In Situ Monitoramento da Difusão de Guest Molecules in Porous Media Usando ressonância paramagnética eletrônica de imagem

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

Os materiais porosos desempenhar um papel importante em aplicações práticas, tais como a cromatografia e a catálise um. Ao adicionar grupos superficiais e ajustar as propriedades de tamanho de poro e de superfície, os materiais podem ser adaptados para a aplicação pretendida 2,3. A funcionalidade do material poroso depende essencialmente das propriedades de difusão das moléculas hóspedes no interior dos poros. Em materiais porosos, deve ser feita uma distinção entre o microscópico difusão translacional micro constante D, que descreve a difusão em uma escala de comprimento molecular por um lado e a constante D macro macroscópico difusão translacional por outro lado, que é influenciada pela difusão através de múltiplos poros, fronteiras de grão, a tortuosidade e falta de homogeneidade do material.

Existem vários métodos de ressonância magnética disponíveis para estudar a difusão, cada um deles apropriados para uma parteescala de comprimento icular. Na escala milimétrica, ressonância magnética nuclear (RMN) e ressonância de electrões de imagem 4 paramagnética (EPR) de imagem (como apresentado neste protocolo) pode ser usado. Escalas menores tornam-se acessíveis através da utilização de gradientes de campo pulsados ​​em RMN, bem como as experiências EPR 5,6. Na escala nanométrica, espectroscopia de EPR podem ser utilizados, observando alterações da interacção de troca de spin entre as sondas Heisenberg 7,8. Estudos de difusão translacional usando Range Imaging EPR de catalisador industrial suporta, por exemplo, óxido de alumínio 9, para anisotrópica fluidos 10,11, sistemas de liberação de drogas feitas de gel de polímero 12 - 14 e modelo membranas 15.

Este protocolo apresenta uma abordagem em situ utilizando imagiologia de EPR para controlar a difusão de translação macroscópica de sondas de spin em cilíndrica, meios porosos. É demonstrado por um sistema host-guest consiste em thsonda e nitróxido rotação 3- (2-iodoacetamido) -2,2,5,5-tetrametil-1-pirrolidiniloxilo (IPSL) como um hóspede dentro do organosilica mesoporosa periódica (PMO) aerogel UKON1-gel como um hospedeiro e etanol como um solvente. Este protocolo foi usado com sucesso anteriormente 16 para comparar D macro conforme determinado com imagem latente D EPR com micro para os materiais hospedeiros UKON1 de gel e a sílica-gel e IPSL espécie hóspede e tris (8-carboxi-2,2,6,6-tetrametil-perdeutero-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) ditiol) metilo (tritilo), ver Figura 1.

Em outros métodos baseados em imagens de onda contínua (CW) EPR 17, difusão ocorre fora do espectrômetro. Em contraste, o método aqui apresentado utiliza uma abordagem em situ. Uma série de instantâneos do ρ 1d distribuição de densidade de spin 1d (t, γ) éregistada ao longo de um período de várias horas. Durante este tempo, uma captura de imagem é tomada após o outro e proporciona um padrão de difusão em tempo real com uma resolução de tempo de cerca de 5 min.

UKON1-gel e de gel de sílica foram sintetizados em tubos de ensaio com um diâmetro interno de 3 mm, conforme descrito na literatura. A UKON1 16,18,19-gel e síntese de gel de sílica conduz a um encolhimento da amostra. As amostras são colocadas dentro de um tubo termo-retráctil para impedir que as moléculas hóspedes de mover-se entre o aerogel e a parede do tubo da amostra. Este passo adicional não é necessária para as amostras que podem ser sintetizados directamente no tubo de ensaio sem alterar o seu tamanho. O colapso amostras de aerogel quando secar, então eles devem ser submerso em solvente em todos os momentos. A temperatura que é necessária para a tubagem de retracção térmica é mais elevada do que o ponto de ebulição de etanol, à pressão ambiente. Portanto, o protocolo descreve a utilização de uma panela de pressão para elevar aponto de etanol em ebulição.

O protocolo abrange a preparação de amostras de UKON1-GEL sintetizado de antemão para o experimento de imagem EPR e as configurações do espectrómetro que são usados ​​para controlar a difusão da sonda de rotação IPSL. Para análise dos dados, o software escrito localmente é fornecido e seu uso é descrito. Os dados brutos do espectrômetro pode ser diretamente carregado. O software calcula o espaço 1d distribuição de densidade de spin ρ 1d (t, γ) e leva em consideração o perfil de sensibilidade ressonador. O utilizador pode seleccionar uma região do aerogel e uma janela de tempo, durante o qual a constante de difusão é determinada. O software então determina as condições de contorno da equação de difusão com base em que a seleção e resolve a equação de difusão. Ele suporta ajuste de mínimos quadrados para encontrar o valor de D macro onde a solução numérica melhor coincide com os dados experimentais.

