In Situ Overvåking av Diffusion of Guest Molekyler i porøse medier Bruke Electron Paramagnetic Resonance 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 spille en viktig rolle i praktiske applikasjoner som katalyse og kromatografi en. Ved å legge overflategrupper og justering av pore størrelse og overflateegenskaper, kan materialet være tilpasset det ønskede programmet for 2,3. Funksjonaliteten av det porøse materiale i avgjørende grad er avhengig av diffusjon egenskapene til gjestemolekyler inne i porene. I porøse materialer, må det skilles mellom den mikroskopiske translasjonsforskning diffusjon konstant D micro, som beskriver diffusjon på et molekylært lengde skala på den ene siden og den makroskopiske translasjonell diffusjon konstant D makro på den annen side, som er påvirket av diffusjon gjennom flere porer, korngrenser, tortuosity og inhomogenitet av materialet.

Det finnes flere magnetisk resonans metoder tilgjengelig for å studere diffusjon, som hver er egnet for en delicular lengdeskala. På millimeterskala, kan kjernemagnetisk resonans (NMR) avbildning 4 og elektron-paramagnetisk resonans (EPR) imaging (som presenteres i denne protokoll) anvendes. Mindre skala bli tilgjengelig ved bruk av pulsede feltgradienter i NMR samt EPR-eksperimenter 5,6. På nanometer skala, kan EPR-spektroskopi brukes ved å observere endringer av Heisenberg utveksling samspillet mellom ring sonder 7,8. Studier av translasjonell diffusjon bruker EPJ bildebehandling spenner fra industriell katalysatorbærere, f.eks aluminiumoksid 9, til anisotrope væsker 10,11, narkotika release systemer av polymer gels 12 - 14 og modell membraner 15.

Denne protokollen gir en in situ tilnærming ved hjelp av EPJ bildebehandling til å overvåke makroskopisk translasjonell spredning av spin sonder i sylindrisk, porøse medier. Det er påvist for en host-gjest system bestående av the nitroksydet spinnsponde 3- (2-Iodoacetamido) -2,2,5,5-tetra-en-pyrrolidinyloxy (IPSL) som en gjest inne på periodisk mesoporous organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL som vert og etanol som løsemiddel. Denne protokollen har med hell blitt brukt tidligere 16 å sammenligne D makro som bestemmes med EPJ bildebehandling med D micro for verts materialer UKON1-gel og silikagel og gjeste arter IPSL og Tris (8-karboksy-2,2,6,6-perdeutero-tetra-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) dithiole) metyl (trityl), se figur 1.

I andre fremgangsmåter basert på kontinuerlig bølge (CW) EPR avbildning 17, foregår diffusjon sted utenfor spektrometer. I motsetning til fremgangsmåten som presenteres her benytter et in situ-metode. En serie med bilder av den 1d spin tetthetsfordelingen ρ 1d (t, γ) erregistrert over en periode på flere timer. I løpet av denne tiden blir en øyeblikksbilde tatt etter den andre og leverer en sanntids spredningsmønster med en tidsoppløsning på ca. 5 min.

UKON1-GEL og silikagel er blitt syntetisert i prøverør med en indre diameter på 3 mm, som beskrevet i litteraturen. 16,18,19 The UKON1-GEL og SILICA GEL-syntese fører til en krymping av prøven. Prøvene blir plassert inne i en varmekrympestrømpe for å hindre at gjestemolekyler fra å bevege seg mellom aerogelen og veggen i prøverøret. Dette ytterligere trinn er ikke nødvendig for prøver som kan syntetiseres direkte i prøverøret uten å endre deres størrelse. Den aerogel prøvene kollaps når de tørker ut, så de må være nedsenket i løsemiddel til alle tider. Temperaturen som er nødvendig for den krympeslange er høyere enn kokepunktet av etanol ved omgivelsestrykk. Derfor protokollen beskriver bruk av en trykkoker å hevekokepunktet av etanol.

Protokollen dekker prøveopparbeidelse av UKON1-GEL syntetisert på forhånd for EPJ bildebehandling eksperiment og spektrometer innstillingene som brukes til å overvåke spredningen av IPSL spinnsponde. For dataanalyse, er lokalt skrevet programvare levert og bruken er beskrevet. Rådata fra spektrometeret kan være direkte lastet. Programmet beregner den romlige 1d spinntetthetsfordelingen ρ 1d (t, γ) og tar hensyn til resonatoren følsomhetsprofilen. Brukeren kan velge et område av aerogel og et tidsvindu, hvorover diffusjonskonstanten er ikke bestemt. Programvaren avgjør deretter grensebetingelsene for diffusjon ligning basert på at valg og løser diffusjon ligningen. Den støtter minst kvadrat passer for å finne verdien av D makro hvor den numeriske løsningen samsvarer best med eksperimentelle data.

