Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

In Situ Monitorowanie dyfuzji cząsteczek gościnnych w ośrodkach porowatych za pomocą obrazowania elektronowego rezonansu paramagnetycznego

5.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54335

⸱

2 września 2016

 ,  , 
1Department of Chemistry, Universität Konstanz

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół monitorowania in situ dyfuzji cząsteczek gości w porowatych ośrodkach za pomocą obrazowania elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR).

Streszczenie

Pokazano metodę monitorowania makroskopowej dyfuzji translacyjnej za pomocą obrazowania elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR). Jako przykład do opisania protokołu stosuje się układ gospodarz-gość z nitroksydową sondą spinową 3-(2-jodoacetamido)-2,2,5,5-tetrametylo-1-pirolidynylooksy (IPSL) jako gościem wewnątrz periodycznego mezoporowatego aerożelu organosilicznego (PMO) UKON1-GEL jako gospodarza i etanolu jako rozpuszczalnika. Dane pochodzą z poprzedniej publikacji, w której protokół zastosowano zarówno do IPSL, jak i Tris(8-karboksy-2,2,6,6-perdeutero-tetrametylo-benzo[1,2-d:4,5-d′]bis(1,3)ditiolo)metylu (Trityl) jako cząsteczek gościnnych oraz UKON1-GEL i SILICA-GEL jako układów gospodarza.

Pokazano metodę przygotowania próbek aerożelu, które nie mogą być zsyntetyzowane bezpośrednio w probówce z próbką do pomiaru z powodu zmiany rozmiaru podczas syntezy. Aerożel jest mocowany do probówek z próbkami za pomocą rurki termokurczliwej i szybkowaru, aby osiągnąć wymaganą temperaturę bez odparowywania rozpuszczalnika w procesie. Metoda nie zakłada jasno określonego początkowego rozkładu cząsteczek gościnnych na początku pomiaru. Zamiast tego wymaga zbiornika na wierzchu aerożelu i eksperymentalnie określa szybkość napływu podczas analizy danych.

Dyfuzja jest monitorowana w sposób ciągły przez okres 20 godzin, rejestrując profil gęstości spinu 1d w próbce. Ustawienia spektrometru dla eksperymentu obrazowania są opisane ilościowo. Dostarczane jest oprogramowanie do analizy danych w celu uwzględnienia profilu czułości rezonatora i numerycznego rozwiązania równania dyfuzji. Oprogramowanie wyznacza makroskopowy współczynnik dyfuzji translacyjnej poprzez minimalizację różnicy między eksperymentem a numerycznym rozwiązaniem równania dyfuzji.

Wprowadzenie

Materiały porowate odgrywają główną rolę w praktycznych zastosowaniach, takich jak kataliza i chromatografia1. Dodając grupy powierzchni i dostosowując wielkość porów i właściwości powierzchni, materiały można dostosować do żądanego zastosowania2,3. Funkcjonalność porowatego materiału zależy w dużej mierze od właściwości dyfuzyjnych cząsteczek gości wewnątrz porów. W materiałach porowatych należy dokonać rozróżnienia między mikroskopijną stałą dyfuzji translacyjnej Dmicro, która opisuje dyfuzję w skali długości molekularnej z jednej strony, a makroskopową stałą dyfuzji translacyjnej Dmacro z drugiej strony, na którą wpływa dyfuzja przez wiele porów, granice ziaren, krętość i niejednorodność materiału.

Dostępnych jest kilka metod rezonansu magnetycznego do badania dyfuzji, z których każda jest odpowiednia dla określonej skali długości. W skali milimetrowej można stosować obrazowanie magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)4 oraz obrazowanie elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) (jak przedstawiono w niniejszym protokole). Mniejsze skale stają się dostępne dzięki zastosowaniu gradientów pola pulsacyjnego w NMR, a także w eksperymentach EPR5,6. W skali nanometrowej spektroskopia EPR może być stosowana poprzez obserwację zmian oddziaływań wymiany Heisenberga między sondami spinowymi7,8. Badania dyfuzji translacyjnej z wykorzystaniem obrazowania EPR obejmują zarówno przemysłowe nośniki katalizatorów, np. tlenek glinu9, jak i płyny anizotropowe10,11, systemy uwalniania leków wykonane z żeli polimerowych12-14 i membrany modelowe15.

