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

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

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 (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.

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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
      Уравнение 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
      Уравнение 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.
  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
    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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 образца трубы. Обратите внимание, что ЭПР изображения также не показывает пузырьков воздуха в образце трубки и аэрогель, кажется, не имеют каких-либо трещин, введенные во время усыхания термоусадки трубки.

На рисунке 8а показана карта диффузии тепла тритильная в UKON1-GEL. На рисунке 8в показаны те же данные для ИПСЛ в UKON1-GEL. Figuress 8b 8D показывают численные решения для уравнений диффузии , которые соответствуют экспериментальным данным из (а) и (с), соответственно. Каждый вертикальный срез тепловой карте показан профиль концентрации спинового зонда в фиксированный момент времени. В начале эксперимента спиновые зонды сосредоточены в верхней части образца. С течением времени увеличивается, они распространяются через образец в то время как новые спиновые зонды поступают с верхней. Тепловые карты показывают качественно, что макроскопическая поступательная диффузия тритильная значительно медленнее, чем макроскопического поступательной диффузии ИПСЛ. Это следовало ожидать, поскольку тритил больше ИПСЛ и пористой системы и растворителя одинаковы.

Макроскопические коэффициенты диффузии для поступательной тритил и ИПСЛ в UKON1-GEL и силикагельной показаны на рисунке 9. Для сравнения, рисунок 9 такжепоказывает микроскопический коэффициент диффузии поступательные для ИПСЛ в этаноле при 2,1 · 10 -10 м 2 / сек, которая была получена путем подгонки формы спектральной линии с этапа 7.1.2 с помощью программного обеспечения 21 для определения времени вращательной корреляции , как описано в предыдущей статья 16. Количественный анализ D макро показывает замедление диффузии для крупной молекулы тритильная по сравнению с ИПСЛ. Сравнение между UKON1-GEL и силикагельной показывает очень близкие значения D макроса. Этого следовало ожидать, так как пористая структура аэрогеля аналогична и взаимодействие спиновых зондов и групп , присутствующих в поверхностных UKON1-GEL не является достаточно сильным , чтобы существенно повлиять на D макрос. Добавление глицерина в растворителе увеличивает вязкость и показывает дальнейшее снижение коэффициента диффузии для тритил. Эксперименты по тритильная в UKON1-GEL и силикагельной есть бееп повторяется с образцами из той же партии. Столбики ошибок показывают стандартное отклонение D макроса.

Рисунок 1
Рисунок 1:. Структурные формулы спиновых зондов Структурная формула (а) тритил спинового зонда и (б) IPSL зонда. Печатается с разрешения Американского химического общества 16. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рис . 2: Подготовленный образец (а) Фотография, (б) схематический чертеж и (с) плотность 2d спина изображения 29 ч после введения тысе спиновых зондов в верхней части аэрогеля. Печатается с разрешения Американского химического общества 16. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рис . 3: скриншот программы загрузки данных На рисунке показан экран загрузки программного обеспечения , используемого для анализа данных (этап 8.2.1). Загрузите следующие данные слева направо: необработанные данные из диффузионного эксперимента (этап 6), соответствующая точка функция распространения (шаг 7.1), поле развертки для капилляра, заполненного спинового зонда в присутствии градиента магнитного поля вдоль оси образца (7.3.2) и соответствующая функция рассеяния точки (этап 7.3.3). Пожалуйста , нажмите здесьдля просмотра увеличенной версии этой фигуры.

Рисунок 4
Рис . 4: Определение профиля чувствительности резонатора На рисунке показан экран резонатора чувствительности используемого программного обеспечения для анализа данных (этап 8.2.2). Слева, она показывает поле развертки для капилляра, заполненного спинового зонда, записанной в присутствии градиента магнитного поля вдоль оси образца (7.3.2), а в середине она показана соответствующая функция рассеяния точки (этап 7.3. 3). Справа профиль чувствительности резонатора вдоль оси образца показан как определяется деконволюции с использованием функции deconvreg Matlab с указанным параметром мощности шума. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.