ρ 1d (t, γ) gir direkte adgang til konsentrasjonen og er ikke påvirket av en endring i prøve tverrsnitt. Utvalget av tilgjengelige verdier for D makro er beregnet 16 mellom 10 -12 m 2 / sek og 7 · 10 -9 m2 / sek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsiktig: Sjå alle relevante sikkerhetsdatablad (MSDS) før bruk. Etanol er skadelig ved svelging eller innånding, og det er brannfarlig.

1. Optimalisere kontinuerlig bølge (CW) EPJ Parametere

  1. Fremstille 40 ul IPSL i etanol (PA) ved en konsentrasjon på 1 mM.
  2. Ta en pipette kontroller og fylle et kapillar med IPSL løsningen til en fyllehøyde på 2 cm. Trekk oppløsningen 1 cm lenger inn i kapillaren, slik at det er et luftmellomrom under oppløsningen. Tett kapillær i begge ender med kapillarrør tetningsmasse. Den luftspalte hindrer diffusjon av komponentene i tettende forbindelse i prøven.
  3. Vikle to strimler av polytetrafluoretylen (PTFE) bånd på omtrent 5 cm lengde rundt kapillaren i en avstand på 1 cm fra den øvre og nedre enden av kapillæret.
  4. Sette den kapillære inn i et EPR prøverøret (4 mm indre diameter). Kontroller at PTFE tape holder kapillærfestet i midtaksen av prøverøret. Skyv kapillær ned til bunnen av prøverøret.
  5. Sette prøven inn i resonatoren og sentrere spin etiketten løsning i løpet av resonatoren.
  6. Tune spektrometeret for kritisk kobling ved å følge instruksjonene i spektrometeret håndboken.
  7. Foreløpige Spectrometer Innstillinger
    1. Bruk mikrobølgefrekvens for å angi midt felt B ved bruk av formelen
      ligning 1
      hvor g ≈ 2,003 er et grovt anslag for g faktor av uparede radikal i nitroksydet spin etiketten, er h Plancks konstant og u B er Bohr magne.
    2. Sett opp et nytt eksperiment "field_sweep" med magnetfeltet som abscisse og signalintensitet som koordinere. Bruk følgende parametre: Center som beregnet i forrige trinn, sweep bredde: 400 G, modulatipå amplitude: 0,8 G, modulasjon frekvens: 100 kHz, mikrobølgeovn Demping: 30 dB, antall poeng: 2048, antall skanninger: 1, skanning tid: 80 sek, tidskonstant: 50 ms.
    3. Aktiver Setup skannemodus. For Setup Scan Time Constant, velger den laveste verdien som spektrometeret tilbud. Juster mottaker forsterkningen til en verdi hvor det fremviste signal fyller 80% av det viste intensitetsområde, slik at selv med støy uten datapunktet har en høyere intensitet enn 80% av den maksimale. Deaktiver Setup Scan etterpå.
    4. Trykk på knappen "Kjør".
    5. Les feltverdien av nullgjennomgangen av den sentrale topp i spekteret erholdt. Sett sentrum feltet til denne verdien.
    6. Ta den horisontale linjen verktøyet og mål-spektrum bredde fra det punkt hvor den lengst til venstre topp begynner å stige over basalnivået til det punkt hvor de lengst til høyre topp går tilbake til basislinjenivå.
    7. Angi at tidsbredden til tre ganger spekteret bredde.
  8. Omberegne spektrometeret Parametere
    1. Beregn feie tid: sweep bredde / sveipehastighet. Bruke en sveipehastighet på 5 g / sek.
    2. Beregn minimum antall datapunkter: 10 * sweep bredde / linjebredde.
    3. Beregn konvertering tid: sweep tid / antall datapunkter.
    4. Beregn tiden konstant: 0.1 * linjebredde * skanning / sweep bredde.
  9. Mål en metning Curve å bestemme den optimale Mikrobølgeovn Strøm
    1. Angi at mikrobølge dempningen til 10 dB og justere mottakerens forsterkning som beskrevet i trinn 1.7.3.
    2. Sett mikrobølgeovn demping til 50 dB og registrere et spektrum. Hvis signalet til støyforholdet er mindre enn 5: 1, øke antall skanninger. Gjenta dette trinnet til signal-støyforholdet er 5: 1 eller større.
    3. Opprett et nytt eksperiment "metning" ved hjelp av magnetfelt som abscisse 1, mikrobølgeeffekten som abscisse 2 og signalet intensitet som koordinere. Kopier alle innstillinger fra the "field_sweep" eksperiment fra trinn 1.9.2. For abscisse 2, stille starttid verdien av mikrobølgeovn demping til 10 dB, tilvekst verdien til 1 dB og antall poeng til 41 for å dekke et område fra 10 dB til 50 dB. Utføre forsøket.
    4. Lag et regneark for metningskurve. Sett mikrobølge dempningen i dB i den første kolonnen.
    5. Beregne kvadratroten av mikrobølgeeffekten i au i den andre kolonnen med formelen
      ligning 2
      hvor x er mikrobølge dempningen i dB fra den første kolonne.
    6. Bruk spektrometeret programvare for å måle topp til topp intensitet av den sentrale spektrallinje for hver mikrobølge dempning i forsøket. Skriv at intensiteten i den tredje kolonnen i regnearket.
    7. Plott kvadratroten av mikrobølgeeffekt mot topp til topp intensitet (kolonne 3 mot kolonne 2) for å få metningskurve. inkluDe origo (0,0) i plottet.
    8. Identifisere den lineære regime av metningskurven. Det optimale mikrobølgeeffekt er den høyeste mikrobølgeeffekt som fortsatt er i den lineære regime. Bruk tilsvarende demping innstilling for alle videre forsøk.

