In Situ Overvågning af Diffusion af gæstmolekyler i porøse medier Brug elektronspinresonans 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

Porøse materialer spiller en stor rolle i praktiske anvendelser såsom katalyse og kromatografi 1. Ved at tilføje overflade grupper og justere porestørrelse og overfladeegenskaber, kan materialerne skræddersys til den ønskede applikation 2,3. Funktionaliteten af ​​det porøse materiale er helt afhængig af de diffusion egenskaber af gæst molekyler inde i porerne. I porøse materialer, skal der skelnes mellem den mikroskopiske translationel diffusion konstant D micro, som beskriver diffusion på molekylært længde skala på den ene side og den makroskopiske translationelle diffusion konstant D makro på den anden side, som er påvirket af diffusion gennem flere porer, korngrænserne, snoning og inhomogenitet af materialet.

Der er flere resonans metoder til rådighed til at studere diffusion, hver egnet til en delicular længdeskala. På millimeter skala, kan anvendes kernemagnetisk resonans (NMR) imaging 4 og elektronspinresonans (EPR) afbildning (som præsenteret i denne protokol). Mindre skalaer bliver tilgængelige ved anvendelse af pulserende feltgradienter i NMR samt EPR eksperimenter 5,6. På nanometerskala kan EPR-spektroskopi anvendes ved at observere ændringer i Heisenberg udveksling interaktionen mellem spin-prober 7,8. Undersøgelser af translationel diffusion ved hjælp EPR imaging spænder fra industriel katalysator understøtter, fx aluminiumoxid 9, at anisotrope væsker 10,11, lægemiddelfrigivelsesegenskaber systemer lavet af polymer gel 12 - 14 og model membraner 15.

Denne protokol udgør en in situ tilgang med EPR billeddannelse til at overvåge makroskopisk translationel diffusion af spin sonder i cylindriske, porøse medier. Det demonstreres for en vært-gæst-system bestående af the nitroxid spin-sonde 3- (2-iodacetamid) -2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) som en gæst inde i periodiske mesoporøse organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL som vært og ethanol som opløsningsmiddel. Denne protokol har med succes været tidligere brugt 16 at sammenligne D makro som bestemt med EPJ billeddannelse med D mikro til værten materialer UKON1-GEL og silicagel og gæst arter IPSL og tris (8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero tetramethyl-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) dithiol) methyl (Trityl), se figur 1.

Med andre metoder baseret på kontinuerlig bølge (CW) EPR imaging 17, diffusion finder sted uden for spektrometer. I modsætning hertil metode præsenteres her anvender en in situ metode. En række snapshots af 1d fordeling spin-tæthed ρ 1d (t, γ) erregistreres over en periode på flere timer. I løbet af denne tid, er en snapshot tages efter den anden og leverer en real-time diffusion mønster med en tidsopløsning på ca. 5 min.

UKON1-GEL og silicagel er blevet syntetiseret i prøverør med en indvendig diameter på 3 mm som beskrevet i litteraturen. 16,18,19 The UKON1-GEL og silicagel syntese fører til en indskrænkning af prøven. Prøverne anbringes i en varmekrympende rør for at forhindre gæstmolekyler i at bevæge sig mellem aerogelen og væggen i prøverøret. Dette yderligere trin er ikke nødvendigt for prøver, der kan syntetiseres direkte i prøverøret uden at ændre deres størrelse. Aerogelen prøver sammenbrud, når de tørrer ud, så de skal nedsænkes i opløsningsmiddel på alle tidspunkter. Den temperatur, der er nødvendig for varmekrymperør er højere end kogepunktet af ethanol ved omgivelsernes tryk. protokollen beskriver derfor anvendelse af en trykkoger at hævekogepunkt ethanol.

Protokollen dækker udarbejdelse af UKON1-GEL prøve forhånd syntetiseret for spektrometer indstillinger, der bruges til at overvåge udbredelsen af ​​IPSL spin-sonde EPR imaging eksperiment og. Til analyse af data, er lokalt skriftlig software, og dets anvendelse er beskrevet. De rå data fra spektrometer direkte kan indlæses. Softwaren beregner den rumlige 1d fordeling spin-density ρ 1d (t, γ) og tager hensyn til resonator følsomhed profil. Brugeren kan vælge et område af aerogelen og et tidsvindue, over hvilken diffusionskonstanten skal bestemmes. Softwaren bestemmer derefter randbetingelser diffusionsligningen baseret på denne udvælgelse og løser diffusionsligningen. Det understøtter mindst ligge fitting at finde værdien af D makro hvor den numeriske løsning passer bedst forsøgsdata.

