publicación anterior, donde el protocolo se ha aplicado tanto a IPSL como a Tris(8-carboxi-2,2,6,6-perdeutero-tetrametil-benzo[1,2-d:4,5-d"]bis(1,3)dithiol) metilo (Trityl) como moléculas invitadas y UKON1-GEL y SILICA-GEL como sistemas huéspedes.

Se muestra un método para preparar muestras de aerogel que no se pueden sintetizar directamente en el tubo de muestra para su medición debido a un cambio de tamaño durante la síntesis. El aerogel se une a los tubos de muestra mediante un tubo termorretráctil y una olla a presión para alcanzar la temperatura necesaria sin evaporar el disolvente en el proceso. El método no supone una distribución inicial claramente definida de las moléculas invitadas al inicio de la medición. En su lugar, requiere un depósito en la parte superior del aerogel y determina experimentalmente la tasa de afluencia durante el análisis de datos.

La difusión se monitorea continuamente durante un período de 20 horas mediante el registro del perfil de densidad de espín 1d dentro de la muestra. Los ajustes del espectrómetro para el experimento de imagen se describen cuantitativamente. Se proporciona un software de análisis de datos para tener en cuenta el perfil de sensibilidad del resonador y resolver numéricamente la ecuación de difusión. El software determina el coeficiente de difusión traslacional macroscópica mediante la minimización por mínimos cuadrados de la diferencia entre el experimento y la solución numérica de la ecuación de difusión.

Introducción

Los materiales porosos desempeñan un papel importante en aplicaciones prácticas, tales como la catálisis y la cromatografía 1. Mediante la adición de grupos de superficie y el ajuste de las propiedades de tamaño de poro y de la superficie, los materiales se pueden adaptar a la aplicación deseada 2,3. La funcionalidad del material poroso depende fundamentalmente de las propiedades de difusión de las moléculas huésped en el interior de los poros. En los materiales porosos, una distinción debe hacerse entre lo microscópico de traslación constante de difusión D micro, que describe la difusión en una escala de longitud molecular por un lado y lo macroscópico de traslación constante de difusión D macro por otra parte, que está influenciada por la difusión a través de múltiples poros, límites de grano, tortuosidad y falta de homogeneidad del material.

Hay varios métodos de resonancia magnética disponible para estudiar la difusión, cada uno adecuado para una parteicular escala de longitud. En la escala de milímetros, de resonancia magnética nuclear (RMN) de formación de imágenes de resonancia 4 y paramagnética electrónica (EPR) de formación de imágenes (tal como se presenta en este protocolo) se puede utilizar. Escalas más pequeñas se hacen accesibles mediante el uso de gradientes de campo pulsado en RMN, así como experimentos de EPR 5,6. En la escala de nanómetros, espectroscopia EPR puede ser utilizado por la observación de cambios de la interacción de intercambio Heisenberg entre las sondas de espín 7,8. Los estudios de difusión traslacional utilizando la gama de imágenes EPR de catalizador industrial apoye, por ejemplo, óxido de aluminio 9, a anisotrópico fluidos 10,11, sistemas de liberación de fármacos hechos de geles de polímero de 12 - 14 y 15 membranas modelo.

Este protocolo presenta un enfoque in situ utilizando imágenes de EPR para controlar la difusión de traslación macroscópica de sondas de espín en cilíndrico, medios porosos. Se demuestra por un sistema hospedador-huésped que consiste en THsonda de correo nitróxido giro 3- (2-yodoacetamido) 2,2,5,5-tetrametil-1-pirrolidiniloxi (IPSL) como invitado en el interior del organosilica mesoporosa periódica (PMO) aerogel UKON1-GEL como anfitrión y etanol como solvente. Este protocolo con éxito ha sido utilizado anteriormente 16 para comparar D macro tal como se determina con imágenes EPR con D micro para el material de relleno UKON1-gel y gel de sílice y IPSL especies de huéspedes y Tris (8-carboxi-2,2,6,6-tetrametil-perdeutero-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) ditiol) metilo (tritilo), véase la Figura 1.

