Elektron Paramanyetik Rezonans Görüntüleme kullanma Gözenekli Ortamda Misafir Moleküllerin Difüzyon Yerinde İzleme

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

Gözenekli malzemeler gibi kataliz ve kromatografi 1 olarak pratik uygulamalarda önemli bir rol oynamaktadır. Gözenek boyutu ve yüzey özelliklerini yüzey grupları ekleme ve ayarlayarak, malzemeler istenen uygulama 2,3 için uygun olabilir. gözenekli malzemenin işlevi önemlisi, gözenekler içine konuk moleküllerin difüzyon özelliklerine bağlıdır. Gözenekli malzemelerde, bir ayrım bir yandan moleküler uzunluk ölçeği ve makroskopik translasyonel difüzyon sabiti D makro difüzyon açıklanır mikroskobik öteleme difüzyon sabiti D mikro arasında yapılmalıdır Birden fazla gözenek, tane sınırları, eğrilik ve malzeme homojen aracılığıyla difüzyon tarafından etkilenir Diğer yandan,.

bir parça için uygun olan her bir difüzyon çalışması için kullanılabilir çeşitli manyetik rezonans yöntemleri vardıricular uzunluk ölçeği. Milimetre ölçekte, nükleer manyetik rezonans (NMR) görüntüleme 4 ve elektron para-manyetik rezonanstır (EPR) görüntüleme (Bu protokol sunulan gibi) kullanılabilir. Daha küçük ölçekler darbeli NMR alan geçişlerini yanı sıra EPR deneyleri 5,6 kullanımı ile ulaşılabilir hale gelir. Nanometre ölçeğinde, EPR spektroskopisi spin sondası 7,8 arasında Heisenberg değişim etkileşim değişiklikleri gözlemleyerek kullanılabilir. 14 ve model membranlar 15 - örneğin sanayi katalizör destekler gelen EPR görüntüleme aralığını kullanarak öteleme difüzyon, alüminyum oksit 9 Çalışmaları polimer jeller 12 yapılmış sıvıları 10,11, ilaç salım sistemlerini anizotropik için.

Bu protokol, silindirik spin sondası makroskopik geçiş yayılma, gözenekli ortam izlemek için EPR görüntüleme kullanarak in situ bir yaklaşım bir sunulur. Bu inci oluşan bir konak-konuk sistemi için gösterilmiştire nitroksit spin sondası 3- (2-Iodoacetamido) periyodik olarak gözenekli organosilica içinde bir konuk olarak -2,2,5,5-tetrametil-1-pirolidiniloksi (IPSL) (PMO) aerojel UKON1-jel, bir ana ve etanol gibi solvent Bu protokol başarıyla D makro karşılaştırmak için daha önce 16 kullanılmıştır ve sahibi malzeme, UKON1-jel ve silis jel konuk türleri IPSL ve tris (8-karboksi-2,2,6,6-perdeutero-tetrametil-benzo [1,2-d D mikro EPR ​​görüntüleme belirlenen 4,5-D '] bis (1,3) ditiol) metil (tritil), Şekil 1' e bakınız.

Sürekli dalga (CW) EPR görüntüleme 17 dayalı diğer yöntemlerde, difüzyon spektrometresi dışında gerçekleşir. Buna karşılık, burada sunulan yöntem in situ yaklaşımında bir kullanır. 1d spin yoğunluğu dağılımı ρ 1d anlık bir dizi (t, γ) 'dirbirkaç saatlik bir süre boyunca kaydedildi. Bu süre boyunca, tek bir anlık arda alındı ​​ve yaklaşık 5 dakikalık bir zaman çözünürlüğü ile gerçek zamanlı difüzyon deseni arttırır.

UKON1-jel ve silis jel literatürde tarif edildiği gibi. 3 mm'lik bir iç çapa sahip numune tüpleri sentezlenen 16,18,19 UKON1-jel ve silis jel sentezi örnek bir daralma neden edilmiştir. Örnekler aerojel ve örnek tüpün duvarı arasında hareket konuk moleküllerin önlemek için bir ısı ile şrinklenen bir tüp içine yerleştirilir. Bu ilave adım, boyutunu değiştirmeden tüpte doğrudan sentezlenebilir örnekler için gerekli değildir. kurumasını, bu yüzden her zaman solvent içinde daldırılmış olmalıdır aerojel örnekleri çöküşü. Isı Büzülme boru için gerekli olan bir sıcaklık, ortam basıncında etanol içinde kaynama noktasından daha yüksektir. Bu nedenle protokol yükseltmek için bir düdüklü tencere kullanımı anlatılmaktadıretanol kaynama noktası.

protokol EPR görüntüleme deney ve IPSL spin sondası difüzyon izlemek için kullanılan spektrometre ayarları için önceden sentezlenmiş UKON1-GEL numune hazırlama kapsar. Veri analizi için, yerel olarak yazılmış bir yazılım sağlanmaktadır ve kullanımı tarif edilmektedir. spektrometre elde edilen ham veriler doğrudan yüklenebilir. Yazılım mekansal 1d spin yoğunluğu dağılımı ρ 1d (t, γ) hesaplar ve hesaba rezonatör duyarlılık profili alır. Kullanıcı difüzyon sabiti belirlenecek olan üzerinde aerojel ve zaman penceresi, bir bölgeyi seçebilirsiniz. Yazılım o seçime dayalı difüzyon denkleminin sınır koşulları belirler ve difüzyon denklemini çözer. Bu sayısal çözüm en iyi deneysel verileri eşleşen D makro değerini bulmak için en küçük kareler uydurma destekler.