Рис . 5: Экспериментальные данные для 1d спиновой плотности в образце На рисунке показан профиль спиновой плотности экрана 1к программного обеспечения , используемого для анализа данных (этап 8.2.3). Слева, она показывает интенсивность из диффузионной эксперимента (этап 6) в произвольных единицах. Каждая вертикальная линия соответствует моменту времени и является свертка спектральной формы линии спинового зонда тритил и профилем 1d спиновой плотности, взвешенных по профилю чувствительности резонатора. Направление градиента вдоль оси образца снизу вверх, так что нижние точки в пространстве дают сигнал на более высоком магнитном поле, и наоборот. Желтая линия создается в верхней части образца, где образец трубка соприкасается с аэрогель и диаметр раствора спинового зонда подскакивает от внутреннего диаметра образца трубы большего диаметра аэрогеля. Синяя линияформируется теми спиновых зондов, которые продвинулись дальше всех в аэрогель за счет диффузии. Средняя панель показывает спектральную форму линии спиновых зондов, которые используются для деконволюции. Правая панель показывает цвет, закодированный профиль 1d чувствительности спина вдоль оси образца с течением времени, как определено деконволюции с использованием функции deconvreg Matlab с указанным параметром мощности шума для каждого момента времени. Ось как магнитное поле было превращено в пространственном положении оси с помощью поля напряженности магнитного градиента, где положительные значения соответствуют верхней части образца и отрицательные значения соответствуют нижней части образца. Верхняя часть аэрогеля можно рассматривать как горизонтальная линия на около 3,5 мм. Ниже этой линии, распространение спиновых зондов через аэрогеля можно рассматривать как расширение желтой области в вертикальном направлении с течением времени увеличивается. Пожалуйста , нажмитездесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6: Обрезка 1к спиновой плотности в интересующей области На рисунке показан шаг посевная площадь используемого программного обеспечения для анализа данных (этап 8.2.4).. Он показывает 1d спиновой плотности от шага 8.2.3 на левой стороне. Данные берутся непосредственно из правой боковой панели Рисунок 5 и ограничивается областью, где профиль чувствительности резонатора больше, чем 10 процентов от его максимального значения. Правая рука показывает те же данные, но обрезается в район, который выбрал пользователь. Коэффициент диффузии будет определяться только из этой области. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7: Определить скорость притока спиновых зондов с течением времени На рисунке показана спинового зонда притока шаг программного обеспечения , используемого для анализа данных (этап 8.2.6).. Каждый вертикальный срез в панели на левой стороне является неотъемлемой функцией 1d спиновой плотности по положению для каждого момента времени. Отрицательные значения изменяются до нуля. Центральная панель показывает количество спинов в пределах рассматриваемой области для каждой точки во времени, как отдельных точек данных и определяется самой верхней строке панели на левой стороне. Красная линия является экспоненциальной Подгонка данных. Панель на правой стороне показывает временную производную данных в центральной панели и соответствует притоку спинового зонда в течение долгого времени. Чтобы избежать шума, введенный при численном производной экспериментальных данных, красная линия была рассчитана аналитически из параметров ех экспоненциальный подгонка центральной панели, и она используется в качестве граничного условия для решения уравнения диффузии на этапе 8.2.7.1. Панель на левой стороне , как правило , не требуется , но может быть использован для проверки промежуточных данных , используемых программой. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 8
Рис . 8: 1д спиновой плотности с течением времени Экспериментально измеренные ρ (т, у) в произвольных единицах в UKON1-лари (а) тритил и (с) ИПСЛ решения и численные решения уравнения диффузии в (б), ), соответственно. Печатается с разрешения Американского химического общества 16./54335/54335fig8large.jpg "Целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 9
Рисунок 9:. Полученные коэффициенты диффузии экспериментально полученные макроскопического диффузии поступательная коэффициенты D макроса. Отображается стандартное отклонение нескольких измерений с использованием отдельных образцов из той же партии. Микроскопическое диффузия поступательная коэффициент D макрос ИПСЛ обозначен пунктирной линией для сравнения с оценкой неопределенности определения времени вращательной корреляции спектральных моделирования, обозначены как пунктирные линии 16. Печатается с разрешения Американского химического общества 16. Плеаза нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 форме. В противном случае больше времени спектрально-пространственной визуализации должны быть использованы, который выходит за рамки данного протокола. Метод также ограничивается системами , где D макро лежит в пределах от 10 -12 м 2 / с и 7 · 10 -9 м 2 / сек , если образец наблюдается в области от 1 мм до 1 см в длину и в течение периодов времени между 1 час и 72 час 16.