En otros métodos basados ​​en imágenes de onda continua (CW) 17 EPR, la difusión se lleva a cabo fuera del espectrómetro. En contraste, el método presentado aquí utiliza un enfoque in situ. Una serie de instantáneas de la distribución de la densidad ρ 1d 1d giro (t, γ) esregistrada durante un período de varias horas. Durante este tiempo, una instantánea se toma después de la otra y entrega un patrón de difusión en tiempo real con una resolución de tiempo de aproximadamente 5 min.

UKON1-GEL y de gel de sílice se han sintetizado en tubos de muestra con un diámetro interior de 3 mm como se describe en la literatura. 16,18,19 El UKON1-GEL y la síntesis de gel de sílice conduce a una reducción de la muestra. Las muestras se colocan dentro de un tubo termo-retráctil para evitar que las moléculas huésped se mueva entre el aerogel y la pared del tubo de muestra. Este paso adicional no es necesario para las muestras que se pueden sintetizar directamente en el tubo de la muestra sin cambiar su tamaño. El colapso muestras de aerogel cuando se secan, por lo que deben ser sumergidos en un disolvente en todo momento. La temperatura que se necesita para el tubo de contracción de calor es mayor que el punto de ebullición del etanol a presión ambiente. Por lo tanto el protocolo describe el uso de una olla a presión para elevar lapunto de ebullición del etanol.

El protocolo abarca la preparación de la muestra de UKON1-GEL sintetizado de antemano para el experimento de formación de imágenes EPR y los ajustes del espectrómetro que se utilizan para controlar la difusión de sonda de giro IPSL. Para el análisis de datos, se proporciona software escrito localmente y su uso se describe. Los datos en bruto desde el espectrómetro se pueden cargar directamente. El software calcula el espacial 1d 1d ρ distribución de la densidad de giro (t, γ) y tiene en cuenta el perfil de sensibilidad resonador. El usuario puede seleccionar una región del aerogel y una ventana de tiempo, durante el cual la constante de difusión ha de ser determinado. Entonces, el programa determina las condiciones de contorno de la ecuación de difusión en base a que la selección y resuelve la ecuación de difusión. Es compatible con por lo menos para formar cuadrados para encontrar el valor de la macro D, donde la solución numérica mejor se ajuste a los datos experimentales.

El protocolo se puede utilizar con ajustes para diferentes huéspedes y de acogida materiales siempre y cuando el área de la sección transversal de la muestra no cambia en toda la muestra, es decir 1d ρ (t, γ) da acceso directo a la concentración y no se ve influenciada por un cambio en la sección transversal de la muestra. El rango de valores accesibles para D macro se estima que el 16 entre 10 -12 m 2 / seg y 7 · 10 -9 m 2 / seg.

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Protocolo

Precaución: Por favor, consulte a todas las hojas de datos de seguridad de materiales pertinentes (MSDS) antes de usar. El etanol es dañino si se ingieren o inhalan y es inflamable.