2. Bestem Magnetic Field Gradient Styrke og tidsoppløsning

  1. Opprett et nytt eksperiment i spektrometeret programvare med magnetfeltet som abscisse 1 og signalet intensitet som koordinere. Aktiver gradient spiral kontroller.
  2. Kopier alle spektrometer innstillinger fra forrige eksperiment som fastsatt i 1.8 og 1.9.8.
  3. Angi den magnetiske feltgradient styrke til 170 g / cm i retning av prøveaksen pekende oppover.
  4. Beregn tidsbredden sw = sw 0 + FOV · G, hvor sw 0 er den tidsbredden bestemt i 1.8.4 i fravær av et magnetisk felt gradient,FOV er synsfeltet (2,5 cm), og G er den magnetiske feltgradient styrke.
  5. Beregn den estimerte pikselstørrelse = linjebredde / G, ved hjelp av linjebredden av spekteret registrert i 1.9.3 i fravær av et magnetisk felt gradient.
  6. Beregn feie tid = sw / sveipehastighet. Bruk samme sveipehastighet som i 1.8.1.
  7. Beregn minimum antall datapunkter som kreves ved bruk av høyere verdi av
    i. N 1 = 10 * sweep bredde linje bredde /
    ii. N 2 = 10 * synsfelt / (G * pikselstørrelse).
  8. Beregn konvertering tid: sweep tid / antall datapunkter.
  9. Beregn tiden konstant: 0.1 * linjebredde * skanning / sweep bredde eller lavere.
  10. Sett parametrene beregnet i 2.3 gjennom 2.9 og trykker på knappen "Kjør".
  11. Måle lydnivået på grunnlinjen, samt topp til topp intensitetav den sentrale linje med den vertikale linjen verktøyet. Beregn signal til støyforhold.
  12. Hvis signal til støyforhold er mindre enn 5: 1, doble antall skanninger i "scan" panel av spektrometeret parametrene og gjenta trinn 2.1.3 gjennom 2.11.

3. Klargjør Sample

Forsiktig: Bruk vernebriller.

Merk: Hold aerogel helt nedsenket i løsemiddel til alle tider. Se Figur 2 for et fotografi og skjematisk.

  1. Fyll en petriskål på 10 cm diameter med etanol (pa) opp til en høyde på 5 mm.
  2. Sett aerogel i petriskålen og kuttet av en sylindrisk stykke 5 mm til 1 cm i lengde.
  3. Forbered et stykke krympeslange som er ca 1 cm lengre enn aerogel sylinder.
  4. Bruke et glass slange kutter for å bryte et prøverør med 2 mm innerdiameter for å skape to stykker av 4 cm lengde. Begge stykker skal ha to åpne ender.
  5. Sett en av prøverøret stykker 5 mm dypt inn i den ene enden av krympeslange. Bruk en varmepistol til å nøye varme denne enden av krympeslange uten å krympe resten av slangen. Den krympeslange skal nå festes på glassrøret.
    1. Senk denne kombinasjonen av glassrør og krympeslange i petriskål av aerogel. Skyv stykke aerogel fra trinn 3.2 inn i den åpne ende av krympeslange.
  6. Fylle et reagensglass med etanol (pa) opp til en høyde på 7 cm. Overføre prøven fra petriskålen til testrøret. Mens du gjør det, sørg for at den åpne enden av krympeslange er orientert mot toppen. Kontroller at aerogel er helt nedsenket i etanol.
  7. Sett andre 4 cm langt stykkeprøverøret fra trinn 3.4 inn i den åpne ende av krympeslange. Ikke bruk makt, bør tyngdekraften være nok til å lukke gapet mellom aerogel og prøverøret stykker. Sett prøverør med prøven i et begerglass.
  8. Fyll en trykkoker med minst 500 ml etanol og tilsett en rørepinne.
  9. Sett begeret inneholder prøven på et gryteunderlag inne i trykkoker.
    Forsiktig: Utfør neste trinn under en avtrekkshette og fortsette å bruke vernebriller.
  10. Kok og rør prøvene ved en trykkinnstilling av 1 bar over omgivelsestrykket på magnetrøreren. Temperaturen må være på minst 90 ° C. La den kjøle seg ned så snart trykket er nådd, og trykkventilen utgivelser etanoldamp. Hvis krympeslange ikke krympe, gjenta dette trinnet.
    Merk: Rengjør Umiddelbart trykkokeren med vann for å minimere effekten av etanol på sel ventiler. På dette punktet, kan den preparerte prøven oppbevares i etanol for seveRAL måneder.