ρ 1d, farklı konuk ve ev sahibi malzemeler için ayarlamalar ile kullanılabilir (t, γ) doğrudan erişim sağlayan konsantrasyonu ve örnek kesitli bir değişiklik ile etkilenmez. D makro için erişilebilir değerler aralığı 16 / sn 2 m -9 10 · / sn 2 m -12 10 ile 7 arasında olduğu tahmin edilmektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dikkat: Kullanmadan önce tüm ilgili malzeme güvenlik bilgi formlarını (MSDS) danışın. yutulması veya solunması halinde etanol zararlıdır ve yanıcıdır.

1. Sürekli Dalga (CW) EPR parametreleri optimize

  1. 1 mM'lik bir konsantrasyonda etanol IPSL 40 ul (PA) hazırlayın.
  2. Bir pipet denetleyicisi almak ve 2 sm bir dolum yüksekliği IPSL çözeltisi bir kapiler tüp doldurun. çözümün altında bir hava boşluğu kalmayacak şekilde kılcal içine 1 cm daha çözüm çekin. kılcal boru bileşik sızdırmazlık iki ucunda kılcal Seal. Hava boşluğu örnek içine döküm maddesi bileşenlerinin difüzyonunu engeller.
  3. kılcal üst ve alt ucundan 1 cm mesafede kılcal yaklaşık 5 cm uzunlukta politetrafloroetilen (PTFE) iki şerit sarın.
  4. EPR örnek tüpü (4 mm iç çap) içine kılcal koyun. PTFE bant kılcal tutar emin olunörnek tüpünün merkezi ekseninde sabit. örnek tüpünün dibine kılcal bastırın.
  5. rezonatör içerisine örnek koyun ve rezonatör içinde spin etiket çözümü merkezi.
  6. Dinle spektrometre kılavuzdaki talimatları takip ederek kritik bağlantı için spektrometresi.
  7. Ön Spektrometre Ayarları
    1. Formülü kullanarak merkez alan B ayarlamak için mikrodalga frekansı kullanın
      denklem 1
      g ≈ 2,003 nitroksid sıkma etiket eşleşmemiş radikal g faktörü için kaba bir tahmin olduğu, h Planck sabiti ve B Bohr magneton olduğunu u.
    2. apsis olarak manyetik alan ve ordinat olarak sinyal yoğunluğu ile yeni bir deneme "field_sweep" kurmak. Aşağıdaki parametreleri kullanın: Centerfield, tarama genişliği önceki adımda hesaplanan: 400 G, modulati0.8 G, modülasyon frekansı: 100 kHz, mikrodalga zayıflatma: 30 dB, nokta sayısı: 2.048, tarama sayısı: 1, tarama zamanı: 80 saniye, sabit zaman: 50 milisaniye genliği üzerinde.
    3. Kurulum Tarama modunu etkinleştirin. Kurulum Tarama Süresi Constant için, spektrometre teklifleri en düşük değerini seçin. Görüntülenen sinyal Görüntülenen yoğunluğu aralığının% 80 doldurur nerede, bir değere alıcı kazancını ayarlamak bile gürültü ile hiçbir veri noktası maksimum% 80 daha yüksek bir yoğunluğa sahiptir böylece. Daha sonra Kur Tarama devre dışı bırakın.
    4. "Çalıştır" düğmesine basın.
    5. Elde edilen spektrumun merkez tepe sıfır geçişinin alan değerini okuyun. bu değere merkez alanını ayarlayın.
    6. soldaki tepe noktasına başlangıç ​​seviyesinden yükselmeye başladığı yatay çizgi aracını alın ve noktadan spektrum genişliğini ölçmek nerede taban seviyesine sağdaki tepe döner.
    7. üç kez spektrum genişliğine tarama genişliğini ayarlayın.
  8. Spektrometre Parametreleri Yeniden Hesapla
    1. süpürme zamanı hesaplayın: tarama genişliği / tarama hızı. 5 G / sn tarama hızı kullanın.
    2. veri noktalarının asgari sayısını hesaplayın: 10 * tarama genişliği / çizgi genişliği.
    3. dönüşüm zamanı hesaplayın: süpürme zamanı / veri noktalarının sayısını.
    4. 0.1 * çizgi genişliği * tarama zamanı / tarama genişliği: Zaman sabiti hesaplayın.
  9. Optimum Mikrodalga Güç Belirleyen Bir Doygunluk Curve Tedbir
    1. 10 dB mikrodalga zayıflama ayarlayın ve adım 1.7.3 de açıklandığı gibi alıcı kazancı ayarlayın.
    2. 50 dB mikrodalga zayıflama ayarlayın ve bir spektrum kaydedin. sinyal gürültü oranı 5'ten az ise: 1, tarama sayısını artırmak. 1 veya daha büyük: sinyal gürültü oranı 5 olana kadar bu işlemi tekrarlayın.
    3. , Apsis 1 olarak apsis 2 olarak mikrodalga gücü ve ordinat olarak sinyal yoğunluğu manyetik alan kullanarak yeni bir deneme "doygunluk" oluşturun. th tüm ayarları kopyalaAdım 1.9.2 e "field_sweep" deneme. Apsis 2 için 10 dB, 1 dB artış değeri ve 10 dB den dB 50 bir aralığı kapsayan 41 punto sayısına mikrodalga zayıflatma başlangıç ​​değerini ayarlayın. deneme çalıştırın.
    4. doygunluk eğrisi için bir tablo oluşturun. İlk sütuna dB mikrodalga zayıflama yerleştirin.
    5. formülü ile ikinci sütundaki au mikrodalga güç karekökünü hesaplayın
      denklem 2
      burada x, ilk sütundan dB mikrodalga zayıflama.
    6. Deneyde her mikrodalga zayıflatma merkezi spektral hat yoğunluğunu zirve zirve ölçmek için spektrometre yazılımını kullanın. e-tabloda üçüncü sütuna o yoğunluğu yazın.
    7. doygunluk eğrisi elde etmek için zirve yoğunluğu (sütun 2 karşı sütuna 3) zirveden karşı mikrodalga güç karekökünü çizilir. incluarsa kökeni (0,0) de.
    8. doygunluk eğrisinin doğrusal rejimini belirlemek. Optimal mikrodalga güç doğrusal rejim hala en yüksek mikrodalga güçtür. diğer tüm deneyler için gelen zayıflama ayarını kullanın.