ρ 1d (t, γ) dá acesso directo aos a concentração e não é influenciada por uma mudança na secção transversal da amostra. O intervalo de valores acessíveis para D macro 16 é estimado entre 10 -12 m 2 / s e 7 · 10 -9 m 2 / s.

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Protocol

Cuidado: Por favor, consulte todas as folhas de dados de segurança pertinentes (MSDS) antes do uso. O etanol é nocivo se ingerido ou inalado e é inflamável.

1. Otimizar os onda contínua (CW) Parâmetros EPR

  1. Preparar 40 ul de IPSL em etanol (PA) numa concentração de 1 mM.
  2. Tomar um controlador de pipeta e encher um capilar com a solução IPSL a uma altura de enchimento de 2 cm. Puxar a solução de 1 cm mais para o capilar de modo que existe um intervalo de ar por baixo da solução. Selar o capilar em ambas as extremidades com tubo capilar composto de vedação. O intervalo de ar impede a difusão de componentes do composto de vedação na amostra.
  3. Enrole duas tiras de politetrafluoroetileno (PTFE) de fita de cerca de 5 cm de comprimento em torno do capilar a uma distância de 1 cm a partir da extremidade superior e inferior do tubo capilar.
  4. Colocar o tubo capilar, num tubo de amostra EPR (diâmetro interno 4 mm). Certifique-se de que a fita de PTFE mantém o capilarfixado no eixo central do tubo de amostra. Empurrar o tubo capilar para a parte inferior do tubo da amostra.
  5. Coloque a amostra para o ressonador e centralizar a solução marcador de spin dentro do ressonador.
  6. Sintonize o espectrômetro para acoplamento crítico, seguindo as instruções do manual do espectrômetro.
  7. Configurações Espectrômetro preliminares
    1. Use a freqüência de microondas para definir o campo de centro B utilizando a fórmula
      equação 1
      onde g ≈ 2,003 é uma estimativa aproximada para o factor g de o radical não emparelhado no marcador de spin nitróxido, h é a constante de Planck e u B é o magnetão Bohr.
    2. Configurar uma nova experiência "field_sweep" com o campo magnético como abcissa e a intensidade do sinal como ordenada. Utilize os seguintes parâmetros: Centerfield conforme calculado na etapa anterior, largura de varredura: 400 G, modulatina amplitude: 0,8 G, modulação de frequência: 100 kHz, a atenuação de microondas: 30 dB, número de pontos: 2.048, número de scans: 1, tempo de varredura: 80 seg, constante de tempo: 50 ms.
    3. Ative o modo de digitalização de configuração. Para o Setup Scan Time Constant, selecione o menor valor que as ofertas espectrômetro. Ajustar o ganho do receptor para um valor em que o sinal apresentado preenche de 80% do intervalo de intensidade exibido, de modo que mesmo com ruído nenhum ponto de dados tem uma maior intensidade do que 80% do máximo. Desativar digitalização Setup depois.
    4. Pressione o botão "Run".
    5. Ler o valor do campo de cruzamento de zero do pico central do espectro obtido. Defina o campo central para esse valor.
    6. Pegue a ferramenta de linha horizontal e medir a largura do espectro a partir do ponto onde o pico mais à esquerda começa a subir acima do nível de base para o ponto onde os mais à direita de pico retorna ao nível basal.
    7. Definir a largura de varredura para três vezes a largura do espectro.
  8. Recalcular os parâmetros do espectrómetro
    1. Calcule o tempo de varredura: varredura velocidade de largura / varredura. Use uma velocidade de varredura de 5 g / seg.
    2. Calcule o número mínimo de pontos de dados: 10 * largura de varredura largura / linha.
    3. Calcule o tempo de conversão: tempo de varredura / número de pontos de dados.
    4. Calcule a constante de tempo: 0,1 * A linha width * tempo de varredura / largura de varredura.
  9. Medir uma curva de saturação para determinar o Optimum Microondas Poder
    1. Definir a atenuação de microondas a 10 dB e ajustar o ganho do receptor, conforme descrito no passo 1.7.3.
    2. Ajuste a atenuação de microondas para 50 dB e gravar um espectro. Se a relação sinal-ruído é inferior a 5: 1, aumentar o número de verificações. Repetir este passo até que a relação sinal-ruído é de 5: 1 ou maior.
    3. Criar uma nova experiência "saturação", usando o campo magnético como abscissa 1, a potência de microondas como abcissa 2 e a intensidade do sinal como ordenada. Copiar todas as definições de the experimento "field_sweep" a partir do passo 1.9.2. Para abcissa 2, definir o valor inicial da atenuação de microondas a 10 dB, o valor de incremento de 1 dB e o número de pontos para 41 para cobrir uma gama de 10 dB a 50 dB. Executar o experimento.
    4. Crie uma planilha para a curva de saturação. Inserir a atenuação em dB microondas para a primeira coluna.
    5. Calcula-se a raiz quadrada da energia de microondas em AU na segunda coluna com a fórmula
      equação 2
      em que x é a atenuação em dB micro-ondas a partir da primeira coluna.
    6. Usar o software espectrómetro para medir a intensidade de pico a pico da linha central para cada espectral atenuação microondas no experimento. Escrever que a intensidade para a terceira coluna na planilha.
    7. Traça-se a raiz quadrada da potência de microondas contra o pico de intensidade de pico (coluna 3 de encontro à coluna 2) para obter a curva de saturação. includes da origem (0,0) na trama.
    8. Identificar o regime linear da curva de saturação. A energia de microondas é óptima a mais elevada potência de microondas que ainda está em regime linear. Use a configuração de atenuação correspondente para todas as novas experiências.

2. Determine o campo Força Gradient Magnetic ea Resolução Tempo

  1. Criar uma nova experiência no software espectrómetro com o campo magnético 1 como abcissa e a intensidade de sinal como ordenada. Ativar os controles de bobina de gradiente.
  2. Copiar todas as configurações espectrômetro do experimento anterior, conforme determinado em 1,8 e 1.9.8.
  3. Definir a intensidade do campo magnético de gradiente para 170 g / cm na direcção do eixo da amostra que aponta para cima.
  4. Calcula-se a amplitude de varrimento SW = sw 0 + FOV · L, SW, onde 0 representa a amplitude de varrimento determinado de 1.8.4, na ausência de um gradiente de campo magnético,FOV é o campo de visão (2,5 cm) e L é a força do campo magnético de gradiente.
  5. Calcular o tamanho estimado de pixel = linha de largura / L, usando a largura da linha do espectro gravado em 1.9.3, na ausência de um gradiente de campo magnético.
  6. Calcule a velocidade de varredura time = sw / varredura. Use a mesma velocidade de varredura como em 1.8.1.
  7. O cálculo do número mínimo de pontos de dados necessários por meio do aumento do valor
    i. N 1 = 10 * largura de varredura / largura da linha
    ii. N 2 = 10 * campo de visão / (G * tamanho do pixel).
  8. Calcule o tempo de conversão: tempo de varredura / número de pontos de dados.
  9. Calcule a constante de tempo: 0,1 * A linha width * tempo de varredura de largura / varredura ou inferior.
  10. Defina os parâmetros calculados em 2,3 através de 2.9 e pressione o botão "Run".
  11. Medir o nível de ruído da linha de base, bem como a intensidade de pico a picoda linha central com a ferramenta de linha vertical. Calcula-se a relação sinal-ruído.
  12. Se a relação sinal-ruído é inferior a 5: 1, o dobro do número de varreduras no painel "scan" dos parâmetros do espectrómetro e repita os passos 2.1.3 através de 2.11.

3. Prepare o Sample

Cuidado: Use óculos de segurança.

Nota: Mantenha o aerogel completamente submerso em solvente em todos os momentos. Veja a Figura 2 para uma fotografia e esquemático.

