電子常磁性共鳴(ESR)イメージングを使用して、多孔質媒体中のゲスト分子の拡散をin situモニタリングするためのプロトコルが提示されます。
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電子常磁性共鳴(ESR)イメージングを使用して、多孔質媒体中のゲスト分子の拡散をin situモニタリングするためのプロトコルが提示されます。
電子常磁性共鳴(ESR)イメージングを使用して巨視的並進拡散を監視する方法が示されています。周期的メソポーラス有機シリカ(PMO)エアロゲルUKON1-GELをホストとして、エタノールを溶媒として、ニトロキシドスピンプローブ3-(2-ヨードアセタミド)-2,2,5,5-テトラメチル-1-ピロリジニルオキシ(IPSL)をゲストとするホスト-ゲストシステムが、プロトコルを説明するための例として使用されています。データは、IPSLとトリス(8-カルボキシ-2,2,6,6-ペルデューテロ-テトラメチル-ベンゾ[1,2-d:4,5-d']ビス(1,3)ジチオール)メチル(トリチル)をゲスト分子として、UKON1-GELとSILICA-GELをホストシステムとして適用した以前の出版物から示されています。
合成中のサイズ変化により、サンプルチューブ内で直接合成できないエアロゲルサンプルを測定用に調製する方法が示されています。エアロゲルは、熱収縮チューブと圧力鍋を使用してサンプルチューブに取り付けられ、プロセスで溶媒を蒸発させることなく必要な温度に到達します。この方法では、測定開始時にゲスト分子の初期分布が明確に定義されているとは想定されていません。代わりに、エアロゲルの上にリザーバーが必要であり、データ分析中に流入速度を実験的に決定します。
拡散は、サンプル内の1次元スピン密度プロファイルを記録することにより、20時間にわたって継続的に監視されます。イメージング実験のための分光器の設定を定量的に記述します。共振器の感度プロファイルを考慮し、拡散方程式を数値的に解くためのデータ解析ソフトウェアが提供されています。このソフトウェアは、実験と拡散方程式の数値解との間の差の最小二乗最小化により、巨視的な並進拡散係数を決定します。
多孔質材料は、触媒反応およびクロマトグラフィー1などの実用的なアプリケーションにおいて主要な役割を果たしています。表面基を付加すると、細孔サイズおよび表面特性を調整することにより、材料が所望の用途2,3に合わせることができます。多孔質材料の機能が決定的に細孔内部にゲスト分子の拡散特性に依存します。多孔性材料では、区別が一方では、分子長さスケールと巨視的な並進拡散定数D マクロの拡散を説明微視的並進拡散定数Dの マイクロ 、との間でなされなければなりません 複数の細孔、粒界、屈曲及び材料の不均一性を通って拡散することによって影響を受ける一方、。
部品の各適切な拡散を研究するために利用可能ないくつかの磁気共鳴方法がありますicular長さスケール。ミリメートルスケールで、核磁気共鳴(NMR)イメージング4および電子常磁性共鳴(EPR)画像が(このプロトコルで提示されるように)を使用することができます。小さ いスケールは、パルスNMRでの磁場勾配と同様にEPR実験5,6を使用することによってアクセス可能になります。ナノメートルスケールで、EPR分光法は、スピンプローブ7,8の間にハイゼンベルグの交換相互作用の変化を観察することによって使用することができます。 14モデル膜15 - 例えば工業触媒担体からEPR撮像範囲を使用して、並進拡散、酸化アルミニウム9の研究は、高分子ゲル12からなる流体10,11、薬物放出システムを異方性します。
このプロトコルは、円筒状、多孔質媒体のスピンプローブの巨視的な並進拡散を監視するために、EPRイメージングを用いてin situ法で示します。これは、番目からなるホスト - ゲストシステムについて実証されていますホストやエタノールなどの定期的なメソポーラス有機シリカ(PMO)エアロゲルUKON1-GEL内部ゲストとして電子ニトロキシドスピンプローブ3-(2-ヨードアセトアミド)-2,2,5,5テトラメチル-1-ピロリジニ(IPSL)溶媒。このプロトコルは、正常D マクロを比較するために、以前に16使用されています。 ホスト材料UKON1-GELとシリカゲルとゲスト種IPSLとトリス(8-カルボキシ-2,2,6,6- perdeuteroテトラメチルベンゾ[1,2-dのためのDの マイクロとEPRイメージングで決定されるように:4,5-D ']ビス(1,3)ジチオール)メチル(トリチル)、 図1を参照してください。