Ten protokół przedstawia podejście in situ wykorzystujące obrazowanie EPR do monitorowania makroskopowej dyfuzji translacyjnej sond spinowych w cylindrycznych, porowatych ośrodkach. Wykazano to dla układu gospodarz-gość składającego się z nitroksydowej sondy spinowej 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetrametylo-1-pirolidynylooksy (IPSL) jako gościa wewnątrz periodycznego mezoporowatego aerożelu organosilicznego (PMO) UKON1-GEL jako gospodarza i etanolu jako rozpuszczalnika. Protokół ten został z powodzeniem wykorzystany wcześniej16 do porównania Dmacro zgodnie z obrazowaniem EPR z Dmicro dla materiałów gospodarza UKON1-GEL i SILICA-GEL oraz gatunków gości IPSL i Tris(8-karboksyl-2,2,6,6-perdeutero-tetrametylo-benzo[1,2-d:4,5-d′]bis(1,3)ditiolo)metylu (Trityl), patrz rysunek 1.

W innych metodach opartych na obrazowaniu EPR17 na fali ciągłej (CW), dyfuzja odbywa się poza spektrometrem. Natomiast przedstawiona tutaj metoda wykorzystuje podejście in situ. Seria migawek rozkładu gęstości spinu 1d ρ1d (t, γ) jest rejestrowana w ciągu kilku godzin. W tym czasie jedna migawka jest wykonywana po drugiej i dostarcza wzór dyfuzji w czasie rzeczywistym z rozdzielczością czasową około 5 minut.

UKON1-GEL i SILICA-GEL zostały zsyntetyzowane w probówkach o wewnętrznej średnicy 3 mm, jak opisano w literaturze. 16,18,19 Synteza UKON1-GEL i SILICA-GEL prowadzi do kurczenia się próbki. Próbki umieszcza się w rurce termokurczliwej, aby zapobiec przemieszczaniu się cząsteczek gości między aerożelem a ścianką probówki z próbką. Ten dodatkowy krok nie jest konieczny w przypadku próbek, które można zsyntetyzować bezpośrednio w probówce z próbką bez zmiany ich rozmiaru. Próbki aerożelu zapadają się po wyschnięciu, dlatego muszą być przez cały czas zanurzone w rozpuszczalniku. Temperatura potrzebna do rurki termokurczliwej jest wyższa niż temperatura wrzenia etanolu pod ciśnieniem otoczenia. Dlatego w protokole opisano użycie szybkowaru w celu podniesienia temperatury wrzenia etanolu.

Protokół obejmuje przygotowanie próbki UKON1-GEL zsyntetyzowanej wcześniej do eksperymentu z obrazowaniem EPR oraz ustawienia spektrometru, które są używane do monitorowania dyfuzji sondy spinowej IPSL. Do analizy danych dostarczane jest oprogramowanie napisane lokalnie i opisane jest jego zastosowanie. Surowe dane ze spektrometru można załadować bezpośrednio. Oprogramowanie oblicza przestrzenny rozkład gęstości spinu 1d ρ1d (t, γ) i uwzględnia profil czułości rezonatora. Użytkownik może wybrać obszar aerożelu i okno czasowe, w którym ma zostać wyznaczona stała dyfuzji. Następnie oprogramowanie określa warunki brzegowe równania dyfuzji na podstawie tego wyboru i rozwiązuje równanie dyfuzji. Obsługuje dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów w celu znalezienia wartości makra D, w którym rozwiązanie numeryczne najlepiej pasuje do danych eksperymentalnych.

Protokół może być używany z dostosowaniami dla różnych materiałów gościnnych i głównych, o ile pole przekroju poprzecznego próbki nie zmienia się w całej próbce, to jest ρ1d (t, γ) daje bezpośredni dostęp do stężenia i nie ma na niego wpływu zmiana przekroju próbki. Zakres dostępnych wartości dla Dmacro szacowany jest na16 między 10-12 m 2/s i 7·10-9 m2/sec.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Przed użyciem należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów (MSDS). Etanol jest szkodliwy w przypadku połknięcia lub wdychania i jest łatwopalny.

