Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

В Ситу Мониторинг Diffusion гостевых молекул в пористых средах с помощью электронного парамагнитного резонанса томография

5.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54335

⸱

2 сентября 2016 г.

 ,  , 
1Department of Chemistry, Universität Konstanz

В этой статье

Краткое содержание

Представлен протокол для мониторинга in situ диффузии гостевых молекул в пористых средах с использованием электронной парамагнитной резонансной томографии (ЭПР).

Аннотация

Продемонстрирован метод мониторинга макроскопической трансляционной диффузии с использованием электронной парамагнитной резонансной томографии (ЭПР). В качестве примера для описания протокола используется система «хозяин-гость» со спиновым зондом из нитроксида 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-тетраметил-1-пирролидинилокси (IPSL) в качестве гостя внутри периодического мезопористого кремнийорганического (PMO) аэрогеля UKON1-GEL в качестве хозяина и этанолом в качестве растворителя. Данные приведены из предыдущей публикации, в которой протокол был применен как к IPSL, так и к трис(8-карбокси-2,2,6,6-пердейтеро-тетраметил-бензо[1,2-d:4,5-d']бис(1,3)дитиол) метилу (тритилу) в качестве гостевых молекул и UKON1-GEL и SILICA-GEL в качестве хост-систем.

Показан метод подготовки образцов аэрогеля, которые не могут быть синтезированы непосредственно в пробирке для образцов для измерения из-за изменения размера во время синтеза. Аэрогель крепится к пробиркам с образцами с помощью термоусадочной трубки и скороварки для достижения необходимой температуры без испарения растворителя в процессе. Метод не предполагает четко определенного начального распределения гостевых молекул в начале измерения. Вместо этого он требует резервуара в верхней части аэрогеля и экспериментально определяет скорость притока во время анализа данных.

Диффузия постоянно контролируется в течение 20 часов путем записи профиля плотности 1d спина в образце. Настройки спектрометра для эксперимента с визуализацией описаны количественно. Программное обеспечение для анализа данных предоставляется для учета профиля чувствительности резонатора и численного решения уравнения диффузии. Программное обеспечение определяет макроскопический коэффициент трансляционной диффузии путем минимизации по методу наименьших квадратов разницы между экспериментом и численным решением уравнения диффузии.

Введение

Пористые материалы играют важную роль в практических приложениях , таких как катализ и хроматография 1. Добавляя поверхностные группы и корректировки свойств размера пор и поверхности, материалы могут быть адаптированы к желаемому применения 2,3. Функциональность пористого материала существенно зависит от диффузии свойств молекул гостя внутри пор. В пористых материалах, различие должно быть сделано между микроскопическим диффузионной поступательной постоянной D микро-, который описывает диффузию по шкале молекулярной длины , с одной стороны , и макроскопического диффузии поступательная константа D макро с другой стороны, которая находится под влиянием диффузии через многочисленные поры, границы зерен, извитости и неоднородности материала.

Есть несколько методов магнитного резонанса, доступные для изучения диффузии, каждый из которых подходящие для частиicular масштаб длины. На миллиметровой шкале, может быть использован ядерный магнитный резонанс (ЯМР) томография 4 и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) визуализация (как это представлено в данном протоколе). Меньшие масштабы становятся доступными при использовании импульсных градиентов поля в ЯМР, а также ЭПР - экспериментах 5,6. В нанометровом масштабе, ЭПР - спектроскопии может быть использован путем наблюдения изменения обменного взаимодействия между Гейзенберга спиновых зондов 7,8. Исследования трансляционной диффузии с использованием ЭПР спектр изображений от промышленного катализатора поддерживает, например, оксид алюминия 9, к анизотропным жидкости 10,11, системы высвобождения лекарственного средства из полимерных гелей 12 - 14 и 15 модельных мембран.