1. Optimizar la ola (CW) Parámetros EPR continuas

  1. Preparar 40 l de etanol en IPSL (PA) a una concentración de 1 mM.
  2. Tomar un controlador de pipeta y llenar un capilar con la solución IPSL a una altura de llenado de 2 cm. Tirar de la solución de 1 cm más allá en el capilar de modo que hay un espacio de aire por debajo de la solución. Sellar el capilar en ambos extremos con tubo capilar compuesto de sellado. El espacio de aire evita la difusión de los componentes del compuesto de sellado en la muestra.
  3. Envolver dos tiras de politetrafluoroetileno (PTFE) de cinta de aproximadamente 5 cm de longitud alrededor del capilar a una distancia de 1 cm desde el extremo superior e inferior del capilar.
  4. Poner el capilar en un tubo de muestra EPR (4 mm de diámetro interno). Asegúrese de que la cinta de PTFE mantiene el capilarfijado en el eje central del tubo de muestra. Empuje el capilar hasta la parte inferior del tubo de muestra.
  5. Ponga la muestra en el resonador y el centro de la solución marcador de espín dentro del resonador.
  6. Sintonizar el espectrómetro para el acoplamiento crítico siguiendo las instrucciones del manual del espectrómetro.
  7. Ajustes del espectrómetro preliminares
    1. Utilice la frecuencia de microondas para establecer el campo centro B utilizando la fórmula
      figure-protocol-1
      donde g ≈ 2.003 es una estimación aproximada para el factor g del radical no apareado en el marcador de espín de nitróxido, h es la constante de Planck y Mu B es el magneton Bohr.
    2. Establecer un nuevo experimento "field_sweep" con el campo magnético como abscisa y la intensidad de la señal en ordenadas. Utilice los siguientes parámetros: Centerfield que la calculada en el paso anterior, anchura de barrido: 400 G, modulatide la amplitud: 0,8 G, modulación de frecuencia: 100 kHz, microondas atenuación: 30 dB, el número de puntos: 2.048, número de exploraciones: 1, tiempo de exploración: 80 seg, constante de tiempo: 50 ms.
    3. Activar el modo de Ajuste de escaneo. Para la instalación de la equidistancia, seleccione el valor más bajo que ofrece el espectrómetro. Ajustar la ganancia del receptor a un valor en el que la señal mostrada llena 80% del rango de intensidad que se muestra, de modo que incluso con el ruido ningún punto de datos tiene una intensidad mayor que 80% del máximo. Desactivar Ajuste de escaneo después.
    4. Presione el botón "Ejecutar".
    5. Leer el valor del campo del cruce por cero de la pico central a partir del espectro obtenido. Establecer el campo central a ese valor.
    6. Tome la herramienta de línea horizontal y se mide la anchura del espectro desde el punto en el pico más a la izquierda comienza a elevarse por encima del nivel basal hasta el punto de que los picos de más a la derecha vuelve al nivel basal.
    7. Ajuste el ancho de barrido de tres veces el ancho espectro.
  8. Volver a calcular los parámetros del espectrómetro
    1. Calcular el tiempo de barrido: Barrido de velocidad de ancho / barrido. Utilice una velocidad de barrido de 5 g / seg.
    2. Calcular el número mínimo de puntos de datos: 10 * anchura de barrido ancho / línea.
    3. Calcular el tiempo de conversión: tiempo de barrido / número de puntos de datos.
    4. Calcular la constante de tiempo: 0,1 * * ancho de la línea de tiempo de exploración / anchura de barrido.
  9. Medir una curva de saturación para determinar el óptimo de energía de microondas
    1. Ajuste la atenuación de microondas a 10 dB y ajustar la ganancia del receptor como se describe en el paso 1.7.3.
    2. Ajuste la atenuación de microondas a 50 dB y registrar un espectro. Si la relación señal a ruido es menor que 5: 1, aumentar el número de exploraciones. Repita este paso hasta que la relación señal a ruido es 5: 1 o mayor.
    3. Crear un nuevo experimento de "saturación" usando el campo magnético como abscisa 1, la potencia de microondas como abscisa 2 y la intensidad de la señal en ordenadas. Copiar todos los ajustes de The experimento "field_sweep" desde el paso 1.9.2. Para abscisa 2, establecer el valor inicial de la atenuación de microondas a 10 dB, el valor de incremento de 1 dB y el número de puntos a 41 para cubrir un rango de 10 dB a 50 dB. Ejecutar el experimento.
    4. Crear una hoja de cálculo de la curva de saturación. Insertar la atenuación de microondas en dB en la primera columna.
    5. Calcula la raíz cuadrada de la potencia de microondas en au en la segunda columna con la fórmula
      figure-protocol-2
      donde x es la atenuación de microondas en dB de la primera columna.
    6. Utilice el software del espectrómetro para medir la intensidad de pico a pico de la línea espectral central para cada una atenuación de microondas en el experimento. Escribe que la intensidad en la tercera columna en la hoja de cálculo.
    7. Trazar la raíz cuadrada de la potencia de microondas contra el pico de intensidad máxima (columna 3 frente a la columna 2) para obtener la curva de saturación. incluDE El origen (0,0) en la trama.
    8. Identificar el régimen lineal de la curva de saturación. La potencia de microondas óptima es la más alta potencia de microondas que está todavía en el régimen lineal. Utilice el ajuste de atenuación correspondiente para todos los experimentos posteriores.

