In Situ Suivi de Diffusion des clients Molécules en Porous Media en utilisant l' imagerie par résonance paramagnétique électronique

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

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Spitzbarth, M., Lemke, T., Drescher, M. In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (115), e54335, doi:10.3791/54335 (2016).

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Abstract

Introduction

Les matériaux poreux jouent un rôle majeur dans les applications pratiques telles que la catalyse et la chromatographie 1. Par l' ajout de groupes de surface , et en ajustant les propriétés de taille de pores et de surface, les matériaux peuvent être adaptés à l'application désirée 2,3. La fonctionnalité de la matière poreuse dépend essentiellement des propriétés de diffusion des molécules invitées à l'intérieur des pores. Dans les matériaux poreux, une distinction doit être faite entre la diffusion microscopique translationnelle micro D constante, qui décrit la diffusion sur une échelle de longueur moléculaire d'une part et la diffusion macroscopique translationnelle D constante macro d'autre part, qui est influencé par la diffusion à travers les pores multiples, les limites des grains, et la tortuosité inhomogénéité du matériau.

Il existe plusieurs méthodes pour étudier la diffusion par résonance magnétique, chacun convenant à une partieéchelle de longueur iculier. A l'échelle du millimètre, la résonance magnétique nucléaire (RMN) d' imagerie par résonance 4 et paramagnétique électronique (RPE) imagerie (tel que présenté dans ce protocole) peut être utilisé. Les petites échelles deviennent accessibles par l'utilisation de gradients de champ pulsés en RMN, ainsi que des expériences EPR 5,6. Sur l'échelle du nanomètre, la spectroscopie EPR peut être utilisé en observant les changements de l'interaction d' échange Heisenberg entre les sondes de spin 7,8. Des études de diffusion translationnelle utilisant gamme d'imagerie EPR de catalyseur industriel prend en charge, par exemple, l' oxyde d'aluminium 9, anisotrope fluides 10,11, des systèmes de libération de médicaments en gels de polymère 12 - 14 et modèle membranes 15.

Ce protocole présente une approche in situ en utilisant l' imagerie EPR pour surveiller macroscopique translationnelle diffusion des sondes de spin dans cylindrique, milieux poreux. Il est démontré pour un système hôte-invité composé de the nitroxyde de spin sonde 3- (2-iodoacétamido) -2,2,5,5-tétraméthyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) comme un invité à l'intérieur du organosilice mésoporeuse périodique (PMO) aérogel UKON1-GEL comme un hôte et de l'éthanol en tant que solvant. Ce protocole a été utilisé avec succès précédemment 16 pour comparer D macro tel que déterminé par imagerie par micro EPR ​​D pour les matériaux hôtes UKON1-gel et gel de silice et IPSL des espèces d'hôte et le tris (8-carboxy-2,2,6,6-tétraméthyl-perdeutéro-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) dithiole) méthyle (trityle), voir la figure 1.

Dans d' autres méthodes basées sur onde continue (CW) EPR imagerie 17, la diffusion a lieu en dehors du spectromètre. En revanche, la méthode présentée ici utilise une approche in situ. Une série d'instantanés de la distribution 1d de densité de spin ρ 1d (t, γ) estenregistré sur une période de plusieurs heures. Pendant ce temps, une photo est prise après l'autre, et délivre un motif de diffusion en temps réel avec une résolution de temps d'environ 5 min.

UKON1-gel et un gel de silice ont été synthétisés dans des tubes d'échantillon ayant un diamètre intérieur de 3 mm comme décrit dans la littérature. La 16,18,19 UKON1-gel et la synthèse du gel de silice conduit à un rétrécissement de l'échantillon. Les échantillons sont placés à l'intérieur d'un tube thermo-rétractable pour éviter des molécules hôtes de se déplacer entre l'aérogel et la paroi du tube d'échantillon. Cette étape supplémentaire est nécessaire pour les échantillons ne peuvent pas être synthétisés directement dans le tube d'échantillon sans changer leur taille. Les échantillons d'aérogel effondrement quand ils sèchent, ils doivent donc être immergé dans un solvant à tout moment. La température qui est nécessaire pour le tube rétractable à la chaleur est supérieure au point d'ébullition de l'éthanol à pression ambiante. Par conséquent, le protocole décrit l'utilisation d'une cocotte-minute pour augmenter lapoint d'éthanol bouillant.

Le protocole porte sur la préparation de l'échantillon de UKON1-GEL préalablement synthétisé pour l'expérience d'imagerie EPR et les paramètres du spectromètre qui sont utilisés pour contrôler la diffusion de la sonde de spin IPSL. Pour l'analyse des données, un logiciel écrit localement est fourni et son utilisation est décrite. Les données brutes du spectromètre peuvent être directement chargés. Le logiciel calcule la répartition spatiale 1d de densité de spin ρ 1j (t, γ) et prend en compte le profil de sensibilité du résonateur. L'utilisateur peut sélectionner une région de l'aérogel et d'une fenêtre temporelle, pendant laquelle la constante de diffusion est déterminé. Le logiciel détermine ensuite les conditions aux limites de l'équation de diffusion en fonction de cette sélection et permet de résoudre l'équation de diffusion. Il prend en charge de montage moindres carrés pour trouver la valeur de macro D où la solution numérique correspond le mieux aux données expérimentales.