  1. Encha uma placa de Petri de 10 cm de diâmetro com etanol (PA) até uma altura de 5 mm.
  2. Coloque o aerogel dentro da placa de Petri e cortar uma peça cilíndrica de 5 mm a 1 cm de comprimento.
  3. Prepara-se uma peça de tubagem de retracção térmica que é cerca de 1 cm mais longo do que o cilindro de aerogel.
  4. Usar um cortador de tubos de vidro para quebrar um tubo de amostra de diâmetro interno de 2 mm a criar dois pedaços de comprimento 4 cm. Ambas as peças devem ter duas extremidades abertas.
  5. Insira uma das peças de tubos de amostra 5 mm de profundidade em uma extremidade do tubo com contração térmica. Use uma pistola de calor para aquecer cuidadosamente o efeito da tubulação do psiquiatra de calor sem encolher o resto da tubulação. A tubulação do psiquiatra de calor deve ser agora fixado no tubo de vidro.
    1. Submergir esta combinação de tubo de vidro e tubulação do psiquiatra de calor na placa de Petri do aerogel. Empurre cuidadosamente o pedaço de aerogel a partir do passo 3.2 para a extremidade aberta do tubo com contração térmica.
  6. Encher um tubo de ensaio com etanol (PA) até uma altura de 7 cm. Transferir a amostra a partir da placa de Petri para o tubo de ensaio. Ao fazê-lo, certifique-se de que a extremidade aberta do tubo com contração térmica é orientada para o topo. Certifique-se de que o aerogel está completamente submerso em etanol.
  7. Insira o segundo pedaço de 4 cm de comprimento detubo da amostra a partir do passo 3.4 para dentro da extremidade aberta da tubagem de retracção térmica. Não aplique força, a gravidade deve ser suficiente para fechar as lacunas entre o aerogel e os pedaços de tubos de amostra. Colocar o tubo de ensaio com a amostra para um copo.
  8. Encha uma panela de pressão com pelo menos 500 ml de etanol e adicionar uma barra de agitação.
  9. Coloque o copo contendo a amostra sobre um tripé dentro da panela de pressão.
    Atenção: Execute o próximo passo sob um exaustor e continuar a usar óculos de segurança.
  10. Cook e agita-se as amostras a um ambiente de pressão de 1 bar acima da pressão ambiente no agitador magnético. A temperatura deve atingir pelo menos 90 ° C. Deixe esfriar, logo que a pressão é alcançado e a válvula de pressão de vapor lançamentos etanol. Se o psiquiatra tubulação de calor não encolher, repita este passo.
    Nota: Imediatamente limpar a panela de pressão com água para minimizar o efeito do etanol sobre as válvulas de vedação. Neste ponto, a amostra preparada pode ser armazenada em etanol para Sevemeses ral.

4. Preparar o espectrómetro

  1. Criar uma experiência 2D utilizando o campo magnético 1 como abcissa, o tempo como abcissa e a intensidade do sinal 2 como ordenada, de modo que um varrimento do campo magnético é gravado para cada etapa de tempo. Ativar os controles de bobina de gradiente.
  2. Definir o atraso de tempo entre as medições de zero. Defina os outros parâmetros conforme determinado no ponto 2. Defina o número de pontos para o eixo do tempo para 20 horas / tempo de varredura. Definir a ponte microondas para realizar um ajuste fino após cada varredura fatia.
  3. Siga os passos na secção 1.7 para sintonizar o espectrômetro para o ressonador vazio.

5. preparar a amostra para Medição

Nota: A única vez passos críticos deste protocolo são 5,3 através de 6.2, que é a partir do início do processo de difusão com a adição do marcador de spin até que o tempo de aquisição de dados no espectrómetro começa. Executar essas etapas sem introduzirquaisquer atrasos.

  1. Colocar um dedo na parte superior da amostra de secção 3 para manter a solução de etanol de fluir para fora na parte inferior. Em seguida, utilizar uma seringa para remover algum etanol a partir do fundo de 5 mm do tubo de amostra inferior e selar esse efeito com o composto de vedação do tubo. Certifique-se de que há uma bolha de ar de 2 mm de altura acima do composto de vedação.
  2. Remover todo o etanol a partir do tubo de amostra acima do aerogel com excepção de 3 mm acima do aerogel apenas utilizando uma pipeta de Pasteur capilar.
  3. Injecte 20 ul de solução de marcador de spin em etanol no topo do aerogel. Certifique-se de que não criar uma bolha de ar na parte superior do aerogel. Marque a hora atual como início do processo de difusão.
  4. Colocar a amostra num tubo de ensaio com diâmetro interno de 4 mm. Use fita de PTFE para o centro da amostra.
  5. Usar uma caneta de feltro para marcar o tubo de amostra numa posição exterior de 68 mm acima do bordo superior do aerogel. Isto ajuda a centrar correctamente a amostra no ressoador e coloca o cintroduzir o ressonador de 1 mm abaixo da borda superior do aerogel.

6. realizar o experimento Diffusion

  1. Colocar a amostra no ressoador de modo que a marcação a partir de 5,5 alinha com a parte superior do suporte de PTFE do ressonador e ajustar-se o espectrómetro para acoplamento crítica como é descrito no manual de instruções do espectrómetro.
  2. Use o modo de varredura de configuração para definir o ganho do receptor, conforme descrito no 1.7.3, enquanto as bobinas de gradiente ainda estão desligados.
  3. Iniciar o experimento que foi configurado na secção 4. Anote o tempo atual. Ou esperar 20 horas para a experiência ao fim ou interromper a experiência quando o sinal gravado não se altera no decurso de 4 horas ou mais. Salvar o resultado.

7. Realizar experimentos adicionais necessários para a análise de dados

Nota: Realizar os experimentos em 7.1 e 7.2 com a mesma amostra diretamente após o experimento de difusão e sem moVing da amostra.