1. Optymalizacja parametrów EPR w trybie ciągłym (CW)

  1. Przygotować 40 µl IPSL w etanolu (p.a.) o stężeniu 1 mM.
  2. Za pomocą kontrolera pipety napełnić kapilarę roztworem IPSL do wysokości 2 cm. Wciągnąć roztwór o kolejne 1 cm głębiej do kapilary, tak aby pod roztworem powstała przerwa powietrzna. Uszczelnić oba końce kapilary masą uszczelniającą do rurek kapilarnych. Przerwa powietrzna zapobiega dyfuzji składników masy uszczelniającej do próbki.
  3. Owinąć kapilarę dwoma paskami taśmy z politetrafluoroetylenu (PTFE) o długości około 5 cm, w odległości 1 cm od górnego i dolnego końca kapilary.
  4. Włożyć kapilarę do probówki EPR (średnica wewnętrzna 4 mm). Upewnić się, że taśma PTFE utrzymuje kapilarę w osi środkowej probówki. Dosunąć kapilarę do dna probówki.
  5. Włożyć próbkę do rezonatora i wycentrować roztwór znacznika spinowego wewnątrz rezonatora.
  6. Dostroić spektrometr do sprzężenia krytycznego zgodnie z instrukcjami zawartymi w podręczniku obsługi spektrometru.
  7. Wstępne ustawienia spektrometru
    1. Wykorzystać częstotliwość mikrofal do ustawienia pola centralnego B za pomocą wzoru
      Równanie pola magnetycznego; formuła B=h/gμB·ν; istotna dla badań analizy spektroskopowej.
      ​gdzie g ≈ 2.003 jest przybliżoną wartością czynnika g dla nieparzystego rodnika w nitroksydowym znaczniku spinowym, h to stała Plancka, a μB to magneton Bohra.
    2. Skonfigurować nowy eksperyment „field_sweep” z polem magnetycznym jako osią odciętych i intensywnością sygnału jako osią rzędnych. Użyć następujących parametrów: pole centralne obliczone w poprzednim kroku, szerokość zakresu: 400 G, amplituda modulacji: 0.8 G, częstotliwość modulacji: 100 kHz, tłumienie mikrofal: 30 dB, liczba punktów: 2 048, liczba skanów: 1, czas skanowania: 80 s, stała czasowa: 50 ms.
    3. Aktywować tryb Setup Scan. Dla stałej czasowej Setup Scan Time Constant wybrać najniższą wartość oferowaną przez spektrometr. Dostosować wzmocnienie odbiornika do wartości, przy której wyświetlany sygnał wypełnia 80% zakresu intensywności, tak aby nawet wraz z szumem żaden punkt danych nie przekraczał 80% maksimum. Następnie wyłączyć tryb Setup Scan.
    4. Nacisnąć przycisk „Run”.
    5. Odczytać z uzysanego widma wartość pola dla przejścia przez zero centralnego piku. Ustawić pole centralne na tę wartość.
    6. Użyć narzędzia linii poziomej i zmierzyć szerokość widma od punktu, w którym lewy pik zaczyna wzrastać ponad poziom linii bazowej, do punktu, w którym prawy pik powraca do linii bazowej.
    7. Ustawić szerokość zakresu na trzykrotność szerokości widma.
  8. Ponowne obliczenie parametrów spektrometru
    1. Obliczyć czas skanowania: szerokość zakresu/prędkość skanowania. Przyjąć prędkość skanowania 5 G/s.
    2. Obliczyć minimalną liczbę punktów danych: 10 * szerokość zakresu/szerokość linii.
    3. Obliczyć czas konwersji: czas skanowania/liczba punktów danych.
    4. Obliczyć stałą czasową: 0.1 * szerokość linii * czas skanowania/szerokość zakresu.
  9. Pomiar krzywej nasycenia w celu wyznaczenia optymalnej mocy mikrofal
    1. Ustawić tłumienie mikrofal na 10 dB i dostosować wzmocnienie odbiornika zgodnie z opisem w kroku 1.7.3.
    2. Ustawić tłumienie mikrofal na 50 dB i zarejestrować widmo. Jeśli stosunek sygnału do szumu jest mniejszy niż 5:1, zwiększyć liczbę skanów. Powtarzać ten krok, aż stosunek sygnału do szumu wyniesie 5:1 lub więcej.
    3. Utworzyć nowy eksperyment „saturation”, przyjmując pole magnetyczne jako oś odciętych 1, moc mikrofal jako oś odciętych 2 i intensywność sygnału jako oś rzędnych. Skopiować wszystkie ustawienia z eksperymentu „field_sweep” z kroku 1.9.2. Dla osi odciętych 2 ustawić wartość początkową tłumienia mikrofal na 10 dB, przyrost na 1 dB i liczbę punktów na 41, aby objąć zakres od 10 dB do 50 dB. Uruchomić eksperyment.
    4. Utworzyć arkusz kalkulacyjny dla krzywej nasycenia. W pierwszej kolumnie wpisać tłumienie mikrofal w dB.
    5. Obliczyć pierwiastek kwadratowy z mocy mikrofal w j.a. w drugiej kolumnie za pomocą wzoru
      Równanie mocy mikrofal √(moc mikrofal w j.a.)=10^(-x/10), formuła naukowa.
      ​gdzie x to tłumienie mikrofal w dB z pierwszej kolumny.
    6. Za pomocą oprogramowania spektrometru zmierzyć intensywność od piku do piku centralnej linii widmowej dla każdego tłumienia mikrofal w eksperymencie. Wpisać tę intensywność do trzeciej kolumny arkusza.
    7. Wykreślić pierwiastek kwadratowy z mocy mikrofal w funkcji intensywności od piku do piku (kolumna 3 względem kolumny 2), aby otrzymać krzywą nasycenia. Uwzględnić w wykresie punkt początkowy (0,0).
    8. Zidentyfikować zakres liniowy krzywej nasycenia. Optymalna moc mikrofal to najwyższa moc, która wciąż mieści się w zakresie liniowym. Użyć odpowiadającego jej ustawienia tłumienia we wszystkich dalszych eksperymentach.