2. Determinar la intensidad de campo de gradiente magnético y la resolución temporal

  1. Crear un nuevo experimento en el software espectrómetro con el campo magnético como abscisa 1 y la intensidad de la señal en ordenadas. Habilitar los controles bobina de gradiente.
  2. Copiar todos los ajustes del espectrómetro del experimento anterior como se indica en 1.8 y 1.9.8.
  3. Establecer la fuerza gradiente de campo magnético a 170 G / cm en la dirección del eje de la muestra que señalan hacia arriba.
  4. Calcular la anchura de barrido SW = sw 0 + FOV · G, donde sw 0 es la anchura de barrido determinado en 1.8.4, en ausencia de un gradiente de campo magnético,FOV es el campo de visión (2.5 cm) y G es la fuerza de gradiente de campo magnético.
  5. Calcular el estimado pixel size = ancho de línea / G, usando el ancho de línea del espectro registrado en 1.9.3, en ausencia de un gradiente de campo magnético.
  6. Calcular la velocidad de barrido tiempo = sw / barrido. Utilice la misma velocidad de barrido como en 1.8.1.
  7. Calcular el número mínimo de puntos de datos deseado con el valor más alto de
    i. N 1 = 10 * anchura de barrido / ancho de línea
    ii. N 2 = 10 * campo de visión (G * tamaño de píxel) /.
  8. Calcular el tiempo de conversión: tiempo de barrido / número de puntos de datos.
  9. Calcular la constante de tiempo: 0,1 * ancho de línea * tiempo de exploración ancho / barrido o inferior.
  10. Establecer los parámetros calculados en 2.3 a través 2.9 y pulse el botón "Ejecutar".
  11. Medir el nivel de ruido de la línea de base, así como la intensidad de pico a picode la línea central con la herramienta de línea vertical. Calcular la relación señal a ruido.
  12. Si la relación señal a ruido es inferior a 5: 1, el doble del número de exploraciones en el panel de "exploración" de los parámetros del espectrómetro y repita los pasos 2.1.3 a través de 2.11.

3. Preparar la Muestra

Precaución: Use gafas de seguridad.

Nota: Mantenga el aerogel completamente sumergida en el disolvente en todo momento. Vea la Figura 2 para una fotografía y esquemática.

  1. Llene una placa de Petri de 10 cm de diámetro con etanol (PA) hasta una altura de 5 mm.
  2. Ponga el aerogel en la placa de Petri y cortar una pieza cilíndrica de 5 mm a 1 cm de longitud.
  3. Preparar un pedazo de tubo de contracción por calor que es de alrededor de 1 cm más largo que el cilindro de aerogel.
  4. Utilice un cortador de tubo de vidrio para romper un tubo de muestra de 2 mm de diámetro interior para crear dos piezas de longitud 4 cm. Ambas piezas deben tener dos extremos abiertos.
    Precaución: Use gafas de seguridad y guantes adecuados cuando se opera la pistola de calor. No dirigir el flujo de aire hacia la piel o la ropa y mantenerlo lejos de materiales inflamables.
  5. Inserte una de las piezas de tubo de la muestra 5 mm de profundidad en un extremo de la tubería del encogimiento del calor. Utilice una pistola de calor para calentar cuidadosamente este extremo de la tubería del encogimiento del calor sin encoger el resto de la tubería. El tubo termorretráctil ahora debe fijarse en el tubo de vidrio.
    1. Sumergir esta combinación de tubo de vidrio y tubo de contracción por calor en la placa de Petri del aerogel. Empuje con cuidado la pieza de aerogel desde el paso 3.2 en el extremo abierto del tubo de contracción por calor.
  6. Llenar un tubo de ensayo con etanol (PA) hasta una altura de 7 cm. Transferir la muestra a partir de la placa de Petri en el tubo de ensayo. Al hacerlo, asegúrese de que el extremo abierto del tubo termorretráctil se orienta a la parte superior. Asegúrese de que el aerogel está completamente sumergido en etanol.
  7. Inserte la segunda pieza de 4 cm de largotubo de la muestra de la etapa 3.4 en el extremo abierto del tubo de contracción por calor. No aplique una fuerza, la gravedad debería ser suficiente para cerrar las brechas entre el aerogel y las piezas de tubo de muestra. Poner el tubo de ensayo con la muestra en un vaso de precipitados.
  8. Llene una olla a presión con al menos 500 ml de etanol y añadir una barra de agitación.
  9. Colocar el vaso que contiene la muestra sobre un salvamanteles el interior de la olla a presión.
    Precaución: Realice el siguiente paso bajo una campana de humos y continuar usar gafas de seguridad.
  10. Cocine y revuelva las muestras a un ajuste de presión de 1 bar por encima de la presión ambiente en el agitador magnético. La temperatura debe alcanzar al menos 90 ° C. Dejar enfriar tan pronto como se alcanza la presión y el vapor de etanol comunicados de válvula de presión. Si el tubo de contracción por calor no se redujo, repita este paso.
    Nota: Inmediatamente limpiar la olla a presión con agua para minimizar el efecto del etanol sobre las válvulas de sellado. En este punto, la muestra preparada puede almacenarse en etanol para sevemeses RAL.