  1. Grave a Function Point Espalhe para Deconvolution
    1. Mudar para o experimento "campo de varredura" do passo 1.7.2. Copiar todas as definições do experimento na etapa 6.
    2. Gravar um espectro e medir o sinal à relação de ruído. Se for menor do que 20: 1, aumentar o número de varrimentos e repetir este passo. Caso contrário salvar o espectro.
  2. Realizar um experimento de imagens em 2D
    1. Criar uma nova experiência no espectrómetro com o campo magnético como abcissa 1, o ângulo do gradiente do campo magnético como abcissa 2 e a intensidade de sinal como ordenada. Copiar os parâmetros do passo 6. Ajuste o plano de imagem para o plano YZ, que é o plano que inclui a direcção do campo magnético estático B 0 e o eixo amostra.
    2. Defina o número de ângulos de N de a direção do gradiente de tamanho do pixel N = FOV / desejado ou superior.
    3. Inicie a medição e salvar o resultado.
    4. Repita the etapas em 7.1 e salvar o resultado.
  3. Medir o perfil ressonador Sensibilidade
    1. Prepare uma outra amostra de sonda de rotação em solução, repetindo os passos 1.1 a 1.5, mas este tempo, adicionar 4 cm da solução para o capilar em vez de 2 cm.
    2. Seguir os passos na secção 2 para gravar um espectro da amostra com um gradiente de campo magnético na direcção do eixo da amostra. Para a etapa 2.3, utilize um campo de visão de 3 cm. Salvar o resultado.
    3. Repetir a medição na ausência de gradiente de campo magnético e gravar o resultado.

Análise 8. Dados

  1. Reconstruir o experimento de imagens em 2D
    1. Coloque o experimento de imagens em 2D a partir de 7.2.3 para a janela principal do software espectrômetro.
    2. Coloque o experimento de 7.2.4 para o visor secundário do software espectrômetro.
    3. Ir para Processamento> Transformações> Deconvolution, selecione Slice: todos e cliqueaplicam-se a realizar uma desconvolução.
    4. Salve os dados deconvolved no disco.
    5. Use o software de reconstrução de imagem disponível gratuitamente 20 com o seguinte comando: reconstruir --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Carregar o resultado de 8.1.5 para o software espectrômetro para consulta posterior.
  2. Analisar o Experimento Difusão Gravado
    1. Inicie o software de análise de dados e vá para a guia "Load" do software mostrado na Figura 3. Coloque o experimento de difusão a partir do passo 6.3 em "experiência de difusão". Coloque a função de propagação do ponto correspondente do passo 7.1.2 em "experiência de difusão w / o gradiente". Carregar o resultado do passo 7.3.2 em "experimento perfil ressonador" e o resultado do passo 7.3.3 em "perfil exp ressonador w / o gradiente".
    2. Vá até a aba sensibilidade ressonador mostrado na Figura 4
    3. Vá até a aba perfil de densidade de spin 1d mostrado na Figura 5, a fim de deconvoluir cada varredura de campo registado em 6.2 usando a experiência de 7,1 a função de ponto de spread. Diminuir o valor da potência de ruído até que o resultado é barulhento, então aumentá-lo até que o ruído desapareça.
    4. Alterne para a guia área de cultivo mostrado na Figura 6. Selecione uma área do mapa de calor de difusão que se encontra completamente dentro do aerogel e onde sonda de rotação está prestes a entrar a partir de cima na primeira etapa do tempo daquela área. Em caso de dúvida, carregar a imagem reconstruída a partir de 8.1.6 no software espectrômetro para ajudar a identificar a posição exata do aerogel.
    5. Aumentar a área a partir do passo 8.2 no sentido descendente da amostra de modo a que nenhum prob rotaçãoe atinge o limite inferior para a área dentro do tempo da experiência. Veja a Figura 6 para referência.
    6. Alterne para a guia fluxo mostrado na Figura 7 e ajuste de imprensa. O painel esquerdo mostra a integral da região recortada a partir 8.2.5 ao longo do eixo posição.
    7. Verificar que a curva mostrada no painel do meio começa em zero e imediatamente começa a subir. Se isso não for o caso, voltar a 8.2.5.
    8. Verificar que a linha vermelha mostrado no painel do meio seguinte modo os pontos de dados pretas.
  3. Simular a Concentração rotação 1d ao longo do tempo e em forma o coeficiente de difusão
    1. Alterne para a guia coeficiente de difusão e ajuste de imprensa.
    2. Aguarde os resultados do cálculo.
    3. Verifique se os dados experimentais apresentados à esquerda coincide com os dados numéricos mostrados à direita.
    4. Ler o valor do coeficiente de difusão de translação D macro macroscópica que é displayed na tela.

