In Situ Övervakning av Diffusion av gästmolekyler i porösa material Använda elektronspinnresonans 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

Porösa material spela en viktig roll i praktiska tillämpningar såsom katalys och kromatografi 1. Genom att tillsätta ytgrupper och justera porstorlek och ytegenskaper, kan materialen skräddarsys till önskat program 2,3. Funktionaliteten hos det porösa materialet beror i hög grad på diffusionsegenskaper hos gästmolekyler inuti porerna. I porösa material, måste en distinktion göras mellan den mikroskopiska translationell diffusion konstant D mikro, som beskriver diffusion på molekylär längd skala å ena sidan och den makroskopiska translationell diffusion konstant D makro å andra sidan, som påverkas av diffusion genom multipla porer, korngränser, slingrighet och inhomogenitet hos materialet.

Det finns flera magnetiska resonansmetoder tillgängliga för att studera diffusion, var och en som är lämpliga för en delicular längdskala. På millimeterskala, kan kärnmagnetisk resonans (NMR) avbildning 4 och elektronspinnresonans (EPR) imaging (som presenteras i detta protokoll) användas. Mindre skala blir tillgängliga genom användning av pulserande fält gradienter i NMR samt EPR experiment 5,6. På nanometerskala, kan EPR-spektroskopi användas genom att observera förändringar i Heisenberg utbytesväxelverkan mellan spinn sonder 7,8. Studier av translationell diffusion med hjälp av EPR imaging sträcker sig från industriell katalysatorbärare, t.ex. aluminiumoxid 9, att anisotropa vätskor 10,11, läkemedelsfrisättningssystem tillverkade av polymera geler 12 - 14 och modell membran 15.

Detta protokoll utgör en in situ metod att använda EPR imaging att övervaka makroskopisk translationell diffusion av spin-sonder i cylindriska, porösa medier. Det visas för en värd-gäst-system bestående av the nitroxid spinnsonden 3- (2-jodacetamido) -2,2,5,5-tetrametyl-1-pyrrolidinyloxi (IPSL) som gäst inuti den periodiska mesoporösa organosilikasol (PMO) aerogel UKON1-GEL som värd och etanol som ett lösningsmedel. Detta protokoll har framgångsrikt använts tidigare 16 att jämföra D makro bestämd med EPR avbildning med D mikro för värdmaterial UKON1-GEL och kiselgel och gäst arter IPSL och Tris (8-karboxi-2,2,6,6-perdeutero-tetrametyl-benso [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) ditiol) metyl (trityl), se figur 1.

I andra metoder baserade på kontinuerlig våg (CW) EPR avbildning 17, tar diffusion rum utanför spektrometern. I motsats, den metod som presenteras här använder en in situ-tillvägagångssätt. En serie ögonblicksbilder av 1d distributionsspindensitet ρ 1d (t, γ) ärnoterats under en period av flera timmar. Under denna tid, är en ögonblicksbild tagen efter den andra och levererar en realtidsspridningsbild med en tidsupplösning på cirka 5 minuter.

UKON1-GEL och silikagel har syntetiserats i provrör med en inre diameter av 3 mm såsom beskrivits i litteraturen. 16,18,19 Den UKON1-GEL och silikagel syntes leder till en krympning av provet. Proverna placeras inuti en värmekrympslang för att förhindra gästmolekyler från att röra sig mellan aerogelen och väggen hos provröret. Detta ytterligare steg är inte nödvändigt för prover som kan syntetiseras direkt i provröret utan att ändra deras storlek. Aerogelen prov kollapsar när de torkar ut, så de måste vara nedsänkt i lösningsmedel vid alla tidpunkter. Den temperatur som behövs för krympslang är högre än kokpunkten för etanol vid omgivande tryck. Därför det protokoll beskriver användningen av en tryckkokare för att höjakokpunkt av etanol.

Protokollet omfattar provberedning av UKON1-GEL syntetiseras i förväg för EPR avbildningsexperiment och spektrometern inställningar som används för att övervaka spridningen av IPSL spin-sond. För dataanalys, lokalt skriven programvara som tillhandahålls och dess användning beskrivs. Rådata från spektrometern kan direkt laddas. Programvaran beräknar den rumsliga 1d distributionsspindensitet ρ 1d (t, γ) och tar hänsyn till resonator känslighetsprofilen. Användaren kan välja en region av aerogel och ett tidsfönster, över vilket diffusionskonstanten skall bestämmas. Mjukvaran bestämmer sedan randvillkoren för diffusionsekvationen baserade på att val och löser diffusionsekvationen. Den stöder minsta kvadratpassning för att hitta värdet på D makro där numerisk lösning passar bäst experimentella data.