2. Wyznaczenie natężenia gradientu pola magnetycznego oraz rozdzielczości czasowej

  1. Utwórz nowy eksperyment w oprogramowaniu spektrometru, przyjmując pole magnetyczne jako pierwszą odciętą, a natężenie sygnału jako ordynatę. Włącz sterowanie cewką gradientową.
  2. Skopiuj wszystkie ustawienia spektrometru z poprzedniego eksperymentu, zgodnie z ustaleniami w punktach 1.8 i 1.9.8.
  3. Ustaw natężenie gradientu pola magnetycznego na 170 G/cm w kierunku osi próbki skierowanej w górę.
  4. Oblicz szerokość zakresu skanowania sw = W związku z brakiem tekstu źródłowego do przetłumaczenia, proszę o dostarczenie materiału w języku angielskim. Po otrzymaniu treści przygotuję tłumaczenie zgodne z wytycznymi dla treści naukowych i edukacyjnych JoVE.0 + FOV·G, gdzie Wyłącznik sieciowy0 czy szerokość sweepu określona w punkcie 1.8.4 jest wyznaczana w przypadku braku gradientu pola magnetycznego, pole widzenia pole widzenia (2,5 cm) i G jest natężeniem gradientu pola magnetycznego.
  5. Oblicz szacunkowy rozmiar piksela = szerokość linii / Gużywając szerokości linii widma zarejestrowanego w sekcji 1.9.3 w warunkach braku gradientu pola magnetycznego.
  6. Oblicz czas sweepu = To jest skrót od „software” (oprogramowanie) lub w kontek스트cie sieciowym „switch” (przełącznik). Jeśli jest to fragment szerszego tekstu naukowego, proszę o podanie pełnego zdania w celu zapewnienia precyzyjnego tłumaczenia zgodnie z kontekstem technicznym. / prędkość skanowania. Należy zastosować taką samą prędkość skanowania, jak w punkcie 1.8.1.
  7. Oblicz minimalną liczbę wymaganych punktów danych, przyjmując wyższą wartość z
    i. N1= 10 * szerokość zamiatania / szerokość linii
    ii. N2 = 10 * pole widzenia / (G * rozmiar piksela).
  8. Oblicz czas konwersji: czas sweepu/liczba punktów danych.
  9. Oblicz stałą czasową: 0,1 * szerokość linii * czas skanowania / szerokość zakresu lub wartość niższą.
  10. Ustaw parametry obliczone w punktach 2.3–2.9 i naciśnij przycisk „Run”.
  11. Za pomocą narzędzia linii pionowej zmierz poziom szumu linii bazowej oraz intensywność szczyt-szczyt linii centralnej. Oblicz stosunek sygnału do szumu.
  12. Jeśli stosunek sygnału do szumu jest mniejszy niż 5:1, należy podwoić liczbę skanów w panelu „scan” parametrów spektrometru i powtórzyć kroki od 2.1.3 do 2.11.

