Monitoreo in situ de la difusión de las moléculas huéspedes en medios porosos Usando Resonancia paramagnética de electrones

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

Los materiales porosos desempeñan un papel importante en aplicaciones prácticas, tales como la catálisis y la cromatografía 1. Mediante la adición de grupos de superficie y el ajuste de las propiedades de tamaño de poro y de la superficie, los materiales se pueden adaptar a la aplicación deseada 2,3. La funcionalidad del material poroso depende fundamentalmente de las propiedades de difusión de las moléculas huésped en el interior de los poros. En los materiales porosos, una distinción debe hacerse entre lo microscópico de traslación constante de difusión D micro, que describe la difusión en una escala de longitud molecular por un lado y lo macroscópico de traslación constante de difusión D macro por otra parte, que está influenciada por la difusión a través de múltiples poros, límites de grano, tortuosidad y falta de homogeneidad del material.

Hay varios métodos de resonancia magnética disponible para estudiar la difusión, cada uno adecuado para una parteicular escala de longitud. En la escala de milímetros, de resonancia magnética nuclear (RMN) de formación de imágenes de resonancia 4 y paramagnética electrónica (EPR) de formación de imágenes (tal como se presenta en este protocolo) se puede utilizar. Escalas más pequeñas se hacen accesibles mediante el uso de gradientes de campo pulsado en RMN, así como experimentos de EPR 5,6. En la escala de nanómetros, espectroscopia EPR puede ser utilizado por la observación de cambios de la interacción de intercambio Heisenberg entre las sondas de espín 7,8. Los estudios de difusión traslacional utilizando la gama de imágenes EPR de catalizador industrial apoye, por ejemplo, óxido de aluminio 9, a anisotrópico fluidos 10,11, sistemas de liberación de fármacos hechos de geles de polímero de 12 - 14 y 15 membranas modelo.

Este protocolo presenta un enfoque in situ utilizando imágenes de EPR para controlar la difusión de traslación macroscópica de sondas de espín en cilíndrico, medios porosos. Se demuestra por un sistema hospedador-huésped que consiste en THsonda de correo nitróxido giro 3- (2-yodoacetamido) 2,2,5,5-tetrametil-1-pirrolidiniloxi (IPSL) como invitado en el interior del organosilica mesoporosa periódica (PMO) aerogel UKON1-GEL como anfitrión y etanol como solvente. Este protocolo con éxito ha sido utilizado anteriormente 16 para comparar D macro tal como se determina con imágenes EPR con D micro para el material de relleno UKON1-gel y gel de sílice y IPSL especies de huéspedes y Tris (8-carboxi-2,2,6,6-tetrametil-perdeutero-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) ditiol) metilo (tritilo), véase la Figura 1.

En otros métodos basados ​​en imágenes de onda continua (CW) 17 EPR, la difusión se lleva a cabo fuera del espectrómetro. En contraste, el método presentado aquí utiliza un enfoque in situ. Una serie de instantáneas de la distribución de la densidad ρ 1d 1d giro (t, γ) esregistrada durante un período de varias horas. Durante este tiempo, una instantánea se toma después de la otra y entrega un patrón de difusión en tiempo real con una resolución de tiempo de aproximadamente 5 min.

UKON1-GEL y de gel de sílice se han sintetizado en tubos de muestra con un diámetro interior de 3 mm como se describe en la literatura. 16,18,19 El UKON1-GEL y la síntesis de gel de sílice conduce a una reducción de la muestra. Las muestras se colocan dentro de un tubo termo-retráctil para evitar que las moléculas huésped se mueva entre el aerogel y la pared del tubo de muestra. Este paso adicional no es necesario para las muestras que se pueden sintetizar directamente en el tubo de la muestra sin cambiar su tamaño. El colapso muestras de aerogel cuando se secan, por lo que deben ser sumergidos en un disolvente en todo momento. La temperatura que se necesita para el tubo de contracción de calor es mayor que el punto de ebullición del etanol a presión ambiente. Por lo tanto el protocolo describe el uso de una olla a presión para elevar lapunto de ebullición del etanol.