Этот протокол представляет собой в месте подхода с использованием ЭПР визуализации для наблюдения макроскопического трансляционной диффузии спиновых зондов в цилиндрических, пористых сред. Показано для принимающей гостевой системы, состоящей из йе нитроксильного спинового зонда 3- (2-Iodoacetamido) -2,2,5,5-тетраметил-1-пирролидинилокси (ИПСЛ) в качестве гостя внутри периодической мезопористого organosilica (ОУП) аэрогель UKON1-Gel в качестве хост-компьютером и этанолом как растворитель. Этот протокол был успешно использован ранее 16 для сравнения D макрос как определено с изображениями ЭПР с D микро для хозяина материалов UKON1-GEL и силикагельной и гостевой вид ИПСЛ и трис (8-карбокси-2,2,6,6-perdeutero-тетраметил-бензо [1,2-д : 4,5-d '] бис (1,3) дитиол) метил (тритил), смотрите Рисунок 1.

В других методов , основанных на непрерывной волны (CW) ЭПР томографии 17, диффузия происходит за пределами спектрометра. В противоположность этому , метод , представленный здесь использует подход , в точке. Серия снимков с 1д распределения спиновой плотности р 1d (т, γ) являетсязаписан в течение нескольких часов. За это время один снимок берется за другой, и обеспечивает в реальном масштабе времени картина диффузии с временным разрешением около 5 мин.

UKON1-ГЕЛЬ и силикагелевой синтезированы в пробирок с внутренним диаметром 3 мм , как описано в литературе. 16,18,19 UKON1-ГЕЛЬ и синтез силикагелевой приводит к сужению образца. Образцы помещают внутри термоусадочные трубки, чтобы предотвратить гостевые молекулы от перемещения между аэрогелем и стенкой пробирки с образцом. Этот дополнительный шаг не требуется для образцов, которые могут быть синтезированы непосредственно в пробирку для образца без изменения их размера. Образцы аэрогеля коллапс, когда они высыхают, поэтому они должны быть погружены в растворитель во все времена. Температура, которая необходима для термоусадочной трубки выше, чем температура кипения этанола при атмосферном давлении. Следовательно, протокол описывает использование скороварке, чтобы поднятьтемпература кипения этанола.

Протокол охватывает пробоподготовки UKON1-GEL синтезированную заранее для ЭПР эксперимента визуализации и настройки спектрометрических, которые используются для контроля диффузии IPSL спинового зонда. Для анализа данных локально написано программное обеспечение предоставляется и его использование описано. Исходные данные спектрометра могут быть непосредственно загружены. Программа вычисляет пространственное распределение 1к спиновой плотности р 1г (т, у) и учитывает профиль чувствительности резонатора. Пользователь может выбрать область аэрогеля и окно времени, в течение которого коэффициент диффузии должен быть определен. Затем программное обеспечение определяет граничные условия уравнения диффузии на основе этого выбора и решает уравнение диффузии. Он поддерживает наименьших квадратов , чтобы найти значение D макро , где численное решение лучше всего соответствует экспериментальным данным.

Протокол может быть использован с поправкой на различных гостевых и исходных материалов до тех пор , как площадь поперечного сечения образца не изменяется по всему образцу, то есть ρ 1d (т, γ) дает прямой доступ к концентрация и не оказывает влияния на изменение поперечного сечения образца. Диапазон доступных значений для D макро оценивается 16 от 10 -12 м 2 / сек и 7 · 10 -9 м 2 / сек.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Внимание: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материала (MSDS) перед использованием. Этанол является вредным при проглатывании или вдыхании и он горюч.