2. Manyetik Alan Gradient Güç ve Zaman Çözünürlük belirleme

  1. Apsis 1 olarak manyetik alan ve ordinat olarak sinyal yoğunluğu ile spektrometre yazılımında yeni bir deneme oluşturun. degrade bobin kontrollerini etkinleştirin.
  2. 1.8 ve 1.9.8 belirlenen önceki deneyden tüm spektrometre ayarlarını kopyalayın.
  3. yukarı doğru işaret eden Örnek ekseni yönünde 170 g / cm, manyetik alan gradyanı direncine ayarlayın.
  4. Tarama genişliği sw = sw hesaplayın 0 + FOV · sw 0 manyetik alan degrade yokluğunda 1.8.4 belirlenen tarama genişliği olan G,FOV Görüş alanı (2.5 cm) ve G, bir manyetik alan gradyanı mukavemetidir.
  5. Bir manyetik alan degrade yokluğunda 1.9.3 kaydedilen spektrumun çizgi genişliğini kullanarak, tahmin edilen piksel boyutu = satır genişliği / G hesaplayın.
  6. Süpürme süresi = sw / tarama hızı hesaplayın. 1.8.1 aynı tarama hızı kullanın.
  7. yüksek bir değer kullanarak gerekli veri noktalarının asgari sayısını hesaplayın
    i. N 1 = 10 * tarama genişliği / çizgi genişliği
    ii. N 2 = 10 * görünümü / (G * piksel boyutunda) alan.
  8. dönüşüm zamanı hesaplayın: süpürme zamanı / veri noktalarının sayısını.
  9. 0.1 * çizgi genişliği * tarama zamanı / tarama genişliği veya daha düşük: Zaman sabiti hesaplayın.
  10. 2.9 ile 2.3 hesaplanan parametreleri ayarlayın ve "Çalıştır" düğmesine basın.
  11. Başlangıçta gürültü düzeyini yanı sıra yoğunluğunu zirve zirve ölçündikey çizgi aracı ile merkez hattı. sinyal gürültü oranını hesaplar.
  12. sinyal gürültü oranı en az 5 ise: 1, spektrometre parametreleri "Tarama" panelinde taramalarının sayısını iki katına ve tekrar 2.11 ile 2.1.3 adımları.

3. Örnek hazırlayın

Dikkat: Koruyucu gözlük takın.

Not: Tamamen her zaman çözücü içinde batık aerojeli tutun. Bir fotoğraf ve şematik için Şekil 2'ye bakınız.