ρ 1d (t, γ) donne un accès direct à la concentration et ne soit pas influencée par une modification de la section transversale de l'échantillon. La plage de valeurs accessibles pour D macro est estimé à 16 entre 10 -12 m 2 / s et 7 · 10 -9 m 2 / sec.

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Protocol

Attention: S'il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité des matériaux pertinents (MSDS) avant utilisation. L'éthanol est nocif en cas d'ingestion ou d'inhalation et il est inflammable.

1. Optimiser les Continuous Wave (CW) Paramètres EPR

  1. Préparer 40 pi d'IPSL dans de l'éthanol (pa) à une concentration de 1 mM.
  2. Prenez un contrôleur de pipette et remplir un capillaire avec la solution IPSL à une hauteur de remplissage de 2 cm. Retirer la solution supplémentaire de 1 cm dans le tube capillaire pour qu'il y ait un intervalle d'air au-dessous de la solution. Sceller le capillaire sur les deux extrémités du tube capillaire composé d'étanchéité. L'espace d'air empêche la diffusion des composants du composé d'étanchéité dans l'échantillon.
  3. Enrouler deux bandes de polytétrafluoroéthylène (PTFE) d'environ 5 cm de longueur dans le capillaire à une distance de 1 cm de l'extrémité supérieure et inférieure du capillaire.
  4. Mettez le capillaire dans un tube d'échantillon EPR (4 mm de diamètre intérieur). Assurez-vous que la bande de PTFE maintient le capillairefixé dans l'axe central du tube d'échantillon. Pousser le capillaire vers le bas vers le fond du tube d'échantillon.
  5. Placer l'échantillon dans le résonateur et centrer la solution de marqueur de spin dans le résonateur.
  6. Tune le spectromètre pour le couplage critique en suivant les instructions du manuel du spectromètre.
  7. Paramètres Spectromètre préliminaires
    1. Utilisez la fréquence des micro - ondes pour définir le champ de centre B en utilisant la formule
      L'équation 1
      g ≈ 2.003 est une estimation approximative pour le facteur g du radical apparié dans le marqueur de spin nitroxyde, h est la constante de Planck et u B est le magnéton de Bohr.
    2. Mettre en place une nouvelle expérience "field_sweep" avec le champ magnétique en abscisse et l'intensité du signal en ordonnée. Utilisez les paramètres suivants: Centerfield tel que calculé à l'étape précédente, la largeur de balayage: 400 G, modulatil'amplitude: 0,8 G, la modulation de fréquence: 100 kHz, micro-ondes atténuation: 30 dB, le nombre de points: 2048, nombre de balayages: 1, temps de balayage: 80 sec, constante de temps: 50 msec.
    3. Activer le mode de balayage de configuration. Pour la configuration Scan Time Constant, sélectionnez la valeur la plus faible que les offres du spectromètre. Réglez le gain du récepteur à une valeur où le signal affiché remplit 80% de la plage d'intensité affichée, de sorte que même avec le bruit sans point de données a une intensité supérieure à 80% du maximum. Désactiver Scan Setup après.
    4. Appuyez sur le bouton "Exécuter".
    5. Lire la valeur du champ du passage par zéro du pic central à partir du spectre obtenu. Définissez le champ centre à cette valeur.
    6. Prenez l'outil de ligne horizontale et mesurer la largeur du spectre du point où le pic de gauche commence à monter au-dessus du niveau de référence au point où les rendements les plus à droite de pointe au niveau de référence.
    7. Régler la largeur de balayage à trois fois la largeur du spectre.
  8. Recalculer les paramètres de Spectromètre
    1. Calculer le temps de balayage: balayage vitesse / largeur de balayage. Utilisez une vitesse de balayage de 5 G / sec.
    2. Calculer le nombre minimum de points de données: 10 * largeur de balayage largeur / ligne.
    3. Calculer le temps de conversion: temps de balayage / nombre de points de données.
    4. Calculer la constante de temps: 0,1 * largeur de ligne * temps de balayage / largeur de balayage.
  9. Mesurer une Saturation Curve pour déterminer les ondes de puissance optimale
    1. Réglez l'atténuation des micro-ondes à 10 dB et régler le gain du récepteur tel que décrit à l'étape 1.7.3.
    2. Réglez l'atténuation des micro-ondes à 50 dB et d'enregistrer un spectre. Si le rapport signal sur bruit est inférieur à 5: 1, augmenter le nombre de balayages. Répéter cette étape jusqu'à ce que le rapport signal sur bruit est de 5: 1 ou plus.
    3. Créer une nouvelle expérience de "saturation" en utilisant le champ magnétique en abscisse 1, la puissance micro-onde en abscisse 2 et l'intensité du signal en ordonnée. Copiez tous les paramètres de the "field_sweep" expérience de l'étape 1.9.2. Pour abscisse 2, définissez la valeur de départ de l'atténuation des micro-ondes à 10 dB, la valeur d'incrément de 1 dB et le nombre de points à 41 pour couvrir une plage de 10 dB à 50 dB. Exécutez l'expérience.
    4. Créer une feuille de calcul de la courbe de saturation. Insérer l'atténuation en dB de micro-ondes dans la première colonne.
    5. Calculer la racine carrée de la puissance de micro-ondes dans au dans la deuxième colonne de la formule
      équation 2
      où x est l'atténuation en dB par micro-ondes à partir de la première colonne.
    6. Utilisez le logiciel du spectromètre pour mesurer la crête à crête intensité de la raie spectrale centrale pour chaque atténuation de micro-ondes dans l'expérience. Ecrire cette intensité dans la troisième colonne de la feuille de calcul.
    7. Tracer la racine carrée de la puissance micro-ondes contre le pic d'intensité maximale (colonne 3 contre la colonne 2) pour obtenir la courbe de saturation. includé l'origine (0,0) dans la parcelle.
    8. Identifier le régime linéaire de la courbe de saturation. La puissance micro-onde optimale est la plus haute puissance de micro-ondes qui est toujours en régime linéaire. Utilisez le réglage d'atténuation correspondante pour toutes les autres expériences.

