전자 상자성 공명 영상을 이용하여 다공성 미디어에서 고객 분자의 확산의 제자리 모니터링에

1Department of Chemistry, Universität Konstanz
Published 9/02/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Spitzbarth, M., Lemke, T., Drescher, M. In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (115), e54335, doi:10.3791/54335 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

다공성 물질은 촉매와 같이 크로마토 그래피 실제 응용에 중요한 역할을한다. 기공 크기 및 표면 특성 표면 그룹을 추가하고 조절함으로써, 재료는 원하는 애플리케이션 2,3-로 맞출 수있다. 다공성 재료의 기능은 결정적 세공 내부에 손님 분자의 확산 특성에 의존한다. 다공성 물질에서 구분 한 손에 분자 길이 규모와 거시적 병진 확산 상수 D 매크로 확산을 설명하는 미세한 병진 확산 상수 D 마이크로 사이에 이루어져야합니다 복수의 세공, 입계, 비틀림 및 물질의 불균일성을 통해 확산에 의해 좌우되는 반면에.

일부에 대한 각각의 적합한 확산을 연구하기 위해 사용할 수있는 몇 가지 자기 공명 방법이있다icular 길이 규모. 밀리미터 스케일, 핵 자기 공명 (NMR) 영상화 (4)과, 전자 상자성 공명 (EPR) 영상 (이 프로토콜에서 제시된 바와 같이) 이용 될 수있다. 작은 규모는 펄스 NMR 필드 구배뿐만 아니라 EPR 실험 5,6의 사용에 의해 액세스됩니다. 나노 스케일, EPR 분광법 스핀 프로브 7,8 하이젠 베르크 간의 교환 상호 작용의 변화를 관찰하여 사용할 수있다. 멤브레인 (14) 및 모델 (15) - 예를 들어, 공업 촉매 지원 EPR에서 촬상 범위를 이용하여 병진 확산, 산화 알루미늄 (9)의 연구는 고분자 겔 (12)로 이루어지는 유체 (10, 11), 약물 방출 시스템 이방성.

이 프로토콜은 원통형의 스핀 프로브의 거시적 병진 확산, 다공성 매체를 모니터링 할 EPR 이미지를 사용하여 현장 접근에를 제공합니다. 이것은 제 구성된 호스트 게스트 시스템에 대해 설명된다전자 질산화물 스핀 프로브 -3- (2- 요오도 아세트 아미도) 주기적 메조 포러스 유기 실리카 내부 게스트로 -2,2,5,5 테트라 메틸 -1- 피 롤리 (IPSL) (PMO) 에어로겔 UKON1-GEL를 A와 같은 호스트와 에탄올 용제. 이 프로토콜은 성공적 D 매크로를 비교하기 이전에 16 사용되고 호스트 재료 UKON1-GEL 실리카 겔 게스트 IPSL 종과 트리스 (8- 카르복시 -2,2,6,6- 테트라 perdeutero 벤조 [1,2-D에 대한 D 마이크로과 EPR 촬상하여 결정된 : 4,5-D '] 비스 (1,3) dithiole) 메틸 (트리 틸), 그림 1을 참조하십시오.

연속파 (CW) EPR 영상 (17)에 따라 다른 방법으로, 확산 분광계의 외부에서 발생한다. 대조적으로, 여기에서 제시된 방법은 현장에 접근을 사용한다. 1 차원 스핀 밀도 분포 ρ의 1D의 스냅 샷의 시리즈 (t, γ)입니다몇 시간의 기간에 걸쳐 기록 하였다. 이 시간 동안, 하나의 스냅 샷은 다른 촬영 후 약 5 분의 시간 해상도와 실시간 확산 패턴을 제공한다.

UKON1 - 겔 실리카 - 겔은 문헌에 기술 된 바와 같이. 3mm의 내경 샘플 튜브 합성 16,18,19 UKON1 - 겔 실리카 - 겔 합성 샘플의 수축을 유도 하였다. 샘플은 에어로겔 샘플 튜브의 벽 사이에 이동하는 게스트 분자를 방지하는 열수축 튜브 내에 배치된다. 이 추가 단계는 사이즈를 변경하지 않고, 샘플 튜브에서 직접 합성 할 수있는 샘플을 위해 필요하지 않다. 그들은 건조, 그래서 그들은 항상 용매에 빠져들해야 에어로젤 샘플 붕괴. 열 수축 튜브에 필요한 온도는 대기압에서의 에탄올의 비점보다 높다. 따라서, 프로토콜은 인상 압력솥의 사용을 설명에탄올의 끓는점.

프로토콜은 EPR 이미징 실험 및 IPSL 스핀 프로브의 확산을 모니터링하는 데 사용되는 분광계 설정을 미리 합성 UKON1-GEL의 시료 전처리를 포함한다. 데이터 분석을 위해 로컬로 작성된 소프트웨어가 제공되고, 그것의 사용을 설명한다. 분광계에서 원시 데이터를 직접로드 할 수 있습니다. 소프트웨어는 상기 공간 (1D)의 스핀 밀도 분포 ρ의 1D (t, γ)를 계산하고 고려 공진기 감도 프로파일 걸린다. 사용자는 확산 상수가 결정되어야하는 동안 에어로겔과 시간 윈도우의 영역을 선택할 수있다. 소프트웨어는 그 선택에 기초하여 확산 방정식의 경계 조건을 결정하고, 상기 확산 방정식을 해결한다. 이 수치 용액 가장 실험 데이터와 일치 D 매크로 값을 찾기 위해, 최소 제곱 피팅을 지원한다.