ρ 1d (t, γ) ger direkt tillgång till koncentrationen och inte påverkas av en förändring i prov tvärsnitt. Utbudet av tillgängliga värden för D makro beräknas 16 mellan 10 -12 m 2 / sek och 7 · 10 -9 m 2 / sek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Varning: Kontakta alla relevanta säkerhetsdatablad (SDB) före användning. Etanol är skadligt vid förtäring eller inandning och det är brandfarligt.

1. Optimera kontinuerlig mod (CW) EPR Parametrar

  1. Förbered 40 fil IPSL i etanol (Pa) vid en koncentration av 1 mM.
  2. Ta en pipett styrenhet och fylla en kapillär med IPSL lösning till en fyllningshöjd på 2 cm. Dra lösning 1 cm längre in i kapillären så att det finns en luftspalt under lösningen. Försegla kapillären på båda ändarna med kapillärröret tätningsmassa. Luftspalten förhindrar diffusion av komponenter i tätningsmassan in i provet.
  3. Linda två remsor av polytetrafluoreten (PTFE) band av ca 5 cm längd runt kapillären på ett avstånd av 1 cm från den övre och nedre änden av kapillären.
  4. Sätta kapillären in i ett EPR provrör (4 mm innerdiameter). Se till att PTFE-band håller kapillärfixerad i centrumaxel av provröret. Skjut kapillären ner till botten av provröret.
  5. Sätta provet i resonatorn och centrera spin label lösning inom resonatorn.
  6. Tune spektrometern för kritisk koppling genom att följa instruktionerna i spektrometern manual.
  7. Preliminära Spectrometer Inställningar
    1. Använda mikrovågsugnen frekvensen för att ställa in mittfältet B med hjälp av formeln
      ekvation 1
      där g ≈ 2,003 är en grov uppskattning för g faktorn för oparade radikalen i nitroxiden spinnetikett, h är Plancks konstant och | j B är bohrmagnetonen.
    2. Inrätta ett nytt experiment "field_sweep" med magnetfältet som abskissa och signalintensiteten som ordinata. Använd följande parametrar: Center beräknat i föregående steg, svepbredd: 400 G, modulatipå amplitud: 0,8 G, moduleringsfrekvens: 100 kHz, mikrovågsugn dämpning: 30 dB, antal punkter: 2048, antal skanningar: 1, skanna tid: 80 sek, tidskonstant: 50 msek.
    3. Aktivera inställningsskanningsläget. För Setup Scan Time Constant, välj det lägsta värdet som spektrometern erbjuder. Justera mottagaren förstärkningen till ett värde där den visade signalen fyller 80% av det visade intensitetsintervall, så att även med buller ingen datapunkt har en högre intensitet än 80% av den maximala. Inaktivera Setup Scan efteråt.
    4. Tryck på "Run" -knappen.
    5. Läs fältvärdet för nollgenomgången för den centrala toppen från spektrat erhölls. Ställ in mittfältet till detta värde.
    6. Ta den horisontella linjen verktyget och mäta bredden spektrum från den punkt där den vänstra toppen börjar stiga över grundnivån till den punkt där de längst till höger topp återvänder till baslinjen nivå.
    7. Ställa in svepbredden till tre gånger bredden spektrumet.
  8. Räkna spektrometern parametrar
    1. Beräkna sveptiden: sopa bredd / svephastighet. Använda en svephastighet av 5 g / s.
    2. Beräkna det minsta antalet datapunkter: 10 * sopa bredd / linjebredd.
    3. Beräkna tid konvertering: sveptiden / antal datapunkter.
    4. Beräkna tidskonstant: 0,1 * linjebredd * söktiden / svepbredd.
  9. Mät en mättnadskurva för att fastställa den optimala Microwave Power
    1. Ställa in mikrovågsugn dämpningen till 10 dB och justera mottagarförstärkningen såsom beskrivs i steg 1.7.3.
    2. Ställ mikrovågsugnen dämpningen till 50 dB och spela in ett spektrum. Om signalbrusförhållandet är mindre än 5: 1, öka antalet avsökningar. Upprepa detta steg tills signalbrusförhållandet är 5: 1 eller större.
    3. Skapa ett nytt experiment "mättnad" med magnetfältet som abskissa 1 mikrovågseffekten som abskissa 2 och signalintensiteten som ordinata. Kopiera alla inställningar från the "field_sweep" experiment från steg 1.9.2. För abskissan 2, ställa in startvärdet för mikrovågsugn dämpningen till 10 dB, ökningsvärdet till 1 dB och det antal poäng till 41 för att täcka ett område från 10 dB till 50 dB. Köra experimentet.
    4. Skapa ett kalkylblad för mättnadskurva. Sätt i mikrovågsugn dämpning i dB i den första kolumnen.
    5. Beräkna kvadratroten av mikrovågseffekten i au i den andra kolumnen med formeln
      ekvation 2
      där x är mikrovågsugn dämpningen i dB från den första kolonnen.
    6. Använda spektrometern programvara för att mäta topp-till-toppintensiteten av den centrala spektrallinjen för varje mikrovågsugn dämpning i experimentet. Skriv att intensiteten i den tredje kolumnen i tabellen.
    7. Plotta den kvadratroten av mikrovågseffekten mot topp-till-toppintensiteten (kolumn 3 mot kolumn 2) för att få den mättnadskurva. incluDE origo (0,0) i handlingen.
    8. Identifiera den linjära regim mättnadskurva. Den optimala mikrovågseffekten är den högsta mikrovågseffekt som fortfarande är i den linjära regimen. Använd motsvarande dämpningsinställningen för alla ytterligare experiment.