2. Déterminer le champ magnétique Force Gradient et la résolution Temps

  1. Créer une nouvelle expérience dans le logiciel du spectromètre avec le champ magnétique en abscisses 1 et l'intensité du signal en ordonnée. Activer les contrôles de la bobine de gradient.
  2. Copiez tous les paramètres du spectromètre de l'expérience précédente, tel que déterminé en 1.8 et 1.9.8.
  3. Régler la force magnétique de gradient de champ de 170 V / cm dans le sens de l'axe de l'échantillon vers le haut.
  4. Calculer la largeur de balayage sw = sw 0 + FOV · G,sw 0 est la largeur de balayage déterminée 1.8.4 en l'absence d'un gradient de champ magnétique,FOV est le champ de vision (2,5 cm) et G est la force magnétique de gradient de champ.
  5. Calculer la taille de pixel = ligne estimée largeur / G, en utilisant la largeur de la ligne du spectre enregistré en 1.9.3 en l'absence d'un gradient de champ magnétique.
  6. Calculer la vitesse de balayage de temps = sw / balayage. Utilisez la même vitesse de balayage comme dans 1.8.1.
  7. Calculer le nombre minimum de points de données nécessaires en utilisant la valeur plus élevée de
    i. N 1 = 10 * largeur de balayage / largeur de ligne
    ii. N 2 = 10 * champ de vision / (G * taille des pixels).
  8. Calculer le temps de conversion: temps de balayage / nombre de points de données.
  9. Calculer la constante de temps: 0,1 * largeur de ligne * temps de balayage / largeur de balayage ou moins.
  10. Définissez les paramètres calculés en 2.3 à 2.9 et appuyez sur le bouton "Exécuter".
  11. Mesurer le niveau de bruit de la ligne de base ainsi que l'intensité de crête à crêtede la ligne centrale avec l'outil de ligne verticale. Calculer le rapport signal sur bruit.
  12. Si le rapport signal sur bruit est inférieur à 5: 1, doubler le nombre de balayages dans le panneau "scan" des paramètres du spectromètre et répétez les étapes 2.1.3 à travers 2.11.

3. Préparer l'échantillon

Attention: Porter des lunettes de sécurité.

Remarque: Conservez l'aérogel complètement immergé dans un solvant à tout moment. Voir la figure 2 pour une photographie et schématique.

  1. Remplir une boîte de Pétri de 10 cm de diamètre avec de l'éthanol (pa) jusqu'à une hauteur de 5 mm.
  2. Mettez l'aérogel dans la boîte de Pétri et couper un morceau cylindrique de 5 mm à 1 cm de longueur.
  3. Préparer un morceau de tube thermorétractable qui est d'environ 1 cm de plus que le cylindre d'aérogel.
  4. Utilisez un coupe-tube de verre pour briser un tube de 2 mm de diamètre intérieur de l'échantillon pour créer deux morceaux de 4 cm de longueur. Les deux pièces doivent avoir deux extrémités ouvertes.
  5. Insérer l'un des morceaux de tube d'échantillon de 5 mm de profondeur à une extrémité du tube thermorétrécissable. Utilisez un pistolet à chaleur pour chauffer soigneusement cette extrémité du tube thermorétractable sans rétrécir le reste du tube. Le tube thermorétractable doit maintenant être fixé au tube de verre.
    1. Immerger cette combinaison de tube de verre et une gaine thermorétractable de chaleur dans la boîte de Pétri de l'aérogel. Poussez délicatement le morceau de aérogel de l'étape 3.2 dans l'extrémité ouverte du tube thermorétractable.
  6. Remplir un tube à essai avec de l'éthanol (PA) jusqu'à une hauteur de 7 cm. Transférer l'échantillon à partir de la boîte de Pétri dans le tube à essai. Ce faisant, assurez-vous que l'extrémité ouverte du tube thermorétractable est orienté vers le haut. Assurez-vous que l'aérogel est complètement immergé dans de l'éthanol.
  7. Insérez la seconde 4 cm de long morceau detube d'échantillon provenant de l'étape 3.4 dans l'extrémité ouverte du tube thermorétrécissable. Ne pas appliquer la force, la gravité devrait être suffisant pour combler les lacunes entre l'aérogel et les morceaux de tube d'échantillon. Placez le tube à essai avec l'échantillon dans un bécher.
  8. Remplir une cocotte-minute avec au moins 500 ml d'éthanol et ajouter une barre d'agitation.
  9. Placer le bécher contenant l'échantillon sur un trépied dans la cocotte.
    Attention: Effectuez l'étape suivante sous une hotte et continuer à porter des lunettes de sécurité.
  10. Cuire en remuant les échantillons à un réglage de pression de 1 bar à la pression ambiante sur l'agitateur magnétique. La température doit atteindre au moins 90 ° C. Laissez refroidir dès que la pression est atteinte et la vapeur libère de l'éthanol de soupape de pression. Si le tube thermorétractable ne craignit pas, répétez cette étape.
    Remarque: Nettoyer immédiatement la cocotte avec de l'eau pour minimiser l'effet de l'éthanol sur les vannes d'étanchéité. À ce stade, l'échantillon préparé peut être stocké dans de l'éthanol pour sevemois RAL.