4. Klargjør Spectrometer

  1. Skape en 2d eksperiment ved hjelp av det magnetiske felt som abscisse en, tid som abscisse 2 og signalintensitet som ordinat, slik at et magnetisk felt sveip blir registrert for hvert tidstrinn. Aktiver gradient spiral kontroller.
  2. Still inn tidsforsinkelse mellom målingene til null. Sett de andre parameterne som bestemt i § 2. Sett antall poeng for tidsaksen til 20 timer / feie tid. Sett mikrobølgeovn bro for å utføre en finjustering etter hver skive skanning.
  3. Følg trinnene i avsnitt 1.7 å tune spektrometeret til den tomme resonator.

5. Klargjør Sample for Måling

Merk: Den eneste gangen kritiske trinn av denne protokollen er 5,3 igjennom 6.2, som er fra starten av diffusjonsprosessen med tillegg av spinn etikett til tiden datainnsamlings i spektrometeret starter. Utfør disse trinnene uten å innføreeventuelle forsinkelser.

  1. Sette en finger på toppen av prøven fra delen 3 for å holde etanoloppløsningen fra å strømme ut på bunnen. Deretter bruke en sprøyte for å fjerne noe etanol fra bunnen 5 mm av den nedre prøverøret og forsegle den ende med røret tetningsmasse. Sørg for at det er en luftboble på 2 mm i høyde over tetningsmasse.
  2. Fjerne all etanol fra prøverøret ovenfor den aerogel med unntak av 3 mm like over aerogel ved hjelp av en Pasteur-kapillær pipette.
  3. Injiser 20 ul av spin etikett løsning i etanol på toppen av aerogel. Sørg for å ikke skape en luftboble på toppen av aerogel. Marker gjeldende tid som starten av diffusjon prosessen.
  4. Plasser prøven i et prøverør med 4 mm innvendig diameter. Bruk PTFE tape for å sentrere prøven.
  5. Bruk en filtpenn for å markere den ytre prøverøret i en stilling på 68 mm over den øvre kant av aerogel. Dette bidrar i riktig sentrering av prøven i resonatoren og setter cskriv av resonatoren 1 mm under den øvre kanten av aerogel.

6. Utfør Diffusion Experiment

  1. Plasser prøven i resonatoren slik at merkingen fra 5,5 på linje med toppen av PTFE innehaveren av resonator og melodi spektrometeret for kritisk kobling som er beskrevet i bruksanvisningen for spektrometer.
  2. Bruk oppsettskannemodus for å sette mottakeren gevinst som beskrevet i 1.7.3, mens gradient spolene er fortsatt slått av.
  3. Start eksperiment som har blitt satt opp i kapittel 4. Skriv ned det nåværende tidspunkt. Enten vente 20 timer for forsøket å avslutte eller stoppe eksperimentet når det registrerte signalet ikke endres i løpet av fire timer eller mer. Lagre resultatet.

7. Utfør flere eksperimenter som trengs for dataanalyse

Merk: gjennomføre eksperimentene i 7,1 og 7,2 med den samme prøven direkte etter diffusjon forsøket og uten motreråvare prøven.

