In Situ Monitoring van Verspreiding van Guest Moleculen in poreuze media met behulp van Elektronen Paramagnetische Resonantie Imaging

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

Poreuze materialen spelen een belangrijke rol in praktische toepassingen zoals katalyse en chromatografie 1. Door toevoeging oppervlaktegroepen en aanpassen van de poriegrootte en de oppervlakte-eigenschappen, kunnen de materialen worden aangepast aan de gewenste toepassing 2,3. De functionaliteit van het poreuze materiaal cruciaal is afhankelijk van de diffusie-eigenschappen van de gasten moleculen in de poriën. In poreuze materialen, moet een onderscheid worden gemaakt tussen de microscopische translationele diffusie constante D micro, die diffusie beschrijft op een moleculaire lengte schaal aan de ene kant en de macroscopische translationele diffusie constante D macro anderzijds, die wordt beïnvloed door de diffusie via meerdere poriën, korrelgrenzen, kronkeling en inhomogeniteit van het materiaal.

Er zijn verschillende magnetische resonantie methoden diffusie bestuderen, elk voor een deelicular lengte schaal. Op de millimeter schaal kan kernspinresonantie (NMR) beeldvorming 4 en elektronen paramagnetische resonantie (EPR) beeldvorming (zoals gepresenteerd in dit protocol) worden gebruikt. Kleinere schalen toegankelijk worden door toepassing van gepulseerde veldgradiënten in NMR en EPR experimenten 5,6. Op de nanometer schaal, kan EPR spectroscopie gebruikt worden door het observeren van veranderingen in de Heisenberg uitwisseling interactie tussen de spin-sondes 7,8. 14 en modelmembranen 15 - Studies van translationele diffusie met behulp van EPR beeldvorming variëren van industriële katalysator ondersteunt, bijvoorbeeld, aluminiumoxide 9, om vloeistoffen 10,11, geneesmiddelafgifte, vervaardigd van polymeer gels 12 anisotrope.

Dit protocol vormt een in situ benadering met behulp van EPR beeldvorming om macroscopische translationele diffusie van spin-sondes in cilindervormige, poreuze media te monitoren. Er wordt gedemonstreerd voor een host-guest-systeem, bestaande uit the nitroxide rotatie probe 3- (2-joodaceetamido) -2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) als gast in het periodieke mesoporeuze organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL als gastheer en ethanol als oplosmiddel. Dit protocol is met succes eerder gebruikte 16 ter vergelijking D macro zoals bepaald met EPR beeldvorming met D micro voor de host materialen UKON1-GEL en silicagel en gasten soorten IPSL en Tris (8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) dithiool) methyl (trityl), zie figuur 1.

In andere methoden op basis van continue golf (CW) EPR beeldvorming 17, diffusie plaatsvindt buiten de spectrometer. In tegenstelling, de hier gepresenteerde methode maakt gebruik van een in situ benadering. Een reeks momentopnamen van de verdeling 1d spindichtheid ρ 1d (t, γ) isgedurende een periode van enkele uren. Gedurende deze tijd wordt een momentopname na elkaar genomen en levert een onmiddellijke diffusie patroon met een tijdsresolutie van ongeveer 5 minuten.

UKON1-GEL silicagel gesynthetiseerd in monsterbuizen met een binnendiameter van 3 mm zoals beschreven in de literatuur. 16,18,19 De UKON1-GEL silicagel synthese leidt tot krimpen van het monster. De monsters worden in een warmte-shrink buis om te voorkomen dat gasten moleculen bewegen tussen de aerogel en de wand van de monsterbuis geplaatst. Deze extra stap is niet nodig voor monsters die direct in de monsterbuis kan worden gesynthetiseerd zonder hun grootte. De aerogel monsters instorten als ze uitdrogen, dus ze moeten worden ondergedompeld in oplosmiddel te allen tijde. De temperatuur die nodig is voor de krimpbuis hoger is dan het kookpunt van ethanol bij omgevingsdruk. Daarom protocol beschrijft het gebruik van een snelkookpan het verhogenkookpunt van ethanol.

Het protocol omvat de monstervoorbereiding van UKON1-GEL vooraf gesynthetiseerd voor het EPR imagingexperiment en de spectrometer instellingen die worden gebruikt om diffusie van IPSL rotatie probe controleren. Voor gegevensanalyse, lokaal geschreven programmatuur en het gebruik is beschreven. De ruwe gegevens van de spectrometer kan direct worden geladen. De software berekent de ruimtelijke verdeling 1d spindichtheid ρ 1d (t, γ) en houdt rekening met de resonator gevoeligheidsprofiel. De gebruiker kan een deel van de aerogel en een tijdvenster waarover de diffusieconstante wordt vastgesteld selecteren. Vervolgens bepaalt de software de randvoorwaarden van de diffusievergelijking basis van de selectie en lost de diffusievergelijking. Het ondersteunt kleinste kwadratenmethode past bij de waarde van D macro waarin de numerieke oplossing best overeenkomt met de experimentele gegevens te vinden.