El protocolo abarca la preparación de la muestra de UKON1-GEL sintetizado de antemano para el experimento de formación de imágenes EPR y los ajustes del espectrómetro que se utilizan para controlar la difusión de sonda de giro IPSL. Para el análisis de datos, se proporciona software escrito localmente y su uso se describe. Los datos en bruto desde el espectrómetro se pueden cargar directamente. El software calcula el espacial 1d 1d ρ distribución de la densidad de giro (t, γ) y tiene en cuenta el perfil de sensibilidad resonador. El usuario puede seleccionar una región del aerogel y una ventana de tiempo, durante el cual la constante de difusión ha de ser determinado. Entonces, el programa determina las condiciones de contorno de la ecuación de difusión en base a que la selección y resuelve la ecuación de difusión. Es compatible con por lo menos para formar cuadrados para encontrar el valor de la macro D, donde la solución numérica mejor se ajuste a los datos experimentales.

1d ρ (t, γ) da acceso directo a la concentración y no se ve influenciada por un cambio en la sección transversal de la muestra. El rango de valores accesibles para D macro se estima que el 16 entre 10 -12 m 2 / seg y 7 · 10 -9 m 2 / seg.

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Protocol

Precaución: Por favor, consulte a todas las hojas de datos de seguridad de materiales pertinentes (MSDS) antes de usar. El etanol es dañino si se ingieren o inhalan y es inflamable.

1. Optimizar la ola (CW) Parámetros EPR continuas

  1. Preparar 40 l de etanol en IPSL (PA) a una concentración de 1 mM.
  2. Tomar un controlador de pipeta y llenar un capilar con la solución IPSL a una altura de llenado de 2 cm. Tirar de la solución de 1 cm más allá en el capilar de modo que hay un espacio de aire por debajo de la solución. Sellar el capilar en ambos extremos con tubo capilar compuesto de sellado. El espacio de aire evita la difusión de los componentes del compuesto de sellado en la muestra.
  3. Envolver dos tiras de politetrafluoroetileno (PTFE) de cinta de aproximadamente 5 cm de longitud alrededor del capilar a una distancia de 1 cm desde el extremo superior e inferior del capilar.
  4. Poner el capilar en un tubo de muestra EPR (4 mm de diámetro interno). Asegúrese de que la cinta de PTFE mantiene el capilarfijado en el eje central del tubo de muestra. Empuje el capilar hasta la parte inferior del tubo de muestra.
  5. Ponga la muestra en el resonador y el centro de la solución marcador de espín dentro del resonador.
  6. Sintonizar el espectrómetro para el acoplamiento crítico siguiendo las instrucciones del manual del espectrómetro.
  7. Ajustes del espectrómetro preliminares
    1. Utilice la frecuencia de microondas para establecer el campo centro B utilizando la fórmula
      Ecuación 1
      donde g ≈ 2.003 es una estimación aproximada para el factor g del radical no apareado en el marcador de espín de nitróxido, h es la constante de Planck y Mu B es el magneton Bohr.
    2. Establecer un nuevo experimento "field_sweep" con el campo magnético como abscisa y la intensidad de la señal en ordenadas. Utilice los siguientes parámetros: Centerfield que la calculada en el paso anterior, anchura de barrido: 400 G, modulatide la amplitud: 0,8 G, modulación de frecuencia: 100 kHz, microondas atenuación: 30 dB, el número de puntos: 2.048, número de exploraciones: 1, tiempo de exploración: 80 seg, constante de tiempo: 50 ms.
    3. Activar el modo de Ajuste de escaneo. Para la instalación de la equidistancia, seleccione el valor más bajo que ofrece el espectrómetro. Ajustar la ganancia del receptor a un valor en el que la señal mostrada llena 80% del rango de intensidad que se muestra, de modo que incluso con el ruido ningún punto de datos tiene una intensidad mayor que 80% del máximo. Desactivar Ajuste de escaneo después.
    4. Presione el botón "Ejecutar".
    5. Leer el valor del campo del cruce por cero de la pico central a partir del espectro obtenido. Establecer el campo central a ese valor.
    6. Tome la herramienta de línea horizontal y se mide la anchura del espectro desde el punto en el pico más a la izquierda comienza a elevarse por encima del nivel basal hasta el punto de que los picos de más a la derecha vuelve al nivel basal.
    7. Ajuste el ancho de barrido de tres veces el ancho espectro.
  8. Volver a calcular los parámetros del espectrómetro
    1. Calcular el tiempo de barrido: Barrido de velocidad de ancho / barrido. Utilice una velocidad de barrido de 5 g / seg.
    2. Calcular el número mínimo de puntos de datos: 10 * anchura de barrido ancho / línea.
    3. Calcular el tiempo de conversión: tiempo de barrido / número de puntos de datos.
    4. Calcular la constante de tiempo: 0,1 * * ancho de la línea de tiempo de exploración / anchura de barrido.
  9. Medir una curva de saturación para determinar el óptimo de energía de microondas
    1. Ajuste la atenuación de microondas a 10 dB y ajustar la ganancia del receptor como se describe en el paso 1.7.3.
    2. Ajuste la atenuación de microondas a 50 dB y registrar un espectro. Si la relación señal a ruido es menor que 5: 1, aumentar el número de exploraciones. Repita este paso hasta que la relación señal a ruido es 5: 1 o mayor.
    3. Crear un nuevo experimento de "saturación" usando el campo magnético como abscisa 1, la potencia de microondas como abscisa 2 y la intensidad de la señal en ordenadas. Copiar todos los ajustes de The experimento "field_sweep" desde el paso 1.9.2. Para abscisa 2, establecer el valor inicial de la atenuación de microondas a 10 dB, el valor de incremento de 1 dB y el número de puntos a 41 para cubrir un rango de 10 dB a 50 dB. Ejecutar el experimento.
    4. Crear una hoja de cálculo de la curva de saturación. Insertar la atenuación de microondas en dB en la primera columna.
    5. Calcula la raíz cuadrada de la potencia de microondas en au en la segunda columna con la fórmula
      Ecuación 2
      donde x es la atenuación de microondas en dB de la primera columna.
    6. Utilice el software del espectrómetro para medir la intensidad de pico a pico de la línea espectral central para cada una atenuación de microondas en el experimento. Escribe que la intensidad en la tercera columna en la hoja de cálculo.
    7. Trazar la raíz cuadrada de la potencia de microondas contra el pico de intensidad máxima (columna 3 frente a la columna 2) para obtener la curva de saturación. incluDE El origen (0,0) en la trama.
    8. Identificar el régimen lineal de la curva de saturación. La potencia de microondas óptima es la más alta potencia de microondas que está todavía en el régimen lineal. Utilice el ajuste de atenuación correspondiente para todos los experimentos posteriores.