4. Préparer le Spectromètre

  1. Créer une expérience 2d en utilisant le champ magnétique en abscisse 1, le temps en abscisse 2 et l'intensité du signal en ordonnée, de sorte qu'un balayage de champ magnétique est enregistré pour chaque pas de temps. Activer les contrôles de la bobine de gradient.
  2. Régler le retard de temps entre les mesures à zéro. Définissez les autres paramètres tel que déterminé dans la section 2. Réglez le nombre de points pour l'axe du temps à 20 h / temps de balayage. Réglez le pont de micro-ondes pour effectuer une réglage fin après chaque balayage de la tranche.
  3. Suivez les étapes de la section 1.7 pour régler le spectromètre au résonateur vide.

5. Préparer l'échantillon pour la mesure

Remarque: Les étapes seulement de temps critiques de ce protocole sont 5.3 à 6.2, qui est dès le début du processus de diffusion avec l'ajout de l'étiquette de spin jusqu'au moment de l'acquisition de données dans le spectromètre commence. Effectuez ces étapes sans introduiretout retard.

  1. Mettre le doigt sur le dessus de l'échantillon de la section 3 de maintenir la solution d'éthanol de couler sur le fond. Ensuite, utilisez une seringue pour enlever un peu d'éthanol à partir du fond 5 mm du tube d'échantillon inférieur et sceller cette fin avec un tube composé d'étanchéité. Assurez-vous qu'il ya une bulle d'air de 2 mm de hauteur au-dessus du produit d'étanchéité.
  2. Éliminer tout l'éthanol à partir du tube d'échantillon au-dessus de l'aérogel à l'exception de 3 mm, juste au-dessus l'aérogel au moyen d'un capillaire de pipette Pasteur.
  3. Injecter 20 ul de solution de marqueur de spin dans de l'éthanol au-dessus de l'aérogel. Assurez-vous de ne pas créer une bulle d'air au-dessus de l'aérogel. Marquez l'heure actuelle comme début du processus de diffusion.
  4. Placer l'échantillon dans un tube d'échantillon de 4 mm de diamètre intérieur. Utilisez du ruban PTFE pour centrer l'échantillon.
  5. Utilisez un stylo feutre pour marquer le tube d'échantillon externe à une position de 68 mm au-dessus du bord supérieur de l'aérogel. Cela permet de centrer correctement l'échantillon dans le résonateur et met le centrer du résonateur 1 mm en dessous du bord supérieur de l'aérogel.

6. Effectuer l'expérience de diffusion

  1. Placer l'échantillon dans le résonateur de telle sorte que le marquage de 5,5 soit aligné avec le haut du support en PTFE du résonateur et syntoniser le spectromètre à couplage critique comme cela est décrit dans le manuel d'utilisation du spectromètre.
  2. Utilisez le mode de balayage de réglage pour régler le gain du récepteur comme décrit dans 1.7.3 tandis que les bobines de gradient sont encore éteints.
  3. Commencez l'expérience qui a été mis en place dans la section 4. Notez l'heure actuelle. Soit attendre 20 h pour l'expérience de terminer ou d'arrêter l'expérience lorsque le signal enregistré ne change pas au cours de 4 heures ou plus. Sauvegardez le résultat.

7. Effectuer des expériences additionnelles requises pour l'analyse des données

Note: Effectuer les expériences 7.1 et 7.2 avec le même échantillon directement après l'expérience de diffusion et sans moVing l'échantillon.