ρ의 1D이고 다른 게스트와 호스트 재료의 조정에 사용될 수있다 (t는 γ)에 직접 액세스 할 농도와는 시료 단면의 변화에​​ 의해 영향을받지 않는다. D 매크로에 대한 접근 값의 범위 16 / 초 2m -9 10 · / 초 2m -12 (10) 사이에 7 추정된다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

주의 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하십시오. 섭취 또는 흡입시 에탄올 유해이며 가연성이다.

1. 연속파 (CW) EPR 매개 변수를 최적화

  1. 1 mM의 농도로 에탄올 IPSL 40 μL (PA)을 준비한다.
  2. 피펫 컨트롤러를 가지고 2cm의 충전 높이로 IPSL 솔루션 모세관을 입력합니다. 용액을 아래에 에어 갭이 존재하도록 캐 필러로 1cm 상기 용액을 당긴다. 모세관 튜브 화합물 씰링 양쪽 끝의 모세 혈관을 밀봉합니다. 에어 갭은 샘플에 밀봉 화합물 성분의 확산을 방지한다.
  3. 모세관의 상부 및 하부 단부에서 1cm의 거리 모세관 주위 약 5cm 길이의 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE)의 두 테이프 스트립을 감싸.
  4. EPR 샘플 튜브 (4mm 내경)에 모세관을 넣습니다. PTFE를 테이프 모세관을 유지하는지 확인샘플 튜브의 중심 축에 고정시켰다. 샘플 튜브의 바닥에 모세관을 아래로 밀어 넣습니다.
  5. 공진기에 샘플을 넣고 공진기 내에서 스핀 라벨 솔루션을 중심으로.
  6. 조정 분광계 설명서의 지침에 따라 중요한 커플 링 분광계.
  7. 예비 분광계 설정
    1. 수식을 이용하여 중심 필드 B를 설정하는 마이크로파의 주파수를 사용하여
      식 (1)
      g ≈ 2.003는 질산화물 스핀 라벨의 짝 라디칼의 g 요인에 대한 대략적인 추정치이고, H는 플랑크 상수이고, B는 보어 마그네 톤이다 μ.
    2. 횡축으로 자기장과 좌표와 신호 강도와 새로운 실험 "field_sweep"를 설정합니다. 다음 매개 변수를 사용하여 중견수를 스위프 폭 이전 단계에서 계산 : 400 G, modulati0.8 G, 변조 주파수 : 100 kHz에서, 전자 감쇠 : 30dB, 포인트의 수 : 2,048, 검사의 수 : 1, 스캔 시간 : 80 초, 일정 시간 : 50 밀리 초 진폭에.
    3. 설치 스캔 모드를 활성화합니다. 설치 검사 시정를 들어, 분광계 제공하는 가장 낮은 값을 선택합니다. 표시 신호가 표시 강도 범위의 80 %를 채우는 경우, 값의 수신기 이득을 조정하더라도 노이즈 데이터 포인트는 최대의 80 %보다 더 높은 강도가 없도록. 나중에 설치 검사를 사용하지 않도록 설정합니다.
    4. "실행"버튼을 누릅니다.
    5. 얻어진 스펙트럼에서 중앙 피크의 제로 크로싱의 필드 값을 읽습니다. 그 값으로 중심 필드를 설정합니다.
    6. 가장 왼쪽 피크가 포인트로 기본 수준 이상으로 상승하기 시작하는 위치를 수평 줄 도구를 가지고 지점에서 스펙트럼의 폭을 측정 위치를 기준 레벨로 오른쪽 피크 돌아갑니다.
    7. 세 번 스펙트럼 폭 스위프 폭을 설정합니다.
  8. 분광계 매개 변수를 다시 계산
    1. 스위프 시간을 계산 : 스위프 폭 / 스윕 속도를. 5 G / sec의 스윕 속도를 사용합니다.
    2. 데이터 포인트의 최소 수를 계산한다 (10) * 스위프 폭 / 선폭.
    3. 전환 시간을 계산 : 스위프 시간 / 데이터 포인트의 수.
    4. 0.1 * 라인 폭 * 스캔 시간 / 스위프 폭 : 시정을 계산합니다.
  9. 최적의 마이크로 웨이브 파워를 파악하기 위해 포화 곡선을 측정
    1. 10dB의 마이크로파 감쇠를 설정하고, 단계 1.7.3에서 설명 된 바와 같이 수신기의 이득을 조절한다.
    2. 50dB로 전자 감쇠를 설정하고 스펙트럼을 기록합니다. 신호대 잡음비가 5 미만이면 1, 스캔의 수를 증가시킨다. 1 이상 : 신호대 잡음비가 5가 될 때까지이 과정을 반복한다.
    3. , 횡축 한 바와 같이 횡축이 아니라 마이크로파 전력 및 종축 신호 강도의 자기장을 이용한 새로운 실험 "포화"를 만든다. 일에서 모든 설정을 복사단계 1.9.2에서 전자 "field_sweep"실험. 횡축이 들어 10 dB 1 dB의 증분 값 10 dB에서 50 dB의 범위를 커버하는 41 점의 수에 마이크로파 감쇠의 시작 값을 설정한다. 실험을 실행합니다.
    4. 포화 곡선 스프레드 시트를 작성합니다. 첫 번째 열에 dB의 전자 감쇠를 삽입합니다.
    5. 화학식 상기 제 2 열에 AU에서 마이크로파 전력의 제곱근을 계산
      식 (2)
      여기서 X는 첫번째 칼럼에서 dB에서 마이크로파 감쇠이다.
    6. 실험에서 각각 전자 레인지 감쇠에 대한 중앙 스펙트럼 라인의 강도를 피크 피크를 측정하는 분석기 소프트웨어를 사용합니다. 스프레드 시트의 세 번째 열로 그 강도를 작성합니다.
    7. 포화 곡선을 얻기 위해 피크 세기 (칼럼 2 대 3 열)의 피크 대 마이크로파 전력의 제곱근을 플롯. 의 inclu플롯의 원점 (0,0)을 해제.
    8. 포화 곡선의 선형 정권을 확인합니다. 최적의 마이크로파 전력 선형 정권 여전히 높은 마이크로파 전력이다. 모든 추가 실험에 대한 대응 감쇠 설정을 사용합니다.