2. Bestäm magnetfältsgradienten styrka och tidsupplösningen

  1. Skapa ett nytt experiment i spektrometern programvara med det magnetiska fältet som abskissa 1 och signalintensiteten som ordinata. Aktivera gradientspolen kontrollerna.
  2. Kopiera alla spektrometer inställningar från tidigare experiment som bestämts i 1,8 och 1.9.8.
  3. Ställa in magnetfältet gradientstyrka till 170 G / cm i riktningen av provaxeln som pekar uppåt.
  4. Beräkna svepbredden sw = sw 0 + FOV · G, där sw 0 är svepbredd som bestäms i 1.8.4 i frånvaro av ett magnetfält-gradient,FOV är synfältet (2,5 cm) och G är den magnetiska fält gradientstyrka.
  5. Beräkningen av det uppskattade pixelstorlek = linjebredd / G, med användning av linjebredden för det spektrum som registrerats i 1.9.3 i frånvaro av ett magnetiskt fält-gradient.
  6. Beräkna sveptiden = sw / svephastighet. Använd samma svephastighet som i 1.8.1.
  7. Beräkna det minsta antalet datapunkter krävs med det högre värdet av
    i. N 1 = 10 * svepbredd / linjebredd
    ii. N2 = 10 * synfält / (G * pixelstorlek).
  8. Beräkna tid konvertering: sveptiden / antal datapunkter.
  9. Beräkna tidskonstant: 0,1 * linjebredd * söktiden / svepbredd eller lägre.
  10. Ställ in parametrarna som beräknas i 2,3 till 2,9 och tryck på "Run" -knappen.
  11. Mäta ljudnivån på baslinjen samt topp till topp intensitetav den centrala linje med den vertikala linjen verktyget. Beräkna signal-brus-förhållande.
  12. Om signalbrusförhållandet är mindre än 5: 1, fördubbla antalet sökningar i "scan" panel av spektrometern parametrar och upprepa steg 2.1.3 till 2.11.

3. Förbered Sample

Varning: Använd skyddsglasögon.

Obs: Håll aerogel helt nedsänkt i lösningsmedel vid alla tidpunkter. Se figur 2 för ett fotografi och schematisk.