1. Оптимизация непрерывной волны (CW) параметров ЭПР

  1. Готовят 40 мкл ИПСЛ в этаноле (Pa) при концентрации 1 мМ.
  2. Возьмите контроллер пипетки и заполнить капилляр с раствором IPSL на высоту заполнения 2 см. Потянуть раствор 1 см дальше в капилляр, так что имеется воздушный зазор ниже раствора. Печать капилляр на обоих концах с капиллярной трубкой герметиком. Воздушный зазор препятствует диффузии компонентов герметика в образце.
  3. Заверните две полоски из политетрафторэтилена (PTFE) ленты около 5 см длины вокруг капилляра на расстоянии 1 см от верхнего и нижнего конца капилляра.
  4. Поместите капилляр в ЭПР образца трубки (4 мм внутренний диаметр). Убедитесь, что лента PTFE сохраняет капиллярфиксируется в центральной оси образца трубы. Вставьте капилляр вниз к нижней части образца трубы.
  5. Поместите образец в резонатор и центрирования решение спиновой метки внутри резонатора.
  6. Настройте спектрометр для критической связи, следуя инструкциям, приведенным в руководстве спектрометра.
  7. Предварительные настройки Спектрометр
    1. Используйте микроволновую частоту , чтобы установить центр поля B , используя формулу
      figure-protocol-1
      где г ≈ 2,003 грубая оценка для г фактора неспаренного радикала в нитроксильного спиновой метки, ч постоянная Планка и ц B магнетон Бора.
    2. Настройка нового эксперимента "field_sweep" с магнитным полем, как по оси абсцисс и интенсивности сигнала в качестве оси ординат. Используйте следующие параметры: Centerfield, рассчитанные на предыдущем шаге, ширина развертки: 400 G, modulatiпо амплитуде: 0,8 G, модуляции частоты: 100 кГц, СВЧ-затухание: 30 дБ, количество точек: 2048, количество сканирования: 1, время сканирования: 80 сек, постоянная времени: 50 мс.
    3. Включите режим настройки сканирования. Для настройки сканирования постоянной времени, выберите наименьшее значение, которое спектрометра предложений. Регулировка коэффициента усиления приемника до значения, где отображается сигнал заполняет 80% от отображаемого диапазона интенсивности, так что даже с шумом не точка данных не имеет более высокую интенсивность, чем 80% от максимума. Отключить сканирование установки впоследствии.
    4. Нажмите кнопку "Выполнить".
    5. Считать значение поля пересечения нулевого центрального пика из полученного спектра. Установить центр поля к этому значению.
    6. Возьмите инструмент горизонтальной линии и измерить ширину спектра от точки, где крайний левый пик начинает подниматься выше базового уровня до точки, где крайние правые пик возвращается к исходному уровню.
    7. Установите ширину развертки в три раза больше ширины спектра.
  8. Перерасчет Спектрометр Параметры
    1. Вычислить время развертки: Скорость развертки ширина / развертки. Используйте скорость развертки 5 г / сек.
    2. Вычислить минимальное количество точек данных: 10 * ширина развертки ширина / линии.
    3. Вычислить время преобразования: время развертки / количество точек данных.
    4. Вычислить постоянную времени: 0,1 * ширина линии * время сканирования / ширина развертки.
  9. Мера кривая насыщения для определения оптимальной мощности микроволнового излучения
    1. Установите затухание СВЧ до 10 дБ и регулировки усиления приемника, как описано в шаге 1.7.3.
    2. Установите затухание СВЧ до 50 дБ и записи спектра. Если отношение сигнал-шум меньше, чем 5: 1, увеличивает количество сканирований. Повторите этот шаг до тех пор, соотношение сигнал-шум не 5: 1 или выше.
    3. Создайте новый эксперимент «насыщение» с помощью магнитного поля, как абсциссой 1, мощность микроволн как абсциссой 2 и интенсивность сигнала по оси ординат. Копирование всех параметров из-йе "field_sweep" эксперимент с шага 1.9.2. Для абсциссы 2, установите начальное значение СВЧ затухания до 10 дБ, то значение размера шага 1 дБ, а число точек до 41, чтобы охватывать диапазон от 10 дБ до 50 дБ. Запустите эксперимент.
    4. Создайте таблицу для кривой насыщения. Вставьте затухание СВЧ-излучения в дБ в первом столбце.
    5. Вычислить квадратный корень из СВЧ-мощности в а.е. во второй колонке с формулой
      figure-protocol-2
      где х затухание СВЧ-в дБ с первой колонки.
    6. С помощью программного обеспечения спектрометра для измерения пика до пика интенсивности центральной спектральной линии для каждого затухания СВЧ в эксперименте. Напишите, что интенсивность в третий столбец в таблице.
    7. Участок квадратный корень из СВЧ-мощности от пика до пика интенсивности (колонка 3 против колонке 2), чтобы получить кривую насыщения. Incluде происхождения (0,0) в сюжете.
    8. Определить линейный режим кривой насыщения. Оптимальная мощность микроволн является самой высокой мощности микроволнового излучения, которая все еще находится в линейном режиме. С помощью соответствующего параметра затухания во всех дальнейших экспериментах.