2. 자기장 그라데이션 강도와 시간 해상도를 결정

  1. 횡축 1과 자기장 종축 신호 강도 분광계 소프트웨어의 새로운 실험 만들기. 그라데이션 코일 컨트롤을 사용합니다.
  2. 1.8과 1.9.8에서 결정된 이전의 실험에서 모든 분광계 설정을 복사합니다.
  3. 위쪽을 가리키는 샘플 축 방향으로 170 G / cm의 자기장 경사 강도를 설정한다.
  4. 스윕 폭 SW SW = 계산 FOV + 0 * 0 (SW)가 자계 구배의 부재 1.8.4 결정된 스윕 폭 G,FOV 시야 (2.5 cm)를이고 G는 자계 구배 강도이다.
  5. 자기장 기울기의 부재 1.9.3에 기록 된 스펙트럼 선폭을 이용하여 추정 된 픽셀 크기 = 선폭 / G를 계산한다.
  6. 스위프 시간 = SW / 스위프 속도를 계산합니다. 1.8.1에서와 같은 스위프 속도를 사용합니다.
  7. 높은 값을 이용하여 필요한 데이터 포인트의 최소 수를 계산
    전. N 1 = 10 * 스위프 폭 / 선폭
    II. N 2 = 10 *보기 / (G의 * 픽셀 크기)의 필드입니다.
  8. 전환 시간을 계산 : 스위프 시간 / 데이터 포인트의 수.
  9. 0.1 * 라인 폭 * 스캔 시간 / 스위프 폭 이하 : 시정을 계산합니다.
  10. 2.9을 통해 2.3에서 계산 된 매개 변수를 설정하고 "실행"버튼을 누릅니다.
  11. 기준선의 잡음 레벨뿐만 아니라 강도 피크하는 피크를 측정수직선 도구 중앙 라인. 신호 대 잡음비를 계산한다.
  12. 신호대 잡음비가 5 미만이면 1, 분광계 파라미터 "스캔"패널에서 스캔의 개수를 두 배로 반복 2.11 통해 2.1.3 단계.

3. 샘플을 준비

주의 : 보호 안경을 착용 할 것.

참고 : 완전히 항상 용매에 잠긴 에어로젤을 유지합니다. 사진 및 개략적 인 그림 2를 참조하십시오.

  1. 5mm의 높이까지 에탄올 (PA)와 10cm 직경의 페트리 접시를 입력합니다.
  2. 페트리 접시에 에어로젤을 넣고 길이가 1cm 5 mm의 원통형 조각을 잘라.
  3. 에어로젤 실린더보다 약 1cm 이상 열 수축 튜브의 조각을 준비한다.
  4. 4cm 길이 두 조각을 만들 2mm 내경의 샘플 튜브를 분해하기 위해, 유리 튜브 커터를 사용한다. 두 조각 두 개 구단이 있어야합니다.
  5. 열 수축 튜브의 한쪽 끝으로 5mm 깊이 샘플 튜브 조각 중 하나를 삽입합니다. 조심스럽게 튜브의 나머지 부분을 축소하지 않고 열 수축 튜브의 일단이 가열 히트 건을 사용한다. 열 수축 튜브는 이제 유리관에 고정되어야한다.
    1. 에어로겔의 페트리 접시에 유리관 및 열 수축 튜브의 결합을 담근다. 조심스럽게 열 수축 튜브의 개방 단부에 단계 3.2에서 에어로겔의 조각을 밀어 넣습니다.
  6. 7cm의 높이까지 에탄올 (PA)와 테스트 튜브를 입력합니다. 시험관에 배양 접시에서 샘플을 이동. 이렇게하는 동안, 열 수축 튜브의 개방 단부가 정상에 지향되어 있는지 확인합니다. 에어로젤은 완전히 에탄올에 빠져들되어 있는지 확인합니다.
  7. 의 두 번째 4cm 길이 조각을 삽입열 수축 튜브의 개방 단부로 단계 3.4에서 샘플 튜브. 힘을 가하지 마십시오, 무게는 에어로젤 및 샘플 튜브 조각 사이의 격차를 닫 충분합니다. 비커에 샘플 테스트 튜브를 넣습니다.
  8. 최소 500 ml의 에탄올로 압력 밥솥을 입력하고 교반 막대를 추가합니다.
  9. 압력 밥솥 내부의 삼발이에 샘플이 들어있는 비커를 넣습니다.
    주의 : 흄 후드에서 다음 단계를 수행 및 안전 안경을 착용하는 것을 계속한다.
  10. 쿡은 자석 교반기 주위 압력보다 1 bar의 압력 설정에서 샘플을 저어. 온도는 90 ° C에 도달한다. 그것은 곧 압력이 도달 압력 밸브 출시 에탄올 증기 바와 같이 냉각 할 수 있습니다. 열 수축 튜브 수축하지 않은 경우,이 단계를 반복합니다.
    주 : 즉시 밀봉 밸브에 대한 에탄올의 영향을 최소화하기 위해 물과 함께 압력 밥솥 세척. 이때, 제조 된 샘플은 세비 에탄올에 저장 될 수있다RAL 개월.