ρ 1d (t, γ) giver direkte adgang til koncentrationen og er ikke påvirket af en ændring i afsnit prøve cross. Rækken af tilgængelige værdier for D makro anslås 16 mellem 10 -12 m2 / sek og 7 · 10 -9 m 2 / sek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: Se venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Ethanol er skadelig ved indtagelse eller indånding, og det er brandfarlig.

1. Optimer kontinuerlig bølge (CW) EPR Parametre

  1. Forbered 40 pi IPSL i ethanol (Pa) ved en koncentration på 1 mM.
  2. Tag en pipette controller og fylde et kapillarrør med IPSL opløsningen til en fyldning højde på 2 cm. Træk opløsningen 1 cm længere ind i kapillaret, således at der er en luftspalte under opløsningen. Seal kapillarrøret i begge ender med kapillarrør tætningsmasse. Gnistgabet forhindrer diffusion af bestanddele af tætningsmasse ind i prøven.
  3. Wrap to strimler af polytetrafluorethylen (PTFE) tape omkring 5 cm længde omkring kapillarrøret af i en afstand på 1 cm fra den øvre og nedre ende af kapillæren.
  4. Sætte kapillarrøret i et EPR prøverør (4 mm indre diameter). Sørg for, at PTFE-tape holder kapillærfikseret i midterakse prøverøret. Skub kapillarrøret ned til bunden af ​​prøverøret.
  5. Sætte prøven i resonator og centrere spinmærkning løsning inden resonatoren.
  6. Tune spektrometer til kritisk kobling ved at følge instruktionerne i spektrometer manual.
  7. Foreløbige spektrometer Indstillinger
    1. Brug mikrobølgefrekvens at indstille midterste felt B ved hjælp af formlen
      ligning 1
      hvor g ≈ 2,003 er et groft estimat for g faktor den uparrede radikal i nitroxid spinmærkning, h er Plancks konstant og u B er Bohr magneton.
    2. Opsæt et nyt eksperiment "field_sweep" med det magnetiske felt som abscisse og signalet intensitet som ordinat. Brug følgende parametre: Centerfield som beregnet i det foregående trin, sweep bredde: 400 G, modulatipå amplitude: 0,8 G, graduering frekvens: 100 kHz, mikrobølgeovn dæmpning: 30 dB, antal point: 2048, Antallet af scanninger: 1, scanningstid: 80 sek, tidskonstant: 50 msek.
    3. Aktiver Setup Scan mode. For Setup Scan Time Constant, vælge den laveste værdi, at spektrometer tilbud. Juster modtagerforstærkningen til en værdi, hvor det viste signal fylder 80% af den viste intensitet interval, så selv med støj ingen datapunkt har en højere intensitet end 80% af det maksimale. Deaktiver Setup Scan bagefter.
    4. Tryk på knappen "Kør".
    5. Læs feltværdien af ​​nulgennemgangen af ​​den centrale top fra spektret opnået. Indstil midterste felt til denne værdi.
    6. Tag den vandrette linje værktøjet og måle spektrum bredde fra det punkt, hvor den venstre spids begynder at stige over grundlinjen niveau til det punkt, hvor toppen længst til højre vender tilbage til basisniveauet.
    7. Indstil feje bredde til tre gange spektret bredde.
  8. Genberegn spektrometeret parametre
    1. Beregn feje tid: feje bredde / sweep hastighed. Brug en scanningshastighed på 5 g / sek.
    2. Beregn det mindste antal datapunkter: 10 * sweep bredde / line bredde.
    3. Beregn konverteringen tid: feje tid / antallet af datapunkter.
    4. Beregn tidskonstant: 0.1 * linjebredde * scanningstid / sweep bredde.
  9. Mål en Saturation Curve at bestemme den optimale Microwave Power
    1. Indstil mikrobølge dæmpning til 10 dB og justere modtageren gain som beskrevet i trin 1.7.3.
    2. Indstil mikrobølge dæmpning til 50 dB og optage et spektrum. Hvis signalet til støj forholdet er mindre end 5: 1, øge antallet af scanninger. Gentag dette trin, indtil signal-støj-forholdet er 5: 1 eller større.
    3. Opret et nyt eksperiment "mætning" ved hjælp af magnetiske felt som abscisse 1, mikrobølgeeffekt som abscisse 2 og signalet intensitet som ordinat. Kopier alle indstillinger fra the "field_sweep" eksperiment fra trin 1.9.2. For abscissen 2, indstille start- værdi mikrobølgeovnen dæmpning til 10 dB, tilvækst værdien til 1 dB, og antallet af point til 41 for at dække et område fra 10 dB til 50 dB. Køre eksperimentet.
    4. Opret et regneark til mætning kurve. Sæt mikrobølge dæmpning i dB i den første kolonne.
    5. Beregn kvadratroden af ​​mikrobølgeeffekt i au i den anden kolonne med formlen
      ligning 2
      hvor x er mikrobølge dæmpning i dB fra den første kolonne.
    6. Brug spektrometer software til at måle top til top intensiteten af ​​den centrale spektrale linje for hver mikrobølge dæmpning i eksperimentet. Skriv, at intensiteten i den tredje kolonne i regnearket.
    7. Plot kvadratroden af ​​mikrobølgeeffekt mod spids til spids intensitet (kolonne 3 mod kolonne 2) for at få mætningskurven. incluDe oprindelsen (0,0) i plottet.
    8. Identificer den lineære regime mætning kurven. Den optimale mikrobølgeeffekt er den højeste mikrobølgeeffekt, der stadig er i den lineære regime. Brug den tilsvarende dæmpning indstilling for alle yderligere forsøg.