  1. 5 mm bir yüksekliğe kadar etanol (PA) 10 cm çapmda bir Petri tabağına doldurun.
  2. Petri kabı içine aerojeli koyun ve uzunluğu 1 cm ila 5 mm olan silindirik bir parça kesilir.
  3. aerojel silindir yaklaşık 1 cm daha uzun olan ısı shrink boru parçası hazırlayın.
  4. 4 cm uzunluğunda iki adet oluşturmak için 2 mm iç çaplı bir örnek tüp kırmak için bir cam tüp kesici kullanın. Her iki parça da, iki açık ucu olmalıdır.
  5. Isı küçültmek hortumun bir ucunu 5 mm derinliğinde örnek tüpü parçalarından birini yerleştirin. dikkatle boru kalanını küçülen olmadan ısı shrink boru bu ucunu ısıtmak için bir ısı tabancası kullanın. ısı shrink boru şimdi cam tüp sabit olmalıdır.
    1. aerojelin Petri kabındaki cam tüp ve ısı shrink boru bu kombinasyon daldırın. Dikkatle ısı shrink boru açık ucuna doğru adım 3.2 aerojel parça itin.
  6. 7 sm bir yüksekliğe kadar etanol (PA) içeren bir test tüpü doldurmak. test tüpüne Petri kabı örnek aktarın. Bunu yaparken, ısı shrink boru açık ucunun üstüne odaklı olduğundan emin olun. aerojel tamamen etanol içinde batık olduğundan emin olun.
  7. ikinci 4 cm uzunluğunda bir parça eklemekIsı shrink boru açık ucuna doğru adım 3.4 örnek tüpü. kuvvet uygulamayın, yerçekimi aerojel ve örnek tüpü parçaları arasındaki boşlukları kapatmak için yeterli olmalıdır. Bir behere numune test tüpü koyun.
  8. en az 500 ml etanol ile bir düdüklü tencere doldurun ve bir karıştırma çubuğu ilave edin.
  9. düdüklü tencere içinde bir saç ayağı üzerinde örnek içeren beher koyun.
    Dikkat: davlumbaz altında bir sonraki adımı gerçekleştirin ve koruyucu gözlük giymeye devam.
  10. Cook ve bir manyetik karıştırıcı üzerine ortam basıncının üzerinde 1 barlık basınç ayarında örnekleri karıştırın. sıcaklığın en az 90 ° C ulaşmalıdır. en kısa sürede basınç ulaştı ve basınç valfi bültenleri etanol buharı olarak soğumaya bırakın. ısı shrink boru küçültmek olmadıysa, bu adımı tekrarlayın.
    Not: Hemen mühür vanaları üzerinde etanol etkisini en aza indirmek için su ile düdüklü tencereyi temizleyin. Bu noktada, hazırlanan numune seve etanol saklanabilirral ay.

4. Spektrometresi hazırlayın

  1. apsis 2 olarak bir 2d apsis 1 olarak manyetik alanını kullanarak deney, zaman oluşturma ve manyetik alan süpürme her zaman adımı için kaydedilir, böylece ordinat olarak sinyal yoğunluğu. degrade bobin kontrollerini etkinleştirin.
  2. sıfıra ölçümler arasındaki süreyi ayarlamanızı sağlar. 20 saat / süpürme zamanı bölüm 2. Set zaman ekseni için noktalarının sayısını tespit edilen diğer parametreleri ayarlayın. Her dilim taramadan sonra bir ince ayar yapmak için mikrodalga köprü ayarlayın.
  3. ayarlamak için boş rezonatör için spektrometre Bölüm 1.7'de adımları izleyin.

5. Ölçüm Numune Hazırlama

Not: Bu protokolün sadece zaman kritik adım spektrometresinde veri toplama işleminin başlamasından kadar spin etiket ilavesiyle difüzyon işlemi başlangıcından olan 6.2 ile 5.3 bulunmaktadır. tanıtan olmadan bu adımları uygulayınherhangi bir gecikme.

  1. alt üzerinden akan etanol çözeltisi tutmak için bölüm 3 numunenin üzerine bir parmak koyun. Daha sonra, alt örnek tüp alt 5 mm bir miktar etanol çıkarmak ve tüp sızdırmazlık bileşiği ile bu ucunu kapatmak için bir şırınga kullanın. sızdırmazlık bileşik yukarıdaki yüksekliği 2 mm bir hava kabarcığı olmadığından emin olun.
  2. Sadece Pasteur kılcal pipet kullanarak aerojel üzerinde 3 mm hariç aerojel Yukarıdaki örnek tüpünden tüm etanol çıkarın.
  3. aerojelin üzerine etanol içinde spin etiket çözeltisinin 20 ul enjekte edilir. aerojel üstünde bir hava kabarcığı oluşturmaz emin olun. difüzyon sürecinin başlangıcı olarak şimdiki zaman işaretleyin.
  4. 4mm 'lik iç çapa sahip bir tüpte örnek yerleştirin. örnek ortalamak için PTFE bant kullanın.
  5. aerojel üst kenarından 68 mm pozisyonunda dış örnek tüp işaretlemek için bir keçe uçlu kalem kullanın. Bu doğru rezonatör numune merkezleme yardımcı olur ve c koyarrezonatörün aerojel üst kenarının altına 1 mm girin.

6. Difüzyon Deney gerçekleştirin

  1. rezonatör ve melodi spektrometre kullanma kılavuzunda açıklandığı gibi kritik bağlantı için spektrometresi PTFE sahibinin üst 5.5 Uyum Gösterir gelen işaretleme böylece rezonatör numuneyi yerleştirin.
  2. degrade bobinleri hala kapalı iken 1.7.3 de açıklandığı gibi alıcı kazancı ayarlamak için Kur Tarama modunu kullanın.
  3. şimdiki zaman bir yere yazın bölüm 4'de kurulmuştur denemeyi başlatın. Ya kaydedilen sinyal 4 saat veya daha fazla boyunca değişmez zaman denemeyi bitirmek ya da durdurmak için bir deney için 20 saat bekleyin. sonucu kaydedin.

7. Veri Analizi için Gerekli Ek Deneyler gerçekleştirin

Not: doğrudan difüzyon deneyden sonra ve mo olmadan aynı numune ile 7.1 ve 7.2 deneyler Davranışörnek Ving.