4. 분광계를 준비

  1. 횡축이 같은 2D 횡축으로 한 자기장을 이용하여 실험 시간을 만들고 자계 스윕 각 시간 단계에 대해 기록되도록 종축으로 신호 강도. 그라데이션 코일 컨트롤을 사용합니다.
  2. 제로로 측정 사이의 시간 지연을 설정합니다. 20 시간 / 스위프 시간 설정 부 (2)의 시간 축에 대한 점수를 결정되는 다른 파라미터를 설정한다. 각 조각 스캔 후 미세 조정을 수행하기 위해 전자 레인지 다리를 설정합니다.
  3. 조정 빈 공진기에 분광계를 1.7 절의 단계를 따릅니다.

5. 측정을위한 샘플을 준비

주 :이 프로토콜의 시간 만 중요한 단계는 분광계의 데이터 획득이 시작되는 때까지 스핀 라벨의 첨가로 확산 공정의 개시로부터 인 6.2으로 5.3이다. 도입하지 않고 다음 단계를 수행지연.

  1. 하단 유출 에탄올 용액 유지 부 (3)에서 샘플의 상부에 손가락을 넣어. 그런 다음 하단 샘플 튜브의 바닥 5mm에서 약간의 에탄올을 제거하고 튜브 밀봉 화합물과 그 끝을 밀봉하기 위해 주사기를 사용합니다. 밀봉 화합물 위 높이 2 mm의 기포가 있는지 확인합니다.
  2. 단지 파스퇴르 모세관 피펫을 사용하여 에어로젤 위 3mm를 제외하고는 에어로젤 위의 샘플 튜브에서 모든 에탄올을 제거합니다.
  3. 에어로겔 위에 에탄올에 스핀 라벨 용액 20 ㎕를 주입한다. 에어로겔의 상단에 공기 거품을 만들 수 없습니다해야합니다. 확산 공정의 개시와 현재 시간을 표시한다.
  4. 4mm 내경 샘플 튜브 샘플을 놓습니다. 샘플을 중앙에 PTFE 테이프를 사용합니다.
  5. 에어로겔의 상단 위에 68mm의 위치에서 외측 샘플 튜브를 표시하기 위해 펠트 펜을 사용한다. 이 올바르게 공진기에 샘플을 중심으로하는 데 도움과 C를 둔다공진기 에어로겔의 상부 에지 아래 1mm를 입력한다.

6. 확산 실험을 수행

  1. (가) 공진기 및 조정 분광계의 사용 설명서에 설명되어 같은 중요한 커플 링에 대한 분광계의 PTFE 홀더의 상단이 5.5 맞 춥니에서 표시되도록 공진기에 샘플을 놓습니다.
  2. 그라데이션 코일이 계속 꺼진 상태 1.7.3에 설명 된대로 수신기 이득을 설정하는 설정 스캔 모드를 사용합니다.
  3. 현재 시간을 기록 섹션 4에서 설정 한 실험을 시작합니다. 하나는 기록 신호가 4 시간 이상에 걸쳐 변경되지 않는 경우 실험을 완료하거나 중지 실험에 20 시간을 기다립니다. 결과를 저장합니다.

7. 데이터 분석에 필요한 추가 실험을 수행

참고 : 직접 확산 실험 후 모없이 동일한 샘플 7.1 및 7.2에서 실험을 실시샘플을 ving.

  1. 역대 합에 대한 포인트 확산 기능을 녹음
    1. 단계 1.7.2에서 "필드 스윕"실험로 전환합니다. 6 단계에서 실험에서 모든 설정을 복사합니다.
    2. 스펙트럼을 기록하고, 신호 대 잡음비를 측정한다. 이 20 미만이면 1, 스캔 횟수를 증가시키고이 과정을 반복한다. 그렇지 않으면 스펙트럼을 저장합니다.
  2. 2 차원 이미징 실험을 수행
    1. 횡축 1과 자계 분광계에 새로운 실험 횡축이 같은 자기장 기울기의 각도 종축 신호 강도를 생성한다. 정적 자기장 B 0의 방향과 샘플 축을 포함하는 평면 인 YZ면에 촬상면을 설정 단계 6에서 매개 변수를 복사한다.
    2. N = N FOV / 원하는 픽셀 크기 이상으로 경사 방향의 각도의 수를 설정한다.
    3. 측정을 시작하고 결과를 저장합니다.
    4. 반복 일7.1 전자 공정하고 결과를 저장합니다.
  3. 공진기 감도 프로필을 측정
    1. 단계 1.5을 통해 1.1을 반복하여 용액의 스핀 프로브의 또 다른 샘플을 준비하지만 이번에는 2cm 대신 모세관으로 솔루션의 4cm를 추가합니다.
    2. 샘플의 축 방향 자계 구배 샘플의 스펙트럼을 기록 (2)의 단계에 따라. 단계 2.3, 3cm의보기의 필드를 사용합니다. 결과를 저장합니다.
    3. 자기장 기울기의 부재하에 측정을 반복하고 그 결과를 저장한다.