3. Przygotowanie próbki

Uwaga: Należy nosić okulary ochronne.

Uwaga: Aerogel należy przez cały czas całkowicie zanurzać w rozpuszczalniku. Fotografia i schemat znajdują się na Rysunku 2.

  1. Napełnić szalkę Petriego o średnicy 10 cm etanolem (p.a.) do wysokości 5 mm.
  2. Umieścić aerogel w szalce Petriego i odciąć cylindryczny fragment o długości od 5 mm do 1 cm.
  3. Przygotować kawałek rurki termokurczliwej, który jest o około 1 cm dłuższy niż cylinder aerogelu.
  4. Za pomocą przecinaka do rurek szklanych przełamać rurkę próbkową o średnicy wewnętrznej 2 mm, aby uzyskać dwa odcinki o długości 4 cm. Oba odcinki powinny mieć otwarte końce.
    Uwaga: Podczas korzystania z opalarki należy nosić okulary ochronne i odpowiednie rękawice. Nie kierować strumienia powietrza na skórę lub odzież i trzymać go z dala od materiałów łatwopalnych.
  5. Wsunąć jeden z odcinków rurki próbkowej na głębokość 5 mm w jeden koniec rurki termokurczliwej. Za pomocą opalarki ostrożnie podgrzać ten koniec rurki termokurczliwej, nie kurcząc pozostałej części rurki. Rurka termokurczliwa powinna zostać teraz utrwalona na rurce szklanej.
    1. Zanurzyć ten układ rurki szklanej i rurki termokurczliwej w szalce Petriego z aerogelem. Ostrożnie wsunąć fragment aerogelu z kroku 3.2 do otwartego końca rurki termokurczliwej.
  6. Napełnić probówkę etanolem (p.a.) do wysokości 7 cm. Przenieść próbkę z szalki Petriego do probówki. Podczas tej czynności upewnić się, że otwarty koniec rurki termokurczliwej jest skierowany do góry. Upewnić się, że aerogel jest całkowicie zanurzony w etanolu.
  7. Wsunąć drugi 4 cm odcinek rurki próbkowej z kroku 3.4 do otwartego końca rurki termokurczliwej. Nie stosować siły; grawitacja powinna być wystarczająca, aby zamknąć szczeliny między aerogelem a odcinkami rurki próbkowej. Umieścić probówkę z próbką w zlewce.
  8. Napełnić szybkowar co najmniej 500 ml etanolu i dodać mieszadło magnetyczne.
  9. Umieścić zlewkę zawierającą próbkę na podstawce wewnątrz szybkowaru.
    Uwaga: Kolejny krok należy wykonać pod dygestorium, cały czas nosząc okulary ochronne.
  10. Gotować i mieszać próbki przy ustawieniu ciśnienia o 1 bar powyżej ciśnienia otoczenia na mieszadle magnetycznym. Temperatura musi osiągnąć co najmniej 90 °C. Pozostawić do ochłonięcia, gdy tylko ciśnienie zostanie osiągnięte, a zawór ciśnieniowy uwolni pary etanolu. Jeśli rurka termokurczliwa nie skurczyła się, powtórzyć ten krok.
    Uwaga: Natychmiast oczyścić szybkowar wodą, aby zminimalizować wpływ etanolu na uszczelki zaworów. Na tym etapie przygotowana próbka może być przechowywana w etanolu przez kilka miesięcy.

4. Przygotowanie spektrometru

  1. Utwórz eksperyment 2D, przyjmując pole magnetyczne jako pierwszą odciszę, czas jako drugą odciszę oraz intensywność sygnału jako ordynatę, tak aby dla każdego kroku czasowego rejestrowany był pomiar zmienności pola magnetycznego. Włącz sterowanie cewkami gradientowymi.
  2. Ustaw opóźnienie czasowe między pomiarami na zero. Pozostałe parametry ustaw zgodnie z ustaleniami z sekcji 2. Liczbę punktów dla osi czasu ustaw na 20 hr/sweep time. Skonfiguruj mostek mikrofalowy tak, aby przeprowadzał dostrojenie precyzyjne (fine tune) po każdym skanowaniu plastra.
  3. Postępuj zgodnie z krokami opisanymi w sekcji 1.7, aby dostroić spektrometr do pustego rezonatora.