2. Определить магнитное поле градиента силы и разрешение по времени

  1. Создайте новый эксперимент в спектрометре программного обеспечения с магнитным полем в качестве абсциссы 1 и интенсивности сигнала в качестве оси ординат. Включить элементы управления градиентной катушки.
  2. Копирование всех параметров спектрометра из предыдущего эксперимента, как это определено в 1.8 и 1.9.8.
  3. Установите значение в поле напряженности магнитного градиента до 170 г / см в направлении оси образца, указывающими вверх.
  4. Вычислить ширину стреловидности SW = Sw 0 + FOV · G, где 0 ЮЗ ширина развертки определяется в соответствии с разделом 1.8.4 при отсутствии градиента магнитного поля,FOV это поле зрения (2,5 см) и G является напряженность магнитного градиента поля.
  5. Вычислить оценочную пикселей размер = ширина линии / G, используя ширину линии спектра , записанного в 1.9.3 при отсутствии градиента магнитного поля.
  6. Вычислить скорость развертки время = SW / стреловидности. Используйте ту же самую скорость развертки, как и в 1.8.1.
  7. Вычислить минимальное количество точек данных, необходимое, используя более высокое значение
    я. N 1 = 10 * ширина развертки / ширина линии
    II. N 2 = 10 * поле зрения / (G * размер пикселя).
  8. Вычислить время преобразования: время развертки / количество точек данных.
  9. Вычислить постоянную времени: 0,1 * ширина линии * время сканирования / ширина развертки или ниже.
  10. Установите параметры, рассчитанные в 2.3 через 2.9 и нажмите кнопку "Выполнить".
  11. Измерьте уровень шума базовой линии, а также от пика до пика интенсивностиот центральной линии с помощью инструмента вертикальной линии. Рассчитывают соотношение сигнал-шум.
  12. Если соотношение сигнал-шум составляет менее 5: 1, удвоить количество сканирований в "сканирования" панели параметров спектрометра и повторите шаги с 2.1.3 по 2.11.

3. Подготовка образца

Внимание: используйте защитные очки.

Примечание: Храните аэрогель полностью погруженной в растворителе во все времена. На рисунке 2 фотографии и схемы.

  1. Наполните чашку Петри диаметром 10 см с этанолом (Pa) до высоты 5 мм.
  2. Поместите аэрогель в чашку Петри и отрезан цилиндрическую часть 5 мм до 1 см в длину.
  3. Приготовьте кусок термоусадочной трубки, которая составляет около 1 см длиннее аэрогеля цилиндра.
  4. Используйте резак стеклянной трубки, чтобы сломать образец трубки 2 мм внутреннего диаметра, чтобы создать две части длиной 4 см. Обе части должны иметь два открытых конца.
    Внимание: Надевать защитные очки и соответствующие перчатки при работе тепловой пушки. Не направляйте поток воздуха в сторону кожи или одежды и держать его подальше от горючих материалов.
  5. Вставьте одну из частей, образцы трубок толщина 5 мм в один конец термоусадочной трубки. С помощью тепловой пушки, чтобы тщательно нагреть этот конец термоусадочной трубкой тепла без усадки остальной части трубки. Термоусадочная трубка должна теперь быть закреплен на стеклянной трубке.
    1. Погрузитесь это сочетание стеклянной трубки и термоусадочной трубки в чашку Петри аэрогеля. Осторожно вставить кусок аэрогеля с шага 3.2 в открытый конец термоусадочной трубки.
  6. Заполните пробирку с этанолом (Pa) до высоты 7 см. Перенести образец из чашку Петри в пробирку. Делая это, убедитесь, что открытый конец термоусадочной трубки ориентирован на вершину. Убедитесь, что аэрогель полностью погружен в этаноле.
  7. Вставьте второй длиной 4 см кусокобразец трубки с шага 3.4 в открытый конец термоусадочной трубки. Не применяйте силу, сила тяжести должна быть достаточно, чтобы закрыть промежутки между аэрогеля и частей образца трубы. Поместите пробирку с образцом в стакан.
  8. Заполните скороварку, по меньшей мере 500 мл этанола и добавляют мешалку.
  9. Поместите химический стакан, содержащий образец на подставку внутри скороварки.
    Внимание: Выполните следующий шаг под вытяжкой и продолжают носить защитные очки.
  10. Кук и размешать образцов при установке давления 1 бар выше атмосферного давления на магнитной мешалке. Температура должна составлять не менее 90 ° C. Пусть ему остыть, как только будет достигнуто давление и паров этанола релизы клапан сброса давления. Если термоусадочная трубка не сжимаются, повторите этот шаг.
    Примечание: Немедленно очистите скороварку с водой, чтобы свести к минимуму влияние этанола на уплотнение клапанов. В этот момент, приготовленный образец можно хранить в этаноле для SeveRAL месяцев.