8. 데이터 분석

  1. 2 차원 이미징 실험을 재구성
    1. 분광계 소프트웨어의 기본 뷰포트에 7.2.3의 2 차원 영상 실험을로드합니다.
    2. 분광계 소프트웨어의 2 차 뷰포트에 7.2.4에서 실험을로드합니다.
    3. 모든를 클릭 : 처리로 이동> 변환은> 디콘 볼 루션, 슬라이스를 선택디컨 볼 루션을 수행하기 위해 적용됩니다.
    4. 디스크에 deconvolved 데이터를 저장합니다.
    5. 다음 명령으로 자유롭게 사용할 영상 재구성 소프트웨어 (20)를 사용하여 재구성 --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. 나중에 참조 분광계 소프트웨어에 8.1.5에서 결과를로드합니다.
  2. 녹화 확산 실험 분석
    1. 데이터 분석 소프트웨어를 시작하고 그림 3과 같이 소프트웨어의 "로드"탭으로 이동합니다. "확산 실험"에서 단계 6.3에서 확산 실험을로드합니다. "/ 그라데이션 오 w 확산 실험"의 단계 7.1.2에서 해당 포인트 확산 함수를로드합니다. "공진기 프로필 실험"과 "/ 그라데이션 오 w 공진기 프로필 특급"아래 단계 7.3.3의 결과에 따라 단계 7.3.2에서 결과를로드합니다.
    2. 도 4에 도시 한 공진기 감도 탭으로 이동
    3. 점 분포 함수로서 7.1 실험을 사용하여 6.2으로 기록 된 각 필드 스윕 deconvolve하기 위해도 5에 도시 된 1D 스핀 밀도 프로파일 탭으로 이동. 노이즈 그냥 사라질 때까지 결과에 잡음이 될 때까지 잡음 전력 값을 줄, 다음을 올립니다.
    4. . 그림 6 자르기 영역 탭으로 전환 에어로겔의 어디 스핀 프로브는 그 지역의 처음 단계에서 위에서 입력 막이다 안에 완전히 거짓말을 확산 열 맵의 영역을 선택합니다. 의심하는 경우, 에어로겔의 정확한 위치를 식별하는 데 도움이 분광계 소프트웨어 8.1.6에서 재구성 된 이미지를로드합니다.
    5. 샘플의 아래 방향으로 단계 8.2에서 면적을 증가 있도록 더 스핀 PROB 없습니다E는 실험 시간 내에 영역의 하한에 도달한다. 참조 그림 6을 참조하십시오.
    6. 그림 7과 압입에 도시 유입 탭으로 전환합니다. 왼쪽 패널은 위치 축을 따라 8.2.5에서 잘라낸 영역의 적분을 나타낸다.
    7. 중앙 패널에 표시된 곡선은 0에서 시작하고 즉시 상승하기 시작 있는지 확인합니다. 그 경우가 아니라면, 8.2.5로 돌아 간다.
    8. 중앙 패널에 표시된 빨간색 선이 검은 데이터 포인트를 다음과 있는지 확인합니다.
  3. 시간이 지남에 따라 1D 스핀 농도를 시뮬레이션하고, 확산 계수를 장착
    1. 확산 계수 탭 압입로 전환합니다.
    2. 계산의 결과를 기다립니다.
    3. 왼쪽 그림과 실험 데이터가 오른쪽에 표시되는 수치 데이터와 일치하는지 확인합니다.
    4. 거시적 병진 확산 계수 D 매크로의 값 표시는 읽기화면에 YED.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

수축 튜브 내의 에어로젤의 사진 및 모식도는도 2a 및도 2b에 도시된다. 그림 2C의 2 차원 EPR 이미지가 명확하게 에어로젤의 상단을 보여줍니다. 스핀 프로브의 농도는 에어로겔 내의 적어도 높은되었지만 에어로겔 상기 샘플 관 내의 ρ (1D)의 강도는 낮다. 그러나, 화상면에 수직 샘플 깊이는 샘플 관의 작은 내경으로 인해 훨씬​​ 작다. EPR에 이미지는 샘플 튜브에 공기 거품을 보여줍니다 및 에어로겔은 수축 튜브의 수축 중에 도입하는 균열이 보이지 않습니다.