2. Bestem Magnetfeltet Gradient styrke og Time resolution

  1. Oprette et nyt eksperiment i spektrometret software med magnetfeltet som abscisse 1 og signalintensiteten som ordinat. Aktiver gradient coil kontrol.
  2. Kopier alle spektrometer indstillingerne fra tidligere forsøg, som bestemt i 1,8 og 1.9.8.
  3. Indstil den magnetiske feltgradient styrke til 170 g / cm i retning af prøven aksen peger opad.
  4. Beregn sweep bredde sw = sw 0 + FOV · G, hvor sw 0 er sweep bredde bestemt i 1.8.4 i fravær af et magnetfelt gradient,FOV er synsfeltet (2,5 cm) og G er den magnetiske feltgradient styrke.
  5. Beregn den anslåede pixelstørrelse = linjebredde / G, under anvendelse liniebredden af spektret registreret i 1.9.3 i fravær af et magnetfelt gradient.
  6. Beregn den feje tid = sw / sweep hastighed. Brug samme sweep hastighed som i 1.8.1.
  7. Beregn det mindste antal datapunkter kræves ved hjælp af højere værdi
    i. N 1 = 10 * sweep bredde / linjebredde
    ii. N 2 = 10 * synsfelt / (G * pixelstørrelse).
  8. Beregn konverteringen tid: feje tid / antallet af datapunkter.
  9. Beregn tidskonstant: 0.1 * linjebredde * scanningstid / sweep bredde eller lavere.
  10. Indstil parametrene beregnet i 2,3 gennem 2,9 og tryk på knappen "Kør".
  11. Måle støjniveauet af basislinjen samt mellem toppene intensitetaf den centrale linje med den lodrette linje værktøj. Beregne signal-støj-forholdet.
  12. Hvis signalet til støj forholdet er mindre end 5: 1, fordoble antallet af scanninger i "scanning" panel spektrometerets parametre og gentag trin 2.1.3 gennem 2.11.

3. Forbered Sample

Forsigtig: Bær sikkerhedsbriller.

Bemærk: Hold aerogel helt nedsænket i opløsningsmiddel på alle tidspunkter. Se figur 2 for et fotografi og skematisk.