  1. Fyll en petriskål med 10 cm diameter med etanol (pa) upp till en höjd av 5 mm.
  2. Satte aerogelen i petriskål och skära av ett cylindriskt stycke av 5 mm till 1 cm i längd.
  3. Förbereda ett stycke krympslang som är ca 1 cm längre än aerogelen cylindern.
  4. Använd ett glasrör fräs för att bryta ett provrör av 2 mm inre diameter för att skapa två bitar av 4 cm längd. Båda delarna ska ha två öppna ändar.
  5. Sätt en av provröret bitar 5 mm djup i ena änden av krympslang. Använd en värmepistol för att noggrant värma den här änden av krympslang utan krympa resten av slangen. Krympslang nu fastställas på glasröret.
    1. Sänk denna kombination av glasrör och krympslang i petriskål med aerogelen. Tryck försiktigt bit aerogel från steg 3,2 i den öppna änden av krympslang.
  6. Fyll ett provrör med etanol (pa) upp till en höjd av 7 cm. Överföra provet från petriskålen i provröret. Medan du gör det, se till att den öppna änden av krympslang är inriktad på toppen. Se till att aerogelen är helt nedsänkt i etanol.
  7. Sätt den andra 4 cm lång bit avprovröret från steg 3,4 i den öppna änden av krympslang. Applicera inte kraft bör tyngdkraften vara tillräckligt för att täppa till luckorna mellan aerogelen och provröret bitar. Sätta provröret med provet i en bägare.
  8. Fyll en tryckkokare med minst 500 ml etanol och tillsätt en omrörare.
  9. Sätt bägaren innehållande provet på en trivet inuti tryckkokaren.
    Varning: Utför nästa steg i ett dragskåp och fortsätta att bära skyddsglasögon.
  10. Cook och rör om proverna vid en tryckinställning av 1 bar över omgivande tryck på magnetomröraren. Temperaturen skall vara minst 90 ° C. Låt det svalna så snart trycket har uppnåtts och tryckventilen släpper etanolånga. Om krympslang inte krympa, upprepa detta steg.
    Notera: Omedelbart rengöra tryckkokaren med vatten för att minimera effekten av etanol på tätningsventiler. Vid denna punkt, kan det beredda provet lagras i etanol för several månader.

4. Förbered Spectrometer

  1. Skapa ett 2d experiment med användning av magnetfält som abskissa 1, tid som abskissa 2 och signalintensiteten som ordinata, så att ett magnetfält svep spelas in för varje tidssteg. Aktivera gradientspolen kontrollerna.
  2. Ställa in tidsfördröjningen mellan mätningarna till noll. Ställ in andra parametrar som fastställts i avsnitt 2. Ställ in antal poäng för tidsaxeln till 20 tim / sveptiden. Ställa in mikrovågsugn bron för att utföra en finjustering efter varje skiva avsökning.
  3. Följ stegen i avsnitt 1.7 för att ställa spektrometern till den tomma resonator.

5. Förbered Prov för mätning

Obs: Den enda gången kritiska steg i detta protokoll är 5,3 till 6,2, som är från början av diffusionsprocessen med tillägg av spinn etiketten tills den tidpunkt då datainsamling i spektrometern börjar. Utför dessa steg utan att införaeventuella förseningar.

  1. Sätta fingret på toppen av provet från sektion 3 för att hålla etanollösningen från att strömma ut på bottnen. sedan använda en spruta för att avlägsna en del etanol från botten 5 mm av den undre provröret och försegla detta syfte med tub tätningsmassa. Se till att det finns en luftbubbla av 2 mm i höjd ovanför tätningsmassa.
  2. Ta bort all etanol från provröret ovanför aerogelen med undantag för 3 mm strax ovanför aerogelen med hjälp av en Pasteur kapillär pipett.
  3. Injicera 20 ul av spin label lösning i etanol på toppen av aerogelen. Se till att inte skapa en luftbubbla ovanpå aerogelen. Markera den aktuella tiden som början av diffusionsprocessen.
  4. Placera provet i ett provrör med 4 mm innerdiameter. Använd PTFE-tejp för att centrera provet.
  5. Använda en filtpenna för att markera det yttre provröret vid en position av 68 mm över den övre kanten av aerogelen. Detta hjälper till att korrekt centrering av provet i resonatorn och sätter cange för resonatorn 1 mm under den övre kanten av aerogelen.

6. Utför Diffusion Experiment

  1. Placera provet i resonatorn så att markeringen från 5,5 ligger i linje med toppen av PTFE innehavaren av resonatorn och avstämma spektrometer för kritisk koppling såsom beskrivs i bruksanvisningen till spektrometern.
  2. Använd Setup skanningsläget för att ställa in mottagaren förstärkning som beskrivs i 1.7.3, medan gradientspolarna fortfarande avstängd.
  3. Starta experiment som har satts upp i avsnitt 4. Skriv ner den aktuella tiden. Antingen vänta 20 timmar för experimentet att avsluta eller avbryta experimentet när den inspelade signalen inte ändras under loppet av fyra timmar eller mer. Spara resultatet.

7. Utför ytterligare experiment behövs för dataanalys

Obs: Utför experimenten i 7,1 och 7,2 med samma prov direkt efter diffusion experiment och utan moving provet.

  1. Spela in punktspridningsfunktionen för Deconvolution
    1. Växla till "fältet sweep" experiment från steg 1.7.2. Kopiera alla inställningar från försöket i steg 6.
    2. Spela in ett spektrum och mäta signal-brusförhållandet. Om det är mindre än 20: 1, öka antalet skanningar och upprepa detta steg. Annars spara spektrumet.
  2. Utför en 2d Imaging Experiment
    1. Skapa ett nytt experiment på spektrometern med det magnetiska fältet som abskissa 1, vinkeln för magnetfältsgradienten som abskissa 2 och signalintensiteten som ordinata. Kopiera parametrarna från steg 6. Ställ in avbildningsplanet till YZ-planet, som är det plan som innefattar riktningen för det statiska magnetfältet B 0 och provaxeln.
    2. Ställ in antalet vinklar N om lutningen riktning N = FOV / önskad pixelstorleken eller högre.
    3. Starta mätningen och spara resultatet.
    4. Upprepa the steg i 7,1 och spara resultatet.
  3. Mäta Resonator Känslighet Profil
    1. Förbereda ett annat prov av spinnsond i lösning genom att upprepa stegen 1.1 till 1,5, men denna gång tillsätt 4 cm av lösningen in i kapillären i stället för 2 cm.
    2. Följ stegen i avsnitt 2 för att spela in ett spektrum av provet med en magnetisk fältgradient i riktningen för provets axel. För steg 2,3, använda ett synfält på 3 cm. Spara resultatet.
    3. Upprepa mätningen i frånvaro av magnetfältet gradienten och spara resultatet.

8. Dataanalys

  1. Rekonstruera 2d Imaging Experiment
    1. Ladda 2d avbildningsexperiment från 7.2.3 till den primära visnings spektrometerns programvara.
    2. Ladda experimentet från 7.2.4 till den sekundära visnings spektrometerns programvara.
    3. Gå till Bearbetning> transformationer> Deconvolution väljer skiva: allt och klickatillämpas för att utföra en avfaltning.
    4. Spara dekonvolvering data till disk.
    5. Använd fritt tillgängliga bildrekonstruktion programvara 20 med följande kommando: rekonstruera --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256
    6. Ladda resultatet från 8.1.5 i spektrometern programvara för senare bruk.
  2. Analysera Recorded Diffusion Experiment
    1. Starta dataanalys programvara och gå till "Load" -fliken i programmet visas i figur 3. Ladda diffusion experiment från steg 6,3 under "diffusion experiment". Fyll på motsvarande punktspridningsfunktionen från steg 7.1.2 under "diffusion experiment w / o lutning". Ladda resultatet från steg 7.3.2 under "resonator profil experiment" och resultatet från steg 7.3.3 under "resonator profil exp w / o-gradient".
    2. Gå till fliken resonatorn känslighet som visas i fig 4
    3. Gå till 1d spinndensitetsprofilen fliken som visas i figur 5 för att deconvolve varje fält sveper in i 6,2 med hjälp av experiment från 7,1 som punktspridningsfunktion. Minska bruseffektvärdet tills resultatet är bullriga, sedan höja den tills bruset bara försvinner.
    4. Växla till fliken beskärningsområdet visas i figur 6. Välj ett område på diffusion värmekarta som ligger helt inne i aerogel och där spinnsonden är bara på väg in från ovan vid den första tidssteg i det området. Om du är osäker, laddar den rekonstruerade bilden från 8.1.6 i spektrometern programvara för att hjälpa till att identifiera den exakta positionen för aerogelen.
    5. Öka området från steg 8,2 i riktning nedåt av provet så att ingen spin probe når den undre gränsen för det område inom den tid av experimentet. Se figur 6 för referens.
    6. Växla till fliken tillströmning som visas i figur 7 och presspassning. Den vänstra panelen visar integralen av den beskurna området från 8.2.5 längs positionsaxeln.
    7. Verifiera att kurvan som visas i den mellersta panelen börjar vid noll och omedelbart börjar stiga. Om så inte är fallet, gå tillbaka till 8.2.5.
    8. Kontrollera att den röda linjen som visas i den mellersta panelen följer de svarta datapunkter.
  3. Simulera 1d Spin Koncentration över tid och Montera diffusionskoefficienten
    1. Växla till fliken diffusionskoefficient och presspassning.
    2. Invänta resultaten av beräkningen.
    3. Kontrollera att de experimentella data som visas till vänster matchar de numeriska data som visas till höger.
    4. Läs värdet på den makroskopiska translations diffusionskoefficienten D makro som är displaYED på skärmen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ett foto och schematisk bild av en aerogel i den krympande röret visas i figurerna 2a och 2b. 2d EPR bilden i figur 2c visar tydligt den övre kanten av aerogelen. Intensiteten av ρ 1d i provröret ovanför aerogelen är lägre även om koncentrationen av spinnsonden är åtminstone så hög som inom aerogelen. Emellertid är provdjup som är vinkelrät mot bildplanet mycket mindre på grund av den mindre inre diametern hos provröret. Observera att EPR bilden visar också ingen luftbubbla i provröret och aerogelen verkar inte ha några sprickor som införs under krympning av krympslang.

Figur 8a visar en spridning värme karta över Trityl i UKON1-GEL. Figur 8c visar samma data för IPSL i UKON1-GEL. Figuress 8b 8d visar numeriska lösningar för diffusionsekvationer som matchar experimentella data från (a) och (c), respektive. Varje vertikal skiva av värme karta visar koncentrationsprofilen för spinnsonden vid en fast punkt i tid. Vid början av experimentet spinnsonderna är koncentrerade på toppen av provet. Allteftersom tiden ökar, de fortplantar sig genom provet samtidigt som nya spin-sonder in från toppen. Värme kartor visar kvalitativt att den makroskopiska translationell diffusion av trityl är betydligt långsammare än den makroskopiska translationell diffusion av IPSL. Detta är att vänta eftersom Trityl är större än IPSL och porsystemet och lösningsmedlet är desamma.

De makroskopiska translations diffusionskoefficienter för Trityl och IPSL i UKON1-GEL och silikagel visas i figur 9. För jämförelse Figur 9 ävenvisar den mikroskopiska translationell diffusionskoefficienten för IPSL i etanol vid 2,1 · 10 -10 m 2 / sekund, som har härletts genom att anpassa den spektrala linjeform från steg 7.1.2 med hjälp av programvara 21 för att bestämma rotationskorrelationstiden, såsom beskrivits i en tidigare artikel 16. Kvantitativ analys av D makro visar långsammare diffusion för större Trityl molekylen jämfört med IPSL. En jämförelse mellan UKON1-GEL och silikagel visar mycket likartade värden för D makro. Detta var väntat, eftersom porstrukturen av aerogel är likartade och samspelet mellan spinnsonderna och ytan grupper som finns i UKON1-GEL är inte tillräckligt stark för att påtagligt påverka D makro. Lägga glycerol till lösningsmedlet ökar viskositeten och visar en ytterligare minskning av diffusionskoefficienten för trityl. Experimenten för Trityl i UKON1-GEL och kiselgel har been upprepas med prover från samma parti. Felstaplarna visar standardavvikelsen för D makro.

Figur 1
Figur 1:. Struktur formler av spin-sonder Strukturformeln för (a) Trityl spin-sond och (b) IPSL sond. Återgivet med tillstånd från American Chemical Society 16. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2:. Beredda provet (a) Fotografi, (b) schematisk ritning och (c) 2d spindensitet bild 29 timmar efter injektion the spin-sonder ovanpå aerogelen. Återgivet med tillstånd från American Chemical Society 16. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3:. Software skärmdump av lastning data Figuren visar belastningen skärmen för den programvara som används för dataanalys (steg 8.2.1). Ladda följande data från vänster till höger: Rådata från diffusion experiment (steg 6), motsvarande punktspridningsfunktion (steg 7,1), fält svep för en kapillär fylld med spin-sond i närvaro av ett magnetiskt fält gradient längs provaxeln (7.3.2) och motsvarande punktspridningsfunktion (steg 7.3.3). klicka häratt se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4:. Fastställande av resonator känslighetsprofilen Figuren visar resonator känslighet skärmen på programvara som används för dataanalys (steg 8.2.2). Till vänster, visar det fältet svep för en kapillär fylld med spinnsonden registrerades i närvaro av ett magnetfält-gradient utmed provaxeln (7.3.2) och i mitten den visar den motsvarande punktspridningsfunktion (steg 7,3. 3). Till höger resonator känslighetsprofilen längs provaxeln visas som bestäms av avfaltning hjälp av Matlab-funktionen deconvreg med den angivna bruseffekten parameter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 5:. Experimentella data för 1d spindensitet i provet Figuren visar 1d spin densitetsprofilen skärmen på programvara som används för dataanalys (steg 8.2.3). På vänster, det visar intensitet från diffusion experiment (steg 6) i godtyckliga enheter. Varje vertikal linje motsvarar en punkt i tid och är faltningen av spektrallinjen formen på Trityl spinnsonden och 1d spinndensitetsprofil, viktat med resonatorn känslighetsprofilen. Gradientriktningen är längs provaxeln från ned till upp, så att lägre punkter i rymden ger en signal vid högre magnetfält och vice versa. Den gula linjen skapas av toppen av provet, där provröret vidrör aerogel och diametern för spinnsondlösning hoppar från den inre diametern hos provröret till den större diametern hos aerogelen. Den blå linjenbildas av de spin-sonder som kommit längst i aerogelen grund av diffusion. Den mellersta fältet visar den spektrala linjeform av spinnsonderna som används för avfaltning. Den högra panelen visar den färg som kodas 1d spin känslighetsprofilen längs provaxeln över tid, bestämd genom dekonvolution hjälp av Matlab-funktionen deconvreg med den angivna bruseffekten parametern för varje tidpunkt. De magnetiska fältaxeln har omvandlats till en rymdposition axeln med hjälp av magnetfältet gradientstyrka, där positiva värden motsvarar toppen av provet och negativa värden motsvarar botten av provet. Toppen av aerogelen kan ses som en horisontell linje vid ca 3,5 mm. Nedanför den raden, kan utbredningen av spin-sonder genom aerogelen ses som en breddning av det gula området i vertikal riktning som tiden ökar. Klickahär för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6: Beskära 1d spinntätheten till en region av intresse Figuren visar beskärningsområdet steg i den programvara som används för dataanalys (steg 8.2.4).. Den visar 1d spinn densitet från steg 8.2.3 på vänster sida. Datan tas direkt från sidopanelen i fig 5 högra handen och är begränsat till det område, där resonatorn känslighetsprofilen är större än 10 procent av dess maximala värde. Den högra sidan visar samma data, men beskärs till det område som användaren har valt. Diffusionskoefficienten bestäms från endast det området. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

"Bild Figur 7: Bestäm inflödet hastigheten spin sonder tiden Figuren visar spinnsond tillströmningen steg i den programvara som används för dataanalys (steg 8.2.6).. Varje vertikal skiva i panelen på vänster sida är integralen funktion av 1d spindensitet i förhållande till positionen för varje tidpunkt. Negativa värden har ändrats till noll. Mittpanelen visar hur mycket snurrar inom den observerade area för varje tidpunkt som individuella datapunkter och bestäms av den översta raden i panelen på vänster sida. Den röda linjen är en exponentiell anpassning av data. Panelen på höger sida visar tidsderivatan av data i mittpanelen och motsvarar inflödet av spinnsond över tiden. För att undvika brus som införts av den numeriska derivatan av de experimentella data, har den röda linjen beräknats analytiskt från parametrarna för ex ponential passning av mittpanelen och det används som randvillkor för att lösa diffusionsekvationen i steg 8.2.7.1. Panelen på vänster sida behövs normalt inte men kan användas för att verifiera de mellanliggande data som används av programmet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8:. 1d spinntätheten över tiden experimentellt uppmätta ρ 1d (t, y) i godtyckliga enheter i UKON1-GEL för (a) trityl och (c) IPSL lösningar och numeriska lösningar av diffusionsekvationen i (b), (d ), respektive. Återgivet med tillstånd från American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 9
Figur 9:. Erhållen diffusionskoefficienter experimentellt erhållna makroskopisk translationell diffusion koefficienter D makro. Standardavvikelsen för flera mätningar med hjälp av individuella prover från samma parti visas. Den mikroskopiska translationell diffusionskoefficienten D makro av IPSL anges som en streckad linje för jämförelse med en uppskattning av osäkerheten i fastställandet av rotationskorrelationstiden i spektrala simuleringar, anges som prickade linjer 16. Återgivet med tillstånd från American Chemical Society 16. Pleas klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollet medger övervakning av diffusionen av paramagnetiska gästmolekyler. En 1d avbildningsteknik har valts eftersom den möjliggör en högre tidsupplösning jämfört med 2d eller 3d avbildning. Den 1d tillvägagångssätt kräver en konstant tvärsektionsarea av provet på grund av att intensiteten hos den erhållna 1d bilden beror inte bara på koncentrationen utan också på tvärsnittsarean av provet. Metoden kräver också att den EPR-spektra för spinnsonderna inom proven bara ändra i intensitet, men inte i form. Annars mer tidskrävande spektral-spatial avbildning måste användas, vilket ligger utanför ramen för detta protokoll. Metoden är också begränsad till system där D makro ligger mellan 10 -12 m 2 / sek och 7 · 10 -9 m 2 / sek om provet observeras i ett område mellan 1 mm och 1 cm i längd och över tidsperioder mellan 1 timme och 72 timmar 16.

enven om UKON1-GEL och silikagel har syntetiserats i ett provrör, på prover kontrakt under processen. Detta skapar ett mellanrum mellan aerogelen och väggen av provröret, som förbjuder en 1d avbildningsteknik för att övervaka diffusion. Denna komplikation har lösts genom att sätta aerogelen inuti värmekrympslang. Prover som inte har egenskaper en spalt mellan aerogelen och provröret kan mätas direkt. 2d imaging experiment fungerar som ett kontrollförsök för att kontrollera om en spin-sond som är utanför värmekrympslang på grund av läckage. 2D-bilden kan rekonstrueras med den filtrerade bakprojektion algoritm som genomförs i spektrometern programvara. I detta protokoll emellertid användningen av en iterativ algoritm 20, som är mer robust i bullriga förhållanden, föreslås.

I tidigare arbeten 10-15,17 som använder EPR imaging att studera diffusion, är det initiala tillståndet av experimentet noggrant förbereddaatt initialt har en viss mängd av spin-sonder i ett så litet område som möjligt och med ett helt isolerade prov. För den metod som beskrivs i detta protokoll, är inte kritisk ursprungliga distributionen av spin-sonder, så länge det är en del av provet som inledningsvis inte innehåller spin-sonder. Mängden av spin-sonder som kommer in den observerade en del av provet bestäms direkt genom mätning av diffusions-data. Data analysprogram implementerar den metod som beskrivs i tidigare arbeten 16. Medan spektrometern Programmet innehåller alla de funktioner som krävs för att utföra förbehandlings steg 8,2, har dessa åtgärder ingår i den medföljande dataanalys programvara. Detta gör det lättare att ändra och jämföra val av parametrar.

Vid anpassning protokollet för olika provsystem och utrustning, de spektroskopiska parametrar såsom skanningshastighet, module amplitud, modulation MERFREKVvitet och mikrovågseffekt behöver justeras enligt manualen av spektrometern, och även lutningen styrka och den tidsperiod under vilken diffusion observeras behöver omvärderas. Tidslängden under vilken diffusion observeras i steg 6,3 beror på D makro. Experimentet kan stoppas då ingen signifikant förändring av den 1d koncentrationsprofilen sker. Detta kan också ses i rådata innan avfaltning.

Det finns några kritiska punkter att observera när följa stegen i detta protokoll. De särskilda aerogel som används i detta protokoll kollaps och krympa irreversibelt när de torkar ut, så det är viktigt att hålla aerogel nedsänkta i lösningsmedel vid alla tidpunkter. Anledningen tryckkokaren är fylld med ytterligare lösningsmedel och en omrörarstav i 3,8 är att snabbt skapa ångtryck innan lösnings runt aerogelen avdunstar. När aerogel torka ut de avsevärt minska i diameter och längd och ett nytt prov måste förberedas. Kapillärröret tätningsmassa kan leda till en EPR signal om den är i direkt kontakt med lösningsmedlet och diffunderar in i resonatorn. Den luftbubbla mellan tätningsföreningen och lösningsmedlet i steg 5,1 skapar en barriär för att förhindra att detta händer.

Beroende på lösningsmedlet och geometri provet kan det vara svårt att uppnå en kritisk koppling under spektrometern sökningssteg. I så fall, rotera provet och försök igen, eller ta provet ut och kontrollera att aerogel och kapillärerna som innehåller lösningsmedlet är centrerade.

Under dataanalys i steg 8.2.8, kan den experimentellt bestämda tillströmningen av spinn etiketten avvika från passform. Om så är fallet och signalbrusförhållandet för dekonvolvering data otillräcklig, gör om steg 8.2.2 och 8.2.3 och öka bruseffekten parametern för att minska mängden brus på bekostnad av rumsligaupplösning. Om signalbrusförhållandet är inte problemet, göra om steg 8.2.4 till 8.2.8 för att markera vilken region D makro beräknas och se till att de experimentella data samt passningen i mitten panel på fliken spinnsonden tillströmning är en linje genom origo, som visas i figur 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

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