  1. Noter punktspredefunksjon for Deconvolution
    1. Bytt til "-feltet sweep" eksperiment fra trinn 1.7.2. Kopier alle innstillinger fra forsøket i trinn 6.
    2. Ta opp et spektrum og måle signal til støyforhold. Hvis det er mindre enn 20: 1, øke antall skanninger og gjenta dette trinnet. Ellers lagre spekteret.
  2. Utfør en 2d Imaging Experiment
    1. Opprette et nytt forsøk på spektrometer med det magnetiske felt som abscisse 1, vinkelen av den magnetiske feltgradient som abscisse 2 og signalintensiteten som ordinat. Kopier parametere fra trinn 6. Sett bildeplanet til YZ-plan, som er det planet som innbefatter retningen av det statiske magnetfelt B 0 og prøven aksen.
    2. Angi antall vinkler N av gradient retning N = FOV / ønsket pikselstørrelse eller høyere.
    3. Start målingen og lagre resultatet.
    4. Gjenta the trinnene i 7.1 og lagre resultatet.
  3. Mål Resonator Sensitivity Profile
    1. Fremstille en annen prøve av spinnsonden i oppløsning ved å gjenta trinn 1.1 til 1.5, men denne gang legge til 4 cm av oppløsningen inn i kapillaren i stedet for 2 cm.
    2. Følge fremgangsmåten i del 2 for å spille inn et spektrum av prøven med en magnetisk feltgradient i retning av prøven aksen. For trinn 2.3, kan du bruke et synsfelt på 3 cm. Lagre resultatet.
    3. Gjenta målingen i fravær av det magnetiske feltgradient og lagre resultatet.

8. Data Analysis

  1. Rekonstruere 2d Imaging Experiment
    1. Last inn 2D-avbildning eksperiment fra 7.2.3 til den primære view av spektrometeret programvare.
    2. Last forsøket fra 7.2.4 til den sekundære view av spektrometeret programvare.
    3. Gå til Processing> Transformations> Deconvolution, velg Slice: alle, og klikkgjelder å utføre en dekonvolvering.
    4. Redd dekonvolveres data til disk.
    5. Bruk den fritt tilgjengelige bilde rekonstruksjon programvare 20 med følgende kommando: rekonstruere --input result_from_8_1_4.DSC Output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Last resultatet fra 8.1.5 til spektrometeret programvare for senere bruk.
  2. Analyser Innspilt Diffusion Experiment
    1. Start dataanalyse programvare og gå til "Load" -kategorien av programvaren vist i Figur 3. Legg den diffusjon eksperiment fra trinn 6.3 under "diffusjon eksperiment". Legg den tilsvarende punktspredefunksjon fra trinn 7.1.2 under "diffusjon eksperiment w / o gradient". Last resultatet fra trinn 7.3.2 under "resonator profil eksperiment" og resultatet fra trinn 7.3.3 under "resonator profil exp w / o gradient".
    2. Gå til kategorien resonatoren følsomhet er vist på figur 4
    3. Gå til 1d spinntetthetsprofil fliken vist i figur 5 for å dekonvolvere hvert felt sveip tatt opp i 6,2 hjelp av eksperimentet fra 7,1 som punktspredefunksjonen. Reduser støy strøm verdi inntil resultatet er støyende, deretter øke det til støyen bare forsvinner.
    4. Bytt til fanen beskjæringsområdet vist i Figur 6. Velg et område på varmekartet diffusjon som ligger helt inne i aerogel og hvor spinnsponde er bare om å gå inn ovenfra på første gang trinn i dette området. Er du i tvil, legger rekonstruert bilde fra 8.1.6 i spektrometeret programvare for å bidra til å identifisere den nøyaktige plasseringen av aerogel.
    5. Øke området fra trinn 8,2 i retning nedover av prøven slik at ingen spinn probe når den nedre grense av området innenfor den tiden av forsøket. Se figur 6 for referanse.
    6. Bytt til fanen tilstrømningen vist i figur 7 og presspasning. panelet til venstre viser integralet av det beskårne området fra 8.2.5 langs posisjon aksen.
    7. Kontroller at kurven er vist i det midtre panelet starter på null og straks begynner å stige. Hvis det ikke er tilfelle, kan du gå tilbake til 8.2.5.
    8. Kontroller at den røde linjen som vises i det midtre panelet følger de svarte datapunkter.
  3. Simulere 1d Spin konsentrasjon over tid og Monter diffusjonskoeffisienten
    1. Bytt til fanen diffusjonskoeffisienten og presspasning.
    2. Vente på resultatene av beregningen.
    3. Kontroller at eksperimentelle data som vises på venstre matcher numeriske data som vises på høyre side.
    4. Les verdien av makroskopiske translasjonsforskning diffusjonskoeffisienten D makro som er displaYed på skjermen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et bilde og skjematisk av en aerogel i krympeslangen er vist i figurene 2a og 2b. Den 2d EPR bildet i figur 2c viser tydelig den øvre kant av aerogel. Intensiteten av ρ 1d inne i prøverøret ovenfor den aerogel er lavere, selv om konsentrasjonen av spinnsonden er minst like høy som i aerogel. Men prøven dybde vinkelrett på bildeplanet er mye mindre på grunn av den mindre indre diameter av prøverøret. Legg merke til at EPR bildet også viser ingen luftboble i prøverøret og aerogel synes ikke å ha noen sprekker innført under krympingen av krympeslangen.