ρ 1d (t, γ) geeft direct toegang tot de concentratie en wordt niet beïnvloed door een verandering in monster dwarsdoorsnede. Het aanbod van toegankelijke waarden voor D macro wordt geschat tussen 16 -12 10 m 2 / sec en 7 · 10 -9 m 2 / sec.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (VIB) voor gebruik. Ethanol is schadelijk indien ingeslikt of ingeademd en het is brandbaar.

1. Optimaliseer de Continuous Wave (CW) EPR Parameters

  1. Bereid 40 gl IPSL in ethanol (pa) bij een concentratie van 1 mM.
  2. Neem een ​​pipet controller en vul een capillair met IPSL oplossing tot een vulhoogte van 2 cm. Trek de oplossing 1 cm verder in de capillaire zodat er een luchtspleet onder de oplossing. Sluit de capillair aan beide uiteinden met capillair dichtingsmassa. De luchtspleet voorkomt diffusie van componenten van het afdichten van verbinding in het monster.
  3. Wikkel twee stroken van polytetrafluorethyleen (PTFE) tape van ongeveer 5 cm lengte rond de capillair op een afstand van 1 cm van de bovenste en onderste uiteinde van de capillair.
  4. Zet het capillair in een EPR monsterbuis (4 mm binnendiameter). Zorg ervoor dat de PTFE tape houdt de capillairein de centrale as van de monsterbuis bevestigd. Duw de capillair naar de bodem van de monsterbuis.
  5. Zet het monster in de resonator en centreren de spin label oplossing in de resonator.
  6. Stem de spectrometer voor kritische koppeling door het volgen van de instructies in de spectrometer handleiding.
  7. Voorlopige Spectrometer Instellingen
    1. Gebruik de magnetron frequentie naar het midden veld B ingesteld met de formule
      vergelijking 1
      waarbij g ≈ 2.003 is een ruwe schatting voor de G-factor van de ongepaarde radicaal in de nitroxide spin-label, h is de constante van Planck en p B is de bohrmagneton.
    2. Een nieuw experiment "field_sweep" met het magnetische veld als abscis en de signaalintensiteit als ordinaat. Gebruik de volgende parameters: Centerfield zoals berekend in de vorige stap, sweep width: 400 G, modulatiop amplitude: 0,8 G, modulatie frequentie: 100 kHz, magnetron demping: 30 dB, aantal punten: 2048, aantal scans: 1, scantijd: 80 sec, tijd constant: 50 msec.
    3. Activeer de Setup Scan mode. Voor de Setup Scan Time Constant, selecteert u de laagste waarde die de spectrometer biedt. Stel de ontvangerversterking op een waarde waarbij het getoonde signaal 80% van het weergegeven intensiteitsbereik vult, zodat zelfs met lawaai geen datapunt een hogere intensiteit dan 80% van het maximum. Uitschakelen Setup Scan achteraf.
    4. Druk op de "Run" knop.
    5. Lees de waarde van het veld van de nuldoorgang van de centrale piek van het spectrum verkregen. Stel het middenveld die waarde.
    6. Neem de horizontale lijn gereedschap en meet de spectrumbreedte vanaf het punt waar de meest linkse piek begint boven het basisniveau stijgen tot het punt waar de meest rechtse piek terug naar het basisniveau.
    7. Stel de sweepbreedte driemaal de spectrumbreedte.
  8. Een herberekening van de Spectrometer Parameters
    1. Bereken de sweep tijd: sweep breedte / loopsnelheid. Gebruik een sweep snelheid van 5 G / sec.
    2. Bereken het minimale aantal data punten: 10 * sweep breedte / lijndikte.
    3. Bereken de conversie tijd: sweep tijd / aantal meetpunten.
    4. Bereken de tijd constant: 0,1 * lijndikte * scantijd / sweep breedte.
  9. Meet een Saturation Curve aan de Optimum Microwave vermogen bepalen
    1. Stel de magnetron demping tot 10 dB en stel de ontvangerversterking zoals beschreven in stap 1.7.3.
    2. Stel de magnetron demping tot 50 dB en een spectrum opnemen. Indien de signaal-ruisverhouding is dan 5: 1, verhoging van het aantal scans. Herhaal deze stap totdat de signaal-ruis verhouding 5: 1 of hoger.
    3. Maak een nieuw experiment "verzadiging" met behulp van het magnetische veld als abscis 1, de magnetron macht als abscis 2 en de intensiteit van het signaal als ordinaat. Kopieer alle instellingen van the "field_sweep" experiment van stap 1.9.2. Voor abscis 2 Stel de startwaarde van de magnetron demping tot 10 dB, de stapwaarde aan 1 dB en het aantal punten 41 een meetbereik van 10 dB tot 50 dB. Voer het experiment.
    4. Maak een spreadsheet voor de verzadiging curve. Plaats de magnetron demping in dB in de eerste kolom.
    5. Bereken de vierkantswortel van de magnetron macht in au in de tweede kolom met de formule
      vergelijking 2
      waarbij x de magnetron demping in dB van de eerste kolom.
    6. Gebruik de spectrometer software naar de top te meten om de intensiteit van de centrale spectrale lijn voor elke magnetron verzwakking in het experiment piek. Schrijven dat de intensiteit in de derde kolom in de spreadsheet.
    7. Plot de vierkantswortel van de microgolf kracht tegen de piek tot piek intensiteit (kolom 3 tegen kolom 2) om de verzadiging curve te krijgen. InclusiefDè de oorsprong (0,0) in de plot.
    8. Identificeer de lineaire regime van de verzadigingscurve. De optimale microgolfvermogen is de hoogste microgolfvermogen die nog in het lineaire regime. Gebruik de bijbehorende demping instelling voor alle verdere experimenten.