5. Przygotowanie próbki do pomiaru

Uwaga: Jedynymi etapami tego protokołu, w których czas ma krytyczne znaczenie, są kroki od 5.3 do 6.2, czyli od rozpoczęcia procesu dyfuzji wraz z dodaniem znacznika spinowego do momentu rozpoczęcia akwizycji danych w spektrometrze. Należy wykonać te czynności bez żadnych opóźnień.

  1. Przykryć palcem próbkę z sekcji 3, aby zapobiec wyciekowi roztworu etanolu od dołu. Następnie za pomocą strzykawki usunąć etanol z dolnych 5 mm dolnej rurki z próbką i uszczelnić ten koniec masą uszczelniającą do rurek. Należy upewnić się, że nad masą uszczelniającą znajduje się pęcherzyk powietrza o wysokości 2 mm.
  2. Za pomocą pipety kapilarnej Pasteura usunąć cały etanol z rurki z próbką znajdujący się powyżej aerogelu, z wyjątkiem 3 mm bezpośrednio nad aerogelem.
  3. Wstrzyknąć 20 µl roztworu znacznika spinowego w etanolu na wierzch aerogelu. Należy dopilnować, aby nad aerogelem nie powstał pęcherzyk powietrza. Odnotować aktualny czas jako moment rozpoczęcia procesu dyfuzji.
  4. Umieścić próbkę w rurce do próbek o średnicy wewnętrznej 4 mm. Do scentrowania próbki użyć taśmy PTFE.
  5. Za pomocą pisaka zaznaczyć zewnętrzną rurkę z próbką w odległości 68 mm powyżej górnej krawędzi aerogelu. Ułatwia to prawidłowe scentrowanie próbki w rezonatorze i sprawia, że środek rezonatora znajduje się 1 mm poniżej górnej krawędzi aerogelu.

6. Przeprowadzenie eksperymentu dyfuzyjnego

  1. Umieść próbkę w rezonatorze w taki sposób, aby oznaczenie z punktu 5.5 znajdowało się na wysokości górnej krawędzi uchwytu PTFE rezonatora, a następnie nastroj sprzęt do sprzężenia krytycznego zgodnie z opisem w instrukcji obsługi spektrometru.
  2. Użyj trybu Setup Scan, aby ustawić wzmocnienie odbiornika zgodnie z opisem w punkcie 1.7.3, gdy cewki gradientowe są jeszcze wyłączone.
  3. Uruchom eksperyment skonfigurowany w sekcji 4. Zapisz aktualną godzinę. Odczekaj 20 hr do zakończenia eksperymentu lub przerwij go, gdy rejestrowany sygnał nie ulega zmianie przez 4 hr lub dłużej. Zapisz wynik.

7. Przeprowadzenie dodatkowych eksperymentów niezbędnych do analizy danych

Uwaga: Eksperymenty opisane w punktach 7.1 i 7.2 należy przeprowadzić na tej samej próbce bezpośrednio po eksperymencie dyfuzyjnym, bez przemieszczania próbki.

  1. Rejestracja funkcji rozproszenia punktu (PSF) do dekonwolucji
    1. Przełącz na eksperyment „field sweep” z kroku 1.7.2. Skopiuj wszystkie ustawienia z eksperymentu w kroku 6.
    2. Zarejestruj widmo i zmierz stosunek sygnału do szumu. Jeśli jest on mniejszy niż 20:1, zwiększ liczbę skanów i powtórz ten krok. W przeciwnym razie zapisz widmo.
  2. Przeprowadzenie eksperymentu obrazowania 2D
    1. Utwórz w spektrometrze nowy eksperyment, w którym pierwszą odciszoną (abscisą 1) będzie pole magnetyczne, drugą odciszoną (abscisą 2) kąt gradientu pola magnetycznego, a ordynatą intensywność sygnału. Skopiuj parametry z kroku 6. Ustaw płaszczyznę obrazowania na płaszczyznę YZ, która jest płaszczyzną obejmującą kierunek statycznego pola magnetycznego B0 oraz oś próbki.
    2. Ustaw liczbę kątów N kierunku gradientu na N = FOV/pożądana wielkość piksela lub wyżej.
    3. Rozpocznij pomiar i zapisz wynik.
    4. Powtórz kroki z punktu 7.1 i zapisz wynik.
  3. Pomiar profilu czułości rezonatora
    1. Przygotuj kolejną próbkę sondy spinowej w roztworze, powtarzając kroki od 1.1 do 1.5, ale tym razem wprowadź do kapilary 4 cm roztworu zamiast 2 cm.
    2. Postępuj zgodnie z krokami w sekcji 2, aby zarejestrować widmo próbki z gradientem pola magnetycznego w kierunku osi próbki. W kroku 2.3 zastosuj pole widzenia (FOV) wynoszące 3 cm. Zapisz wynik.
    3. Powtórz pomiar w obecności braku gradientu pola magnetycznego i zapisz wynik.