Figur 8a viser en spredning varme kartet Trityl i UKON1-GEL. Figur 8c viser de samme data for IPSL i UKON1-GEL. Figuress 8b 8d viser de numeriske løsninger for diffusjon ligninger som svarer til de eksperimentelle data fra (a) og (c), henholdsvis. Hver vertikalsnitt av kartet varme viser den konsentrasjonsprofil av spinnsonden ved et bestemt tidspunkt. Ved begynnelsen av eksperimentet spin probene er konsentrert på toppen av prøven. Etter hvert som tiden øker, de forplanter seg gjennom prøven mens nye ring sonder inn fra toppen. Varme Kartene viser kvalitativt at makroskopiske translasjonsforskning spredning av Trityl er betydelig tregere enn den makroskopiske translasjonsforskning spredning av IPSL. Dette er å forvente ettersom Trityl er større enn IPSL og poresystemet og løsningsmidlet er de samme.

De makroskopiske translasjonell diffusjonskoeffisienter for Trityl og IPSL i UKON1-GEL og silikagel er vist i figur 9. Til sammenligning, figur 9 ogsåviser den mikroskopiske translasjonelle diffusjonskoeffisienten for IPSL i etanol ved 2,1 · 10 -10 m 2 / sek, som er blitt utledet ved å tilpasse den spektrale linjeformen fra trinn 7.1.2 ved hjelp av programvare 21 for å bestemme rotasjonskorrelasjonstiden, som beskrevet i en tidligere artikkel 16. Den kvantitative analyse av D makro viser langsommere diffusjon for den større Trityl molekylet sammenlignet med IPSL. En sammenligning mellom UKON1-GEL og silikagel viser svært like verdier for D makro. Dette var ventet, siden porestrukturen av aerogeler er like og samspillet mellom de ring sonder og overflategruppene som er tilstede i UKON1-GEL er ikke tilstrekkelig sterk til å påvirke D makro betydelig. Tilsetning av glycerol til løsningsmidlet øker viskositeten og viser en ytterligere reduksjon av diffusjonskoeffisienten for trityl. Forsøkene for Trityl i UKON1-GEL og silikagel har been gjentas med prøver fra samme parti. Feilstolpene viser standardavviket til D makro.

Figur 1
Fig. 1: Strukturelle formler av ring prober Strukturformelen av (a) Trityl spinnsonden og (b) IPSL probe. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society 16. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Fig. 2: Fremstilt prøve (a) Foto, (b) skjematisk tegning og (c) sentrifuge 2d tetthet bilde 29 timer etter injisering av the spin sonder på toppen av aerogel. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society 16. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3:. Programvare skjermbilde av lasting av data Figuren viser belastningen skjermen av programvaren som brukes for dataanalyse (trinn 8.2.1). Laster følgende data fra venstre til høyre: Rådata fra diffusjonen eksperimentet (trinn 6), motsvarende punktspredefunksjonen (trinn 7.1), feltsveip for en kapillær fylt med spinnsonden i nærvær av en magnetfelt-gradient langs prøveaksen (7.3.2) og tilsvarende punktspredefunksjon (trinn 7.3.3). klikk herfor å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Fig. 4: Bestemmelse av resonatoren følsomhetsprofilen Figuren viser resonatoren følsomhet skjermen av programvaren som brukes for dataanalyse (trinn 8.2.2). Til venstre, viser det feltsveip for en kapillær fylt med spinnsonden føres i nærvær av et magnetisk felt gradient langs prøven aksen (7.3.2) og i midten viser det tilsvarende punktspredefunksjonen (trinn 7.3. 3). På høyre resonatoren følsomhetsprofilen langs prøven aksen er vist som bestemmes av deconvolution hjelp av Matlab-funksjonen deconvreg med den angitte støyeffekten parameter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Fig. 5: Eksperimentelle data for 1d spinn tetthet i prøven Figuren viser 1d spinntetthetsprofil skjerm av den programvare som brukes for dataanalyse (trinn 8.2.3). Til venstre, viser det intensitetene fra diffusjonen eksperimentet (trinn 6) i vilkårlige enheter. Hver vertikal linje svarer til et punkt i tid og er konvolveringen av den spektrale linjeformen av den Trityl spinnsonden og 1d spinntetthetsprofil, vektet med resonatoren følsomhetsprofilen. Gradienten retning er langs prøven aksen fra ned til opp, slik at lavere punkter i rommet gi et signal ved høyere magnetisk felt og omvendt. Den gule linje er skapt ved toppen av prøven, hvor prøverøret berører aerogel og diameteren på spinnsonden oppløsning hopper fra den indre diameteren til prøverøret til den større diameter av den aerogel. Den blå linjener dannet av de ring sonder som har avanserte lengst inn i aerogel på grunn av diffusjon. Den midtre panelet viser den spektrale linjeformen av spinn sonder som brukes for dekonvolvering. panelet til høyre viser fargen kodet 1d spin følsomhetsprofilen langs prøveaksen over tid, som bestemmes av deconvolution hjelp av Matlab-funksjonen deconvreg med den angitte støyeffekten parameter for hvert tidspunkt. De magnetiske feltakse er blitt omdannet til en romlig posisjon akse ved hjelp av den magnetiske feltgradient styrke, hvor positive verdier samsvarer med toppen av prøven og negative verdier tilsvarer bunnen av prøven. Toppen av aerogel kan sees som en horisontal linje på ca 3,5 mm. Under denne linje, kan forplantningen av spinn sonder gjennom aerogel bli sett på som en utvidelse av det gule området i vertikal retning som tiden øker. Klikkher for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6: Beskjæring den 1d spin tetthet til en region av interesse Figuren viser beskjæringsområdet trinn av programvaren som brukes for dataanalyse (trinn 8.2.4).. Den viser 1d spinn tetthet fra trinn 8.2.3 på den venstre side. Dataene er hentet direkte fra sidepanelet til høyre i figur 5 og er begrenset til regionen hvor resonatoren følsomhetsprofilen er større enn 10 prosent av sin maksimale verdi. Den høyre side viser de samme data, men beskåret til det området som brukeren har valgt. Diffusjonskoeffisienten blir bestemt fra bare det området. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