2. Bepaal het magnetisch veld Gradient Kracht en de resolutie van Time

  1. Een nieuw experiment in de spectrometer software het magnetische veld als abscis 1 en de signaalintensiteit als ordinaat. Schakel de gradiënt spoel controles.
  2. Kopieer alle spectrometer instellingen van de vorige experiment, zoals bepaald in 1.8 en 1.9.8.
  3. Stel de magnetische veldgradiënt sterkte 170 G / cm in de richting van het monster as naar boven.
  4. Bereken de sweepbreedte sw sw = 0 + FOV · G, waarbij sw 0 is de sweepbreedte vastgesteld 1.8.4 bij afwezigheid van een magnetische veldgradiënt,FOV is het gezichtsveld (2,5 cm) en G is de magnetische veldgradiënt kracht.
  5. Bereken de geschatte pixelgrootte = lijndikte / G, waarbij de lijnbreedte van het spectrum die in 1.9.3 bij afwezigheid van een magnetisch veldgradiënt.
  6. Bereken de sweep time = SW / loopsnelheid. Gebruik dezelfde loopsnelheid als in 1.8.1.
  7. Bereken het minimum aantal gegevenspunten nodig met de hogere waarde van
    i. N 1 = 10 * sweep breedte lijndikte /
    ii. N 2 = 10 * gezichtsveld / (G * pixelgrootte).
  8. Bereken de conversie tijd: sweep tijd / aantal meetpunten.
  9. Bereken de tijd constant: 0,1 * lijndikte * scantijd / sweep breedte of lager.
  10. Stel de parameters berekend in 2.3 door middel van 2.9 en druk op de "Run" knop.
  11. Meet het geluidsniveau van de basislijn en de piek tot piek intensiteitvan de centrale lijn met de verticale lijn tool. Bereken de signaal-ruisverhouding.
  12. Indien de signaal-ruisverhouding is dan 5: 1, dubbele aantal scans in de "scan" panel van de spectrometer parameters en herhaal stap 2.1.3 tot 2.11.

3. Bereid de Sample

Let op: Draag een veiligheidsbril.

Opmerking: Bewaar de aerogel volledig ondergedompeld in oplosmiddel te allen tijde. Zie Figuur 2 voor een foto en schema.

  1. Vul een petrischaal van 10 cm diameter met ethanol (pa) tot een hoogte van 5 mm.
  2. Zet de aërogel in de petrischaal en sneed een cilindervormig stuk van 5 mm tot 1 cm.
  3. Bereid een stuk krimpkous die ongeveer 1 cm langer dan de aërogel cilinder.
  4. Gebruik een glazen buis cutter om een ​​steekproef buis van 2 mm binnendiameter breken om twee stukken van 4 cm lengte te creëren. Beide stukken moeten twee open einden hebben.
  5. Plaats een monster buisstukken 5 mm diep in een einde van de krimpkous. Met een warmtepistool voorzichtig verwarmen daartoe van de krimpkous zonder krimpen van de rest van de buis. De krimpkous moet nu worden vastgesteld op de glazen buis.
    1. Dompel deze combinatie van glazen buis en krimpkous in de petrischaal van de aerogel. Duw het stuk aërogel van stap 3.2 in het open einde van de krimpkous.
  6. Vul een reageerbuis met ethanol (pa) tot een hoogte van 7 cm. Breng het monster uit de petrischaal in de reageerbuis. Terwijl u dit doet, zorg ervoor dat het open einde van de krimpkous is gericht op de top. Zorg ervoor dat de aerogel volledig ondergedompeld in ethanol.
  7. Steek de tweede 4 cm lang stukmonsterbuis van 3,4 stap in het open einde van de krimpkous. Oefen geen kracht, moet de zwaartekracht genoeg om de lacunes tussen de aerogel en de monsterbus stukken zijn. Zet de reageerbuis met het monster in een bekerglas.
  8. Vul een snelkookpan met ten minste 500 ml ethanol en voeg een roerstaafje.
  9. Zet de beker met het monster op een onderzetter in de snelkookpan.
    Let op: Voer de volgende stap in het kader van een afzuigkap en nog steeds een veiligheidsbril te dragen.
  10. Cook en roer de monsters bij een insteldruk van 1 bar boven de omgevingsdruk op de magnetische roerder. De temperatuur moet ten minste 90 ° C bereikt. Laten afkoelen zodra de druk wordt bereikt en de drukklep releases ethanol damp. Als de krimpkous niet krimpen, herhaalt u deze stap.
    Opmerking: Onmiddellijk reinigen snelkookpan met water om het effect van ethanol op de afsluit- minimaliseren. Op dit punt kan het voorbereide monster worden bewaard in ethanol voor Several maanden.