  1. Enregistrez le Point Spread Function pour Déconvolution
    1. Passez à l'expérience «champ de balayage" de l'étape 1.7.2. Copiez tous les paramètres de l'expérience à l'étape 6.
    2. Enregistrer un spectre et mesurer le rapport signal sur bruit. Si elle est inférieure à 20: 1, augmenter le nombre de balayages et répétez cette étape. Sinon enregistrer le spectre.
  2. Effectuer une expérience d'imagerie 2d
    1. Créer une nouvelle expérience sur le spectromètre avec le champ magnétique en abscisse 1, l'angle du gradient de champ magnétique en abscisse 2 et l'intensité du signal en ordonnée. Copier les paramètres de l' étape 6. Régler le plan d'image au plan YZ, ce qui est le plan comprenant la direction du champ magnétique statique B 0 , et l'axe de l' échantillon.
    2. Définissez le nombre d'angles N de la direction du gradient de la taille de pixel N = FOV / souhaitée ou plus.
    3. Lancer la mesure et sauvegarder le résultat.
    4. Répétez ee étapes 7.1 et sauvegarder le résultat.
  3. Mesurer le profil Resonator Sensibilité
    1. Préparer un autre échantillon de la sonde de spin dans une solution en répétant les étapes 1.1 à 1.5, mais cette fois, ajouter 4 cm de la solution dans le tube capillaire au lieu de 2 cm.
    2. Suivre les étapes de la section 2 pour enregistrer un spectre de l'échantillon avec un gradient de champ magnétique dans la direction de l'axe de l'échantillon. Pour l'étape 2.3, utilisez un champ de vision de 3 cm. Sauvegardez le résultat.
    3. Répéter la mesure en l'absence de gradient de champ magnétique et sauvegarder le résultat.

Analyse 8. Données

  1. Reconstruire l'expérience d'imagerie 2d
    1. Charger l'expérience d'imagerie 2D à partir 7.2.3 dans la fenêtre principale du logiciel du spectromètre.
    2. Charger l'expérience de 7.2.4 dans la fenêtre secondaire du logiciel du spectromètre.
    3. Aller à la production> Transformations> Déconvolution, sélectionnez Slice: tous et cliquez surappliquer à effectuer une déconvolution.
    4. Sauvegardez les données déconvoluées sur le disque.
    5. Utilisez le logiciel de reconstruction d'image disponible gratuitement 20 avec la commande suivante: reconstruire --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Chargez le résultat de 8.1.5 dans le logiciel du spectromètre pour référence ultérieure.
  2. Analyse de l'expérience de diffusion enregistrée
    1. Démarrez le logiciel d'analyse de données et allez dans l'onglet "Load" du logiciel représenté sur la figure 3. Chargez l'expérience de diffusion de l' étape 6.3 dans «expérience de diffusion". Charger la fonction d'étalement de point correspondant de l'étape 7.1.2 sous "expérience de diffusion w / o gradient". Chargez le résultat de l'étape 7.3.2 sous "profil de résonateur expérience» et le résultat de l'étape 7.3.3 sous "résonateur profil exp w / o gradient".
    2. Allez à l'onglet de sensibilité du résonateur représenté sur la figure 4
    3. Allez à l'onglet de profil de densité de spin 1d montre la figure 5 pour déconvoluer chaque balayage de champ enregistré en 6.2 en utilisant l'expérience de 7,1 en fonction d'étalement de point. Diminuer la valeur de puissance de bruit jusqu'à ce que le résultat est bruyant, puis la soulever jusqu'à ce que le bruit disparaît.
    4. Passez à l'onglet de la zone de culture illustré à la figure 6. Sélectionnez une zone de la carte thermique de diffusion qui se trouve complètement à l' intérieur de l'aérogel et où la sonde de spin est sur ​​le point d'entrer en haut au premier pas de temps de cette zone. En cas de doute, charger l'image reconstruite à partir de 8.1.6 dans le logiciel du spectromètre pour aider à identifier la position exacte de l'aérogel.
    5. Augmenter la zone de l'étape 8.2 dans le sens descendant de l'échantillon de sorte qu'aucune rotation probe atteint la limite inférieure de la zone dans le temps de l'expérience. Voir la figure 6 pour référence.
    6. Passez à l'onglet de flux représenté sur la figure 7 et ajustement serré. Le panneau de gauche montre l'intégrale de la région rognée de 8.2.5 le long de l'axe de position.
    7. Vérifiez que la courbe représentée dans le panneau du milieu commence à zéro et commence à monter immédiatement. Si tel est le cas contraire, revenir à 8.2.5.
    8. Vérifiez que la ligne rouge figurant dans le panneau central suit les points de données noires.
  3. Simuler le Spin Concentration 1d au fil du temps et Monter le coefficient de diffusion
    1. Passez à l'onglet de coefficient de diffusion et appuyez sur ajustement.
    2. Attendez que les résultats du calcul.
    3. Vérifiez que les données expérimentales présentées sur la gauche correspondent aux données numériques figurant à droite.
    4. Lire la valeur du macroscopique coefficient de diffusion translationnelle D macro qui est displayEd sur l'écran.

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Representative Results

Une photo et schématique d'un aérogel dans le tube rétrécissement est représenté sur les figures 2a et 2b. L'image EPR 2d sur la figure 2c montre clairement le bord supérieur de l'aérogel. L'intensité de ρ 1d à l'intérieur du tube d'échantillon au- dessus de l'aérogel est plus faible , bien que la concentration de la sonde de spin est au moins aussi élevée que dans l'aérogel. Toutefois, la profondeur de l'échantillon perpendiculaire au plan de l'image est beaucoup plus faible en raison du plus petit diamètre intérieur du tube d'échantillon. Notez que l'image EPR montre également aucune bulle d'air dans le tube de l'échantillon et l'aérogel ne semble pas avoir de fissures introduites lors de la diminution de la gaine thermorétractable.