도 8a는 UKON1-GEL에서 트리 틸의 확산 열지도를 보여줍니다. 8C는 UKON1-GEL. 피규어의 8b에 IPSL에 대해 동일한 데이터를 보여줍니다 및도 8d는 각각 (a)(c)에서 실험 데이터와 일치하는 확산 방정식에 대해 수치 해석을 보여준다. 히트 맵의 각각의 수직 슬라이스는 시간에 고정 된 시점에서 회전 프로브의 농도 프로파일을 나타낸다. 실험 시작시 스핀 프로브는 시료의 상단에 집중된다. 새로운 스핀 프로브 위에서 입력 시간이 증가하는 동안, 그들은 시료 통해 전파. 히트 맵은 트리 틸의 거시적 병진 확산 IPSL의 거시적 병진 확산보다 훨씬 느린 성적으로 보여줍니다. 이 트리 틸이 IPSL 기공 시스템보다도 큰 용매가 동일하기 때문에 예상 할 수있다.

트리 틸과 IPSL UKON1-GEL과 실리카겔에 대한 거시적 병진 확산 계수는 그림 9에 나타내었다. 비교를 위해, 또한 그림 9이전에 기술 된 바와 같이 회전 상관 시간을 결정하기 위해 소프트웨어 (21)를 사용하여 단계 7.1.2에서 스펙트럼 라인 형상을 맞춤으로써 유도 된 2.1 라이드 IPSL 대한 현미경 병진 확산 계수 · 10-10 m 2 / 초를 도시 제 16 조. D 매크로의 정량 분석 IPSL에 비해 더 큰 트리 틸 분자에 대한 느린 확산을 보여줍니다. UKON1-GEL과 실리카겔 사이의 비교는 D 매크로 매우 유사한 값을 보여줍니다. 에어로젤의 기공 구조가 유사하고, 스핀 프로브 및 UKON1 겔에 존재하는 표면 기 사이의 상호 작용이 현저히 D 매크로 영향을 충분히 강하지 때문에이 예상되었다. 용매에 글리세린을 첨가하여 점도를 증가시키고, 트리 틸 대한 확산 계수의 추가 감소를 나타낸다. UKON1-GEL과 실리카겔에 트리 틸에 대한 실험은 B가EEN은 동일 배치에서 샘플을 반복했다. 오차 막대는 D 매크로의 표준 편차를 나타낸다.

그림 1
그림 1. 스핀 프로브의 구조식 (a) 트리 틸 스핀 프로브와 (b) IPSL 프로브의 구조식. 미국 화학 협회 (16)의 허가 재판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2. 준비된 샘플 (a)의 사진 (b)의 개략도 및 29 시간 째 주입 후에 (c) 2D 스핀 농도 심상에어로겔의 상단에 전자 스핀 프로브. 미국 화학 협회 (16)의 허가 재판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
3. 데이터 로딩 소프트웨어 스크린 그림은 데이터 분석 (단계 8.2.1)에 사용되는 소프트웨어의 화면로드를 나타낸다. 왼쪽에서 오른쪽으로 다음 데이터를로드 원시 데이터를 확산 실험에서 (단계 6)에 대응하는 점 확산 함수 (단계 7.1), 샘플 축을 따라 자계 구배의 존재 스핀 프로브로 채워진 모세관 필드 스윕 (7.3.2)와 대응하는 점 확산 함수 (단계 7.3.3). 여기를 클릭하십시오이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 4
도 4 :. 공진기 감도 프로파일의 결정은 수치 데이터를 분석한다 (단계 8.2.2)에 사용되는 소프트웨어의 공진기 감도 화면을 도시한다. 좌측에서, 상기 샘플 축 (7.3.2)을 따라 자계 구배의 존재에 기록 스핀 프로브로 채워진 모세관 필드 스위프를 도시하고 중간에 해당 점 확산 함수 (단계 7.3를 나타낸다. 삼). 표시된 잡음 전력 매개 변수를 사용하여 matlab에 기능 deconvreg를 사용하여 디컨 볼 루션의 결정에 따라 오른쪽에있는 샘플 축을 따라 공진기 감도 프로파일이 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