4. Preparar el espectrómetro

  1. Crear un experimento 2D usando el campo magnético como abscisa 1, el tiempo como abscisas 2 y intensidad de la señal como la ordenada, de modo que un barrido de campo magnético se registra para cada paso de tiempo. Habilitar los controles bobina de gradiente.
  2. Ajuste el retardo de tiempo entre medidas a cero. Establecer los otros parámetros como se determina en el apartado 2. Definir el número de puntos para el eje de tiempo de 20 horas / tiempo de barrido. Ajuste el puente de microondas para realizar un ajuste fino después de cada escaneo rebanada.
  3. Siga los pasos en la sección 1.7 para sintonizar el espectrómetro al resonador vacío.

5. Preparar la muestra para la medición

Nota: El único momento en pasos críticos de este protocolo son 5.3 a través de 6.2, que es desde el principio del proceso de difusión con la adición de la etiqueta de giro hasta el momento de la adquisición de datos en el espectrómetro comienza. Realice estos pasos sin introducircualquier retraso.

  1. Poner un dedo en la parte superior de la muestra de la sección 3 para mantener la solución de etanol fluya hacia fuera en la parte inferior. A continuación, utilice una jeringa para eliminar algo de etanol a partir de la parte inferior 5 mm del tubo de muestra más bajo y sellar ese fin con masa de obturación del tubo. Asegúrese de que hay una burbuja de aire de 2 mm de altura por encima de la masa de relleno.
  2. Eliminar todo el etanol a partir del tubo de muestra por encima del aerogel a excepción de 3 mm justo por encima del aerogel con una pipeta capilar Pasteur.
  3. Inyectar 20 l de solución de marcador de espín en etanol en la parte superior del aerogel. Asegúrese de no crear una burbuja de aire en la parte superior del aerogel. Marcar la hora actual como inicio del proceso de difusión.
  4. Colocar la muestra en un tubo de muestra con 4 mm de diámetro interior. Utilice cinta de PTFE para centrar la muestra.
  5. Utilice un rotulador para marcar el tubo de muestra exterior en una posición de 68 mm por encima del borde superior del aerogel. Esto ayuda a centrar correctamente la muestra en el resonador y pone el cintroducir del resonador 1 mm por debajo del borde superior de la aerogel.

6. Realizar el experimento de difusión

  1. Colocar la muestra en el resonador de forma que la marca de 5,5 se alinea con la parte superior del soporte de PTFE del resonador y sintonizar el espectrómetro para el acoplamiento crítico como se describe en el manual de operación del espectrómetro.
  2. Utilice el modo de exploración de configuración para ajustar la ganancia del receptor como se describe en 1.7.3, mientras que las bobinas de gradiente todavía están apagados.
  3. Iniciar el experimento que se ha establecido en el apartado 4. Anotar la hora actual. Espere 20 hr para el experimento para terminar o detener el experimento, cuando la señal grabada no cambia en el transcurso de 4 horas o más. Guardar el resultado.

7. Realizar Experimentos adicionales necesarios para el análisis de datos

Nota: Llevar a cabo los experimentos en los apartados 7.1 y 7.2 con la misma muestra directamente después del experimento de difusión y sin moving la muestra.

  1. Registre la función de dispersión de punto de deconvolución
    1. Cambiar al experimento de campo "barrido" de la etapa 1.7.2. Copiar todos los ajustes del experimento en el paso 6.
    2. Registrar un espectro y medir la relación señal a ruido. Si es menos de 20: 1, aumentar el número de exploraciones y repetir este paso. De lo contrario guardar el espectro.
  2. Realizar un experimento de imágenes 2d
    1. Crear un nuevo experimento en el espectrómetro con el campo magnético como abscisa 1, el ángulo de la gradiente de campo magnético como abscisa 2 y la intensidad de la señal en ordenadas. Copiar los parámetros desde el paso 6. Ajuste el plano de la imagen con respecto al plano YZ, que es el plano que incluye la dirección del campo magnético estático B 0 y el eje de la muestra.
    2. Establecer el número de ángulos N de la dirección del gradiente de tamaño de píxel N = FOV / deseada o superior.
    3. Iniciar la medición y guardar el resultado.
    4. Repita THe pasos en 7.1 y guardar el resultado.
  3. Medir el perfil de sensibilidad del resonador
    1. Preparar otra muestra de la sonda de espín en solución repitiendo los pasos 1.1 a 1.5, pero esta vez añadir 4 cm de la solución en el capilar en lugar de 2 cm.
    2. Siga los pasos en la sección 2 para registrar un espectro de la muestra con un gradiente de campo magnético en la dirección del eje de la muestra. Para el paso 2.3, utilizar un campo de visión de 3 cm. Guardar el resultado.
    3. Repita la medición en ausencia de la gradiente de campo magnético y guardar el resultado.

Análisis de datos 8.

  1. Reconstruir el experimento de imágenes 2d
    1. Cargar el experimento de imágenes 2D a partir de 7.2.3 en la ventana principal del software del espectrómetro.
    2. Cargar el experimento a partir de 7.2.4 en la ventana secundaria del software del espectrómetro.
    3. Ir a la producción> Transformaciones> Deconvolución, seleccionar la rebanada: todo y haz clickaplicará a realizar una deconvolución.
    4. Guardar los datos en el disco deconvolved.
    5. Utilice el software de reconstrucción de imágenes de libre acceso 20 con el siguiente comando: reconstruir --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 256 --size
    6. Cargan el resultado de 8.1.5 en el software del espectrómetro para su posterior consulta.
  2. Analizar el Experimento de Difusión de grabación
    1. Ejecutar el software de análisis de datos y vaya a la pestaña "carga" del software se muestra en la Figura 3. Cargar el experimento de difusión desde el paso 6.3 en "experimento de difusión". Cargar la función de dispersión correspondiente de la etapa 7.1.2 bajo "experimento de difusión w / o degradado". Cargar el resultado del paso 7.3.2 bajo "experimento perfil resonador" y el resultado del paso 7.3.3 bajo "perfil exp resonador w / o degradado".
    2. Ir a la pestaña de sensibilidad resonador se muestra en la Figura 4 para realizar una deconvolución de los datos del experimento 7.3.2 7.3.3 usando como función de dispersión. Disminuir el valor de la potencia de ruido hasta que el resultado no es claro, entonces elevarlo hasta que el ruido desaparece.
    3. Ir a la pestaña perfil de densidad giro 1d se muestra en la Figura 5 con el fin de deconvoluir cada barrido de campo registrado en 6.2 utilizando el experimento de 7.1 como función de dispersión. Disminuir el valor de la potencia de ruido hasta que el resultado no es claro, entonces elevarlo hasta que el ruido desaparece.
    4. Cambie a la pestaña área de recorte se muestra en la Figura 6. Seleccione un área del mapa térmico de difusión que se encuentra completamente dentro del aerogel y donde sonda de giro está a punto de entrar desde arriba en el primer paso del tiempo esa zona. En caso de duda, cargar la imagen reconstruida a partir de 8.1.6 en el software del espectrómetro para ayudar a identificar la posición exacta del aerogel.
    5. Aumentar el área del paso 8.2 en la dirección descendente de la muestra de modo que no hay problema de centrifugadoe alcanza el límite inferior de la zona dentro del tiempo del experimento. Vea la Figura 6 para referencia.
    6. Cambie a la pestaña afluencia se muestra en la Figura 7 y ajuste a presión. El panel de la izquierda muestra la integral de la región recortada desde 8.2.5 lo largo del eje de posición.
    7. Compruebe que la curva que se muestra en el panel central comienza en cero e inmediatamente comienza a subir. Si ese no es el caso, volver a 8.2.5.
    8. Compruebe que la línea roja se muestra en el panel central sigue los puntos de datos de color negro.
  3. Simular la concentración de la vuelta 1d con el tiempo y Ajustar el coeficiente de difusión
    1. Cambie a la pestaña coeficiente de difusión y de ajuste a presión.
    2. Espere a que los resultados del cálculo.
    3. Verificar que los datos experimentales que se muestran a la izquierda coinciden con los datos numéricos que se muestran a la derecha.
    4. Leer el valor del coeficiente de difusión de traslación macroscópica D macro que es displayEd en la pantalla.