"Figur Figur 7: Bestem tilstrømningen frekvensen av spin sonder over tid Figuren viser spinnsponde tilstrømningen trinn i programvare som brukes for dataanalyse (trinn 8.2.6).. Hver vertikal skive i panelet på venstre side er det integrert funksjon av 1d spinn tetthet i forhold til posisjonen for hvert tidspunkt. Negative verdier har blitt endret til null. Senteret panelet viser hvor mye spinn innenfor den observerte området for hvert tidspunkt som individuelle datapunkter og bestemmes av den øverste raden av panelet på venstre side. Den røde linje er en eksponensiell tilpasning til dataene. Panelet på høyre side viser den tidsderiverte av dataene i midtparti og svarer til tilstrømningen av spinnsonden over tid. For å unngå støy introdusert av den numeriske deriverte av de eksperimentelle data, har den røde linje er beregnet analytisk fra parameterne for ex ponential tilpasning av senterpanelet, og det brukes som grensebetingelse for å løse diffusjonsligningen i trinn 8.2.7.1. Panelet på venstre side er normalt ikke nødvendig, men kan brukes til å verifisere de mellomliggende data som brukes av programvaren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Fig. 8: 1d sentrifuge tetthet over tid Eksperimentelt målt ρ 1d (t, y) i vilkårlige enheter i UKON1-GEL for (a) trityl og (c) IPSL løsninger og numeriske løsninger av diffusjon ligning i (b), (d ), respektivt. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9:. Innhentet Diffusjonskoeffisientene Eksperimentelt oppnådd makroskopisk translasjonsforskning diffusjon koeffisienter D makro. Standardavviket av flere målinger ved hjelp av individuelle prøver fra samme parti er vist. Den mikroskopiske translasjonsforskning diffusjonskoeffisienten D makro av IPSL er vist som en stiplet linje for sammenligning med en estimering av usikkerheten i bestemmelsen av rotasjonskorrelasjonstiden i spektrale simuleringer, angitt som stiplede linjer 16. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society 16. Please klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen muliggjør overvåking av diffusjonen av paramagnetiske gjestemolekyler. En 1d bildebehandling tilnærmingen er valgt fordi det gir mulighet for en høyere tidsoppløsning enn 2D eller 3D imaging. Den 1d tilnærmingen krever et konstant tverrsnittsareal av prøven på grunn av intensiteten av den oppnådde 1d bildet er ikke bare avhengig av konsentrasjonen, men også på tverrsnittsarealet av prøven. Metoden krever også at EPR-spektra av spinn sondene i prøvene som bare endres i intensitet, men ikke i figuren. Ellers mer tidkrevende spektral-romlige avbildning må brukes, som er utenfor rammen av denne protokollen. Fremgangsmåten er også begrenset til systemer hvor D makro ligger mellom 10 -12 m 2 / sek og 7 · 10 -9 m 2 / sek hvis prøven er observert i et område mellom 1 mm og 1 cm i lengde og over tidsperioder mellom 1 time og 72 timer 16.