도 5 :. 샘플 내의 1D 스핀 밀도 실험 수치는 데이터 분석 (단계 8.2.3)에 사용되는 소프트웨어의 1D 스핀 밀도 프로파일 화면을 도시한다. 왼쪽에, 그것은 임의의 단위로 확산 실험 (6 단계)에서 강도를 보여줍니다. 각 수직선 시점에 대응하고, 공진 감도 프로파일 가중 트리 틸 스핀 프로브의 스펙트럼 선 형상 및 1D 스핀 밀도 프로파일의 컨볼 루션이다. 공간에서 낮은 점수 높은 자기장에서 그 반대의 경우도 마찬가지 신호를 제공하도록 그라데이션 방향은 아래에서 최대 샘플 축을 따라입니다. 노란 선은 샘플 튜브는 에어로겔의 큰 직경의 샘플 튜브의 내경에서 점프 에어로겔 및 스핀 프로브 용액의 직경 접촉 시료의 상부에 의해 생성된다. 파란색 라인때문에 확산에 에어로젤에 먼을 고급 그 스핀 프로브에 의해 형성된다. 중간 패널은 디콘 볼 루션에 사용되는 스핀 프로브 스펙트럼 라인 형상을 나타낸다. 오른쪽 패널은 컬러 시간의 각 포인트에 대한 지시 잡음 파워 파라미터와 매트랩 함수 deconvreg을 이용한 디콘 볼 루션에 의해 결정되는 시간에 따른 샘플 축을 따라 부호화 1D 스핀 감도 프로파일을 나타낸다. 자기장 축 양의 값이 샘플의 하단에 대응하는 샘플과 음수 값의 선두에 해당하는 자계 강도 구배를 사용하여 축 공간적 위치로 전환하고있다. 에어로겔의 정상은 약 3.5 mm의 가로 선으로 볼 수있다. 그 선 아래 에어로겔 통해 스핀 프로브의 전파 시간이 증가함에 따라 상하 방향의 옐로우 영역의 폭이 넓어으로 볼 수있다. 클릭하세요여기이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 6
그림 6 : 관심 영역에 1D 스핀 밀도를 자르기 그림은 데이터 분석 (단계 8.2.4)에 사용되는 소프트웨어의 자르기 영역 단계를 보여줍니다.. 그것은 좌측의 단계 8.2.3에서 1D 스핀 밀도를 나타낸다. 이 데이터는도 5의 우측 패널에서 직접 수행되고, 공진기 감도 프로파일 최대 값의 10 % 초과 인 영역에 제한된다. 오른쪽에는 같은 데이터를 나타내고 있지만, 사용자가 선택한 영역으로 자른. 확산 계수는 해당 지역에서 결정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 7 : 시간에 따른 스핀 프로브의 유입 속도를 결정하는 수치 데이터를 분석한다 (단계 8.2.6)에 사용되는 소프트웨어의 스핀 프로브 유입 단계를 나타낸다.. 좌측 패널 내의 각 수직 슬라이스는 시간의 각 포인트에 대한 위치에 대한 1 차원의 스핀 밀도의 적분 함수이다. 음수 값을 0으로 변경되었습니다. 중앙 패널은 각각의 데이터 요소로서 각 시점에 대한 관측 지역 내의 스핀의 양을 나타내고, 좌측 패널의 최상위 행에 의해 결정된다. 적색 선은 데이터의 지수 피팅이다. 우측의 패널은 상기 중앙 패널의 상기 데이터의 시간 도함수를 나타내고, 시간에 따른 스핀 프로브의 유입에 해당한다. 실험 데이터의 수치 유도체에 의해 도입 된 노이즈를 방지하기 위해, 빨간색 선은 전의 매개 변수에서 분석적으로 계산 된 ponential 중앙 패널의 착용감과 단계 8.2.7.1에서 확산 방정식을 해결하는 경계 조건으로 사용된다. 좌측 패널은 일반적으로 필요하지 않고, 소프트웨어에 의해 사용되는 중간 데이터를 확인하기 위해 사용될 수있다. 이 도면의 확대를 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 8
도 8. 시간 경과 1D 스핀 밀도 UKON1-GEL에서 임의 단위 실험적 측정 ρ의 1D (t, y)는 (a) 트리 틸 (c) IPSL 용액 및 (b), (d에서 확산 방정식의 수치해 ), 각각. 미국 화학 협회 (16)의 허가 재판./54335/54335fig8large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9
그림 9 :. 획득 확산 계수는 실험적으로 거시적 병진 확산 계수 D 매크로를 획득했습니다. 같은 배치에서 개별 샘플을 사용하여 여러 측정의 표준 편차가 표시됩니다. IPSL의 미세한 병진 확산 계수 D의 매크로 스펙트럼 시뮬레이션의 회전 상관 시간을 판정 불확실성의 추정과의 비교를 위해 파선으로 표시되며, 점선으로 표시된 16. 미국 화학 협회 (16)의 허가 재판. PLEASE이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

프로토콜은 상자성 게스트 분자의 확산을 모니터링 할 수있다. 이 2 차원 또는 3 차원 영상에 비하여 더 높은 시간 해상도를 허용하므로 1 차원 이미징 방법이 선택되었다. 얻어진 1 차원 영상의 강도가 농도뿐만 아니라 샘플의 단면적에 단지 의존하므로 1D 방법은 시료의 일정한 단면적을 필요로한다. 또한,이 방법은 시료 내 스핀 프로브 EPR 스펙트럼 강도 만이 아닌 형상으로 변경하는 것이 필요하다. 그렇지 않으면 스펙트럼 - 공간 영상을 소모 더 많은 시간이 프로토콜의 범위 밖이다, 사용되어야합니다. D 매크로 10-12 m 2 / 초 7 · 10-9 m 샘플의 길이 간의 기간 동안 1mm와 1cm 사이의 영역에서 관찰되는 경우 2 / 초 사이에있는 위치를 상기 방법은 또한 시스템에 한정 1 시간 72 시간 16.

에이lthough UKON1-GEL 및 실리카 겔, 샘플 튜브 과정에서 샘플 계약을 합성 하였다. 이 에어로겔과 확산을 모니터링하는 1D 촬상 접근 금지 샘플 튜브의 벽 사이에 틈을 만든다. 이 합병증은 열 수축 튜브 내부의 에어로겔을 넣어 해결되었습니다. 에어로겔 및 샘플 튜브 사이의 갭을 ​​특징으로하지 않는 샘플을 직접 측정 할 수있다. 2 차원 촬상 실험 의한 누설에 열수축 튜브의 외부의 스핀 프로브를 확인하기위한 대조 실험으로서 기능한다. 2 차원 이미지 분광계 소프트웨어로 구현되는 배면 투사 필터링 알고리즘으로 재구성 될 수있다. 그러나이 프로토콜 잡음 조건에 더 견고 반복 알고리즘 (20)의 사용이 제안된다.