отя UKON1-ГЕЛЬ и силикагелевой синтезированы в пробирку для образца, контракт образцов во время процесса. Это создает разрыв между аэрогеля и стенкой образца трубки, которая запрещает 1к подход формирования изображения для наблюдения за диффузии. Это осложнение было решено, поставив аэрогеля внутри термоусадочной трубки. Образцы, которые не показывают разрыв между аэрогеля и пробирки с образцом может быть измерена непосредственно. Эксперимент 2d изображения служит в качестве контрольного эксперимента, чтобы проверить для спинового зонда, который находится за пределами термоусаживаемые трубки из-за утечки. 2d изображение может быть восстановлена ​​с отфильтрованной обратно проекционного алгоритма, который реализуется в программном обеспечении спектрометра. В этом протоколе , однако использование итерационного алгоритма 20, который является более надежным в шумных условиях, предлагается.

В предыдущих работах 10-15,17 , которые используют ЭПР томографии для изучения диффузии, начальное состояние эксперимента тщательно подготовленаизначально имеют определенное количество спиновых зондов в качестве малой площади, как это возможно, и с полностью изолированной образца. Для метода, который описан в данном протоколе, начальное распределение спиновых зондов не имеет решающего значения, до тех пор, пока существует часть образца, который первоначально не содержащего спиновых зондов. Количество спиновых зондов, который входит в наблюдаемую часть образца определяется непосредственно из измерения данных диффузии. Программное обеспечение для анализа данных реализует метод, описанный в предыдущей работе 16. В то время как программное обеспечение спектрометр включает в себя все функции, которые необходимы для выполнения этапов предварительной обработки в 8.2, эти шаги были включены в прилагаемого программного обеспечения для анализа данных. Это делает его легче изменить и сравнить выбор параметров.

При адаптации протокола для различных систем образцов и оборудования, спектроскопических параметров, таких как скорость сканирования, амплитуда модуляции, модуляции FREQUобразность и потребность мощности в микроволновой печи можно регулировать в соответствии с инструкцией спектрометра, а также сила градиента и период времени, в течение которого диффузия наблюдается должно быть перепроверены. Продолжительность времени , в течение которого диффузия наблюдается в шаге 6.3 зависит от D макроса. Эксперимент можно остановить, когда не происходит существенных изменений в 1d профиля концентрации. Это также можно увидеть в необработанных данных до деконволюции.

Есть несколько критических точек для наблюдения, когда выполнив следующие действия этого протокола. Конкретные аэрогель, используемый в этом коллапсу протокола и уменьшить необратимо, когда они высыхают, поэтому очень важно, чтобы держать -аэрогели погруженные в растворителе во все времена. Причина, по которой скороварка заполняется дополнительным растворителем и мешалкой в ​​3,8, чтобы быстро создать давление пара до того, как растворитель вокруг аэрогеля испарится. Когда аэрогель высыхают они значительно снижают в дiameter и длину и свежий образец должен быть подготовлен. Герметик капиллярная трубка может привести к ЭПР сигнала, если он находится в непосредственном контакте с растворителем и диффундирует в резонатор. Пузырек воздуха между уплотнительным соединением и растворителем на стадии 5.1 создает барьер для предотвращения этого не происходило.

В зависимости от растворителя и геометрии образца может быть трудно достичь критической связи во время этапа настройки спектрометра. В этом случае, вращать образец и повторите попытку, или взять образец, и убедитесь, что аэрогель и капилляры, которые содержат растворитель сосредоточены.

В ходе анализа данных на этапе 8.2.8, экспериментально определяется приток спиновой метки может отклоняться от посадки. Если это так, и отношение сигнал-шум на деконволюции данных недостаточно, повторите шаги 8.2.2 и 8.2.3, и увеличить параметр мощности шума, чтобы уменьшить уровень шума, за счет пространственнойразрешающая способность. Если соотношение сигнал - шум не проблема, повторите шаги с 8.2.4 по 8.2.8 , чтобы повторно выбрать область , из которой D макро рассчитывается и убедитесь , что экспериментальные данные, а также помещается в средней панели вкладки приток спинового зонда является линия , проходящая через начало координат, как показано на рисунке 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

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