4. Bereid de Spectrometer

  1. Een 2d experiment met het magnetische veld als abscis 1, tijd abscis 2 en signaalintensiteit als ordinaat, zodat een magnetisch veld sweep wordt genoteerd voor elke tijdstap. Schakel de gradiënt spoel controles.
  2. Stel de tijdvertraging tussen de metingen naar nul. Stel de andere parameters zoals bepaald in punt 2. Stel het aantal punten voor de tijd as om 20 uur / sweep tijd. Stel de magnetron brug naar een fine-tunen voeren na elk segment scan.
  3. Volg de stappen in paragraaf 1.7 af te stemmen de spectrometer om de lege resonator.

5. Bereid de steekproef voor Measurement

Opmerking: De enige keer kritische stappen van dit protocol zijn 5,3 tot 6,2, die vanaf het begin van het diffusieproces de toevoeging van de spin label tot het moment dat de data voor de spectrometer begint. Voer deze stappen zonder de invoering vaneventuele vertragingen.

  1. Een vinger bovenop het monster uit sectie 3 een ethanol oplossing stroomt uit de bodem te houden. Gebruik een injectiespuit enkele ethanol uit de bodem 5 mm van het onderste monsterbuis verwijderd en sluit daartoe met buis dichtingsmassa. Zorg ervoor dat er een luchtbel van 2 mm in hoogte boven het afdichtende verbinding.
  2. Verwijder alle ethanol uit de monsterbuis boven het aërogel uitzondering van 3 mm boven het aerogel Met een Pasteur-pipet capillair.
  3. Injecteer 20 pi van spin label oplossing in ethanol bovenop de aerogel. Zorg ervoor dat u een luchtbel niet te maken op de top van de aerogel. Markeer de huidige tijd als start van het diffusieproces.
  4. Plaats het monster in een monster buis met 4 mm binnendiameter. Gebruik PTFE tape om het monster te centreren.
  5. Gebruik een viltstift op de buitenste monsterbus te markeren op een positie van 68 mm boven de bovenste rand van de aerogel. Dit helpt bij het correct centreren van het monster in de resonator en plaatst de cVoer de resonator 1 mm onder de bovenkant van de aerogel.

6. Voer de Verspreiding Experiment

  1. Het monster wordt in de resonator zodat de markering van 5,5 uitgelijnd met de bovenkant van de PTFE houder van de resonator en afstemmen van de spectrometer voor kritische koppeling zoals beschreven in de gebruiksaanwijzing van de spectrometer.
  2. Gebruik de Setup Scannen op de receiver gain ingesteld zoals beschreven in 1.7.3, terwijl de gradiënt spoelen zijn nog steeds uitgeschakeld.
  3. Start het experiment dat is opgezet in punt 4. Noteer de huidige tijd. Ofwel wacht 20 uur voor het experiment om het experiment te voltooien of te stoppen wanneer het opgenomen signaal niet in de loop van 4 uur of meer verandert. Sla het resultaat.

7. Voer Extra Experimenten nodig voor gegevensanalyse

Let op: het gedrag van de experimenten in de 7.1 en 7.2 met hetzelfde monster direct na de diffusie experiment en zonder moVing het monster.