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Representative Results

Uma foto e esquemática de um aerogel dentro do tubo de encolhimento é mostrado nas Figuras 2a e 2b. A imagem 2D EPR na Figura 2c mostra claramente a borda superior do aerogel. A intensidade de 1d ρ no interior do tubo acima da amostra de aerogel é menor, embora a concentração da sonda de rotação é, pelo menos, tão elevada como no aerogel. No entanto, a profundidade amostra perpendicular ao plano de imagem é muito menor, devido ao diâmetro interno menor do tubo da amostra. Note-se que a imagem EPR também mostra nenhuma bolha de ar no tubo de amostra e o aerogel não parece ter quaisquer fissuras introduzidas durante o encolhimento do tubo de encolhimento.

A Figura 8a mostra um mapa de calor difusão de tritilo em UKON1-gel. A Figura 8C mostra os mesmos dados para IPSL em UKON1-gel. Figuress 8b 8d mostram as soluções numéricas para as equações de difusão que correspondem aos dados experimentais de (a) e (c), respectivamente. Cada fatia vertical do mapa de calor mostra o perfil de concentração da sonda de rotação num ponto fixo no tempo. No inicio da experiência as sondas de rotação estão concentrados na parte superior da amostra. Como o tempo aumenta, que se propagam através da amostra enquanto novas sondas de rotação entra a partir do topo. Os mapas de calor exibir qualitativamente que a difusão de translação macroscópica de tritilo é significativamente mais lenta do que a difusão de translação macroscópica de IPSL. Isto é para ser esperado uma vez que tritilo é maior do que IPSL e o sistema de poros e de solvente são os mesmos.

Os coeficientes de difusão de translação macroscópicas para tritilo e IPSL em UKON1-gel e gel de sílica são mostrados na Figura 9. Para comparação, a Figura 9 igualmentemostra o coeficiente de difusão de translação microscópica para IPSL em etanol a 2,1 x 10 -10 m 2 / s, que foi obtido por encaixe a forma de linha espectral a partir do passo 7.1.2 usando o software 21 para determinar o tempo de correlação rotacional tal como descrito num anterior artigo 16. A análise quantitativa de D macro mostra difusão mais lenta para a molécula maior em comparação com tritilo IPSL. Uma comparação entre UKON1-gel e sílica gel mostra valores muito semelhantes para D macro. Isto era esperado, uma vez que a estrutura dos poros dos aerogéis é semelhante e a interacção entre as sondas de rotação e os grupos presentes na superfície UKON1-gel não é suficientemente forte para influenciar significativamente D macro. A adição de glicerol para o solvente aumenta a viscosidade e mostra uma outra diminuição do coeficiente de difusão para tritilo. Os experimentos para Trityl em UKON1-gel e sílica gel têm been repetido com amostras do mesmo lote. As barras de erro mostram o desvio padrão de D macro.