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Resultados

Una foto y esquemática de un aerogel dentro del tubo de contracción se muestran en las Figuras 2a y 2b. La imagen de EPR 2d en la figura 2c muestra claramente el borde superior del aerogel. La intensidad de 1d ρ dentro del tubo de muestra por encima de la aerogel es menor aunque la concentración de la sonda de giro es al menos tan alta como en el aerogel. Sin embargo, la profundidad de la muestra perpendicular al plan...

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Discusión

El protocolo permite la monitorización de la difusión de moléculas huésped paramagnéticas. Un enfoque de formación de imágenes 1D ha sido elegido debido a que permite una resolución de tiempo mayor en comparación con las imágenes 2D o 3D. El enfoque 1d requiere un área de sección transversal constante de la muestra debido a que la intensidad de la imagen 1d obtenido depende no sólo de la concentración sino también en el área de la sección transversal de la muestra. El método requiere también que los espectros EPR de las...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores agradecen a los Prof. Peter Imming y Diana Müller por la síntesis de la sonda de espín Trityl y a los Prof. Sebastian Polarz, Martin Wessig y Andreas Schachtschneider por la síntesis de los materiales porosos. Se agradece el apoyo financiero de la DFG (DR 743/7-1) y del SPP 1570.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Espectrómetro de banda XBrukerE580
Software del espectrómetroBrukerXepr 2.6b.108
sistema de bobina de gradienteBrukerE540 GCX2
resonador de imagenBrukerTMHS 1007
controlador de pipeta microclásicoMarca25900
tapones de anillo microcapilares 50  y micro; lHirschmann9600150diámetro interior 0,5 mm
tubo de muestra EPR 2 mm diámetro interiorBrukerER 221TUB/2
tubo de muestra EPR 4 mm diámetro interiorBrukerER 221TUB/4
tubo termorretráctil DERAY-IBDSG-Canusa22100489524,8 mm/2,4 mm, 2:1, 95  ° C - 200  ° C
pistola de calorBoschPHG 600-3
PTFE  bandaVWR332362Sancho 12 mm
longitud del tubo16 cm, diámetro 1,5 cm
vaso250 ml, altura 9 cm, diámetro 7 cm
sellado de tubo capilarFisher Scientific02-678
olla a presión, 3 L con salvamantelesBeemVital-X-Press V2, agitador magnético F1000675
con elemento
etanol (p.a.)
etanol (techn.)
jeringaHamilton17050,05 ml, longitud personalizada: 20 cm
Longitud de la pipeta23 cm
software de análisis de datoscaseroDisponible para descargar en http://www.uni-konstanz.de/drescher/software. Requiere Matlab.
UKON1-GELamablemente proporcionado por el Prof. Sebastian Polarz, Martin Wessig y Andreas Schachtschneider  Véanse las referencias 16, 18 y 19 para la síntesis
de ensayo de precipitados calefactor capilar Pasteur