  1. Fyld en petriskål på 10 cm i diameter med ethanol (pa) op til en højde på 5 mm.
  2. Sæt aerogel i petriskålen og afskære et cylinderformet stykke 5 mm til 1 cm i længden.
  3. Forbered et stykke varmekrympende rør, der er omkring 1 cm længere end aerogel cylinder.
  4. Brug en glasrøret cutter at bryde et prøveglas på 2 mm indre diameter til at oprette to stykker på 4 cm længde. Begge stykker skal have to åbne ender.
  5. Indsættes en af ​​prøve rørstykker 5 mm dybt ind den ene ende af varmekrymperør. Brug en varmepistol til omhyggeligt opvarme denne ende af varmekrymperør uden krympning resten af ​​slangen. Varmen krympeflex nu fastsættes på glasrøret.
    1. Nedsænkes denne kombination af glasrør og varmekrymperør i petriskålen af ​​aerogel. Skub forsigtigt stykke aerogel fra trin 3.2 i den åbne ende af varmekrymperør.
  6. Fyld et reagensglas med ethanol (pa) op til en højde på 7 cm. Overfør prøven fra petriskålen i reagensglasset. Mens du gør det, skal du sørge for, at den åbne ende af krympeflex er orienteret mod toppen. Sørg for, at aerogel er helt nedsænket i ethanol.
  7. Sæt den anden 4 cm langt stykkeprøveglas fra trin 3.4 i den åbne ende af varmekrymperør. Brug ikke kraft, bør tyngdekraften være nok til at lukke hullerne mellem aerogel og prøve rør stykker. Sæt reagensglasset med prøven i et bæger.
  8. Fyld en trykkoger med mindst 500 ml ethanol og tilsættes en omrører.
  9. Sæt bægerglasset indeholdende prøven på en trefod inde trykkogeren.
    Advarsel: Udfør det næste skridt under en emhætte og fortsætte med at bære sikkerhedsbriller.
  10. Kog og rør prøverne ved en trykindstilling på 1 bar over omgivende tryk på magnetomrøreren. Temperaturen skal være mindst 90 ° C. Lad det køle ned, så snart trykket er nået, og trykket ventilen frigiver ethanol damp. Hvis krympeflex ikke skrumpe, gentage dette trin.
    Bemærk: Rengør Umiddelbart trykkogeren med vand for at minimere virkningen af ​​ethanol på seglet ventiler. På dette tidspunkt kan den forberedte prøve opbevares i ethanol i several måneder.

4. Forbered Spectrometer

  1. Lav en 2d eksperiment ved hjælp magnetfeltet som abscisse 1, tid som abscisse 2 og signalintensitet som ordinat, således at et magnetisk felt sweep registreres for hver gang trin. Aktiver gradient coil kontrol.
  2. Indstil tidsforsinkelsen mellem målingerne til nul. Indstil de andre parametre som bestemt i punkt 2. Indstil det antal point for tidsaksen til 20 timer / feje tid. Indstil mikrobølge bro til at udføre en finjustere efter hver skive scanning.
  3. Følg trinnene i afsnit 1.7 til tune spektrometer til den tomme resonator.

5. Forbered Prøve til måling

Bemærk: Det eneste tidspunkt kritiske trin i denne protokol er 5,3 gennem 6,2, hvilket er fra starten af ​​diffusionsprocessen med tilføjelse af spin mærket indtil det tidspunkt, datafangst i spektrometeret starter. Udfør disse trin uden at indføreeventuelle forsinkelser.

  1. Sætte en finger på toppen af ​​prøven fra afsnit 3 til at holde ethanolopløsningen strømme ud på bunden. Brug derefter en sprøjte for at fjerne noget ethanol fra bunden 5 mm af den nedre prøverøret og forsegle herpå med rør tætningsmasse. Sørg for at der er en luftboble på 2 mm i højden over tætningsmasse.
  2. Fjern alle ethanol fra prøverøret oven over aerogel undtagen 3 mm lige over aerogel ved anvendelse af en Pasteur kapillarpipetter.
  3. Der indsprøjtes 20 pi spinmærkning opløsning i ethanol på toppen af ​​aerogel. Sørg for ikke at skabe en luftboble på toppen af ​​aerogel. Marker den aktuelle tid som starten på diffusion processen.
  4. Prøven anbringes i et prøverør med 4 mm indvendig diameter. Brug PTFE-tape for at centrere prøven.
  5. Brug en filtpen for at markere det ydre prøveglas i en position på 68 mm over den øvre kant af aerogel. Dette hjælper med korrekt centrering prøven i resonator og sætter cIndtast resonatorens 1 mm under den øvre kant af aerogel.

6. Udfør Diffusion Experiment

  1. Anbring prøven i resonator så markeringen fra 5,5 flugter med toppen af ​​PTFE indehaveren af ​​resonator og tune spektrometer til kritisk kobling som beskrevet i betjeningsvejledningen af ​​spektrometer.
  2. Brug Setup Scan for at indstille receiveren gevinst, som beskrevet i 1.7.3, mens gradientspolerne stadig er slukket.
  3. Start eksperiment, der er blevet oprettet i afsnit 4. Skriv ned den aktuelle tid. Enten vente 20 timer for eksperimentet for at afslutte eller stoppe eksperimentet, når det optagede signal ikke ændres i løbet af fire timer eller mere. Gem resultatet.

7. Udfør yderligere forsøg er nødvendige for Data Analysis

Bemærk: Udfør forsøgene i 7.1 og 7.2 med den samme prøve direkte efter diffusion eksperiment og uden moVing prøven.