figura 1
Figura 1:. Fórmulas estruturais de sondas de rotação A fórmula estrutural do (a) sonda Trityl rotação e (b) sonda IPSL. Reproduzido com permissão da Sociedade Americana de Química 16. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2:. Amostra preparada (a) Fotografia, (b) desenho esquemático e imagem de densidade de spin 2d (c) 29 horas após a injecção de thsondas de rotação e na parte superior do aerogel. Reproduzido com permissão da Sociedade Americana de Química 16. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3:. Tela Software de carregamento dos dados A figura mostra a tela de carregamento do software utilizado para análise de dados (passo 8.2.1). Carregue os seguintes dados da esquerda para a direita: Os dados brutos a partir da experiência de difusão (passo 6), a função de propagação do ponto correspondente (passo 7.1), varredura de campo para um capilar preenchido com sonda de rotação na presença de um gradiente de campo magnético ao longo do eixo da amostra (7.3.2) e a função de propagação do ponto correspondente (passo 7.3.3). Por favor clique aquipara ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4:. Determinação do perfil de sensibilidade ressonador A figura mostra a tela sensibilidade ressonador do software utilizado para a análise de dados (passo 8.2.2). No lado esquerdo, que mostra o varrimento de campo para um capilar cheio com a sonda de rotação registada na presença de um gradiente de campo magnético ao longo do eixo da amostra (7.3.2) e no meio que mostra a função de contagem de pontos correspondente (passo 7.3. 3). À direita o perfil de sensibilidade ressonador ao longo do eixo da amostra é mostrado como determinado pela deconvolução utilizando a função deconvreg Matlab com o parâmetro de potência de ruído indicado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 5:. Dados experimentais para a densidade de spin 1d dentro da amostra A figura mostra a tela de perfil de densidade de spin 1d do software utilizado para análise de dados (passo 8.2.3). No lado esquerdo, que mostra a intensidade de difusão da experiência (passo 6), em unidades arbitrárias. Cada linha vertical corresponde a um ponto no tempo e é a convolução da forma de linha espectral da sonda de rotação de tritilo e o perfil de densidade de spin 1d, ponderadas por o perfil de sensibilidade ressonador. A direção do gradiente é ao longo do eixo de amostras de baixo para cima, de modo que os pontos mais baixos no espaço dar um sinal no campo magnético superior e vice-versa. A linha amarela é criado pelo topo da amostra, em que o tubo de amostra toca o aerogel e o diâmetro da solução de sonda de rotação salta a partir do diâmetro interior do tubo de amostra para o maior diâmetro do aerogel. A linha azulé formada por aquelas sondas de rotação que têm avançado mais distante para o aerogel devido à difusão. O painel do meio mostra a forma de linha espectral das sondas de rotação que é utilizada para desconvolução. O painel do lado direito mostra a cor codificado perfil 1d sensibilidade rotação ao longo do eixo da amostra ao longo do tempo, conforme determinado pela deconvolução utilizando a função deconvreg Matlab com o parâmetro de potência de ruído indicado para cada ponto no tempo. O eixo do campo magnético foi convertido para uma posição espacial eixo usando a força do gradiente do campo magnético, em que os valores positivos correspondem a parte superior da amostra e os valores negativos correspondem a parte inferior da amostra. A parte superior do aerogel pode ser visto como uma linha horizontal a cerca de 3,5 mm. Abaixo dessa linha, a propagação de sondas de rotação através do aerogel pode ser visto como uma ampliação da região do amarelo na direcção vertical, medida que o tempo aumenta. Por favor cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6: Cortar a densidade de spin 1d para uma região de interesse A figura mostra o passo do software utilizado para a análise de dados (passo 8.2.4) área de cultivo.. Ela mostra a densidade de spin 1D a partir do passo 8.2.3 do lado esquerdo. Os dados são tiradas diretamente do painel do lado direito da Figura 5 e é limitada à região onde o perfil de sensibilidade ressonador é maior do que 10 por cento do seu valor máximo. O lado direito mostra os mesmos dados, mas encolhida para a área que o usuário tenha selecionado. O coeficiente de difusão será determinado a partir de apenas nessa área. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

"Figura Figura 7: Determinar a taxa de influxo de sondas de rotação ao longo do tempo A figura mostra o passo influxo sonda de rotação do software utilizado para análise de dados (passo 8.2.6).. Cada fatia vertical no painel do lado esquerdo é o integral da função de densidade de spin 1d em relação a posição para cada ponto no tempo. Os valores negativos foram alterados para zero. O painel central apresenta a quantidade de rotações no interior da área observada para cada ponto no tempo, como pontos de dados individuais e é determinada pela fila superior do painel do lado esquerdo. A linha vermelha é um ajuste exponencial dos dados. O painel do lado direito mostra o derivado de tempo dos dados no painel central e corresponde ao influxo de sonda de rotação ao longo do tempo. Para evitar o ruído introduzido pelo derivado numérica dos dados experimentais, a linha vermelha foi calculada analiticamente a partir dos parâmetros do ex exponen- ajuste do painel central e é utilizado como condição de contorno para resolver a equação de difusão no passo 8.2.7.1. O painel do lado esquerdo, normalmente, não é necessário, mas pode ser usado para verificar os dados intermediários utilizados pelo software. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8
Figura 8:. Densidade de spin 1d ao longo do tempo medida experimentalmente 1d ρ (t, y) em unidades arbitrárias em UKON1-gel para (a), tritilo e (c) soluções IPSL e solução numérica da equação de difusão em (b), (d ), respectivamente. Reproduzido com permissão da Sociedade Americana de Química 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9:. Obtido coeficientes de difusão obtidos experimentalmente macroscópica difusão translacional coeficientes D macro. O desvio padrão de várias medições usando amostras isoladas a partir do mesmo lote deve ser exibida. A difusão de translação macro coeficiente D microscópica de IPSL é indicado como uma linha tracejada para comparação com uma estimativa da incerteza da determinação do tempo de correlação rotacional em simulações espectrais, indicados como linhas pontilhadas 16. Reproduzido com permissão da Sociedade Americana de Química 16. Please clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

O protocolo permite o monitoramento da difusão de moléculas hóspedes paramagnéticas. Uma abordagem de imagem 1D foi escolhida porque permite uma resolução de tempo maior em relação à imagem 2D ou 3D. A abordagem 1d requer uma área de secção transversal constante da amostra porque a intensidade da imagem 1d obtido depende não apenas da concentração, mas também na área da secção transversal da amostra. O método também exige que os espectros de RPE dos sondas de rotação no interior das amostras só muda na intensidade, mas não em forma. Caso contrário mais demorado de imagem espectral-espacial deve ser utilizado, que está fora do âmbito deste protocolo. O método também está limitado a sistemas onde macro D situa-se entre 10 -12 m 2 / s e 7 · 10 -9 m 2 / s, se a amostra é observada numa zona compreendida entre 1 mm e 1 cm de comprimento e ao longo de períodos de tempo entre 1 hr e 72 hr 16.