連続波(CW)EPR画像17に基づいて、他の方法では、拡散は、分光計の外部で行われます。これとは対照的に、ここで紹介する方法は、その場でのアプローチを使用しています。 1dのスピン密度分布ρ1dの一連のスナップショット(トン、γ)があります数時間にわたって記録しました。この間、あるスナップショットは、他の後に採取し、約5分の時間分解能でリアルタイム拡散パターンを実現しています。
文献に記載されているようUKON1-GELとシリカゲルを3mmの内径と試料管に合成された。16,18,19 UKON1-GEL、シリカゲル合成は、試料の収縮をもたらします。サンプルは、エアロゲルと試料管の壁との間に移動するゲスト分子を防止するために、熱収縮チューブの内部に配置されています。この追加のステップは、それらのサイズを変更することなく、サンプル管中で直接合成することができるサンプルのために必要ではありません。エアロゲル試料の崩壊、彼らが完全に乾くので、彼らはすべての回で溶媒中に沈めなければなりません。熱収縮チューブのために必要とされる温度は、周囲圧力で、エタノールの沸点よりも高いです。したがって、プロトコルは、上昇させる圧力鍋の使用を記載していますエタノールの沸点。
プロトコルは、EPRイメージング実験とIPSLスピンプローブの拡散を監視するために使用されている分光計の設定のために事前に合成しUKON1-GELのサンプル調製をカバーしています。データ解析のために、局所的に書かれたソフトウェアが提供され、その使用が記載されています。分光計からの生データを直接ロードすることができます。ソフトウェアは、空間1dのスピン密度分布ρ1dを (トン、γ)を算出し、アカウントに共振器の感度プロファイルをとります。ユーザは、拡散定数が決定されるその上エアロゲルと時間窓の領域を選択することができます。ソフトウェアは、その選択に基づいて拡散方程式の境界条件を決定し、拡散方程式を解きます。これは、数値解が最高の実験データと一致するD マクロの値を見つけるために、最小二乗フィッティングをサポートしています。
プロトコルがある限り、サンプルの断面積は、サンプル全体変更されないように、異なるゲストのための調整やホスト材料と一緒に使用することができ、それはρ部 1d(トン、γ)であるに直接アクセスすることができます濃度は、試料断面の変化に影響されません。 D マクロのアクセス可能な値の範囲 16 -9 10・2 /秒と7メートル-12 10の間メートル2 /秒と推定されます。
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注意:使用する前に、関連するすべての物質安全データシート(MSDS)を参照してください。飲み込んだり、吸入するとエタノールは有害であり、それは可燃性です。
1.連続波(CW)EPRパラメータを最適化


2.磁場勾配強度と時間分解能を決定します
3.サンプルを準備
注意:安全メガネを着用してください。
注:完全にすべての回で、溶媒中に沈めエアロゲルを保管してください。写真と回路図については、 図2を参照してください。
4.分光計を準備
5.測定のためのサンプルを準備します
注:このプロトコルの唯一の時間の重要なステップは、スピン標識を付加した拡散プロセスの開始からの時間まで分析計着工のデータ収集である、6.2を介して5.3です。導入することなく、次の手順を実行任意の遅延。
6.拡散実験を行い
7.データ解析に必要な追加実験を行います
注:直接拡散実験後の同じ試料を用いて7.1および7.2で実験を行うとなしMOサンプルをレイムス。
8.データ解析
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収縮チューブ内のエアロゲルの写真および概略図は 、 図2Aおよび2Bに示されています。 図2cに2D EPRイメージは明らかにエアロゲルの上端を示します。スピンプローブの濃度は、エアロゲル内と少なくとも同じ高いがエアロゲル上のサンプル管内ρ1dの強度が低くなります。しかし、画面に垂直なサンプルの深さは試料管のより小さな内径に起因する非常に小さいです。 EPRの画像もサンプルチューブ内に気泡を示さず、エアロゲルが縮小管の収縮中に導入される亀裂を持っているように見えるしないことに注意してください。
図8aは、UKON1-GELでトリチルの拡散ヒートマップを示している。 図8cは UKON1-GELでIPSLため...