La figure 8a montre une carte thermique de diffusion de trityle dans UKON1-GEL. Figure 8c montre les mêmes données pour l' IPSL dans UKON1-GEL. Figuress 8b 8d montrent les solutions numériques pour les équations de diffusion correspondant aux données expérimentales de (a) et (c), respectivement. Chaque tranche verticale de la carte de chaleur montre le profil de concentration de la sonde de spin à un point fixe dans le temps. Au début de l'expérience, les sondes de spin sont concentrées dans la partie supérieure de l'échantillon. Que le temps augmente, elles se propagent à travers l'échantillon tandis que de nouvelles sondes de spin pénètrent par le haut. Les cartes thermiques montrent qualitativement que la diffusion translationnelle macroscopique de trityle est nettement plus lente que la diffusion translationnelle macroscopique de l'IPSL. Ceci doit être prévu depuis trityle est plus grande que IPSL et le système de pores et le solvant sont les mêmes.

Les coefficients de diffusion de translation macroscopiques pour trityle et dans IPSL UKON1-gel et un gel de silice sont représentés sur la figure 9. A titre de comparaison, la figure 9 égalementreprésente le coefficient microscopique de diffusion de translation pour IPSL dans l' éthanol à 2,1 · 10 -10 m 2 / s, qui a été dérivé en ajustant la forme de la raie spectrale de l' étape 7.1.2 en utilisant le logiciel 21 pour déterminer le temps de corrélation de rotation , comme décrit dans une précédente l' article 16. L'analyse quantitative du D macro montre une diffusion plus lente pour la plus grande molécule trityle par rapport à l'IPSL. Une comparaison entre UKON1-GEL et SILICA-GEL montre des valeurs très similaires pour D macro. Ce résultat était attendu, étant donné que la structure des pores des aérogels est similaire et l'interaction entre les sondes de spin et les groupes de surface présents dans UKON1-gel est suffisamment forte pour ne pas influencer de manière significative D macro. L'ajout de glycérol dans le solvant augmente la viscosité et montre une diminution supplémentaire du coefficient de diffusion pour trityle. Les expériences de trityle dans UKON1-GEL et SILICA-GEL ont been répété avec des échantillons provenant du même lot. Les barres d'erreur indiquent l'écart type de macro - D.

Figure 1
Figure 1:. Formules structurelles des sondes de spin La formule structurelle de (a) la sonde trityle de spin et (b) de la sonde IPSL. Reproduit avec la permission de l'American Chemical Society 16. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2:. Échantillon préparé (a) Photo, (b) dessin schématique et (c) d'image de densité de spin 2d 29 heures après l' injection ee rotation des sondes sur le dessus de l'aérogel. Reproduit avec la permission de l'American Chemical Society 16. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3:. Logiciel capture d'écran de chargement des données La figure montre l'écran de chargement du logiciel utilisé pour l' analyse des données (étape 8.2.1). Chargez les données suivantes de gauche à droite: Les données brutes de l'expérience de diffusion (étape 6), la fonction d'étalement de point correspondant (étape 7.1), balayage de champ pour un capillaire rempli de sonde de spin en présence d'un gradient de champ magnétique le long de l'axe de l'échantillon (7.3.2) et la fonction d'étalement de point correspondant (étape 7.3.3). S'il vous plaît , cliquez icipour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4:. Détermination du profil de sensibilité du résonateur La figure montre l'écran de la sensibilité du résonateur du logiciel utilisé pour l' analyse des données (étape 8.2.2). Sur la gauche, il montre le balayage de champ pour un capillaire rempli avec la sonde de spin enregistrée en présence d'un gradient de champ magnétique le long de l'axe de l'échantillon (7.3.2) et dans le milieu, il montre la fonction d'étalement de point correspondant (étape 7.3. 3). A droite , le profil de sensibilité du résonateur selon l'axe de l' échantillon est représenté tel que déterminé par déconvolution en utilisant la fonction deconvreg Matlab avec le paramètre de puissance de bruit indiqué. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.