4. Подготовить Спектрометр

  1. Создание 2d эксперимент с использованием магнитного поля, как абсциссой 1, время как абсциссой 2 и интенсивность сигнала по оси ординат, так что поле развертки магнитного записывается для каждого временного шага. Включить элементы управления градиентной катушки.
  2. Установите время задержки между измерениями до нуля. Установите другие параметры, как определено в разделе 2. Установить число точек для оси времени до 20 ч / время развертки. Установите микроволновую мост, чтобы выполнить тонкую настройку после каждого среза сканирования.
  3. Следуйте инструкциям, приведенным в разделе 1.7 для настройки спектрометра на пустом резонаторе.

5. Подготовка образца для измерения

Примечание: Единственный раз, когда критические шаги этого протокола 5.3 через 6.2, которая с самого начала процесса диффузии с добавлением спиновой метки до того времени, сбор данных в спектрометре начинается. Выполните следующие действия без введениялюбые задержки.

  1. Поместите палец на верхней части образца из раздела 3, чтобы сохранить раствор этанола из вытекающей на дне. Затем с помощью шприца, чтобы удалить некоторое количество этанола из нижней 5 мм от нижней трубки образца и уплотнение, что конец трубки с герметиком. Убедитесь, что воздушный пузырь 2 мм в высоту над герметиком.
  2. Удалить весь этанол из трубки образца выше аэрогеля на 3 мм, расположенные несколько выше аэрогеля с использованием капиллярного пипетку Пастера, за исключением.
  3. Вводят 20 мкл раствора спиновой метки в этаноле на вершине аэрогеля. Убедитесь в том, чтобы не создавать воздушный пузырь на вершине аэрогеля. Отметить текущее время как начало процесса диффузии.
  4. Поместите образец в пробирку с 4 мм внутреннего диаметра. Используйте тефлоновую ленту к центру образца.
  5. Используйте фломастер, чтобы отметить наружную пробирку с пробой в положении 68 мм выше верхнего края аэрогеля. Это помогает в правильной центровки образца в резонаторе и помещает Cвойти в резонаторе 1 мм ниже верхнего края аэрогеля.

6. Выполните Diffusion эксперимент

  1. Поместите образец в резонаторе так, чтобы маркировка от 5,5 совмещается с верхней части держателя PTFE резонатора и настроить спектрометр для критической связи, как описано в руководстве по эксплуатации спектрометра.
  2. Используйте режим сканирования Setup для установки коэффициента усиления приемника, как описано в 1.7.3 в то время как градиентных катушек по-прежнему отключены.
  3. Начало эксперимента, который был создан в разделе 4. Запишите текущее время. Либо ждать 20 часов для эксперимента, чтобы закончить или остановить эксперимент, когда записанный сигнал не изменяется в течение 4 часов или более. Сохранение результата.

7. Выполнение дополнительных экспериментов, необходимых для анализа данных

Примечание: Проведение экспериментов в 7.1 и 7.2 с того же образца непосредственно после диффузионного опыта и без моВинг образца.