Referencias

  1. Schüth, F., Sing, K. S. W., Weitkamp, J. Handbook of Porous Solids. , Wiley-VCH Verlag GmbH. Weinheim, Germany. (2002).
  2. Hoffmann, F., Cornelius, M., Morell, J., Fröba, M. Silica-Based Mesoporous Organic-Inorganic Hybrid Materials. Angew. Chem. Int. Edit. 45 (20), 3216-3251 (2006).
  3. Sanchez, C., Boissière, C., Grosso, D., Laberty, C., Nicole, L. Design, Synthesis, and Properties of Inorganic and Hybrid Thin Films Having Periodically Organized Nanoporosity. Chem. of Mat. 20 (3), 682-737 (2008).
  4. Le Bihan, D., Johansen-Berg, H. Diffusion MRI at 25: Exploring brain tissue structure and function. NeuroImage. 61 (2), 324-341 (2012).
  5. Pregosin, P. S., Kumar, P. G. A., Fernández, I. Pulsed Gradient Spin−Echo (PGSE) Diffusion and 1H,19F Heteronuclear Overhauser Spectroscopy (HOESY) NMR Methods in Inorganic and Organometallic Chemistry: Something Old and Something New. Chem. Rev. 105 (8), 2977-2998 (2005).
  6. Talmon, Y., et al. Molecular diffusion in porous media by PGS ESR. Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (23), 5998-6007 (2010).
  7. Okazaki, M., Seelan, S., Toriyama, K. Condensation process of alcohol molecules on mesoporous silica MCM-41 and SBA-15 and fumed silica: a spin-probe ESR study. Appl. Magn. Reson. 35 (3), 363-378 (2009).
  8. Wessig, M., Spitzbarth, M., Drescher, M., Winter, R., Polarz, S. Multiple scale investigation of molecular diffusion inside functionalized porous hosts using a combination of magnetic resonance methods. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (24), 15976-15988 (2015).
  9. Yakimchenko, O. E., Degtyarev, E. N., Parmon, V. N., Lebedev, Y. S. Diffusion in Porous Catalyst Grains as Studied by EPR Imaging. J. Phys. Chem. 99 (7), 2038-2041 (1995).
  10. Cleary, D. A., Shin, Y. K., Schneider, D. J., Freed, J. H. Rapid determination of translational diffusion coefficients using ESR imaging. J. Magn. Reson. 79 (3), 474-492 (1988).
  11. Hornak, J. P., Moscicki, J. K., Schneider, D. J., Freed, J. H. Diffusion coefficients in anisotropic fluids by ESR imaging of concentration profiles. J. Chem. Phys. 84 (6), 3387-3395 (1986).
  12. Berliner, L. J., Fujii, H. EPR imaging of diffusional processes in biologically relevant polymers. J. Magn. Reson. 69 (1), 68-72 (1986).
  13. Degtyarev, Y. N., Schlick, S. Diffusion Coefficients of Small Molecules as Guests in Various Phases of Pluronic L64 Measured by One-Dimensional Electron Spin Resonance Imaging. Langmuir. 15 (15), 5040-5047 (1999).
  14. Marek, A., Labský, J., Koňák, Č, Pilař, J., Schlick, S. Translational Diffusion of Paramagnetic Tracers in HEMA Gels and in Concentrated Solutions of PolyHEMA by 1D Electron Spin Resonance Imaging. Macromolecules. 35 (14), 5517-5528 (2002).
  15. Shin, Y. K., Ewert, U., Budil, D. E., Freed, J. H. Microscopic versus macroscopic diffusion in model membranes by electron spin resonance spectral-spatial imaging. Biophys. J. 59 (4), 950-957 (1991).
  16. Spitzbarth, M., et al. Simultaneous Monitoring of Macroscopic and Microscopic Diffusion of Guest Molecules in Silica and Organosilica Aerogels by Spatially and Time-Resolved Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. J. Phys. Chem. C. 119 (30), 17474-17479 (2015).
  17. Kruczala, K., Schlick, S. Measuring Diffusion Coefficients of Nitroxide Radicals in Heterophasic Propylene−Ethylene Copolymers by Electron Spin Resonance Imaging. Macromolecules. 44 (2), 325-333 (2011).
  18. Wessig, M., Drescher, M., Polarz, S. Probing Functional Group Specific Surface Interactions in Porous Solids Using ESR Spectroscopy as a Sensitive and Quantitative Tool. The J. Phys. Chem. C. 117 (6), 2805-2816 (2013).
  19. Kuschel, A., Polarz, S. Organosilica Materials with Bridging Phenyl Derivatives Incorporated into the Surfaces of Mesoporous Solids. Adv. Funct. Mater. 18 (8), 1272-1280 (2008).
  20. Spitzbarth, M., Drescher, M. Simultaneous iterative reconstruction technique software for spectral-spatial EPR imaging. J. Magn. Reson. 257, 79-88 (2015).
  21. 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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