UMAmbora o UKON1-gel e de gel de sílica foram sintetizados num tubo de ensaio, o contrato de amostras durante o processo. Isto cria um intervalo entre o aerogel e a parede do tubo da amostra, o que proíbe uma abordagem de imagem 1D para monitorar a difusão. Esta complicação tem sido resolvido colocando o aerogel no interior do tubo de termo-retracção. As amostras que não apresentam um intervalo entre o aerogel e o tubo da amostra pode ser medida directamente. O experimento de imagens em 2D serve como um experimento de controle para verificar se há uma sonda de rotação que está fora do tubo de termo-retracção devido a fugas. A imagem 2D pode ser reconstruída com o algoritmo de projecção filtrado para trás que é implementado no software do espectrómetro. Neste protocolo no entanto, o uso de um algoritmo iterativo 20, que é mais robusto em condições de ruído, é sugerido.

Em trabalhos anteriores 10-15,17 que usam imagiologia EPR para estudar a difusão, o estado inicial do experimento é cuidadosamente preparadopara aplicar inicialmente uma certa quantidade de sondas de spin na menor área possível e com uma amostra completamente isolado. Para o método que é descrito neste protocolo, a distribuição inicial de sondas de rotação não é critica, desde que existe uma parte da amostra que inicialmente não contém sondas de spin. A quantidade de sondas de rotação que entra na parte observados da amostra é determinada directamente a partir da medição dos dados de difusão. O software de análise de dados implementa o método que é descrito no trabalho anterior 16. Enquanto o software espectrômetro inclui todas as funções que são necessárias para executar as etapas de pré-processamento em 8,2, estes passos foram incluídos no software de análise de dados fornecidos. Isto faz com que seja mais fácil de mudar e comparar a escolha de parâmetros.

Ao adaptar o protocolo para diferentes sistemas de amostragem e equipamentos, os parâmetros espectroscópicos tais como a velocidade de varredura, amplitude modulation, frequ modulaçãocia e de necessidade de energia de microondas para ser ajustado de acordo com o manual do espectrômetro, e também a força de gradiente e o período de tempo durante o qual a difusão é observada precisa ser reavaliada. A duração de tempo durante o qual a difusão é observado no passo 6.3 depende D macro. A experiência pode ser parado quando nenhuma mudança significativa do perfil de concentração ocorre 1d. Isto também pode ser visto nos dados brutos antes de desconvolução.

Existem alguns pontos críticos para observar ao seguir as etapas deste protocolo. Os aerogéis particular utilizado neste protocolo e colapso irreversível encolher quando eles secam, por isso, é crucial para manter os aerogéis submersas no solvente em todos os momentos. A razão pela qual a panela de pressão está cheio com solvente adicional e uma barra de agitação em 3,8 é criar rapidamente pressão de vapor antes de o solvente se evapora em torno do aerogel. Quando os aerogéis de secar eles significativamente reduzir em diameter eo comprimento e uma amostra fresca deve estar preparado. O composto de vedação do tubo capilar pode resultar num sinal EPR se encontra em contacto directo com o solvente e difunde-se para o ressonador. A bolha de ar entre o composto de vedação e o solvente na etapa 5.1 cria uma barreira para impedir que isto aconteça.

Dependendo do solvente e da geometria da amostra, pode ser difícil conseguir o acoplamento crítico durante a etapa de sintonização espectrómetro. Nesse caso, rodar a amostra e tente novamente, ou tirar a amostra para fora e verifique se o aerogel e os capilares que contêm o solvente são centrados.

Durante a análise dos dados na etapa 8.2.8, o afluxo determinada experimentalmente do marcador de spin pode desviar-se do ajuste. Se for esse o caso ea relação sinal-ruído dos dados deconvolved é insuficiente, refazer os passos 8.2.2 e 8.2.3 e aumentar o parâmetro de potência de ruído para reduzir a quantidade de ruído no custo de espacialresolução. Se a relação sinal-ruído não é o problema, refazer etapas 8.2.4 através de 8.2.8 para selecionar novamente a região a partir da qual macro D é calculado e certificar-se de que os dados experimentais, bem como o ajuste no painel do meio do guia influxo sonda de rotação é uma linha que passa pela origem, como é mostrado na Figura 7.

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Disclosures

Os autores não têm nada para revelar.

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

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References

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