  1. Noteer de puntspreidingsfunctie voor Deconvolutie
    1. Schakel over naar het veld "sweep" experiment van stap 1.7.2. Kopieer alle instellingen van het experiment in stap 6.
    2. Neem een ​​spectrum en meet de signaal-ruisverhouding. Als het minder dan 20: 1, verhoging van het aantal scans en herhaal deze stap. Anders sla het spectrum.
  2. Voer een 2d Imaging Experiment
    1. Nieuw experiment op de spectrometer met het magnetische veld als abscis 1, de hoek van de magnetische veldgradiënt als abscis 2 en de signaalintensiteit als ordinaat. Kopieer de parameters uit stap 6. Stel het afbeeldingsvlak aan het YZ-vlak, het vlak dat de richting van het statische magnetische veld B 0 en het monster as.
    2. Stel het aantal hoeken N van de helling richting N = FOV / gewenste pixelgrootte of hoger.
    3. Start de meting en het resultaat opslaan.
    4. Herhaal the stappen in 7.1 en het resultaat opslaan.
  3. Meet de Resonator Gevoeligheid Profile
    1. Een volgende monster spin probe in oplossing door stap 1,1 tot 1,5, maar nu toe 4 cm van de oplossing in de capillair in plaats van 2 cm.
    2. Volg de stappen in paragraaf 2 een spectrum van het monster nemen met een magnetische veldgradiënt in de richting van het monster as. Voor stap 2,3, gebruik een gezichtsveld van 3 cm. Sla het resultaat.
    3. Herhaal de meting bij afwezigheid van de magnetische veldgradiënt en het resultaat opslaan.

8. Data Analysis

  1. Reconstrueren 2d Imaging Experiment
    1. Laad de 2d imaging experiment van 7.2.3 in de primaire viewport van de spectrometer software.
    2. Laad het experiment van 7.2.4 naar de secundaire viewport van de spectrometer software.
    3. Ga naar verwerking> Transformations> Deconvolutie, selecteer Slice: alle in en klik optoepassing van een deconvolutie uit te voeren.
    4. Sla de deconvolved gegevens op de harde schijf.
    5. Gebruik de vrij beschikbare beeldreconstructie software 20 met het volgende commando: reconstrueren --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Laad het resultaat uit 8.1.5 in de spectrometer software voor latere referentie.
  2. Analyseer de Opgenomen Diffusion Experiment
    1. Start de software voor gegevensanalyse en ga naar de tab "Load" van de software in figuur 3. Plaats de diffusie experiment uit stap 6.3 onder "diffusie experiment". Laad het overeenkomstige punt spread functie van stap 7.1.2 onder "diffusie experiment w / o gradiënt". Laad het resultaat uit stap 7.3.2 onder "resonator profiel experiment" en het resultaat uit stap 7.3.3 onder "resonator profiel exp w / o gradiënt".
    2. Ga naar de tab resonator gevoeligheid figuur 4
    3. Naar het 1d spindichtheid profiel tab getoond in figuur 5 om elk veld sweep opgenomen in 6,2 met het experiment Deconvolutie van 7,1 als puntspreidingsfunctie. Verminder het lawaai vermogenswaarde totdat het resultaat is luidruchtig, dan verhogen totdat het geluid gewoon verdwijnt.
    4. Schakel over naar het tabblad bijsnijdgebied weergegeven in figuur 6. Selecteer een gebied van de verspreiding warmte kaart die volledig ligt binnenkant van de aerogel en waar de spin-probe is zo ongeveer van bovenaf in te voeren bij de eerste keer stap van dat gebied. Als u twijfelt, laadt u het gereconstrueerde beeld van 8.1.6 in de spectrometer software om te helpen identificeren van de exacte positie van de aerogel.
    5. Verhoog het gebied van stap 8.2 in de neerwaartse richting van het monster, zodat er geen spin-probe bereikt de ondergrens van het gebied binnen de tijd van het experiment. Zie figuur 6 voor referentie.
    6. Ga naar het tabblad instroom getoond in figuur 7 en druk fit. Het linkerpaneel toont de integraal van de bijgesneden gebied van 8.2.5 langs de aspositie.
    7. Controleer of de in het middenpaneel curve begint bij nul en onmiddellijk begint te stijgen. Als dat niet het geval is, ga terug naar 8.2.5.
    8. Controleer of de rode lijn in de middelste paneel volgt de zwarte gegevens punten.
  3. Simuleren de 1d Spin Concentratie loop van de tijd en plaats de diffusiecoëfficiënt
    1. Schakel over naar het tabblad diffusiecoëfficiënt en druk fit.
    2. Wachten op de resultaten van de berekening.
    3. Controleer of de links getoond experimentele gegevens overeenkomen met de numerieke data getoond aan de rechterkant.
    4. Lees de waarde van de macroscopische translationele diffusiecoëfficiënt D macro die DisplaYed op het scherm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een foto en schema van een aërogel in de krimpkous is getoond in figuren 2a en 2b. 2d EPR beeld in Figuur 2c toont duidelijk de bovenrand van de aerogel. De intensiteit van ρ 1d binnen de monsterbuis boven het aerogel lager hoewel de concentratie van de rotatie probe ten minste even hoog is als in de aerogel. De samplediepte loodrecht op het beeldvlak veel kleiner door de kleinere binnendiameter van de monsterbuis. Merk op dat imago van de EPR toont ook geen luchtbel in het monster buis en de aerogel lijkt niet te eventuele scheuren geïntroduceerd tijdens het krimpen van de krimpende buis hebben.