  1. Dekonvolüsyon için Nokta Yayılım Fonksiyonu kaydedin
    1. Adım 1.7.2 den "alan süpürme" deney geçin. 6. adımda deneyden tüm ayarları kopyalayın.
    2. spektrumunu kaydetme ve sinyal gürültü oranını ölçer. daha az 20 ise: 1, taramaların sayısını artırmak ve bu adımı tekrarlayın. Aksi takdirde spektrum kaydedin.
  2. 2d Görüntüleme Experiment gerçekleştirin
    1. apsis 1 olarak manyetik alan ile spektrometresi üzerinde yeni bir deneme, apsis 2 olarak manyetik alan degrade açısını ve ordinat olarak sinyal yoğunluğu oluşturun. Statik manyetik alan B 0 yönünde ve örnek ekseni dahil uçağı YZ düzleminde, Görüntüleme uçağı ayarlayın 6. adımdan parametreleri kopyalayın.
    2. N N = FOV / istediğiniz piksel boyutuna veya daha yüksek eğim yönü açıları sayısını ayarlayın.
    3. ölçümü başlatın ve sonucu kaydedin.
    4. Tekrarlama inci7.1 e adımları ve sonucu kaydedin.
  3. Rezonatörü Hassasiyet Profili ölçün
    1. adımları 1.5 ile 1.1 yineleyerek çözelti içinde spin sondası başka örnek hazırlayın, ama bu sefer 2 cm yerine kılcal içine çözeltinin 4 cm ekleyin.
    2. Örnek ekseni yönünde, bir manyetik alan gradyanı ile numunenin spektrumu kaydetmek için Bölüm 2'de adımları. Adım 2.3, 3 cm bir görüş alanı kullanabilirsiniz. sonucu kaydedin.
    3. manyetik alan degrade yokluğunda ölçümü tekrarlayın ve sonucu kaydedin.

8. Veri Analizi

  1. 2d Görüntüleme Deneyi yeniden
    1. spektrometre yazılımının birincil viewport içine 7.2.3 den 2d görüntüleme deneyi yükleyin.
    2. spektrometre yazılımının ikincil viewport içine 7.2.4'te denemeyi yükleyin.
    3. Tüm ve tıklatın: İşleme git> Dönüşümler> Evrişim, Dilim seçinBir dekonvulasyon gerçekleştirmek için de geçerlidir.
    4. diske deconvolved verileri kaydetmek.
    5. Aşağıdaki komutu serbestçe kullanılabilir görüntü rekonstrüksiyon yazılımını 20 kullanın: yeniden --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. sonra başvurmak üzere spektrometre yazılımı içine 8.1.5 sonucunu yükleyin.
  2. Kaydedilen Difüzyon Deney analiz
    1. Veri analiz yazılımı başlatın ve Şekil 3'te gösterilen yazılımın "Load" sekmesine gidin. "Difüzyon deneyi" altında adım 6.3 difüzyon deneyi yükleyin. "/ Degrade o w difüzyon deney" altında adım 7.1.2 karşılık gelen nokta dağılım fonksiyonu yükleyin. "Rezonatör profili deney" ve "/ degrade o w rezonatör profili exp" altında adım 7.3.3 den sonucu altında adım 7.3.2 sonucunu yükleyin.
    2. Şekil 4'te gösterilen rezonatör duyarlılık sekmesine gidin
    3. Nokta dağılım fonksiyonu olarak 7,1 ila deney kullanılarak 6.2 kaydedilen her alan taraması deconvolve için Şekil 5'te gösterilen 1d spin yoğunluğu profil sekmesine gidin. Gürültü sadece kaybolana kadar sonuç gürültülü kadar gürültü güç değerini azaltmak, sonra kaldırın.
    4. . Şekil 6'da gösterilen kırpma alanı sekmesine geçin aerojel ve nerede spin sondası o bölgede ilk kez adımında yukarıdan girmek sadece yaklaşık içini tamamen yalan difüzyon ısı haritanın bir alan seçin. Şüpheniz varsa, aerojel tam konumunu belirlemenize yardımcı olmak için spektrometre yazılımı 8.1.6 den yeniden resim yüklemek.
    5. Numunenin aşağı yönde adım 8.2 den alanını artırmak, böylece sıkma yok probE Deney süresi içinde alanın alt sınırını ulaşır. Referans için bakınız Şekil 6.
    6. Şekil 7 ve basın uyum gösterilen akını sekmesine geçin. sol panel pozisyonu ekseni boyunca 8.2.5 den kırpılan bölgenin ayrılmaz gösterir.
    7. orta panelde gösterilen eğri sıfırdan başlar ve hemen yükselmeye başlar doğrulayın. Bu durum söz konusu değilse, 8.2.5 geri dönün.
    8. orta panelde gösterilen kırmızı çizgi siyah veri noktaları takip emin olun.
  3. Zaman içinde 1d Spin Konsantrasyon taklit ve Difüzyon Katsayısı Fit
    1. difüzyon katsayısı sekmesine basın ve uyum geçin.
    2. Hesaplamanın sonuçlarını beklemek.
    3. Solda gösterilen deneysel veriler sağda gösterilen sayısal verileri eşleştiğini doğrulayın.
    4. Makroskopik öteleme difüzyon katsayısı D makro değerini displa OkuyunEkranda mega-.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Küçülen tüp içinde bir aerojel bir fotoğraf ve şematik Şekil 2a ve 2b gösterilmiştir. Şekil 2c 2d EPR görüntü açıkça aerojel üst kenarını gösterir. Spin sondası konsantrasyonu aerojeli olan gibi en azından yüksek olmasına rağmen aerojel Yukarıdaki örnek boru içine ρ 1d yoğunluğu daha düşüktür. Bununla birlikte, resim düzlemine dik örnek derinliği örnek tüpünün daha küçük iç çapına bağlı olarak çok daha küçüktür. EPR görüntü de örnek tüpü hiçbir hava kabarcığı gösterir ve aerojel daralan boru daralma sırasında tanıtılan herhangi çatlaklar var görünmüyor unutmayın.