  1. Optag Point Spread Function for Dekonvolution
    1. Skift til "feltet sweep" eksperiment fra trin 1.7.2. Kopier alle indstillinger fra forsøget i trin 6.
    2. Optage et spektrum og måle signal-støjforholdet. Hvis den er mindre end 20: 1, øge antallet af scanninger og gentage dette trin. Ellers gemme spektret.
  2. Udfør en 2d Imaging Experiment
    1. Oprette et nyt eksperiment på spektrometer med magnetfeltet som abscisse 1 er vinklen af ​​det magnetiske felt gradient som abscisse 2 og signalintensiteten som ordinat. Kopier parametrene fra trin 6. Indstil afbildningsplanet til YZ-planet, som er planet herunder retningen af det statiske magnetfelt B 0 og prøven akse.
    2. Indstil antallet af vinkler N for gradienten retning til N = FOV / ønskede pixelstørrelse eller højere.
    3. Start målingen og gemme resultatet.
    4. Gentag the trin i 7.1 og gemme resultatet.
  3. Mål resonator Følsomhed Profile
    1. Forbered en anden prøve af spin-sonde i opløsning ved at gentage trin 1.1 til 1.5, men denne gang tilføje 4 cm af opløsningen i kapillarrøret i stedet for 2 cm.
    2. Følg fremgangsmåden i afsnit 2 for at optage et spektrum af prøven med en magnetisk feltgradient i retning af prøven akse. For trin 2.3, skal du bruge et synsfelt på 3 cm. Gem resultatet.
    3. Gentag målingen i fravær af det magnetiske feltgradient og gemme resultatet.

8. Data Analysis

  1. Rekonstruere 2d Imaging Experiment
    1. Læg 2d imaging eksperiment fra 7.2.3 i den primære viewport af spektrometer software.
    2. Læg eksperimentet fra 7.2.4 til sekundære viewport af spektrometer software.
    3. Gå til Behandling> Transformations> Dekonvolution Vælg Slice: alle og klikanvende til at udføre en udfoldning.
    4. Gem de udfoldede data på disken.
    5. Brug frit tilgængelig genopbygning billedsoftware 20 med følgende kommando: rekonstruere --inputtet result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Indlæse resultatet fra 8.1.5 i spektrometeret software til senere brug.
  2. Analysere Optaget Diffusion Experiment
    1. Start dataanalyse software og gå til "Load" fanen af softwaren vist i figur 3. Læg diffusion eksperiment fra trin 6.3 under "diffusion eksperiment". Læg det tilsvarende punkt spredning funktion fra trin 7.1.2 under "diffusion eksperiment w / o gradient". Læg resultatet fra trin 7.3.2 under "resonator profil eksperiment", og resultatet fra trin 7.3.3 under "resonator profil exp w / o gradient".
    2. Gå til fanen resonator følsomhed vist i figur 4
    3. Gå til 1d profil fanen spin-densitet er vist i figur 5 for at deconvolve hvert felt sweep optaget i 6.2 under anvendelse eksperimentet fra 7,1 som punktspredningsfunktion. Reducer støj magt værdi indtil resultatet er støjende, så hæve den, indtil støjen netop forsvinder.
    4. Skift til fanen beskæringsområdet vist i figur 6. Vælg et område af diffusion zonekort, der ligger helt inde i aerogel og hvor spin-sonde er bare om at komme ind fra oven på det første gang trin i dette område. I tvivlstilfælde indlæse rekonstruerede billede fra 8.1.6 i spektrometer software til at hjælpe med at identificere den nøjagtige position af aerogel.
    5. Øge arealet fra trin 8.2 i den nedadgående retning af prøven, således at ingen centrifugering sandsynlighede når den nedre grænse af området inden for den tid af eksperimentet. Se figur 6 for reference.
    6. Skift til fanen tilstrømning vist i figur 7, og tryk pasform. Den venstre panel viser integralet af beskårne område fra 8.2.5 langs position akse.
    7. Kontrollere, at kurven vist i midten panel starter ved nul og straks begynder at stige. Hvis det ikke er tilfældet, skal du gå tilbage til 8.2.5.
    8. Kontroller, at den røde linje er vist i midten panelet følger de sorte datapunkter.
  3. Simuler 1d Spin Koncentration over tid og Monter Diffusion Coefficient
    1. Skift til fanen diffusionskoefficienten og tryk pasform.
    2. Vent resultatet af beregningen.
    3. Kontroller, at de eksperimentelle data vist til venstre matcher de numeriske data vist til højre.
    4. Aflæs værdien af den makroskopiske translationelle diffusionskoefficient D makro, der er DisplaYED på skærmen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et billede og skematisk af en aerogel inden krympeslangen er vist i figur 2a og 2b. 2D EPR billede i figur 2c viser tydeligt den øvre kant af aerogel. Intensiteten af ρ 1d inden prøverøret oven over aerogel er lavere, selv om koncentrationen af spin-proben er mindst lige så høj som i aerogel. Men prøven dybde vinkelret på billedplanet er meget mindre som følge af den mindre indre diameter af prøverøret. Bemærk, at EPJ billedet viser også luftbobler i prøveglasset og aerogel synes ikke at have nogen sprækker indført under indskrænkning af den skrumpende rør.

Figur 8a viser et diffusion varme kort over trityl i UKON1-GEL. Figur 8c viser de samme data for IPSL i UKON1-GEL. Figuress 8b 8d viser de numeriske løsninger til diffusionsligninger der matcher de eksperimentelle data fra (a) og (c) henholdsvis. Hver lodret udsnit af varmen kortet viser koncentrationen profil af spin-proben på et fast tidspunkt. Ved begyndelsen af ​​eksperimentet spin prober er koncentreret på toppen af ​​prøven. Som tid stiger, de udbreder gennem prøven, mens nye spin-sonder ind fra toppen. Varmen Kortene viser kvalitativt at den makroskopiske translationel diffusion af trityl er betydeligt langsommere end den makroskopiske translationel diffusion af IPSL. Dette er forventeligt, da trityl er større end IPSL og poresystemet og opløsningsmiddel er de samme.

De makroskopiske translationel diffusionskoefficienter for trityl og IPSL i UKON1-GEL og silicagel er vist i figur 9. Til sammenligning figur 9 ogsåviser den mikroskopiske translationelle diffusionskoefficienten for IPSL i ethanol ved 2,1 · 10 -10 m2 / sek, som er afledt ved tilpasning af spektrale linie form fra trin 7.1.2 ved hjælp af software 21 at bestemme rotationskorrelationstiden som beskrevet i en tidligere artikel 16. Den kvantitative analyse af D makro viser langsommere diffusion for større trityl molekyle sammenlignet med IPSL. En sammenligning mellem UKON1-GEL og silicagel viser meget ens værdier for D makro. Dette var forventet, da porestruktur aerogelerne ligner og interaktionen mellem spin sonder og de ​​overfladegrupper stede i UKON1-GEL er ikke tilstrækkelig stærk til at væsentlig indflydelse D makro. Tilføjelse glycerol til opløsningsmidlet forøger viskositeten og viser et yderligere fald i diffusionskoefficienten for trityl. Forsøgene for trityl i UKON1-GEL og silicagel har been gentages med prøver fra samme parti. Fejlsøjlerne viser standardafvigelsen af D makro.

figur 1
Figur 1:. Strukturformler af spin-prober Strukturformlen af (a) trityl spin-probe og (b) IPSL probe. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society 16. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2:. Klargjorte prøve (a) Fotografi, (b) skematisk tegning og (c) 2d spin-density billede 29 timer efter injektion the spin-sonder på toppen af ​​aerogel. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society 16. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3:. Software screenshot af at indlæse data Figuren viser belastningen skærmen af den software, der anvendes til analyse af data (trin 8.2.1). Indlæse følgende data fra venstre mod højre: Rådata fra diffusion eksperiment (trin 6), tilsvarende punktspredningsfunktion (trin 7.1), felt sweep for et kapillært fyldt med spin-sonde i nærværelse af et magnetfelt gradient langs prøven akse (7.3.2) og det tilsvarende punkt spredning funktion (trin 7.3.3). klik herfor at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4:. Bestemmelse af resonatorens følsomhed profil Figuren viser resonator følsomhed skærm software, der anvendes til dataanalyse (trin 8.2.2). Til venstre, viser det felt sweep for et kapillært fyldt med spin-proben registreret i nærvær af et magnetfelt gradient langs prøven akse (7.3.2) og i midten viser det tilsvarende punktspredningsfunktion (trin 7.3. 3). Til højre er vist resonator følsomhed profil langs prøven aksen bestemt ved udfoldning hjælp af Matlab funktionen deconvreg med den angivne støj magt parameter. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 5:. Eksperimentel data til 1d spin-tæthed i prøven Figuren viser 1d spin-tæthed profil skærm af den software, der anvendes til dataanalyse (trin 8.2.3). Til venstre, det viser de intensiteter fra diffusion eksperiment (trin 6) i vilkårlige enheder. Hver lodret linje svarer til et punkt i tid og er foldningen af ​​den spektrale linie formen af ​​trityl spin-proben og 1d spin-tæthed profil, vægtet med resonatoren følsomhed profil. Gradienten retning er langs prøven akse fra ned til op, således at lavere punkter i rummet giver et signal ved højere magnetfelt og omvendt. Den gule linie er skabt af toppen af ​​prøven, hvor prøveglasset rører aerogel og diameteren af ​​spin probeopløsningen springer fra den indre diameter af prøverøret til den større diameter af aerogel. Den blå linjeer dannet af de spin-prober, har avancerede længst ind i aerogel som følge af diffusion. Det midterste panel viser den spektrale linjeformen af ​​spin prober, der bruges til udfoldning. Den højre hånd panel viser farven kodet 1d spin-følsomhed profil langs prøven aksen over tid, som bestemt ved udfoldning hjælp af Matlab funktionen deconvreg med den angivne støj magt parameter for hver tidspunkt. Magnetfeltet aksen er blevet konverteret til en rumlig position akse benyttes magnetisk feltgradient styrke, hvor positive værdier svarer til toppen af ​​prøven og negative værdier svarer til bunden af ​​prøven. Toppen af ​​aerogel kan ses som en vandret linie ved ca. 3,5 mm. Under denne linje, kan udbredelsen af spin prober gennem aerogel ses som en udvidelse af det gule område i lodret retning som tid stiger. Venligst klikher for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6: Beskæring af 1d spin-tæthed til en region af interesse Figuren viser trin afgrøde område af software, der anvendes til analyse af data (trin 8.2.4).. Det viser den 1d spin-tæthed fra trin 8.2.3 på venstre side. Dataene er taget direkte fra højre panel i figur 5 og er begrænset til det område, hvor resonatorens følsomhed profil er større end 10 procent af sin maksimale værdi. Den højre side viser de samme data, men beskåret til det område, som brugeren har valgt. Diffusionskoefficienten vil blive bestemt ud fra kun det område. Klik her for at se en større version af dette tal.