8. Analiza danych

  1. Rekonstrukcja eksperymentu obrazowania 2D
    1. Wczytaj eksperyment obrazowania 2D z punktu 7.2.3 do głównego okna podglądu oprogramowania spektrometru.
    2. Wczytaj eksperyment z punktu 7.2.4 do pomocniczego okna podglądu oprogramowania spektrometru.
    3. Przejdź do Processing>Transformations>Deconvolution, wybierz Slice: all i kliknij apply, aby przeprowadzić dekonwolucję.
    4. Zapisz zdekonwolucyjne dane na dysku.
    5. Użyj bezpłatnego oprogramowania do rekonstrukcji obrazu20 z następującą komendą: reconstruct --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Wczytaj wynik z punktu 8.1.5 do oprogramowania spektrometru do późniejszego odniesienia.
  2. Analiza zarejestrowanego eksperymentu dyfuzyjnego
    1. Uruchom oprogramowanie do analizy danych i przejdź do karty „Load” oprogramowania przedstawionej na Rysunku 3. Wczytaj eksperyment dyfuzyjny z kroku 6.3 w sekcji „diffusion experiment”. Wczytaj odpowiadającą mu funkcję rozproszenia punktowego (PSF) z kroku 7.1.2 w sekcji „diffusion experiment w/o gradient”. Wczytaj wynik z kroku 7.3.2 w sekcji „resonator profile experiment” oraz wynik z kroku 7.3.3 w sekcji „resonator profile exp w/o gradient”.
    2. Przejdź do karty czułości rezonatora przedstawionej na Rysunku 4, aby przeprowadzić dekonwolucję danych z eksperymentu 7.3.2, używając danych z 7.3.3 jako funkcji rozproszenia punktowego. Zmniejszaj wartość mocy szumu, aż wynik stanie się zaszumiony, a następnie zwiększaj ją, aż szum niemal całkowicie zniknie.
    3. Przejdź do karty 1D spin density profile przedstawionej na Rysunku 5, aby zdekonwolucjonować każde przeskanowanie pola zarejestrowane w kroku 6.2, używając eksperymentu z punktu 7.1 jako funkcji rozproszenia punktowego. Zmniejszaj wartość mocy szumu, aż wynik stanie się zaszumiony, a następnie zwiększaj ją, aż szum niemal całkowicie zniknie.
    4. Przełącz się na kartę crop area przedstawioną na Rysunku 6. Wybierz obszar mapy ciepła dyfuzji, który znajduje się całkowicie wewnątrz aerogelu i w którym sonda spinowa właśnie zaczyna wnikać od góry w pierwszym kroku czasowym dla tego obszaru. W razie wątpliwości wczytaj zrekonstruowany obraz z punktu 8.1.6 do oprogramowania spektrometru, aby pomóc w identyfikacji dokładnej pozycji aerogelu.
    5. Zwiększ obszar z kroku 8.2 w kierunku w dół próbki w taki sposób, aby żadna sonda spinowa nie dotarła do dolnej granicy obszaru w czasie trwania eksperymentu. Patrz Rysunek 6.
    6. Przełącz się na kartę influx przedstawioną na Rysunku 7 i naciśnij fit. Lewy panel pokazuje całkę z wyciętego obszaru z punktu 8.2.5 wzdłuż osi pozycji.
    7. Zweryfikuj, czy krzywa pokazana na środkowym panelu zaczyna się od zera i natychmiast zaczyna rosnąć. Jeśli tak nie jest, wróć do punktu 8.2.5.
    8. Zweryfikuj, czy czerwona linia pokazana na środkowym panelu pokrywa się z czarnymi punktami danych.
  3. Symulacja 1D stężenia spinów w czasie i dopasowanie współczynnika dyfuzji
    1. Przełącz się na kartę współczynnika dyfuzji i naciśnij fit.
    2. Odczekaj na wyniki obliczeń.
    3. Zweryfikuj, czy dane eksperymentalne pokazane po lewej stronie zgadzają się z danymi numerycznymi pokazanymi po prawej.