Figuur 8a toont een verspreiding warmte kaart van Trityl in UKON1-GEL. Figuur 8c toont dezelfde gegevens voor IPSL in UKON1-GEL. Figuress 8b 8d tonen de numerieke oplossing voor de diffusie vergelijkingen die overeenkomen met de experimentele gegevens van (a) en (c) resp. Elke verticale deel van de warmte kaart toont het concentratieprofiel van de spin sonde op een vast tijdstip. Aan het begin van het experiment wordt de rotatie probes zijn geconcentreerd aan de bovenzijde van het monster. Naarmate de tijd toeneemt, propageren ze door het monster terwijl het nieuwe spin-sondes in te voeren vanaf de top. De warmte kaarten tonen kwalitatief dat de macroscopische translationele diffusie van trityl is beduidend langzamer dan de macroscopische translationele diffusie van IPSL. Dit is te verwachten omdat Trityl groter dan IPSL en het poriënsysteem en oplosmiddel zijn dezelfde.

De macroscopische translationele diffusie coëfficiënten voor trityl en IPSL in UKON1-GEL silicagel worden getoond in Figuur 9. Ter vergelijking, figuur 9 ooktoont de microscopische translationele diffusiecoëfficiënt voor IPSL in ethanol bij 2,1 · 10 -10 m 2 / sec, die is afgeleid door het aanbrengen van de spectraallijn vorm uit stap 7.1.2 software 21 gebruikt de rotatiecorrelatietijd bepaald zoals beschreven in een vorig Artikel 16. De kwantitatieve analyse van D macro toont tragere diffusie van de grotere molecule Trityl opzichte IPSL. Een vergelijking tussen UKON1-GEL silicagel geeft zeer gelijkaardige waarden voor D macro. Dit werd verwacht omdat de poriestructuur van de aerogels is vergelijkbaar en de wisselwerking tussen de spin probes en het oppervlak groepen in UKON1-GEL onvoldoende sterk significante invloed D macro. glycerol toe te voegen aan het oplosmiddel verhoogt de viscositeit en een verdere verlaging van de diffusiecoëfficiënt voor trityl. De experimenten voor Trityl in UKON1-GEL en silicagel zijn bEen herhaald met monsters van dezelfde partij. De foutbalken geven de standaarddeviatie van D macro.

Figuur 1
Figuur 1:. Structuurformules spin meetstiften structuurformule van (a) Trityl rotatie probe en (b) IPSL probe. Overgenomen met toestemming van de American Chemical Society 16. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2:. Prepared monster (a) Foto, (b) schematische tekening en 2D-beeld spindichtheid (c) 29 uur na het injecteren van the rotatie probes bovenop de aerogel. Overgenomen met toestemming van de American Chemical Society 16. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3:. Software screenshot van het laden van de data De figuur toont de belasting scherm van de software die wordt gebruikt voor data-analyse (stap 8.2.1). Laad de volgende gegevens van links naar rechts: Ruwe gegevens van de diffusie proef (stap 6), overeenkomstige puntspreidingsfunctie (stap 7,1), zone bestrijken een capillair gevuld met rotatie probe in de aanwezigheid van een magnetische veldgradiënt langs het monster as (7.3.2) en de bijbehorende punt spreiding functie (stap 7.3.3). klik hiervoor een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4:. Bepaling van de resonator gevoeligheid profiel De figuur toont de resonator gevoeligheid scherm van de software die wordt gebruikt voor data-analyse (stap 8.2.2). Links, toont het veld sweep een capillair gevuld met de spin-probe die in aanwezigheid van een magnetische veldgradiënt langs de as monster (7.3.2) en in het midden toont de overeenkomstige puntspreidingsfunctie (stap 7,3. 3). Aan de rechterkant van de resonator gevoeligheid profiel langs het monster as wordt weergegeven, zoals bepaald door deconvolutie met de Matlab functie deconvreg met het aangegeven geluid macht parameter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