2. Determinar la intensidad de campo de gradiente magnético y la resolución temporal

  1. Crear un nuevo experimento en el software espectrómetro con el campo magnético como abscisa 1 y la intensidad de la señal en ordenadas. Habilitar los controles bobina de gradiente.
  2. Copiar todos los ajustes del espectrómetro del experimento anterior como se indica en 1.8 y 1.9.8.
  3. Establecer la fuerza gradiente de campo magnético a 170 G / cm en la dirección del eje de la muestra que señalan hacia arriba.
  4. Calcular la anchura de barrido SW = sw 0 + FOV · G, donde sw 0 es la anchura de barrido determinado en 1.8.4, en ausencia de un gradiente de campo magnético,FOV es el campo de visión (2.5 cm) y G es la fuerza de gradiente de campo magnético.
  5. Calcular el estimado pixel size = ancho de línea / G, usando el ancho de línea del espectro registrado en 1.9.3, en ausencia de un gradiente de campo magnético.
  6. Calcular la velocidad de barrido tiempo = sw / barrido. Utilice la misma velocidad de barrido como en 1.8.1.
  7. Calcular el número mínimo de puntos de datos deseado con el valor más alto de
    i. N 1 = 10 * anchura de barrido / ancho de línea
    ii. N 2 = 10 * campo de visión (G * tamaño de píxel) /.
  8. Calcular el tiempo de conversión: tiempo de barrido / número de puntos de datos.
  9. Calcular la constante de tiempo: 0,1 * ancho de línea * tiempo de exploración ancho / barrido o inferior.
  10. Establecer los parámetros calculados en 2.3 a través 2.9 y pulse el botón "Ejecutar".
  11. Medir el nivel de ruido de la línea de base, así como la intensidad de pico a picode la línea central con la herramienta de línea vertical. Calcular la relación señal a ruido.
  12. Si la relación señal a ruido es inferior a 5: 1, el doble del número de exploraciones en el panel de "exploración" de los parámetros del espectrómetro y repita los pasos 2.1.3 a través de 2.11.