  1. Запись функция рассеяния точки для деконволюции
    1. Переключиться на эксперимент "прогонки" поле со стадии 1.7.2. Копирование всех параметров из эксперимента на шаге 6.
    2. Запись спектра и измерения отношения сигнал-шум. Если оно меньше, чем 20: 1, увеличивает количество сканирований, и повторить этот шаг. В противном случае сохранения спектра.
  2. Выполнение 2d визуализации эксперимента
    1. Создайте новый эксперимент на спектрометре с магнитным полем в качестве абсциссы 1, угол градиента магнитного поля в качестве абсциссы 2 и интенсивность сигнала по оси ординат. Копирование параметров с шага 6. Установить плоскость изображения на плоскости YZ, которая является плоскостью , направление статического магнитного поля B 0 и осью образца.
    2. Установите количество углов N относительно направления градиента к N = FOV / нужного размера пикселя или выше.
    3. Начните измерение и сохранить результат.
    4. Повторите йе шаги 7.1 и сохранить результат.
  3. Измерьте Профиль Резонатор Чувствительность
    1. Приготовьте еще один образец спинового зонда в растворе, повторяя шаги 1.1 через 1.5, но на этот раз добавляют 4 см раствора в капилляр вместо 2 см.
    2. Следуйте инструкциям, приведенным в разделе 2, чтобы записать спектр образца с градиентом магнитного поля в направлении оси образца. На шаге 2.3, используют поле зрения в 3 см. Сохранение результата.
    3. Повторите измерение в отсутствие градиента магнитного поля и сохранить результат.