Figuur 5:. Experimentele gegevens voor de 1D spin-dichtheid in het monster De figuur toont de 1d spindichtheid profiel scherm van de software die wordt gebruikt voor data-analyse (stap 8.2.3). Links, toont de intensiteit van de diffusie proef (stap 6) in willekeurige eenheden. Elke verticale lijn komt overeen met een punt in de tijd en is de convolutie van de spectrale lijn vorm van de trityl spin-probe en de 1d profiel spindichtheid, gewogen door de resonator gevoeligheid profiel. De gradiënt richting langs het monster as van beneden naar boven, zodat lagere punten in ruimte een signaal bij hogere magnetische veld en vice versa. De gele lijn wordt door de bovenzijde van het monster, waarbij de monsterbuis raakt de aërogel en de diameter van de rotatie probe oplossing springt van de binnendiameter van de monsterbuis naar de grotere diameter van de aerogel. De blauwe lijnwordt gevormd door die rotatie probes die het verst in de aërogel gevorderd door diffusie. Het middenpaneel toont de spectraallijn vorm van de rotatie probes die wordt gebruikt voor deconvolutie. Het rechter paneel toont de kleur gecodeerde 1d rotatie gevoeligheidsprofiel langs het monster as de tijd, zoals bepaald door deconvolutie met de Matlab functie deconvreg met de aangegeven ruisvermogen parameter voor elk tijdstip. Het magneetveld as is omgezet in een ruimtelijke positie as met behulp van de magnetische veldgradiënt sterkte, waarbij positieve waarden corresponderen met de bovenzijde van het monster en negatieve waarden komen overeen met de onderkant van het monster. De bovenkant van de aerogel kan worden gezien als een horizontale lijn op ongeveer 3,5 mm. Daaronder lijn, kan de propagatie van spin probes door de aerogel worden beschouwd als een verbreding van het gele gebied in verticale richting toeneemt. Klikhier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6: Het bebouwen van de 1d spindichtheid om een gebied van belang De figuur toont het areaal stap van de software die wordt gebruikt voor data-analyse (stap 8.2.4).. Het toont de 1d spindichtheid uit stap 8.2.3 op de linkerkant. De gegevens worden direct vanuit het rechter zijpaneel van figuur 5 genomen is beperkt tot het gebied waar de resonator gevoeligheidsprofiel groter is dan 10 procent van zijn maximale waarde. De rechterzijde toont dezelfde gegevens, maar geconcentreerd in het gebied dat de gebruiker heeft gekozen. Zal de diffusiecoëfficiënt worden bepaald op basis van alleen dat gebied. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

"Figuur Figuur 7: Bepaal de instroom tarief van spin-sondes in de tijd De figuur toont de spin-probe instroom stap van de software die wordt gebruikt voor data-analyse (stap 8.2.6).. Elke verticale slice in het paneel aan de linkerkant is de integrale functie van de 1D spin-dichtheid met betrekking tot de positie van elk punt in de tijd. Negatieve waarden zijn veranderd naar nul. Het middenpaneel toont de hoeveelheid spins in het waargenomen oppervlak per tijdstip als afzonderlijke gegevenspunten en wordt bepaald door de bovenste rij van het paneel aan de linkerkant. De rode lijn is een exponentiële fit van de data. Het paneel aan de rechterkant toont de tijdsafgeleide van de gegevens in het middenpaneel en komt overeen met de instroom van spin probe tijd. Om ruis geïntroduceerd door de numerieke afgeleide van de experimentele gegevens te voorkomen, heeft de rode lijn is analytisch berekend uit de parameters van de ex ponential pasvorm van het middenpaneel en wordt gebruikt als randvoorwaarde voor de diffusie vergelijking op te lossen in stap 8.2.7.1. Het paneel aan de linkerkant is normaal gesproken niet nodig, maar kan worden gebruikt om de tussenliggende gegevens die worden gebruikt door de software te controleren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8:. 1d spindichtheid tijd experimenteel gemeten ρ 1d (t, y) in willekeurige eenheden in UKON1-GEL voor (a) Trityl en (c) IPSL oplossingen en numerieke oplossingen van de diffusie vergelijking in (b), (d ), respectievelijk. Overgenomen met toestemming van de American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 9
Figuur 9:. Verkregen diffusiecoëfficiënten Experimenteel verkregen macroscopische translationeel diffusiecoëfficiënten D macro. De standaarddeviatie van meerdere metingen met afzonderlijke monsters uit dezelfde partij wordt weergegeven. De microscopische translationele diffusiecoëfficiënt D van macro IPSL aangeduid als een stippellijn ter vergelijking een schatting van de onzekerheid van de bepaling van de rotatiecorrelatietijd spectrale simulaties, aangeduid als stippellijnen 16. Overgenomen met toestemming van de American Chemical Society 16. Please klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het protocol zorgt voor de opvolging van de verspreiding van paramagnetische gast moleculen. Een 1d imaging aanpak is gekozen omdat het zorgt voor een hogere tijdsresolutie in vergelijking met 2D of 3D beeldvorming. De 1d aanpak vereist een constante dwarsdoorsnede van het monster, omdat de intensiteit van het verkregen beeld 1d hangt niet alleen van de concentratie, maar ook van de dwarsdoorsnede van het monster. De werkwijze vereist ook dat de EPR-spectra van de rotatie probes in de monsters enige verandering in intensiteit, maar niet in vorm. Anders meer tijd in beslag spectrale en ruimtelijke beeldvorming moet worden gebruikt, die buiten het bestek van dit protocol. De werkwijze is ook beperkt tot systemen waarbij D macro ligt tussen 10 -12 m 2 / sec en 7 · 10 -9 m 2 / sec wanneer het monster wordt waargenomen in een gebied tussen 1 mm en 1 cm in lengte en meer tijd tussen 1 uur en 72 uur 16.