3. Preparar la Muestra

Precaución: Use gafas de seguridad.

Nota: Mantenga el aerogel completamente sumergida en el disolvente en todo momento. Vea la Figura 2 para una fotografía y esquemática.

  1. Llene una placa de Petri de 10 cm de diámetro con etanol (PA) hasta una altura de 5 mm.
  2. Ponga el aerogel en la placa de Petri y cortar una pieza cilíndrica de 5 mm a 1 cm de longitud.
  3. Preparar un pedazo de tubo de contracción por calor que es de alrededor de 1 cm más largo que el cilindro de aerogel.
  4. Utilice un cortador de tubo de vidrio para romper un tubo de muestra de 2 mm de diámetro interior para crear dos piezas de longitud 4 cm. Ambas piezas deben tener dos extremos abiertos.
  5. Inserte una de las piezas de tubo de la muestra 5 mm de profundidad en un extremo de la tubería del encogimiento del calor. Utilice una pistola de calor para calentar cuidadosamente este extremo de la tubería del encogimiento del calor sin encoger el resto de la tubería. El tubo termorretráctil ahora debe fijarse en el tubo de vidrio.
    1. Sumergir esta combinación de tubo de vidrio y tubo de contracción por calor en la placa de Petri del aerogel. Empuje con cuidado la pieza de aerogel desde el paso 3.2 en el extremo abierto del tubo de contracción por calor.
  6. Llenar un tubo de ensayo con etanol (PA) hasta una altura de 7 cm. Transferir la muestra a partir de la placa de Petri en el tubo de ensayo. Al hacerlo, asegúrese de que el extremo abierto del tubo termorretráctil se orienta a la parte superior. Asegúrese de que el aerogel está completamente sumergido en etanol.
  7. Inserte la segunda pieza de 4 cm de largotubo de la muestra de la etapa 3.4 en el extremo abierto del tubo de contracción por calor. No aplique una fuerza, la gravedad debería ser suficiente para cerrar las brechas entre el aerogel y las piezas de tubo de muestra. Poner el tubo de ensayo con la muestra en un vaso de precipitados.
  8. Llene una olla a presión con al menos 500 ml de etanol y añadir una barra de agitación.
  9. Colocar el vaso que contiene la muestra sobre un salvamanteles el interior de la olla a presión.
    Precaución: Realice el siguiente paso bajo una campana de humos y continuar usar gafas de seguridad.
  10. Cocine y revuelva las muestras a un ajuste de presión de 1 bar por encima de la presión ambiente en el agitador magnético. La temperatura debe alcanzar al menos 90 ° C. Dejar enfriar tan pronto como se alcanza la presión y el vapor de etanol comunicados de válvula de presión. Si el tubo de contracción por calor no se redujo, repita este paso.
    Nota: Inmediatamente limpiar la olla a presión con agua para minimizar el efecto del etanol sobre las válvulas de sellado. En este punto, la muestra preparada puede almacenarse en etanol para sevemeses RAL.

4. Preparar el espectrómetro

  1. Crear un experimento 2D usando el campo magnético como abscisa 1, el tiempo como abscisas 2 y intensidad de la señal como la ordenada, de modo que un barrido de campo magnético se registra para cada paso de tiempo. Habilitar los controles bobina de gradiente.
  2. Ajuste el retardo de tiempo entre medidas a cero. Establecer los otros parámetros como se determina en el apartado 2. Definir el número de puntos para el eje de tiempo de 20 horas / tiempo de barrido. Ajuste el puente de microondas para realizar un ajuste fino después de cada escaneo rebanada.
  3. Siga los pasos en la sección 1.7 para sintonizar el espectrómetro al resonador vacío.

5. Preparar la muestra para la medición

Nota: El único momento en pasos críticos de este protocolo son 5.3 a través de 6.2, que es desde el principio del proceso de difusión con la adición de la etiqueta de giro hasta el momento de la adquisición de datos en el espectrómetro comienza. Realice estos pasos sin introducircualquier retraso.