Figure 5:. Les données expérimentales pour la densité de spin 1d dans l'échantillon La figure montre l'écran du profil de densité de spin 1d du logiciel utilisé pour l' analyse des données (étape 8.2.3). Sur la gauche, elle montre les intensités de l'expérience de diffusion (étape 6) en unités arbitraires. Chaque ligne verticale correspond à un point dans le temps et est la convolution de la forme de la raie spectrale de la sonde de spin trityle et le profil 1d de densité de spin, pondérée en fonction du profil de sensibilité du résonateur. La direction du gradient est le long de l'axe de l'échantillon de bas en haut, de sorte que les points les plus bas dans l'espace donnent un signal à champ magnétique élevé et vice versa. La ligne jaune est créée par la partie supérieure de l'échantillon, où le tube d'échantillon en contact avec l'aérogel et le diamètre de la solution de sonde de spin des sauts à partir du diamètre interne du tube d'échantillon vers le plus grand diamètre de l'aérogel. La ligne bleueest formé par les sondes de spin qui ont avancé le plus dans l'aérogel due à la diffusion. Le panneau du milieu montre la forme de raie spectrale des sondes de spin qui est utilisé pour déconvolution. Le panneau de droite montre la couleur codée profil de sensibilité de spin 1d le long de l'axe de l'échantillon au fil du temps, tel que déterminé par déconvolution en utilisant la fonction deconvreg Matlab avec le paramètre de puissance de bruit indiquée pour chaque point dans le temps. L'axe du champ magnétique a été converti en une position spatiale en utilisant l'axe magnétique de force de gradient de champ, où les valeurs positives correspondent à la partie supérieure de l'échantillon et les valeurs négatives correspondent à la partie inférieure de l'échantillon. La partie supérieure de l'aérogel peut être vu comme une ligne horizontale à environ 3,5 mm. En dessous de cette ligne, la propagation des sondes de spin par l'aérogel peut être considérée comme un élargissement de la région jaune dans la direction verticale que le temps augmente. S'il vous plaît cliquer surici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6: Recadrage la densité de spin 1d à une région d'intérêt La figure montre l'étape du logiciel utilisé pour l' analyse des données (étape 8.2.4) de la superficie cultivée.. Il montre la densité de spin 1d de l'étape 8.2.3 sur le côté gauche. Les données sont prises directement à partir du panneau de droite de la figure 5 et est limitée à la région où le profil de sensibilité du résonateur est supérieur à 10 pour cent de sa valeur maximale. Le côté droit montre les mêmes données, mais recadrée à la zone que l'utilisateur a sélectionné. Le coefficient de diffusion sera déterminée à partir de seulement cette zone. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7: Déterminer le taux d'afflux de sondes de spin au fil du temps La figure montre l'étape d'afflux de sonde de spin du logiciel utilisé pour l' analyse des données (étape 8.2.6).. Chaque tranche verticale dans le panneau sur le côté gauche est la fonction intégrale de la densité de spin 1d par rapport à la position pour chaque point dans le temps. Les valeurs négatives ont été modifiées à zéro. Le panneau central montre la quantité de tours dans la zone observée pour chaque point dans le temps comme points de données individuels et est déterminée par la rangée supérieure du panneau sur le côté gauche. La ligne rouge est un ajustement exponentiel des données. Le panneau sur le côté droit montre la dérivée temporelle des données dans le panneau central et correspond à l'afflux de sonde de spin au fil du temps. Pour éviter le bruit introduit par la dérivée numérique des données expérimentales, la ligne rouge a été calculé analytiquement à partir des paramètres de l'ex forme exponentielle du panneau central et il est utilisé comme condition limite pour résoudre l'équation de diffusion à l'étape 8.2.7.1. Le panneau sur le côté gauche est normalement pas nécessaire , mais peut être utilisé pour vérifier les données intermédiaires utilisés par le logiciel. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8:. Densité de spin 1d au fil du temps 1d Expérimentalement mesurée ρ (t, y) en unités arbitraires en UKON1-GEL pour (a) trityle et (c) les solutions de l' IPSL et des solutions numériques de l'équation de diffusion dans (b), (d ), respectivement. Reproduit avec la permission de l'American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9:. Obtenu coefficients de diffusion Expérimentalement obtenus macroscopique diffusion translationnelle coefficients D macro. L'écart-type de plusieurs mesures en utilisant des échantillons individuels provenant du même lot est affiché. La diffusion microscopique translationnelle coefficient D macro de IPSL est indiqué comme une ligne en pointillés pour la comparaison avec une estimation de l'incertitude de la détermination du temps de corrélation de rotation dans les simulations spectrales, a indiqué les lignes en pointillé 16. Reproduit avec la permission de l'American Chemical Society 16. Please cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Le protocole permet la surveillance de la diffusion des molécules hôtes paramagnétiques. Une approche d'imagerie 1d a été choisie car elle permet une résolution temporelle plus élevée par rapport à l'imagerie 2D ou 3D. L'approche 1d nécessite une surface de section transversale constante de l'échantillon, car l'intensité de l'image obtenue 1d dépend non seulement de la concentration mais également sur la surface en coupe transversale de l'échantillon. La méthode exige également que les spectres EPR des sondes de spin dans les échantillons ne changent en intensité mais pas en forme. Sinon plus de temps d'imagerie spectrale spatiale doit être utilisé, ce qui est en dehors du champ d'application de ce protocole. Le procédé est également limité à des systèmes dans lesquels D macro se situe entre 10 -12 m 2 / s et 7 · 10 -9 m 2 / s si l'échantillon est observée dans une zone comprise entre 1 mm et 1 cm de longueur et sur ​​des périodes de temps entre 1 h et 72 h 16.

UNEien que le UKON1-GEL et SILICA-GEL ont été synthétisés dans un tube d'échantillon, le contrat d'échantillons au cours du processus. Cela crée un fossé entre l'aérogel et la paroi du tube d'échantillon, qui interdit une approche d'imagerie 1d pour contrôler la diffusion. Cette complication a été résolu en mettant l'aérogel l'intérieur du tube thermo-rétractable. Les échantillons qui ne possèdent pas un écart entre l'aérogel et le tube d'échantillonnage peuvent être mesurées directement. L'expérience d'imagerie 2d sert une expérience de contrôle pour vérifier une sonde de spin qui est en dehors du tube thermorétractable en raison de fuites. L'image en 2D peut être reconstruite avec l'algorithme de rétroprojection filtrée qui est implémentée dans le logiciel du spectromètre. Dans ce protocole , toutefois , l'utilisation d'un algorithme itératif 20, qui est plus robuste dans des environnements bruyants, il est suggéré.