ENlthough UKON1-GEL og silikagel har blitt syntetisert i et prøverør, prøvene kontrakt i løpet av prosessen. Dette skaper et gap mellom aerogelen og veggen i prøverøret, som forbyr en 1d tenkelig metode for å overvåke diffusjon. Denne komplikasjonen er blitt løst ved å sette den aerogel innvendig varmekrympeslangen. Prøvene som ikke har et gap mellom aerogel og prøverøret kan måles direkte. 2d avbildning eksperiment tjener som et kontrollforsøk for å kontrollere om en spinnsonden som er utenfor den varme-krympende rør på grunn av lekkasje. 2D-bildet kan rekonstrueres med filtrert tilbakeprojeksjon algoritme som er implementert i spektrometeret programvare. I denne protokollen er imidlertid bruk av en iterativ algoritme 20, som er mer robust i støyende omgivelser, er foreslått.

I tidligere arbeider 10-15,17 som bruker EPJ bildebehandling for å studere diffusjon, er den første staten i forsøket nøye forberedttil å begynne med har en viss mengde av spin prober i så lite areal som mulig, og med en helt isolert prøve. For fremgangsmåten som er beskrevet i denne protokollen, er den initiale fordeling av ring prober ikke kritisk, så lenge som det er en del av prøven som i utgangspunktet ikke inneholder ring prober. Mengden av spin sonder som entrer den observerte del av prøven blir bestemt direkte fra målingen av de spredningsdataene. Den dataanalyse programvare implementerer metoden som er beskrevet i tidligere arbeid 16. Mens spektrometer programvaren inneholder alle funksjoner som er nødvendige for å utføre de forbehandlingsteknikker trinn i 8.2, har disse trinnene er tatt inn i den medfølgende dataanalyse programvare. Dette gjør det enklere å endre og sammenligne valg av parametere.

Ved tilpasning av protokollen for ulike prøve systemer og utstyr, de spektroskopiske parametere som skannehastighet, modulasjon amplitude, modulasjon FREKVsering og mikrobølgeeffekt må justeres i henhold til bruksanvisningen til spektrometer, og også gradienten styrke og tidsperioden over hvilke spredningen er observert behov for å bli revurdert. Varigheten over hvilken diffusjon er observert i trinn 6.3, avhenger D makro. Forsøket kan stoppes når ingen vesentlig endring av den 1d konsentrasjonsprofilen oppstår. Dette kan også sees i rådata før deconvolution.

Det er noen kritiske punkter for å observere når du følger trinnene i denne protokollen. De spesielle aerogels brukt i denne protokollen kollaps og krympe irreversibelt når de tørker ut, så det er viktig å holde aerogels nedsenket i løsemiddel til alle tider. Grunnen til at trykkokeren er fylt med ytterligere løsningsmiddel og en rørestav i 3,8 er til raskt å lage damptrykk før oppløsningsmidlet rundt aerogel fordamper. Når aerogels tørke ut de redusere i diameter og lengde og en ny prøve må være forberedt. Kapillarrøret tetningsmasse kan resultere i et EPR-signal hvis det er i direkte kontakt med løsningsmidlet og diffunderer inn i resonatoren. Luftboblen mellom den tettende forbindelsen og oppløsningsmidlet i trinn 5.1 skaper en barriere for å hindre at dette skjer.

Avhengig av oppløsningsmidlet og geometrien av prøven kan det være vanskelig å oppnå kritisk kopling under spektrometeret søketrinnet. I så fall, rotere prøven og prøv igjen, eller ta prøven ut og verifisere at aerogel og kapillærene som inneholder løsemiddelet er sentrert.

Under dataanalyse i trinn 8.2.8, kan den eksperimentelt bestemte tilstrømningen av spinn etikett avvike fra den passform. Hvis det er tilfelle, og at signal-til-støy-forholdet av det dekonvolveres dataene er utilstrekkelig, gjenta trinn 8.2.2 og 8.2.3 og øke støyeffekten parameter for å redusere mengden støy på bekostning av romligoppløsning. Hvis signal til støyforhold er ikke problemet, gjenta trinn 8.2.4 via 8.2.8 om å velge hvilket område D makro beregnes og sørge for at de eksperimentelle data samt tilpasning i midten panel av tilstrømningen kategorien spinnsponde er en linje gjennom origo, som er vist i figur 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

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