"Figur Figur 7: Bestem tilstrømningen sats af spin sonder over tid Figuren viser spin sonde tilstrømning trin af den software, der anvendes til analyse af data (trin 8.2.6).. Hver lodret skive i panelet på venstre side er den integrerede funktion af 1d spin-tæthed i forhold til positionen for hvert tidspunkt. Negative værdier er blevet ændret til nul. Centret panel viser mængden af ​​spins inden den observerede område for hvert punkt i gang som individuelle datapunkter og bestemmes af den øverste række af panelet på venstre side. Den røde linje er en eksponentiel tilpasning af dataene. Panelet i højre side viser tiden derivat af data i centrum panelet og svarer til tilstrømningen af ​​spin-sonde over tid. For at undgå støj indført af den numeriske afledede af de eksperimentelle data, har den røde linje beregnet analytisk fra parametrene for ex ponential anfald af midterstykket og det anvendes som randbetingelse at løse diffusionsligningen i trin 8.2.7.1. Panelet på venstre side er normalt ikke nødvendig, men kan bruges til at kontrollere de mellemliggende data, der anvendes af softwaren. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8:. 1d spin-tæthed over tid eksperimentelt målte ρ 1d (t, y) i arbitrære enheder i UKON1-GEL for (a) trityl og (c) IPSL løsninger og numeriske løsninger af diffusionsligningen i (b), (d ), henholdsvis. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9:. Opnået diffusionskoefficienter Eksperimentelt opnået makroskopisk translationel diffusion koefficienter D makro. Standardafvigelsen af ​​flere målinger under anvendelse individuelle prøver fra samme batch vises. Den mikroskopiske translationel diffusionskoefficient D makro af IPSL er angivet som en stiplet linje for sammenligning med en vurdering af usikkerheden på bestemmelsen af den roterende korrelation tid i spektrale simuleringer, angivet som stiplede linjer 16. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society 16. Please klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen tillader overvågning af diffusion af paramagnetiske gæst molekyler. En 1d billeddannelse fremgangsmåde er blevet valgt, fordi det giver mulighed for en højere tidsopløsning sammenlignet med 2D- eller 3D-billeddannelse. Den 1d fremgangsmåde kræver et konstant tværsnitsareal af prøven fordi intensiteten af ​​det opnåede 1d billede afhænger ikke kun af koncentrationen, men også på tværsnitsarealet af prøven. Metoden kræver også, at EPR spektre af spin sonder inden prøverne kun ændre i intensitet, men ikke i form. Ellers mere tidskrævende spektral-rumlige billeddannelse skal anvendes, som er uden for rammerne af denne protokol. Metoden er også begrænset til systemer, hvor D makro ligger mellem 10 -12 m 2 / sek og 7 · 10 -9 m 2 / sek, hvis prøven er observeret i et område mellem 1 mm og 1 cm i længden og over tidsperioder mellem 1 time og 72 timer 16.