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プロトコルは、常磁性ゲスト分子の拡散を監視できます。それは2Dまたは3Dイメージングと比較してより高い時間分解能を可能にするため、1Dイメージングアプローチが選択されています。得られ1dの画像の強度は濃度にもサンプルの断面積にだけでなく、依存しているため1dのアプローチは、サンプルの一定の断面積を必要とします。この方法はまた、サンプル内のスピンプローブのEPRスペクトルは強度だけではなく、形状に変更する必要があります。それ以外の場合は、スペクトル空間イメージングを消費するより多くの時間は、このプロトコルの範囲外である、使用されなければなりません。 D マクロは 10 -12 M 2 /秒、7・10 -9 M、試料は、長さとの間の期間にわたって1mmから1 cmの間の領域に観察された場合2 /秒の間にある場合の方法はまた、システムに限定され1時間と72時間16。
Although UKON1-GELとシリカゲルは、サ...
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著者らは、開示することは何もありません。
著者は、Tritylスピンプローブの合成に携わったPeter Imming教授とDiana Müller氏、そして多孔質材料の合成に携わったSebastian Polarz教授、Martin Wessig氏、Andreas Schachtschneider氏に感謝します。DFG(DR 743/7-1)およびSPP 1570内の財政的支援は、ありがたいことに認められています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Xバンド分光器 | ブル | カーE580 | |
| 分光計ソフトウェア | ブル | カーXepr 2.6b.108 | |
| グラジエントコイルシステム | ブル | カーE540 GCX2 | |
| イメージング共振器 | ブル | カーTMHS 1007 | |
| マイクロクラシックピペットコントローラー | ブランド | 25900 | |
| マイクロキャピラリーリングキャップ 50 &マイクロ;l | ヒルシュマン | 9600150 | 内径 0.5 mm |
| EPR サンプルチューブ 2 mm 内径 | Bruker | ER 221TUB/2 | |
| EPR サンプルチューブ 4 mm 内径 | Bruker | ER 221TUB/4 | |
| 熱収縮チューブ DERAY-IB | DSG-Canusa | 2210048952 | 4.8 mm/2.4 mm, 2:1, 95 °C-200 °C |
| ヒートガン | ボッシュ | PHG 600-3 | |
| PTFE バンド | VWR | 332362S | 幅 12 mm |
| 試験管 | 長さ 16 cm、直径 1.5 cm | ||
| ビーカー | 250 ml、高さ 9 cm、直径 7 cm | ||
| 毛細管シーリング | フィッシャー サイエンティフィック | 02-678 | |
| 圧力鍋、3 L 五徳 | ビーム付き | Vital-X-Press V2、 | |
| タノール(p.a.) | |||
| シリンジ | ハミルトン | 1705 | 0.05 ml、カスタム長さ:20 cm |
| パスツールキャピラリーピペット | の長さ 23 cm | ||
| データ分析ソフトウェア | 自家製 | http://www.uni-konstanz.de/drescher/software でダウンロードできます。Matlabが必要です。 | |
| UKON1-GEL | 、Sebastian Polarz教授、Martin Wessig、Andreas Schachtschneiderのご厚意により提供されました。 | 合成については参考文献16、18、19を参照してください |
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