  1. Poner un dedo en la parte superior de la muestra de la sección 3 para mantener la solución de etanol fluya hacia fuera en la parte inferior. A continuación, utilice una jeringa para eliminar algo de etanol a partir de la parte inferior 5 mm del tubo de muestra más bajo y sellar ese fin con masa de obturación del tubo. Asegúrese de que hay una burbuja de aire de 2 mm de altura por encima de la masa de relleno.
  2. Eliminar todo el etanol a partir del tubo de muestra por encima del aerogel a excepción de 3 mm justo por encima del aerogel con una pipeta capilar Pasteur.
  3. Inyectar 20 l de solución de marcador de espín en etanol en la parte superior del aerogel. Asegúrese de no crear una burbuja de aire en la parte superior del aerogel. Marcar la hora actual como inicio del proceso de difusión.
  4. Colocar la muestra en un tubo de muestra con 4 mm de diámetro interior. Utilice cinta de PTFE para centrar la muestra.
  5. Utilice un rotulador para marcar el tubo de muestra exterior en una posición de 68 mm por encima del borde superior del aerogel. Esto ayuda a centrar correctamente la muestra en el resonador y pone el cintroducir del resonador 1 mm por debajo del borde superior de la aerogel.

6. Realizar el experimento de difusión

  1. Colocar la muestra en el resonador de forma que la marca de 5,5 se alinea con la parte superior del soporte de PTFE del resonador y sintonizar el espectrómetro para el acoplamiento crítico como se describe en el manual de operación del espectrómetro.
  2. Utilice el modo de exploración de configuración para ajustar la ganancia del receptor como se describe en 1.7.3, mientras que las bobinas de gradiente todavía están apagados.
  3. Iniciar el experimento que se ha establecido en el apartado 4. Anotar la hora actual. Espere 20 hr para el experimento para terminar o detener el experimento, cuando la señal grabada no cambia en el transcurso de 4 horas o más. Guardar el resultado.

7. Realizar Experimentos adicionales necesarios para el análisis de datos

Nota: Llevar a cabo los experimentos en los apartados 7.1 y 7.2 con la misma muestra directamente después del experimento de difusión y sin moving la muestra.

  1. Registre la función de dispersión de punto de deconvolución
    1. Cambiar al experimento de campo "barrido" de la etapa 1.7.2. Copiar todos los ajustes del experimento en el paso 6.
    2. Registrar un espectro y medir la relación señal a ruido. Si es menos de 20: 1, aumentar el número de exploraciones y repetir este paso. De lo contrario guardar el espectro.
  2. Realizar un experimento de imágenes 2d
    1. Crear un nuevo experimento en el espectrómetro con el campo magnético como abscisa 1, el ángulo de la gradiente de campo magnético como abscisa 2 y la intensidad de la señal en ordenadas. Copiar los parámetros desde el paso 6. Ajuste el plano de la imagen con respecto al plano YZ, que es el plano que incluye la dirección del campo magnético estático B 0 y el eje de la muestra.
    2. Establecer el número de ángulos N de la dirección del gradiente de tamaño de píxel N = FOV / deseada o superior.
    3. Iniciar la medición y guardar el resultado.
    4. Repita THe pasos en 7.1 y guardar el resultado.
  3. Medir el perfil de sensibilidad del resonador
    1. Preparar otra muestra de la sonda de espín en solución repitiendo los pasos 1.1 a 1.5, pero esta vez añadir 4 cm de la solución en el capilar en lugar de 2 cm.
    2. Siga los pasos en la sección 2 para registrar un espectro de la muestra con un gradiente de campo magnético en la dirección del eje de la muestra. Para el paso 2.3, utilizar un campo de visión de 3 cm. Guardar el resultado.
    3. Repita la medición en ausencia de la gradiente de campo magnético y guardar el resultado.

Análisis de datos 8.