    4. Odczytaj wyświetlaną na ekranie wartość makroskopowego współczynnika dyfuzji translacyjnej Dmacro.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Zdjęcie i schemat aerogelu w kurczliwej rurce przedstawiono na rysunku 2a oraz 2b. Dwuwymiarowy obraz EPR na rysunku 2c wyraźnie pokazuje górną krawędź aerogelu. Intensywność ρ1d w rurce z próbką powyżej aerogelu jest niższa, mimo że stężenie sondy spinowej jest co najmniej tak samo wysokie, jak wewnątrz aerogelu. Jednak głębokość próbki prostopadła do płaszczyzny obrazu jest znacznie mniejsza ze względu na mniejszą śr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Protokół umożliwia monitorowanie dyfuzji paramagnetycznych cząsteczek gościa. Podejście do obrazowania 1D zostało wybrane, ponieważ pozwala na uzyskanie wyższej rozdzielczości czasowej w porównaniu z obrazowaniem 2D lub 3D. Podejście 1d wymaga stałego pola przekroju poprzecznego próbki, ponieważ intensywność uzyskanego obrazu 1d zależy nie tylko od stężenia, ale także od pola przekroju poprzecznego próbki. Metoda wymaga również, aby widma EPR sond spinowych w próbkach zmieniały się tylko pod względem intensywności, ale n...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują prof. Peterowi Immingowi i Dianie Müller za syntezę trytylowej sondy spinowej oraz prof. Sebastianowi Polarzowi, Martinowi Wessigowi i Andreasowi Schachtschneiderowi za syntezę materiałów porowatych. Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe ze strony DFG (DR 743/7-1) oraz w ramach SPP 1570.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Spektrometr X-BandBrukerE580
Oprogramowanie spektrometruBrukerXepr 2.6b.108
system cewek gradientowychBrukerE540 GCX2
MikroklasycznyTMHS 1007
Marka25900
pierścienie mikrokapilarne 50  &mikro; lHirschmann9600150 średnica wewnętrzna 0,5 mm
Probówka EPR Średnica wewnętrzna 2 mmBrukerER 221TUB/2
EPR 4 mm średnica wewnętrznaRurkaER 221TUB/4
DERAY-IBDSG-Canusa2210048952 4,8 mm/2,4 mm, 2:1, 95  ° C - 200  ° C
opalarkaBoschPHG 600-3
PTFE  taśmaVWR332362Sszerokość 12 mm
długość probówki16 cm, średnica 1,5 cm
zlewka250 ml, wysokość 9 cm, średnica 7 cm
uszczelnienie rurki kapilarnejFisher Scientific02-678
szybkowar, 3 L z podstawkąBeemVital-X-Press V2, F1000675
mieszadło magnetyczne z elementem
etanol (p.a.)
etanol (techn.)
strzykawkaHamilton17050,05 ml, niestandardowa długość: 20 cm
Długość pipety23 cm
oprogramowanie do analizy danychdomowej robotyDostępne do pobrania pod adresem http://www.uni-konstanz.de/drescher/software. Wymaga Matlaba.
UKON1-GELdzięki uprzejmości prof. Sebastiana Polarza, Martina Wessiga i Andreasa Schachtschneidera Patrz odnośniki 16, 18, 19 w celu zapoznania się z syntezą
Rezonator obrazowania kontroler pipet Bruker Probówka na próbkę termokurczliwa Bruker grzejnym kapilarnej Pasteura

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Monitorowanie dyfuzjiprzygotowanie próbek aerogelururki termokurczliwemetoda z wykorzystaniem szybkowaruprofil gęstości spinówanaliza współczynnika dyfuzjieksperyment obrazowania EPR
In Situ Monitorowanie dyfuzji cząsteczek gościnnych w ośrodkach porowatych za pomocą obrazowania elektronowego rezonansu paramagnetycznego
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.