ENelv om UKON1-GEL og silicagel er blevet syntetiseret i et prøveglas, den prøver kontrakten under processen. Dette skaber en kløft mellem aerogel og væggen af ​​prøverøret, der forbyder en 1d billedbehandling tilgang til at overvåge diffusion. Denne komplikation er blevet løst ved at sætte aerogel inde varmekrympende rør. Prøver, der ikke har et mellemrum mellem aerogel og prøverøret kan måles direkte. Den 2d afbildningseksperiment tjener som et kontrolforsøg for at kontrollere for et spin-probe, der er uden for varmekrympning rør følge af udsivning. 2D-billedet kan rekonstrueres med det filtrerede bagprojektionsalgoritme som er implementeret i spektrometeret software. I denne protokol imidlertid anvendelsen af en iterativ algoritme 20, som er mere robust i støjende omgivelser, foreslås.

I tidligere værker 10-15,17 der bruger EPR imaging at studere diffusion, er den oprindelige tilstand af forsøget omhyggeligt forberedttil indledningsvis har en vis mængde af spin prober i så lille et område som muligt og med en helt isoleret prøve. For den metode, der er beskrevet i denne protokol, den indledende fordeling af spin sonder er ikke kritisk, så længe der er en del af prøven, som oprindeligt ikke indeholder spin-sonder. Mængden af ​​spin-prober, der kommer ind den observerede del af prøven bestemmes direkte ud fra målingen af ​​diffusions- data. Dataanalyse software implementerer fremgangsmåden, der er beskrevet i tidligere arbejde 16. Mens spektrometer softwaren indeholder alle de funktioner, der er nødvendige for at udføre de forbehandlingstrin i 8,2, er disse trin er medtaget i den medfølgende dataanalyse software. Dette gør det lettere at ændre og sammenligne valget af parametre.

Når tilpasningen protokollen for forskellige prøve systemer og udstyr, de spektroskopiske parametre såsom scanningshastighed, modulationsamplitude, modulation FREQUtighed og mikroovn magt skal tilpasses i henhold til vejledningen til spektrometer, og også den gradient styrke og den tid periode, hvor diffusionen observeres behov, der skal revurderes. Varigheden over hvilken observeres diffusion i trin 6.3 afhænger D makro. Forsøget kan stoppes, når der opstår ingen signifikant ændring af den 1d koncentration profil. Dette kan også ses i de rå data, før udfoldning.

Der er et par kritiske punkter at observere, når du følger trinene i denne protokol. De særlige aerogeler anvendes i denne protokol sammenbrud og krympe irreversibelt, når de tørrer ud, så det er afgørende at holde aerogeler nedsænket i opløsningsmiddel på alle tidspunkter. Grunden trykkogeren er fyldt med yderligere opløsningsmiddel og en omrører i 3,8 er hurtigt skabe damptryk før opløsningsmidlet omkring aerogel fordamper. Når aerogeler udtørrer de reducerer betydeligt i diameter og længde og en frisk prøve skal forberedes. Kapillarrøret tætningsmasse kan resultere i et EPR signal, hvis det er i direkte kontakt med opløsningsmidlet og diffunderer ind i resonatoren. Den luftbobler mellem tætningsmateriale og opløsningsmidlet i trin 5.1 skaber en barriere for at forhindre dette i at ske.

Afhængigt af opløsningsmidlet og geometrien af ​​prøven kan det være vanskeligt at opnå kritisk kobling under spektrometer tuning trin. I dette tilfælde roterer prøven og prøve igen, eller tage prøven ud og kontroller, er centreret aerogelen og kapillærerne, der indeholder opløsningsmidlet.

Under dataanalyse i trin 8.2.8, kan den eksperimentelt bestemte tilstrømning af spin label afvige fra pasform. Hvis dette er tilfældet, og signal-støjforhold af det udfoldede data er utilstrækkelige, gentag trin 8.2.2 og 8.2.3 og øge støjeffekt parameteren for at reducere mængden af ​​støj på bekostning af rumligeløsning. Hvis signalet til støjforholdet er ikke problemet, redo trin 8.2.4 gennem 8.2.8 vil vælge hvilken region D makro beregnes og sørg for, at de eksperimentelle data samt pasformen i midten panel af fanen spin-sonde tilstrømning er en linje gennem nulpunktet, som er vist i figur 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

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