  1. Reconstruir el experimento de imágenes 2d
    1. Cargar el experimento de imágenes 2D a partir de 7.2.3 en la ventana principal del software del espectrómetro.
    2. Cargar el experimento a partir de 7.2.4 en la ventana secundaria del software del espectrómetro.
    3. Ir a la producción> Transformaciones> Deconvolución, seleccionar la rebanada: todo y haz clickaplicará a realizar una deconvolución.
    4. Guardar los datos en el disco deconvolved.
    5. Utilice el software de reconstrucción de imágenes de libre acceso 20 con el siguiente comando: reconstruir --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 256 --size
    6. Cargan el resultado de 8.1.5 en el software del espectrómetro para su posterior consulta.
  2. Analizar el Experimento de Difusión de grabación
    1. Ejecutar el software de análisis de datos y vaya a la pestaña "carga" del software se muestra en la Figura 3. Cargar el experimento de difusión desde el paso 6.3 en "experimento de difusión". Cargar la función de dispersión correspondiente de la etapa 7.1.2 bajo "experimento de difusión w / o degradado". Cargar el resultado del paso 7.3.2 bajo "experimento perfil resonador" y el resultado del paso 7.3.3 bajo "perfil exp resonador w / o degradado".
    2. Ir a la pestaña de sensibilidad resonador se muestra en la Figura 4
    3. Ir a la pestaña perfil de densidad giro 1d se muestra en la Figura 5 con el fin de deconvoluir cada barrido de campo registrado en 6.2 utilizando el experimento de 7.1 como función de dispersión. Disminuir el valor de la potencia de ruido hasta que el resultado no es claro, entonces elevarlo hasta que el ruido desaparece.
    4. Cambie a la pestaña área de recorte se muestra en la Figura 6. Seleccione un área del mapa térmico de difusión que se encuentra completamente dentro del aerogel y donde sonda de giro está a punto de entrar desde arriba en el primer paso del tiempo esa zona. En caso de duda, cargar la imagen reconstruida a partir de 8.1.6 en el software del espectrómetro para ayudar a identificar la posición exacta del aerogel.
    5. Aumentar el área del paso 8.2 en la dirección descendente de la muestra de modo que no hay problema de centrifugadoe alcanza el límite inferior de la zona dentro del tiempo del experimento. Vea la Figura 6 para referencia.
    6. Cambie a la pestaña afluencia se muestra en la Figura 7 y ajuste a presión. El panel de la izquierda muestra la integral de la región recortada desde 8.2.5 lo largo del eje de posición.
    7. Compruebe que la curva que se muestra en el panel central comienza en cero e inmediatamente comienza a subir. Si ese no es el caso, volver a 8.2.5.
    8. Compruebe que la línea roja se muestra en el panel central sigue los puntos de datos de color negro.
  3. Simular la concentración de la vuelta 1d con el tiempo y Ajustar el coeficiente de difusión
    1. Cambie a la pestaña coeficiente de difusión y de ajuste a presión.
    2. Espere a que los resultados del cálculo.
    3. Verificar que los datos experimentales que se muestran a la izquierda coinciden con los datos numéricos que se muestran a la derecha.
    4. Leer el valor del coeficiente de difusión de traslación macroscópica D macro que es displayEd en la pantalla.

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Representative Results

Una foto y esquemática de un aerogel dentro del tubo de contracción se muestran en las Figuras 2a y 2b. La imagen de EPR 2d en la figura 2c muestra claramente el borde superior del aerogel. La intensidad de 1d ρ dentro del tubo de muestra por encima de la aerogel es menor aunque la concentración de la sonda de giro es al menos tan alta como en el aerogel. Sin embargo, la profundidad de la muestra perpendicular al plano del cuadro es mucho menor debido al diámetro interior más pequeño del tubo de muestra. Tenga en cuenta que la imagen EPR también muestra ninguna burbuja de aire en el tubo de muestra y no parece tener el aerogel cualquier fisura introducidas durante la contracción del tubo de contracción.

La figura 8a muestra un mapa térmico de difusión de tritilo en UKON1-GEL. La figura 8c muestra los mismos datos para IPSL en UKON1-GEL. Figuress 8b 8d muestran las soluciones numéricas para las ecuaciones de difusión que coinciden con los datos experimentales de (a) y (c), respectivamente. Cada rebanada vertical del mapa de calor muestra el perfil de concentración de la sonda de giro en un punto fijo en el tiempo. Al comienzo del experimento las sondas de espín se concentran en la parte superior de la muestra. A medida que aumenta el tiempo, que se propagan a través de la muestra mientras que las nuevas sondas de espín entran por la parte superior. Los mapas de calor muestran cualitativamente que la difusión traslacional macroscópica de tritilo es significativamente más lenta que la difusión traslacional macroscópica de IPSL. Esto es de esperarse ya que es más grande que tritilo IPSL y el sistema de poros y disolvente son los mismos.