Şekil 8a UKON1-GEL tritil bir difüzyon ısı haritasını gösterir. 8c UKON1-GEL. Figuress 8b içinde IPSL için aynı verileri göstermektedir 8d sırasıyla (a) ve (c) deneysel verileri eşleştirmek difüzyon denklemleri için sayısal çözümler göstermektedir. Isı haritasının her bir dikey kesit zaman içinde sabit bir noktada spin sondası konsantrasyonu profilini gösterir. Deneyin başlangıcında spin sondası örnek üstünde konsantre edilmiştir. yeni spin sondalar üstten girerken zaman arttıkça, onlar numune boyunca yaymak. ısı haritaları tritil makroskopik geçiş yayılma IPSL makroskopik geçiş yayılma önemli ölçüde daha yavaş nitelik göstermektedir. Bu Tritil IPSL ve gözenek sisteminin daha büyük olan ve çözücü aynı olduğundan beklenebilir.

Tritil ve IPSL UKON1-GEL ve silika-jel için makroskopik geçiş yayılma katsayıları, Şekil 9'da gösterilmektedir. Karşılaştırma için, aynı zamanda Şekil 9Bir önceki açıklandığı gibi dönme korelasyon süresini belirlemek için yazılım 21 kullanarak adım 7.1.2 spektral hat şeklini takarak elde edilmiş 2.1 etanol içinde IPSL için mikroskobik öteleme difüzyon katsayısı · 10 -10 m 2 / sn, gösterir madde 16. D makro kantitatif analiz IPSL kıyasla daha büyük bir Tritil molekülü için yavaş difüzyonu gösterir. UKON1-jel ve silis jel arasında bir karşılaştırma D makro benzer değerleri gösterir. Aerojellerin gözenek yapısı benzerdir ve spin sondası ve UKON1-GEL mevcut yüzey gruplar arasındaki etkileşim anlamlı D makro etkilemek için yeterince güçlü değil çünkü bu, bekleniyordu. çözücüye gliserol eklenmesi viskoziteyi artıran ve tritil difüzyon katsayısı bir başka azalma gösterir. UKON1-jel ve silis jel içinde tritil için deneyler B bilgisieen aynı partiden numuneler tekrarlanır. Hata çubukları D makro standart sapmasını göstermektedir.

Şekil 1
Şekil 1:. Spin sondası Yapısal formül (a) 'Tritil spin sondası ve (b) IPSL prob yapısal formülü. American Chemical Society 16 izniyle. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2:. Hazırlanan numune (a) Fotoğraf, (b) şematik çizim ve 29 saat th enjekte sonra (c) 2d spin yoğunluğu görüntüaerojelin üzerine e spin sondası. American Chemical Society 16 izniyle. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3:. Veri yükleme Yazılım ekran figürü veri analizi (adım 8.2.1) için kullanılan yazılım yükleme ekranını gösterir. soldan sağa doğru aşağıdaki veri yüklemek: Ham veri difüzyon deneyinden (adım 6), ilgili nokta dağılım fonksiyonu (adım 7.1), numune ekseni boyunca bir manyetik alan gradyan varlığında spin sondası ile dolu bir kılcal saha süpürme (7.3.2) ve ilgili nokta dağılım fonksiyonu (adım 7.3.3). tıklayınızBu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 4,
Şekil 4:. Rezonatör duyarlılık profilinin belirlenmesi rakam veri analizi (adım 8.2.2) için kullanılan yazılım rezonatör duyarlılığı ekranını gösterir. Solda, numune ekseni (7.3.2) boyunca bir manyetik alan gradyan varlığında kaydedilen spin sondası ile dolu bir kılcal saha süpürme gösterir ve orta karşılık gelen nokta dağılım fonksiyonu (adım 7.3 gösterir. 3). Belirtilen ses gücü parametresi ile Matlab fonksiyonu deconvreg kullanarak Dekonvolüsyonun tarafından belirlenen Sağda örnek ekseni boyunca rezonatör duyarlılık profili gösterilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.


Şekil 5:. Numune içinde 1d spin yoğunluğu için deneysel veriler rakam veri analizi (adım 8.2.3) için kullanılan yazılım 1d spin yoğunluğu profili ekranını gösterir. Sol tarafta, bu rasgele birimlerde difüzyon deneyi (aşama 6) ile ilgili yoğunlukları göstermektedir. Her dikey çizgi bir zamana tekabül ve rezonatör duyarlılık profili ile ağırlıklandırılmış Trİtil spin sondası spektral çizgi şekli ve 1d spin yoğunluğu profilinin evrişim vardır. Uzayda düşük puan daha yüksek manyetik alan ve tam tersi bir sinyal vermek, böylece gradyan yönü aşağıdan yukarıya doğru örnek ekseni boyunca olduğunu. Sarı çizgi numune tüpü aerojelin büyük çapa örnek tüpünün iç çapı arasında atlar aerojeli ve spin sondası çözeltisinin çapı temas örnek, en oluşturulur. mavi çizginedeniyle difüzyon aerojel içine uzak gelişmiş olan spin sondası tarafından oluşturulur. orta panel dekonvolüsyon için kullanılan spin sondası spektral çizgi şeklini göstermektedir. sağ paneli renk zamanında her bir nokta için belirtilen gürültü güç parametresi ile Matlab fonksiyonu deconvreg kullanarak Dekonvolüsyonun tarafından belirlenen zaman içinde örnek ekseni boyunca kodlanmış 1d sıkma duyarlılık profili gösterir. Manyetik alan ekseni pozitif değerleri numunenin alt uygun numune ve negatif değerleri en uygun bir manyetik alan gradyanı direncine kullanarak ekseni mekansal bir konuma dönüştürüldü. aerojelin üst yaklaşık 3.5 mm yatay bir çizgi olarak görülebilir. Bu hat altında, aerojel ile spin sondası yayılma süresi arttıkça dikey yönde san bir bölgenin genişlemesine olarak görülebilir. TıklayınBurada bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 6,
Şekil 6: ilgi bölgeye 1d sıkma yoğunluğu Kırpma rakam veri analizi (adım 8.2.4) için kullanılan yazılım kırpma alanı adımını göstermektedir.. Sol taraftaki adım 8.2.3 itibaren 1d sıkma yoğunluğunu gösterir. veriler Şekil 5 sağ yan panel şirketinden alınmış ve rezonatör duyarlılık profili maksimum değerinden daha büyük yüzde 10 olan bölgede sınırlıdır. sağ taraf aynı verileri gösterir, ancak kullanıcının seçtiği alana kırpılmış. Difüzyon katsayısı sadece bu alandan belirlenecektir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

"Şekil Şekil 7: zamanla spin sondası akını hızını belirleyin rakam veri analizi (adım 8.2.6) için kullanılan yazılım spin sondası akını adımını göstermektedir.. Sol taraftaki panelde her bir dikey bir dilim zamanında her bir nokta için konumuna göre 1d spin yoğunluğu ayrılmaz fonksiyonudur. Negatif değerler sıfıra değiştirilmiştir. merkez panel bireysel veri noktaları olarak zaman içinde her bir nokta için gözlenen alanda spin miktarını gösterir ve sol tarafta panelin üst satırda tarafından belirlenir. Kırmızı çizgi verilerinin üstel uyum sağlar. Sağ taraftaki panel merkezi panelin verilerin zamana göre türevi gösterir ve zaman içinde spin sondası akını karşılık gelir. Deneysel verilerin sayısal türevi ile getirilen gürültüyü önlemek için, kırmızı çizgi ex parametrelerinden analitik olarak hesaplanmıştır ponential merkezi panelin uygun ve adım 8.2.7.1 difüzyon denklemi çözmek için sınır koşulu olarak kullanılır. Sol taraftaki paneli normalde gerekli değildir ancak yazılım tarafından kullanılan ara verileri doğrulamak için kullanılabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
Şekil 8:. Zaman 1d sıkma yoğunluğu için UKON1-GEL rasgele birimlerde deneysel olarak ölçülen ρ 1d (t, y), (a) Tritil ve (c) IPSL çözeltiler ve (b), (d difüzyon denklemi sayısal çözümü ), sırasıyla. American Chemical Society 16 izniyle./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9,
Şekil 9:. Elde edilen difüzyon katsayıları deneysel makroskopik öteleme difüzyon katsayıları D makro aldı. Aynı partiden bireysel örnekler kullanılarak çeşitli ölçümlerin standart sapması gösterilir. IPSL mikroskobik öteleme difüzyon katsayısı D makro spektral simülasyonlar dönme korelasyon zaman tayini belirsizlik tahmini ile karşılaştırma için bir kesikli çizgi olarak gösterilir, noktalı çizgiler olarak 16 belirtti. American Chemical Society 16 izniyle. Please bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

protokol paramanyetik konuk moleküllerin difüzyon izlenmesine olanak sağlar. o 2d veya 3d görüntüleme ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir zaman çözünürlüğü için izin verir, çünkü bir 1d görüntüleme yaklaşımı seçilmiştir. Elde edilen 1d görüntü yoğunluğu konsantrasyonuna bağlı değil, aynı zamanda örnek enine kesit alanının de bağlıdır, çünkü 1d yaklaşım, numunenin sabit bir enine kesit alanı gerektirir. Yöntem ayrıca numune içindeki spin sondası EPR spektrası, sadece yoğunluğu ancak şekil değişikliği gerektirir. Aksi takdirde spektral-uzamsal görüntüleme tüketen daha fazla zaman bu protokol kapsamı dışında olan kullanılmalıdır. D Makro 10 -12 m2 / sn ile 7 · 10 -9 m örnek uzunluğu arasındaki süreler boyunca 1 mm ile 1 cm arasında bir bölgede gözlenmesi halinde 2 / sn arasında yer aldığı yerde yöntemi de sistemleri ile sınırlıdır 1 saat ve 72 saat 16.

birH er ne kadar UKON1-jel ve silis jel, bir tüpte sürecinde örnekleri sözleşme sentezlenmiştir. Bu aerojel ve difüzyon izlemek için 1d görüntüleme yaklaşımı yasaklar örnek tüp duvarı arasında bir boşluk yaratır. Bu komplikasyon ısı daralma tüp içinde aerojelin koyarak çözüldü. aerojel ve numune tüpü arasında bir boşluk özelliği yok numuneler doğrudan ölçülebilir. 2d görüntüleme deneyi nedeniyle kaçak ısı küçülme tüp dışında bir spin sondası kontrol etmek için bir kontrol deney olarak hizmet vermektedir. 2d görüntü spektrometre yazılımında uygulanan geri filtrelenmiş projeksiyon algoritması ile yeniden inşa edilebilir. Bununla birlikte bu protokolün, gürültülü ortamlarda daha dayanıklı olan bir iteratif algoritma 20, kullanımında, önerilmektedir.

Difüzyon çalışması için EPR görüntüleme kullanın önceki eserlerinde 10-15,17 yılında, deney başlangıç ​​durumu dikkatle hazırlanırBaşlangıçta mümkün olduğu ve tamamen izole numune ile küçük bir alanda spin sondası, belirli bir miktarda içermesi gerekiyordu. Bu protokol anlatılan yöntem için, spin sondası ilk dağılımı sürece ilk spin sondası içermeyen numunenin bir kısmı olduğu gibi, kritik öneme sahip değildir. Numunenin gözlenen kısmına girmektedir spin sondası miktarı difüzyon verilerinin ölçümü doğrudan belirlenir. Veri analiz yazılımı, önceki çalışma 16 açıklanan yöntemi uygular. spektrometre yazılım 8.2'de ön işleme adımları gerçekleştirmek için gerekli tüm fonksiyonları içeren olsa da, bu adımlar sağlanan veriler analiz yazılımı dahil edilmiştir. Bu daha kolay değiştirebilir ve parametrelerin seçimi karşılaştırmak için yapar.

farklı örnek sistem ve ekipmanları, bu tür tarama hızı, modülasyon genliği, modülasyon frequ olarak spektroskopik parametreler için protokol adapte zamanEnsi ve mikrodalga güç ihtiyacı spektrometresi kılavuzuna göre ayarlanması ve aynı zamanda difüzyon ihtiyaçlarını gözlendiği üzerinde gradyan gücü ve süresi yeniden gözden geçirilmesi için. Difüzyon aşaması 6.3 gözlenmiştir olduğu, zaman süresi D makro bağlıdır. 1d konsantrasyon profilinin önemli bir değişiklik meydana geldiğinde deneme durdurulabilir. Bu aynı zamanda Dekonvolüsyonun önce ham veri görülebilir.

Bu protokolün adımları izleyerek zaman gözlemlemek için birkaç kritik nokta vardır. Özellikle aerojeller Bu protokol çöküşü kullanılan ve kurumasını zaman geri dönüşümsüz küçültmek, yüzden her zaman çözücü içinde batık aerojel tutmak için çok önemlidir. Düdüklü tencere 3.8 ek çözücü ve bir karıştırma çubuğu ile doldurulur nedeni aerojeli yaklaşık çözücü buharlaşır önce hızlı bir şekilde buhar basıncı oluşturmaktır. aerojeller kurumasına zaman önemli ölçüde d azaltmakiameter ve uzunluk ve yeni bir numune hazırlanmış olmalıdır. Bu çözücü ile doğrudan temas halindedir ve rezonatörün difüze durumunda kılcal boru sızdırmazlık bileşik EPR sinyal neden olabilir. sızdırmazlık maddesi ve adım 5.1 çözücü arasındaki hava kabarcığı Bunu engellemek için bir bariyer oluşturur.

solvent ve numune geometrisine bağlı olarak, spektrometre ayarlama adımı sırasında kritik bağlantıyı elde etmek zor olabilir. Bu durumda, örnek döndürmek ve yeniden deneyin veya numune almak ve aerojel ve solvent içermeyen kılcal damar merkezli emin olun.

Adım 8.2.8 veri analizi sırasında, spin etiketi deneysel olarak belirlenen akını uyum sapabilir. Bu durumda ve yetersiz adımları 8.2.2 ve 8.2.3 kokan ve mekansal pahasına gürültü miktarını azaltmak için gürültü güç parametresi artırmak olduğunu deconvolved verilerin sinyal gürültü oranı iseçözüm. Sinyal gürültü oranı sorunu değilse, bölgeyi yeniden seçmek için 8.2.8 arasındaki adımları 8.2.4 kokan hangi D makro dan hesaplanmış ve Şekil 7'de gösterildiği gibi deneysel veriler yanı sıra spin sondası akını sekmesinin orta panelde uyum, orijinden geçen bir çizgi olduğundan emin olmak edilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

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