EENlthough de UKON1-GEL silicagel werden gesynthetiseerd in een monsterbuisje de monsters krimpen tijdens het proces. Hierdoor ontstaat een opening tussen de aërogel en de wand van de monsterbuis, welke een 1d imaging benadering de verspreiding te monitoren verbiedt. Deze complicatie is opgelost door de invoering van de aërogel in warmte krimpkous. Monsters die geen gat tussen de aërogel en de monsterbuis bevatten wel direct worden gemeten. 2d imagingexperiment dient als controle-experiment om te controleren op een spin probe die buiten de warmte krimpkous door lekken. De 2D beeld kan worden gereconstrueerd met gefilterde terugprojectie-algoritme dat in de spectrometer software wordt geïmplementeerd. In dit protocol echter het gebruik van een iteratief algoritme 20, dat is robuuster in rumoerige omstandigheden wordt voorgesteld.

In eerdere werken 10-15,17 dat EPR beeldvorming gebruiken om verspreiding te bestuderen, wordt de oorspronkelijke staat van het experiment zorgvuldig voorbereidaanvankelijk over een zekere rotatie probes in een zo klein mogelijk gebied en een volledig geïsoleerd monster. Voor de werkwijze die wordt beschreven in dit protocol, de initiële verdeling van spin probes is niet kritisch, zolang er een deel van het monster dat aanvankelijk geen rotatie probes bevatten. De hoeveelheid rotatie probes die het waargenomen deel van het monster komt direct bepaald uit de meting van de diffusie gegevens. De gegevensanalyse software implementeert de werkwijze die wordt beschreven in eerder werk 16. Terwijl de spectrometer software omvat alle functies die nodig zijn om de voorbewerking stappen in 8,2 zijn deze stappen opgenomen in de ontvangen data analysesoftware. Dit vergemakkelijkt het veranderen en vergelijk de keuze van de parameters.

Bij de aanpassing van het protocol voor de verschillende sample systemen en apparatuur, de spectroscopische parameters zoals scansnelheid, modulatie amplitude, modulatie FREQUrantie en microgolfvermogen moeten worden aangepast volgens de handleiding van de spectrometer, en ook de gradiëntsterkte en de tijdsperiode waarover de diffusie waargenomen opnieuw geëvalueerd moet worden. De tijdsduur gedurende welke diffusie wordt waargenomen in stap 6,3 afhankelijk D macro. Het experiment kan worden gestopt wanneer er geen significante verandering van de 1d concentratieprofiel optreedt. Dit is ook te zien in de ruwe gegevens voor deconvolutie.

Er zijn een paar kritische punten te observeren bij het volgen van de stappen van dit protocol. De bijzondere aerogels gebruikt in dit protocol ineenstorting en krimpen onomkeerbaar wanneer ze uitdrogen, dus het is van cruciaal belang om de aerogels ondergedompeld in oplosmiddel te allen tijde te houden. De reden waarom de snelkookpan wordt gevuld met extra oplosmiddel en een roerstaaf in 3,8 moet snel dampdruk maken voordat het oplosmiddel rond de aërogel verdampt. Wanneer de aerogels uitdrogen ze een aanzienlijke vermindering in diameter en lengte en een vers monster moet worden voorbereid. Het capillair afdichtende verbinding kan resulteren in een EPR-signaal als het in direct contact met het oplosmiddel en diffundeert in de resonator. De luchtbel tussen de afdichtende verbinding en het oplosmiddel in stap 5.1 creëert een barrière om te voorkomen dat dit gebeurt.

Afhankelijk van het oplosmiddel en de geometrie van het monster kan het moeilijk zijn om kritische koppeling bereiken tijdens de spectrometer afstemstap. In dat geval is, draait u de sample en probeer het opnieuw, of neem het monster uit en controleer of de aerogel en de haarvaten dat het oplosmiddel bevatten, worden gecentreerd.

Tijdens gegevensanalyse in stap 8.2.8, kan de experimenteel bepaalde toestroom van de spin label afwijken van de pasvorm. Als dat het geval is en de signaal-ruisverhouding van de deconvolved gegevens onvoldoende, redo stappen 8.2.2 en 8.2.3 en verhoog de ruisvermogen parameter om de hoeveelheid ruis ten koste van ruimtelijke verlagenresolutie. Indien de signaal-ruisverhouding is niet het probleem, redo stappen 8.2.4 tot 8.2.8 het gebied opnieuw selecteren waar D macro wordt berekend en ervoor zorgen dat de experimentele gegevens en de pasvorm in het middenpaneel van de tab rotatie probe instroom een lijn door de oorsprong, zoals getoond in figuur 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

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