Dans des travaux précédents 10-15,17 qui utilisent l' imagerie EPR pour étudier la diffusion, l'état initial de l'expérience est soigneusement préparéeà présenter initialement une certaine quantité de sondes de spin dans un espace aussi petit que possible et avec un échantillon complètement isolé. Pour la méthode qui est décrite dans ce protocole, la distribution initiale des sondes de spin est pas critique, tant qu'il y est une partie de l'échantillon qui ne contient pas initialement des sondes de spin. La quantité de sondes de spin qui pénètre dans la partie observée de l'échantillon est déterminée directement à partir de la mesure des données de diffusion. Le logiciel d'analyse de données met en oeuvre la méthode qui est décrite dans les travaux antérieurs 16. Bien que le logiciel du spectromètre comprend toutes les fonctions qui sont nécessaires pour effectuer les étapes de prétraitement en 8.2, ces mesures ont été inclus dans le logiciel d'analyse des données fournies. Cela rend plus facile à changer et comparer le choix des paramètres.

Lors de l'adaptation du protocole pour les systèmes d'échantillonnage différents et de l'équipement, les paramètres spectroscopiques tels que la vitesse de balayage, la modulation d'amplitude, modulation magnetoparence et la puissance nécessaire à micro-ondes pour être ajustées selon le manuel du spectromètre, et aussi la force de gradient et la période de temps pendant laquelle la diffusion est observée doit être réévaluée. La durée de temps pendant laquelle la diffusion est observée à l' étape 6.3 D dépend de macro. L'expérience peut être arrêtée lorsque aucune variation significative du profil de concentration 1d se produit. Cela peut également être vu dans les données brutes avant la déconvolution.

Il y a quelques points critiques à observer en suivant les étapes de ce protocole. Les aérogels particulières utilisées dans ce protocole effondrement et se rétrécissent de manière irréversible quand ils sèchent, il est donc essentiel de garder les aérogels immergés dans un solvant à tout moment. La raison pour laquelle l'autocuiseur est rempli de solvant supplémentaire et une barre d'agitation en 3.8 est de créer rapidement la pression de vapeur avant que le solvant autour de l'aérogel s'évapore. Lorsque les aérogels dessèchent ils réduisent de manière significative dans diameter et de la longueur et un échantillon frais doivent être préparés. Le composé d'étanchéité du tube capillaire peut se traduire par un signal EPR si elle est en contact direct avec le solvant, et se diffuse dans le résonateur. La bulle d'air entre le composé d'étanchéité et le solvant dans l'étape 5.1 crée une barrière pour empêcher que cela se produise.

Selon le solvant et la géométrie de l'échantillon, il peut être difficile d'obtenir un couplage critique au cours de l'étape spectromètre de réglage. Dans ce cas, faire tourner l'échantillon et essayez à nouveau, ou de prendre l'échantillon sur et vérifiez que l'aérogel et les capillaires qui contiennent le solvant sont centrées.

Au cours de l'analyse des données à l'étape 8.2.8, l'afflux déterminée expérimentalement de l'étiquette de spin peut dévier de l'ajustement. Si tel est le cas et le rapport signal sur bruit des données déconvoluée est insuffisante, refaire les étapes 8.2.2 et 8.2.3 et augmenter le paramètre de puissance de bruit pour réduire la quantité de bruit au coût de l'espacerésolution. Si le rapport signal sur bruit est pas le problème, refaire les étapes 8.2.4 à travers 8.2.8 resélectionner la région à partir de laquelle D macro est calculée et assurez - vous que les données expérimentales ainsi que l'ajustement dans le panneau central de l'onglet afflux de sonde de spin est une ligne par l'origine, comme le montre la Figure 7.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
X-Band spectrometer Bruker E580
Spectrometer software Bruker Xepr 2.6b.108
gradient coil system Bruker E540 GCX2
imaging resonator Bruker TMHS 1007
micro-classic pipette controller Brand 25900
microcapillary ringcaps 50 µl Hirschmann 9600150 inner diameter 0.5 mm
EPR sample tube 2 mm inner diameter Bruker ER 221TUB/2
EPR sample tube 4 mm inner diameter Bruker ER 221TUB/4
heat-shrink tubing DERAY-IB DSG-Canusa 2210048952 4.8 mm/2.4 mm, 2:1, 95 °C - 200 °C
heat gun Bosch PHG 600-3
PTFE  band VWR 332362S width 12 mm
test tube length 16 cm, diameter 1.5 cm
beaker 250 ml, height 9 cm, diameter 7 cm
capillary tube sealing Fisher Scientific 02-678
pressure cooker, 3 L with trivet Beem Vital-X-Press V2, F1000675
magnetic stirrer with heating element
ethanol (p.a.)
ethanol (techn.)
syringe Hamilton 1705 0.05 ml, custom length: 20 cm
Pasteur capillary pipette length 23 cm
data analysis software homemade Available for download at http://www.uni-konstanz.de/drescher/software. Requires Matlab.
UKON1-GEL kindly provided by Prof. Sebastian Polarz, Martin Wessig and Andreas Schachtschneider  See references 16, 18, 19 for the synthesis

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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