Анализ 8. Данные

  1. Реконструировать 2d визуализации эксперимента
    1. Загрузите 2d эксперимент изображения из 7.2.3 в основной области просмотра программного обеспечения спектрометра.
    2. Загрузите эксперимент с 7.2.4 во вторичную видовом программного обеспечения спектрометра.
    3. Перейти к обработке> Трансформации> Деконволюция, выберите Slice: все и нажмитеприменяются для выполнения деконволюции.
    4. Сохраните деконволюции данных на диск.
    5. Используйте свободно доступное программное обеспечение восстановления изображения 20 с помощью следующей команды: реконструировать --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Загрузите результат из 8.1.5 в спектрометре программного обеспечения для последующего использования.
  2. Анализ Recorded диффузионного опыта
    1. Запустите программное обеспечение для анализа данных и перейдите на вкладку "Загрузка" программного обеспечения , показанного на рисунке 3. Загрузите эксперимент диффузии с шага 6.3 под "диффузионного эксперимента". Загрузите соответствующую точку распространения функцию, начиная с шага 7.1.2 под "диффузионного эксперимента без градиента". Загрузите результат с шага 7.3.2 под "резонатором профиля эксперимента" и результат со стадии 7.3.3 под "резонатором профиля ехр ш / о градиента".
    2. Перейдите на вкладку чувствительности резонатора , показанного на рисунке 4 для выполнения деконволюции данных из эксперимента 7.3.2 с помощью 7.3.3 в качестве функции рассеяния точки. Уменьшите значение мощности шума, пока результат не будет шумно, а затем поднимите его, пока шум не исчезнет.
    3. Перейдите на вкладку Профиль 1d спиновой плотности , показанной на рисунке 5, чтобы деконволюции каждого поля развертки , записанного в 6.2 с помощью эксперимента с 7,1 как функция рассеяния точки. Уменьшите значение мощности шума, пока результат не будет шумно, а затем поднимите его, пока шум не исчезнет.
    4. Перейдите на вкладку посевные площади , показанной на рисунке 6. Выберите область диффузионной тепловой карте , которая лежит полностью внутри аэрогеля и где спинового зонда как раз собирается ввести сверху на первом временном шаге этой области. Если у вас возникли сомнения, загрузите реконструированное изображение из 8.1.6 в программном обеспечении спектрометра, чтобы помочь определить точное положение аэрогеля.
    5. Увеличение площади с шага 8.2 в направлении вниз образца таким образом, что ни спина Probе достигает нижней границы области в течение времени эксперимента. Смотрите рисунок 6 для справки.
    6. Перейдите на вкладку наплыв , показанной на рисунке 7 и запрессовки. Левой панели показывает интеграл от обрезанной области от 8.2.5 вдоль оси позиции.
    7. Убедитесь в том, что кривая, изображенная на средней панели начинается с нуля и сразу же начинает расти. Если это не так, вернитесь к 8.2.5.
    8. Убедитесь в том, что красная линия, показанная в средней панели следующим образом черные точки данных.
  3. Смоделировать 1к Спин Концентрация в течение долгого времени и установите коэффициента диффузии
    1. Перейдите на вкладку коэффициента диффузии и запрессовки.
    2. Дождитесь результатов расчета.
    3. Убедитесь в том, что экспериментальные данные, представленные на левой соответствует числовые данные, как показано на рисунке справа.
    4. Считать значение макроскопического поступательная коэффициента диффузии D макрос , который ДИСПЛЕЙYed на экране.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Фото и схема аэрогеля в термоусадки трубки показан на фигурах 2а и 2b. 2d ЭПР изображение на рисунке 2с ясно показывает верхний край аэрогеля. Интенсивность р 1d внутри трубки образца выше аэрогеля ниже , хотя концентрация спинового зонда, по меньшей мере столь же высоко , как внутри аэрогеля. Тем не менее, глубина образца, перпендикулярной к плоскости изображения значительно меньше из-за меньшего внутреннего диаметра...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Протокол позволяет осуществлять мониторинг диффузии парамагнитных молекул гостя. 1D-подход визуализации был выбран потому, что она позволяет более высоким временным разрешением по сравнению с 2D или 3D визуализации. 1d подход требует постоянной площадью поперечного сечения образца, так как интенсивность полученного 1d изображения зависит не только от концентрации, но и от площади поперечного сечения образца. Способ также требует, чтобы спектры ЭПР спиновых зондов в пробах с изменяются только по интенсивности, но не в фо...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Авторы благодарят профессора Петера Имминга и Диану Мюллер за синтез тритилового спинового зонда, а также профессора Себастьяна Полярца, Мартина Вессига и Андреаса Шахтшнайдера за синтез пористых материалов. Выражаем благодарность за финансовую поддержку со стороны DFG (DR 743/7-1) и в рамках SPP 1570.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Спектрометр X-диапазонаBrukerE580
Программное обеспечение спектрометраBrukerXepr 2.6b.108
система градиентных катушекBrukerE540 GCX2
визуализационный резонаторBrukerTMHS 1007
микроклассический контроллер пипеткиБренд25900
микрокапиллярные кольцевые колпачки 50  &микро; lHirschmann9600150внутренний диаметр 0,5 мм
ЭПР пробирка 2 мм внутренний диаметрBrukerER 221TUB/2
ЭПР пробирка 4 мм внутренний диаметрBrukerER 221TUB/4
термоусадочная трубка DERAY-IBDSG-Canusa22100489524,8 мм/2,4 мм, 2:1, 95  ° С - 200  ° C
термофенBoschPHG 600-3
PTFE  лентаVWR332362Sширина 12 мм
пробирки16 см, диаметр 1,5 см
стакан250 мл, высота 9 см, диаметр 7 см
герметизация капиллярной трубкиFisher Scientific02-678
скороварка, 3 л с подставкойBeemVital-X-Press V2, F1000675
магнитная мешалка с нагревательным элементом
этанол (па)
этанол (техн.)
шприцHamilton17050,05 мл, нестандартная длина: 20 см
Пастеровская капиллярная пипеткадлина 23 см
программное обеспечение для анализа данныхдомашнегоприготовления Доступно для скачивания на http://www.uni-konstanz.de/drescher/software. Требуется Matlab.
UKON1-GELлюбезно предоставлен профессором Себастьяном Полярцем, Мартином Вессигом и Андреасом Шахтшнайдером См. ссылки 16, 18, 19 для синтеза
длина

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Мониторинг диффузииподготовка образцов аэрогелятермоусадочная трубкаметод с использованием скороваркипрофиль плотности спинованализ коэффициента диффузииэксперимент по ЭПР-визуализации
В Ситу Мониторинг Diffusion гостевых молекул в пористых средах с помощью электронного парамагнитного резонанса томография
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.