확산을 연구 EPR 이미징을 사용 전작 10-15,17에서, 실험의 초기 상태를 신중하게 제조초기 가능한와 완전히 격리 된 샘플의 작은 영역에 스핀 프로브 일정량을 특징으로한다. 이 프로토콜에서 설명하는 방법, 스핀 탐침의 초기 분포만큼 초기에 스핀 프로브를 함유하지 않는 시료의 일부가 있기 때문에, 중요하지 않다. 샘플의 관측 부 진입 스핀 프로브의 양은 확산 데이터의 측정으로부터 직접 결정된다. 데이터 분석 소프트웨어는 이전의 연구 (16)에서 설명하는 방법을 구현한다. 분광계 소프트웨어 8.2 전처리 단계를 수행하는 데 필요한 모든 기능을 포함하지만, 이러한 단계는 제공된 데이터 분석 소프트웨어에 포함되어있다. 이것은 쉽게 변경 및 파라미터의 선택을 비교한다.

다양한 샘플 시스템 및 장비와 같은 주사 속도 변조 진폭 변조와 분광 FREQU 파라미터의 프로토콜을 채택하면ency 마이크로파 전력 필요 분광계의 설명서에 따라 조정되는, 또한 확산이 요구를 관찰하는 동안 기울기 강도 및 시간은 재평가된다. 확산 단계 6.3에서 관찰되는 이상 시간 기간은 D 매크로에 따라 달라집니다. 1 차원 농도 프로파일의 유의적인 변화가 발생하지 않을 때, 실험을 중단 할 수있다. 이것은 또한 컨벌루션 전에 원시 데이터에서 알 수있다.

이 프로토콜의 단계를 수행 할 때 관찰 할 수있는 몇 가지 중요한 포인트가 있습니다. 특정 에어로젤은이 프로토콜 붕괴에 사용되는 그들이 건조 할 때 비가 역적으로 축소, 그래서 항상 용매에 빠져들 에어로젤을 유지하기 위해 매우 중요합니다. 압력 솥을 3.8으로 추가 용매 및 교반 막대로 채워진다 이유는 에어로겔 주위의 용매를 증발하기 전에 신속 증기압을 생성하는 것이다. 에어로젤이 건조 할 때 그들은 상당히 D에 감소iameter와 길이와 신선한 샘플을 준비해야합니다. 이 용매에 직접 접촉되어 상기 공진기로 확산하면 모세관 밀봉 화합물은 EPR 신호를 발생할 수있다. 밀봉 화합물을 단계 5.1 용매 사이에 기포가 발생하는 것을 방지하는 장벽을 생성한다.

용매를 시료의 구조에 따라 그 분광계 튜닝 공정에서 임계 결합을 달성하기 어려울 수있다. 이 경우, 샘플을 회전하고 다시 시도하거나 샘플을 꺼내와 에어로겔 및 용매를 포함하는 모세 혈관이 집중되어 있는지 확인합니다.

단계 8.2.8에서 데이터 분석 동안, 스핀 라벨의 실험적으로 결정된 유입 착용감 일탈있다. 즉 케이스 불충분 단계 8.2.2 및 8.2.3 재실행 공간적 비용에서 잡음을 감소시키기 위해 잡음 전력 파라미터를 증가된다 deconvolved 데이터의 신호 대 잡음비가 있으면해결. 신호대 잡음비가 문제없는 경우, 영역을 재 선택 8.2.8 8.2.4 단계를 재실행하는 D로부터 매크로 계산도 7에 도시 된 바와 같이 실험 데이터뿐만 아니라 스핀 프로브 유입 탭의 중앙 패널에 적합이 원점에 선이 있는지 확인한다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

저자는 공개 아무것도 없어.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
X-Band spectrometer Bruker E580
Spectrometer software Bruker Xepr 2.6b.108
gradient coil system Bruker E540 GCX2
imaging resonator Bruker TMHS 1007
micro-classic pipette controller Brand 25900
microcapillary ringcaps 50 µl Hirschmann 9600150 inner diameter 0.5 mm
EPR sample tube 2 mm inner diameter Bruker ER 221TUB/2
EPR sample tube 4 mm inner diameter Bruker ER 221TUB/4
heat-shrink tubing DERAY-IB DSG-Canusa 2210048952 4.8 mm/2.4 mm, 2:1, 95 °C - 200 °C
heat gun Bosch PHG 600-3
PTFE  band VWR 332362S width 12 mm
test tube length 16 cm, diameter 1.5 cm
beaker 250 ml, height 9 cm, diameter 7 cm
capillary tube sealing Fisher Scientific 02-678
pressure cooker, 3 L with trivet Beem Vital-X-Press V2, F1000675
magnetic stirrer with heating element
ethanol (p.a.)
ethanol (techn.)
syringe Hamilton 1705 0.05 ml, custom length: 20 cm
Pasteur capillary pipette length 23 cm
data analysis software homemade Available for download at http://www.uni-konstanz.de/drescher/software. Requires Matlab.
UKON1-GEL kindly provided by Prof. Sebastian Polarz, Martin Wessig and Andreas Schachtschneider  See references 16, 18, 19 for the synthesis

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats