In Situ Monitoraggio della diffusione di Guest Molecole in mezzi porosi Utilizzando paramagnetica elettronica Risonanza

1Department of Chemistry, Universität Konstanz
Published 9/02/2016
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Chemistry

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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).

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Abstract

Introduction

Materiali porosi svolgono un ruolo importante nelle applicazioni pratiche quali la catalisi e la cromatografia 1. Con l'aggiunta di gruppi di superficie e di regolare le proprietà di dimensione dei pori e di superficie, i materiali possono essere adattati all'applicazione desiderata 2,3. La funzionalità del materiale poroso dipende essenzialmente le proprietà di diffusione delle molecole ospiti all'interno dei pori. Nei materiali porosi, una distinzione deve essere fatta tra microscopico traslazionale costante di diffusione D micro, che descrive diffusione su una scala di lunghezza molecolare su un lato e la costante D macro macroscopica traslazionale diffusion d'altra parte, che è influenzata dalla diffusione attraverso diversi pori, bordi di grano, tortuosità e disomogeneità del materiale.

Esistono diversi metodi di risonanza magnetica è possibile studiare diffusione, ciascuno adatto per una partescala di lunghezza icular. Sulla scala millimetrica, risonanza magnetica nucleare (NMR) Imaging 4 ed elettronica risonanza paramagnetica (EPR) di imaging (come presentato in questo protocollo) può essere utilizzato. Scale più piccole diventano accessibili mediante l'uso di gradienti di campo pulsati a NMR e EPR 5,6. Sulla scala nanometrica, spettroscopia EPR può essere utilizzato osservando cambiamenti dell'interazione scambio Heisenberg tra le sonde di spin 7,8. Studi di diffusione traslazionale utilizzando Range Imaging EPR da catalizzatore industriale sostiene, ad esempio, ossido di alluminio 9, a anisotropi fluidi 10,11, sistemi di rilascio controllato di farmaci fatti di gel polimerici 12 - 14 e il modello membrane 15.

Questo protocollo presenta un approccio in situ utilizzando immagini EPR per monitorare macroscopica traslazionale diffusione di sonde di spin in cilindrica, mezzi porosi. Si dimostra un sistema host-guest costituito da the nitrossido sonda di spin 3- (2-Iodoacetamido) -2,2,5,5-tetrametil-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) come ospite all'interno del organosilica mesoporosa periodica (PMO) aerogel UKON1-GEL come host e etanolo come solvente. Questo protocollo è stato usato con successo in precedenza 16 per confrontare D macro come determinato con l'imaging EPR con D micro per i materiali di accoglienza UKON1-GEL e gel di silice e IPSL specie ospiti e Tris (8-carbossi-2,2,6,6-perdeutero-tetrametil-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) dithiole) metil (tritile), si veda la Figura 1.

In altri metodi basati su onda continua (CW) EPR di imaging 17, la diffusione avviene al di fuori dello spettrometro. Al contrario, il metodo qui presentato utilizza un approccio situ. Una serie di istantanee della distribuzione di densità di spin 1d ρ 1d (t, γ) èconstatata durante un periodo di diverse ore. Durante questo tempo, una istantanea viene eseguita dopo l'altro e fornisce un modello di diffusione in tempo reale con una risoluzione temporale di circa 5 min.

UKON1-GEL e gel di silice sono stati sintetizzati in provette con diametro interno di 3 mm, come descritto in letteratura. 16,18,19 La UKON1-GEL e sintesi gel di silice porta ad un restringimento del campione. I campioni sono collocati all'interno di un tubo di termorestringimento per impedire molecole ospiti di muoversi tra la aerogel e la parete della provetta. Questa fase aggiuntiva non è necessaria per campioni che possono essere sintetizzati nella provetta campione senza modificarne le dimensioni. I campioni di aerogel crollo quando si seccano, quindi devono essere immersi in solvente in ogni momento. La temperatura che è necessario per il tubo termoretraibile è superiore al punto di ebollizione di etanolo a pressione ambiente. Pertanto il protocollo descrive l'uso di una pentola a pressione per sollevare ilpunto di ebollizione dell'etanolo.

Il protocollo riguarda la preparazione campione di UKON1-GEL sintetizzato anticipo per l'esperimento di imaging EPR e le impostazioni spettrometro che vengono utilizzati per controllare la diffusione di spin probe IPSL. Per l'analisi dei dati, software scritto localmente è fornito e il suo uso è descritto. I dati grezzi provenienti spettrometro possono essere caricati direttamente. Il software calcola la spaziale 1D distribuzione di densità di spin ρ 1D (t, γ) e tiene conto del profilo di sensibilità risonatore. L'utente può selezionare una regione della aerogel e una finestra di tempo, durante il quale la costante diffusione è determinato. Il software determina quindi le condizioni al contorno della equazione di diffusione basati su tale selezione e risolve l'equazione di diffusione. Esso supporta almeno il montaggio quadrato per trovare il valore di macro D dove la soluzione numerica corrisponde meglio i dati sperimentali.

ρ 1d (t, γ) dà accesso diretto la concentrazione e non è influenzato da un cambiamento della sezione trasversale del campione. L'intervallo di valori accessibili per D macro è stimato 16 tra 10 -12 m 2 / sec e 7 · 10 -9 m 2 / sec.

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Protocol

Attenzione: Si prega di consultare tutte le schede di sicurezza materiale pertinente (MSDS) prima dell'uso. L'etanolo è nocivo se ingerito o inalato ed è infiammabile.

1. Ottimizzare le Continuous Wave (CW) Parametri EPR

  1. Preparare 40 ml di IPSL in etanolo (Pa) ad una concentrazione di 1 mM.
  2. Dai regolatore pipetta e riempire un capillare con la soluzione IPSL ad una altezza di riempimento di 2 cm. Tirare la soluzione 1 cm ulteriormente nel capillare in modo che vi sia uno spazio d'aria sotto la soluzione. Sigillare la capillare su entrambe le estremità con tubo capillare mastice. Il traferro impedisce la diffusione dei componenti del sigillante nel campione.
  3. Avvolgere due strisce di politetrafluoroetilene (PTFE) Nastro di circa 5 cm di lunghezza intorno al capillare ad una distanza di 1 cm dall'estremità superiore ed inferiore del capillare.
  4. Mettere il capillare in una provetta EPR (diametro interno 4 mm). Assicurarsi che il nastro di PTFE mantiene il capillarefissato l'asse centrale della provetta. Premere il capillare fino al fondo della provetta.
  5. Mettere il campione nel risonatore e centrare la soluzione spin label all'interno del risonatore.
  6. Tune lo spettrometro per l'accoppiamento critica seguendo le istruzioni riportate nel manuale spettrometro.
  7. Impostazioni Spectrometer preliminari
    1. Utilizzare la frequenza delle microonde per impostare il centro campo B con la formula
      Equazione 1
      dove g ≈ 2.003 è una stima approssimativa per il fattore g del radicale spaiato nell'etichetta rotazione nitrossido, h è la costante di Planck e μ B è il magnetone Bohr.
    2. Impostare un nuovo esperimento "field_sweep" con il campo magnetico come ascissa e l'intensità del segnale come ordinata. Utilizzare i seguenti parametri: Centerfield come calcolato nel passaggio precedente, Larghezza spazzata: 400 G, modulatisu di ampiezza: 0,8 G, modulazione di frequenza: 100 kHz, forno a microonde attenuazione: 30 dB, il numero di punti: 2.048, numero di scansioni: 1, tempo di scansione: 80 sec, costante di tempo: 50 msec.
    3. Attivare la modalità di scansione di configurazione. Per l'impostazione temporale di scansione costante, selezionare il valore più basso che le offerte dello spettrometro. Regolare il guadagno del ricevitore ad un valore in cui il segnale visualizzato riempie 80% del campo di intensità visualizzata, in modo che anche con il rumore senza punto dati ha un'intensità superiore al 80% del massimo. Disabilitare Scan Setup dopo.
    4. Premere il pulsante "Esegui".
    5. Leggere il valore del campo del passaggio per lo zero del picco centrale dallo spettro ottenuto. Impostare il campo centrale di quel valore.
    6. Prendere lo strumento linea orizzontale e misurare la larghezza dello spettro dal punto in cui il picco più a sinistra inizia a salire al di sopra del livello di base al punto più a destra picco ritorna al livello basale.
    7. Impostare la larghezza sweep tre volte la larghezza dello spettro.
  8. Ricalcolare i parametri dello spettrometro
    1. Calcolare il tempo di scansione: Velocità di scorrimento larghezza / sweep. Utilizzare una velocità di scansione di 5 g / sec.
    2. Calcolare il numero minimo di punti dati: 10 * Larghezza spazzata larghezza / Linea.
    3. Calcolare il tempo di conversione: tempo di scansione / numero di punti.
    4. Calcolare la costante di tempo: 0,1 * larghezza della linea * tempo di scansione / larghezza sweep.
  9. Misurare una saturazione curva per determinare la Optimum Potenza Microonde
    1. Impostare l'attenuazione microonde a 10 dB e regolare il guadagno del ricevitore come descritto al punto 1.7.3.
    2. Impostare l'attenuazione microonde a 50 dB e registrare uno spettro. Se il rapporto segnale-rumore è inferiore a 5: 1, aumentare il numero di scansioni. Ripetere questa operazione fino a quando il rapporto segnale-rumore è di 5: 1 o superiore.
    3. Creare un nuovo esperimento "saturazione" utilizzando il campo magnetico come ascissa 1, la potenza microonde ascisse 2 e l'intensità del segnale come ordinata. Copiare tutte le impostazioni da the esperimento "field_sweep" dal punto 1.9.2. Per ascisse 2, impostare il valore iniziale della attenuazione microonde a 10 dB, il valore di incremento di 1 dB e il numero di punti a 41 per coprire una gamma da 10 dB a 50 dB. Simula.
    4. Creare un foglio di calcolo per la curva di saturazione. Inserire l'attenuazione microonde in dB nella prima colonna.
    5. Calcolare la radice quadrata della potenza delle microonde in au nella seconda colonna con la formula
      Equazione 2
      dove x è l'attenuazione microonde in dB dalla prima colonna.
    6. Utilizzare il software spettrometro per misurare il picco a picco dell'intensità della riga spettrale centrale per ciascuna attenuazione microonde nell'esperimento. Scrivere che l'intensità nella terza colonna del foglio di calcolo.
    7. Tracciare la radice quadrata della potenza delle microonde contro il picco di intensità di picco (colonna 3 alla colonna 2) per ottenere la curva di saturazione. include l'origine (0,0) nella trama.
    8. Identificare il regime lineare della curva di saturazione. La potenza delle microonde ottimale è la più alta potenza a microonde che è ancora in regime lineare. Utilizzare l'impostazione di attenuazione corrispondente per tutte le ulteriori esperimenti.

2. determinare il campo magnetico Forza sfumatura e la risoluzione temporale

  1. Creare un nuovo esperimento nel software spettrometro con il campo magnetico ascisse 1 e l'intensità del segnale come ordinata. Attivare i comandi bobine di gradiente.
  2. Copiare tutte le impostazioni dello spettrometro dal precedente esperimento, come determinato nel 1,8 e 1.9.8.
  3. Impostare il campo di gradiente forza magnetica a 170 G / cm nella direzione dell'asse di esempio rivolto verso l'alto.
  4. Calcolare la larghezza spazzata sw = sw 0 + FOV · G, dove sw 0 è la larghezza spazzata determinato 1.8.4 in assenza di un gradiente di campo magnetico,FOV è il campo di vista (2,5 cm) e G è la forza di gradiente di campo magnetico.
  5. Calcolare il pixel size = linea stimato larghezza / G, con la larghezza della linea di spettro registrato nel 1.9.3 in assenza di un gradiente di campo magnetico.
  6. Calcolare la velocità di scansione di tempo = sw / sweep. Utilizzare la stessa velocità di scansione come in 1.8.1.
  7. Calcolare il numero minimo di punti dati richiesti utilizzando il valore più elevato di
    i. N 1 = 10 * Larghezza spazzata / larghezza della linea
    ii. N 2 = 10 * campo visivo / (G * dimensione dei pixel).
  8. Calcolare il tempo di conversione: tempo di scansione / numero di punti.
  9. Calcolare la costante di tempo: 0,1 * larghezza della linea * tempo di scansione larghezza / spazzata o inferiore.
  10. Impostare i parametri calcolati in 2.3 tramite 2.9 e premere il pulsante "Esegui".
  11. Misurare il livello di rumore della linea di base e il picco a picco dell'intensitàdella linea centrale con lo strumento linea verticale. Calcolare il rapporto segnale-rumore.
  12. Se il rapporto segnale-rumore è inferiore a 5: 1, raddoppiare il numero di scansioni nel pannello "scansione" dei parametri dello spettrometro e ripetere i passaggi 2.1.3 tramite 2.11.

3. Preparare il campione

Attenzione: Indossare occhiali di sicurezza.

Nota: Mantenere l'aerogel completamente immersi in solventi in ogni momento. Vedere la Figura 2 per una fotografia e schematica.

  1. Riempire una piastra di Petri di 10 cm di diametro con etanolo (pa) fino ad un'altezza di 5 mm.
  2. Mettere l'aerogel nella capsula di Petri e tagliare un pezzo cilindrico 5 mm a 1 cm di lunghezza.
  3. Preparare un pezzo di guaina termorestringente che è circa 1 cm più lungo del cilindro di aerogel.
  4. Utilizzare un cutter tubo di vetro a rompere una provetta di diametro interno 2 mm a creare due pezzi di largo 4 cm. Entrambi i pezzi devono avere due estremità aperte.
  5. Inserire uno dei pezzi di tubo campione 5 mm di profondità in una estremità del tubo termorestringente. Utilizzare una pistola di calore per riscaldare attentamente questo fine del calore tubo termoretraibile senza restringimento del resto del tubo. Il tubo termoretraibile dovrebbe ora essere fissata al tubo di vetro.
    1. Immergere questa combinazione di tubo di vetro e termorestringente nella scatola di Petri del aerogel. Spingere con cautela il pezzo di aerogel dal punto 3.2 nell'estremità aperta del tubo termorestringente.
  6. Riempire una provetta con etanolo (pa) fino ad un'altezza di 7 cm. Trasferire il campione dalla piastra di Petri nella provetta. Nel farlo, assicurarsi che l'estremità aperta del tubo termoretraibile è orientata verso l'alto. Assicurarsi che l'aerogel è completamente sommerso in etanolo.
  7. Inserire il secondo lungo 4 cm pezzo diprovetta dal punto 3.4 nell'estremità aperta del tubo termorestringente. Non applicare forza, la gravità dovrebbe essere sufficiente a colmare i divari tra l'aerogel ei pezzi di tubo del campione. Mettere la provetta con il campione in un becher.
  8. Riempire una pentola a pressione con almeno 500 ml di etanolo ed aggiungere un ancoretta.
  9. Mettere il bicchiere contenente il campione sul treppiede all'interno della pentola a pressione.
    Attenzione: Eseguire il passo successivo sotto una cappa aspirante e continuare ad indossare occhiali di sicurezza.
  10. Cuocere e mescolare i campioni a una regolazione della pressione di 1 bar alla pressione ambiente sul agitatore magnetico. La temperatura deve raggiungere almeno 90 ° C. Lasciare raffreddare appena la pressione viene raggiunta e la valvola di pressione di vapore rilasci etanolo. Se il tubo termoretraibile non si ritrasse, ripetere questo passaggio.
    Nota: Pulire immediatamente la pentola a pressione con acqua per minimizzare l'effetto dell'etanolo sulle valvole di tenuta. A questo punto, il campione preparato può essere conservato in etanolo per sevemesi RAL.

4. Preparare il Spectrometer

  1. Creare un esperimento 2d utilizzando il campo magnetico come ascissa 1, tempo come ascisse 2 e intensità del segnale come ordinata, in modo che un campo magnetico scansione viene registrato ogni passo temporale. Attivare i comandi bobine di gradiente.
  2. Impostare il ritardo di tempo tra misurazioni a zero. Impostare gli altri parametri, come determinato al punto 2. Impostare il numero di punti per l'asse del tempo a 20 ore / tempo di scansione. Impostare il ponte microonde per effettuare una regolazione fine dopo ogni scansione fetta.
  3. Seguire i passaggi nella sezione 1.7 per sintonizzare la spettrometro per il risuonatore vuoto.

5. Preparare il campione per la misurazione

Nota: Le operazioni solo temporali critici di questo protocollo sono 5.3 tramite 6.2, che è dall'inizio del processo di diffusione con l'aggiunta dell'etichetta rotazione fino al momento dell'acquisizione dei dati nello spettrometro inizia. Effettuare queste operazioni senza introdurreeventuali ritardi.

  1. Mettere un dito sulla parte superiore del campione dalla sezione 3 per mantenere la soluzione di etanolo fuoriesca sul fondo. Quindi utilizzare una siringa per rimuovere alcune etanolo dal 5mm fondo della provetta inferiore e sigillare tal fine con mastice tubo. Assicurarsi che ci sia una bolla d'aria di 2 mm di altezza sopra il mastice.
  2. Rimuovere tutti i etanolo dal tubo del campione sopra la aerogel ad eccezione di 3 mm appena sopra l'aerogel utilizzando un capillare pipetta Pasteur.
  3. Iniettare 20 ml di soluzione di spin label in etanolo sopra l'aerogel. Assicurarsi di non creare una bolla d'aria sopra il aerogel. Segnare l'ora attuale come inizio del processo di diffusione.
  4. Trasferire il campione in una provetta con un diametro interno di 4 mm. Utilizzare nastro di PTFE per centrare il campione.
  5. Utilizzare un pennarello per marcare la provetta esterna in una posizione di 68 mm dal bordo superiore della aerogel. Questo aiuta nel corretto centraggio del campione nel risonatore e mette il cimmettere del risonatore 1 mm sotto il bordo superiore del aerogel.

6. eseguire l'esperimento di diffusione

  1. Porre il campione nel risonatore modo che il contrassegno da 5,5 allinea con la parte superiore del supporto PTFE del risonatore e sintonizzare lo spettrometro di accoppiamento critica come descritto nel manuale operativo dello spettrometro.
  2. Utilizzare la modalità di scansione di configurazione per impostare il guadagno del ricevitore come descritto al punto 1.7.3, mentre le bobine di gradiente sono ancora spenti.
  3. Avviare l'esperimento che è stato istituito nel paragrafo 4. Annotare l'ora corrente. Attendere 20 ore per l'esperimento per terminare o interrompere l'esperimento quando il segnale registrato non cambia nel corso di 4 ore o più. Salva il risultato.

7. Eseguire Esperimenti aggiuntivi necessari per l'analisi dei dati

Nota: condurre gli esperimenti in 7.1 e 7.2 con lo stesso campione direttamente dopo l'esperimento di diffusione e senza moVing campione.

  1. Registrare la funzione Point Spread per Deconvoluzione
    1. Passare alla esperimento "campo sweep" dal punto 1.7.2. Copiare tutte le impostazioni dalla esperimento nel passaggio 6.
    2. Registrare uno spettro e misurare il rapporto segnale-rumore. Se è inferiore a 20: 1, aumentare il numero di scansioni e ripetere questo passo. Altrimenti salvare lo spettro.
  2. Eseguire un esperimento di imaging 2d
    1. Creare un nuovo esperimento sullo spettrometro con il campo magnetico come ascissa 1, l'angolo del gradiente di campo magnetico come ascissa 2 e l'intensità del segnale come ordinata. Copiare i parametri di passaggio 6. Impostare il piano di imaging al piano YZ, che è il piano compresa la direzione del campo magnetico statico B 0 e l'asse del campione.
    2. Impostare il numero di angoli N della direzione del gradiente di dimensione dei pixel N = FOV / desiderato o superiore.
    3. Avviare la misurazione e salvare il risultato.
    4. Ripetere °e passi in 7.1 e salvare il risultato.
  3. Misurare il profilo Resonator Sensibilità
    1. Preparare un altro campione di spin probe in soluzione ripetendo i passaggi da 1.1 a 1.5, ma questa volta aggiungere 4 cm della soluzione nel capillare invece di 2 cm.
    2. Seguire la procedura descritta nella sezione 2 per registrare uno spettro del campione con un gradiente di campo magnetico nella direzione dell'asse campione. Per il passaggio 2.3, utilizzare un campo visivo di 3 cm. Salva il risultato.
    3. Ripetere la misurazione in assenza del gradiente di campo magnetico e salvare il risultato.

Analisi 8. Dati

  1. Ricostruire l'esperimento di imaging 2d
    1. Caricare l'esperimento di imaging 2d dalla 7.2.3 nella finestra principale del software spettrometro.
    2. Caricare il esperimento dalla 7.2.4 nella finestra secondaria del software spettrometro.
    3. Vai a produzione> Trasformazioni> Deconvoluzione, selezionare Slice: tutto e fare clic suapplicare per eseguire una deconvoluzione.
    4. Salvare i dati deconvolved su disco.
    5. Utilizzare il software di ricostruzione delle immagini liberamente disponibile 20 con il seguente comando: ricostruire --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Caricare il risultato dalla 8.1.5 nel software dello spettrometro per riferimento futuro.
  2. Analizzare l'esperimento di diffusione registrato
    1. Avviare il software di analisi dei dati e passare alla scheda "Carica" ​​del software mostrato in Figura 3. Caricare l'esperimento di diffusione dal punto 6.3 sotto "esperimento di diffusione". Caricare la funzione di punto di diffusione corrispondente dal punto 7.1.2 sotto "esperimento di diffusione w / o gradiente". Caricare il risultato dal punto 7.3.2 sotto "esperimento profilo risonatore" e il risultato dal punto 7.3.3 sotto "profilo exp risuonatore w / o gradiente".
    2. Vai alla scheda sensibilità risonatore mostrata in figura 4
    3. Vai alla scheda profilo di densità di spin 1d mostrato in figura 5, al fine di deconvolve ogni spazzata campo registrato nel 6.2 utilizzando l'esperimento dalla 7.1 in funzione del punto di diffusione. Diminuire il valore di potenza del rumore fino a quando il risultato è rumoroso, quindi sollevarlo fino a quando il rumore scompare.
    4. Passare alla scheda area di ritaglio mostrato nella Figura 6. Selezionare una zona della mappa di calore di diffusione che si trova completamente all'interno del aerogel e dove la sonda di spin è solo per entrare dall'alto al primo passo temporale di quella zona. In caso di dubbio, caricare l'immagine ricostruita dalla 8.1.6 nel software dello spettrometro per aiutare a identificare la posizione esatta del aerogel.
    5. Aumentare l'area dal punto 8.2 nella direzione verso il basso del campione in modo che nessuna rotazione probe raggiunge il limite inferiore della zona entro il tempo dell'esperimento. Vedi Figura 6 per riferimento.
    6. Passare alla scheda afflusso mostrata in figura 7 e premere in forma. Il pannello di sinistra mostra l'integrale della regione ritagliata dal 8.2.5 lungo l'asse di posizionamento.
    7. Verificare che la curva mostrato nel pannello centrale parte da zero e subito comincia a salire. Se questo non è il caso, tornare a 8.2.5.
    8. Verificare che la linea rossa mostrato nel pannello centrale segue i punti dati nere.
  3. Simulare la concentrazione Spin 1D nel tempo e Montare il coefficiente di diffusione
    1. Passare alla scheda coefficiente di diffusione e premere in forma.
    2. Attendere i risultati del calcolo.
    3. Verificare che i dati sperimentali indicate a sinistra corrispondono ai dati numerici mostrati a destra.
    4. Leggere il valore della macroscopica D macro coefficiente di diffusione traslazionale che è displaYed sullo schermo.

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Representative Results

Una foto e schematica di un aerogel entro il tubo contrazione è mostrato nelle figure 2a e 2b. L'immagine EPR 2d in figura 2c mostra chiaramente il bordo superiore del aerogel. L'intensità di 1d ρ all'interno del tubo del campione sopra la aerogel è inferiore anche se la concentrazione della sonda spin è almeno alto come nel aerogel. Tuttavia, la profondità del campione perpendicolare al piano del quadro è molto più piccolo a causa del diametro interno più piccolo della provetta. Si noti che l'immagine EPR mostra anche bolle d'aria nel tubo campione e l'aerogel non sembra avere fessure introdotte durante il restringimento del tubo contrazione.

La figura 8a mostra una mappa di calore diffusione di tritil in UKON1-GEL. Figura 8c mostra gli stessi dati per IPSL a UKON1-GEL. Figuress 8b 8d mostrano le soluzioni numeriche per le equazioni di diffusione che corrispondono ai dati sperimentali (a) e (c), rispettivamente. Ogni sezione verticale della mappa calore mostra il profilo di concentrazione della sonda di spin in un determinato momento. All'inizio dell'esperimento le sonde di spin sono concentrate nella parte superiore del campione. All'aumentare tempo, si propagano attraverso il campione mentre nuove sonde di spin entrano dall'alto. Le mappe di calore mostrano qualitativamente che la diffusione traslazionale macroscopica di trityl è significativamente più lenta rispetto alla diffusione traslazionale macroscopica di IPSL. Questo è prevedibile poiché trityl è maggiore IPSL e il sistema di pori e solvente sono gli stessi.

I coefficienti di diffusione traslazionale macroscopiche per trityl e IPSL in UKON1-GEL e gel di silice sono mostrati in figura 9. Per confronto, la Figura 9 anchemostra il coefficiente microscopica traslazionale diffusione per IPSL in etanolo a 2,1 · 10 -10 m 2 / sec, che è stato derivato inserendo la forma della linea spettrale passo 7.1.2 utilizzando il software 21 per determinare il tempo di correlazione rotazionale come descritto in un precedente Articolo 16. L'analisi quantitativa del D macro mostra la diffusione più lenta per il più grande trityl molecola rispetto al IPSL. Un confronto tra UKON1-GEL e gel di silice presenta valori molto simili per D macro. Questo era previsto, poiché la struttura dei pori degli aerogel è simile e l'interazione tra le sonde di spin e gruppi superficiali presenti in UKON1-GEL non è sufficientemente forte da influenzare significativamente D macro. Aggiunta di glicerolo al solvente aumenta la viscosità e mostra una ulteriore diminuzione del coefficiente di diffusione per tritile. Gli esperimenti per trityl a UKON1-GEL e gel di silice hanno Been ripetuto con i campioni dello stesso lotto. Le barre di errore indicano la deviazione standard di D macro.

Figura 1
Figura 1:. Formule strutturali di sonde di spin La formula strutturale (a) della sonda tritile rotazione e (b) la sonda IPSL. Ristampato con il permesso della American Chemical Society 16. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2:. Campione preparato (a) Fotografia, (b) il disegno schematico e (c) della densità di spin 2d 29 ore dopo l'iniezione °di spin sonde e sulla parte superiore del aerogel. Ristampato con il permesso della American Chemical Society 16. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3:. Software screenshot di caricamento dei dati La figura mostra la schermata di caricamento del software utilizzato per l'analisi dei dati (fase 8.2.1). Caricare i seguenti dati da sinistra a destra: I dati grezzi dall'esperimento diffusione (fase 6), corrispondente funzione del punto diffusione (fase 7.1), campo spazzata per un capillare riempito con sonda rotazione in presenza di un gradiente di campo magnetico lungo l'asse del campione (7.3.2) e la funzione di punto di diffusione corrispondente (fase 7.3.3). Si prega di cliccare quiper visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4:. Determinazione del profilo di sensibilità risuonatore La figura mostra la schermata sensibilità risuonatore del software utilizzato per l'analisi dei dati (fase 8.2.2). A sinistra, mostra lo sweep campo per un capillare riempito con la sonda di spin registrata in presenza di un gradiente di campo magnetico lungo l'asse del campione (7.3.2) e al centro mostra la funzione di diffusione di punto corrispondente (passo 7.3. 3). Sulla destra del profilo di sensibilità risuonatore lungo l'asse del campione viene mostrato come determinato dal deconvoluzione utilizzando la funzione deconvreg Matlab con il parametro di potenza di rumore indicata. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Figura 5:. Dati sperimentali per la densità di spin 1D all'interno del campione La figura mostra la schermata del profilo di densità di spin 1d del software utilizzato per l'analisi dei dati (fase 8.2.3). A sinistra, mostra le intensità dall'esperimento diffusione (fase 6) in unità arbitrarie. Ciascuna linea verticale corrisponde a un punto nel tempo ed è la convoluzione della linea forma spettrale della sonda di spin tritile e il profilo di densità di spin 1d, ponderata con il profilo di sensibilità risonatore. La direzione del gradiente è lungo l'asse di esempio dal basso verso l'alto, in modo che i punti inferiori nello spazio danno un segnale a campo magnetico superiore e viceversa. La linea gialla è creata dalla parte superiore del campione, in cui il tubo campione tocca la aerogel e il diametro della soluzione spin probe salti dal diametro interno del tubo campione al diametro maggiore della aerogel. La linea bluè formata da quei sonde di spin che hanno avanzato lontano nel aerogel a causa della diffusione. Il pannello centrale mostra la forma riga spettrale delle sonde di spin che viene utilizzato per la deconvoluzione. Il pannello di destra mostra il colore codificato profilo 1d sensibilità rotazione lungo l'asse del campione nel corso del tempo, come determinato dalla deconvoluzione utilizzando la funzione deconvreg Matlab con il parametro di potenza di rumore indicato per ogni punto nel tempo. L'asse del campo magnetico è stato convertito in una posizione spaziale asse mediante la forza gradiente di campo magnetico, in cui i valori positivi corrispondono all'inizio del campione e valori negativi corrispondere al fondo del campione. La parte superiore della aerogel può essere visto come una linea orizzontale a circa 3,5 mm. Sotto tale linea, la propagazione di sonde di spin attraverso l'aerogel può essere visto come un ampliamento della regione gialla in direzione verticale come aumenta. Cliccarequi per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6: Ritagliare la densità di spin 1D ad una regione di interesse La figura mostra il passo del software utilizzato per l'analisi dei dati (fase 8.2.4) area di ritaglio.. Essa mostra la densità di spin 1d dal punto 8.2.3 sul lato sinistro. I dati vengono presi direttamente dal pannello lato destro di figura 5 ed è limitata alla regione in cui il profilo di sensibilità risuonatore è maggiore del 10 per cento del suo valore massimo. Il lato destro mostra gli stessi dati, ma ritagliata alla zona che l'utente ha selezionato. Il coefficiente di diffusione sarà determinato solo da quella zona. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

"Figura Figura 7: Determinare il tasso di afflusso di sonde di spin nel tempo La figura mostra la fase di afflusso sonda di rotazione del software utilizzato per l'analisi dei dati (fase 8.2.6).. Ogni sezione verticale nel pannello sul lato sinistro è la funzione integrale della densità di spin 1d rispetto alla posizione di ogni punto nel tempo. I valori negativi sono stati modificati a zero. Il pannello centrale mostra la quantità di giri all'interno dell'area osservata per ogni punto nel tempo come singoli punti dati ed è determinata dalla riga superiore del pannello sul lato sinistro. La linea rossa è una misura esponenziale dei dati. Il pannello sul lato destro indica la derivata temporale dei dati nel pannello centrale e corrisponde al flusso di spin probe nel tempo. Per evitare rumore introdotto dal derivata numerica dei dati sperimentali, la linea rossa è stata calcolata analiticamente i parametri del franco fit esponenziali del pannello centrale ed è usato come condizione al contorno per risolvere l'equazione di diffusione nel passaggio 8.2.7.1. Il pannello sul lato sinistro non è normalmente necessaria, ma può essere utilizzato per verificare i dati intermedi utilizzati dal software. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8:. 1d densità di spin nel tempo misurata sperimentalmente 1d ρ (t, y) in unità arbitrarie in UKON1-GEL per (a) tritile e (c) soluzioni IPSL e soluzioni numeriche dell'equazione di diffusione in (b), (d ), rispettivamente. Ristampato con il permesso della American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9:. Ottenuto coefficienti di diffusione sperimentale ottenuti macroscopico traslazionale diffusione coefficienti D macro. Viene visualizzata la deviazione standard delle diverse misurazioni utilizzando singoli campioni dello stesso lotto. La microscopica traslazionale coefficiente di diffusione D macro di IPSL è indicato con una linea tratteggiata per il confronto con una stima della incertezza della determinazione del tempo di correlazione rotazionale simulazioni spettrali, indicato come linee tratteggiate 16. Ristampato con il permesso della American Chemical Society 16. Please clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Il protocollo consente il monitoraggio della diffusione delle molecole ospiti paramagnetiche. Un approccio di imaging 1d è stato scelto perché permette una risoluzione temporale superiore rispetto all'imaging 2D o 3D. L'approccio 1d richiede un'area di sezione trasversale costante del campione perché l'intensità dell'immagine 1d ottenuto dipende non solo dalla concentrazione ma anche l'area della sezione trasversale del campione. Il metodo richiede inoltre che gli spettri EPR delle sonde di spin nei campioni cambiate solo in intensità, ma non in forma. In caso contrario, richiede più tempo di imaging spettrale-spaziale deve essere utilizzato, che è al di fuori del campo di applicazione di questo protocollo. Il metodo è limitata a sistemi in cui D macro compreso tra 10 -12 m 2 / sec e 7 · 10 -9 m 2 / sec se il campione si osserva in una zona compresa tra 1 mm e 1 cm di lunghezza e per periodi di tempo tra 1 ora e 72 ore 16.

UNnche il UKON1-GEL e gel di silice sono stati sintetizzati in una provetta, il contratto campioni durante il processo. Questo crea uno spazio tra la aerogel e la parete della provetta, che proibisce un approccio di imaging 1d per controllare la diffusione. Questa complicanza è stato risolto inserendo l'aerogel all'interno del tubo termoretraibile. I campioni che non dispongono di un divario tra l'aerogel e il tubo del campione può essere misurato direttamente. L'esperimento di imaging 2d serve come un esperimento di controllo per controllare una sonda giro che è al di fuori del tubo termoretraibile a causa di perdite. L'immagine 2d può essere ricostruita con l'algoritmo di retroproiezione filtrata che viene implementata nel software spettrometro. In questo protocollo tuttavia l'uso di un algoritmo iterativo 20, che è più robusto in ambienti rumorosi, è suggerito.

In lavori precedenti 10-15,17 che utilizzano l'imaging EPR per studiare diffusione, lo stato iniziale di questo esperimento è preparato con curaper caratterizzare inizialmente una certa quantità di sonde di spin come piccola area possibile e con un campione completamente isolato. Per il metodo descritto in questo protocollo, la distribuzione iniziale di sonde di spin non è critica, purché vi è una parte del campione che inizialmente non contiene sonde di spin. La quantità di sonde di spin che entra nella parte osservata del campione è determinata direttamente dalla misurazione dei dati di diffusione. Il software di analisi dati implementa il metodo descritto nel precedente lavoro 16. Mentre il software spettrometro include tutte le funzioni necessarie per eseguire le operazioni di pre-elaborazione in 8.2, questi passi sono stati inclusi nel software di analisi dei dati forniti. Questo rende più facile cambiare e confronta la scelta dei parametri.

Quando adattare il protocollo per i diversi sistemi di campionamento e le attrezzature, i parametri spettroscopici, come la velocità di scansione, modulazione di ampiezza, modulazione di Frequrenza e necessità potenza microonde da regolare secondo il manuale dello spettrometro, e anche la forza di gradiente e il periodo di tempo durante il quale la diffusione si osserva deve essere rivalutata. La durata tempo in cui viene osservata la diffusione nel passo 6.3 dipende D macro. L'esperimento può essere interrotto quando si verifica alcun cambiamento significativo del profilo di concentrazione 1d. Questo può essere visto anche nei dati grezzi prima di deconvoluzione.

Ci sono alcuni punti critici da osservare quando si seguono i passi di questo protocollo. Gli aerogel particolari utilizzati in questo crollo protocollo e si restringono in modo irreversibile quando si seccano, quindi è fondamentale per mantenere i aerogel sommersi nel solvente in ogni momento. Il motivo per cui la pentola a pressione è riempito con solvente aggiuntivo e una ancoretta in 3.8 è quello di creare rapidamente pressione di vapore prima che il solvente evapora intorno aerogel. Quando gli aerogel asciugano hanno significativamente ridurre in diameter, la lunghezza, un campione fresco devono essere preparati. Il sigillante capillare può risultare in un segnale EPR se è in diretto contatto con il solvente e diffonde nel risonatore. La bolla d'aria tra il composto sigillante e il solvente in fase 5.1 crea una barriera per impedire che ciò accada.

A seconda del solvente e la geometria del campione può essere difficile da raggiungere accoppiamento critica durante il passo di sintonizzazione spettrometro. In tal caso, ruotare il campione e riprovare oppure prelevare il campione fuori e verificare che l'aerogel e capillari che contengono il solvente sono centrati.

Durante l'analisi dei dati nel passaggio 8.2.8, l'afflusso determinato sperimentalmente dell'etichetta spin può deviare dalla forma. Se questo è il caso e il rapporto segnale-rumore dei dati deconvolved è insufficiente, ripetere i passaggi 8.2.2 e 8.2.3 e aumentare il parametro potenza del rumore per ridurre la quantità di rumore a costo di spazialerisoluzione. Se il rapporto segnale-rumore non è il problema, ripetere passaggi 8.2.4 tramite 8.2.8 per riselezionare la regione da cui macro D è calcolato e assicurarsi che i dati sperimentali, nonché la forma del pannello centrale della scheda afflusso spin probe è una linea passante per l'origine, come è mostrato nella Figura 7.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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

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  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).

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