Los coeficientes de difusión de traslación macroscópica para tritilo y IPSL en UKON1-GEL y de gel de sílice se muestran en la Figura 9. Para la comparación, la Figura 9 tambiénmuestra el coeficiente de difusión de traslación microscópico para IPSL en etanol a 2,1 · 10 -10 m 2 / seg, que se ha derivado mediante el ajuste de la forma de la línea espectral de la etapa 7.1.2 usando software 21 para determinar el tiempo de correlación rotacional como se ha descrito en una anterior el artículo 16. El análisis cuantitativo de D macro muestra difusión más lenta para la molécula de tritilo mayor en comparación con IPSL. Una comparación entre UKON1-GEL y gel de sílice muestra valores muy similares para D macro. Esto se esperaba, ya que la estructura de poro de los aerogeles es similar y la interacción entre las sondas de espín y los grupos de superficie presentes en UKON1-GEL no es lo suficientemente fuerte como para influir significativamente D macro. La adición de glicerol al disolvente aumenta la viscosidad y muestra una disminución adicional del coeficiente de difusión para tritilo. Los experimentos de tritilo en UKON1-GEL y gel de sílice tienen been repite con muestras del mismo lote. Las barras de error muestran la desviación estándar de D macro.

Figura 1
Figura 1:. Las fórmulas estructurales de sondas de espín La fórmula estructural de (a) la sonda tritilo giro y (b) la sonda IPSL. Reproducido con permiso de la American Chemical Society 16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2:. Muestra preparada (a) Fotografía, (b) dibujo esquemático y la imagen de densidad giro 2d (c) 29 horas después de la inyección de THe sondas de espín en la parte superior del aerogel. Reproducido con permiso de la American Chemical Society 16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3:. Software de captura de pantalla de la carga de los datos de la figura se muestra la pantalla de carga del software utilizado para el análisis de datos (etapa 8.2.1). Cargar los datos siguientes, de izquierda a derecha: Los datos en bruto a partir del experimento de difusión (paso 6), correspondiente función de dispersión (paso 7.1), barrido de campo para un capilar relleno con sonda de giro en presencia de un gradiente de campo magnético a lo largo del eje de la muestra (7.3.2) y la función de dispersión correspondiente (paso 7.3.3). Por favor, haga clic aquípara ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4:. Determinación del perfil de sensibilidad resonador La figura muestra la pantalla de la sensibilidad resonador del software utilizado para el análisis de datos (etapa 8.2.2). A la izquierda, se muestra el barrido de campo para un capilar lleno con la sonda de giro registrado en presencia de un gradiente de campo magnético a lo largo del eje de la muestra (7.3.2) y en el medio que muestra la función de dispersión de punto correspondiente (paso 7.3. 3). A la derecha del perfil de sensibilidad del resonador lo largo del eje de la muestra se muestra como se determina por deconvolución utilizando la función de Matlab deconvreg con el parámetro de potencia de ruido indicada. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 5:. Los datos experimentales para la densidad de espín 1d dentro de la muestra La figura muestra la pantalla de perfil de densidad giro 1d del software utilizado para el análisis de datos (etapa 8.2.3). A la izquierda, muestra las intensidades del experimento de difusión (etapa 6) en unidades arbitrarias. Cada línea vertical corresponde a un punto en el tiempo y es la convolución de la forma de la línea espectral de la sonda de giro de tritilo y el perfil de densidad 1D giro, ponderado por el perfil de sensibilidad del resonador. La dirección del gradiente es a lo largo del eje de la muestra de abajo a arriba, de modo que los puntos más bajos en el espacio dan una señal en el campo magnético superior, y viceversa. La línea amarilla es creado por la parte superior de la muestra, en el que el tubo de la muestra toca el aerogel y el diámetro de la solución de sonda de giro saltos desde el diámetro interior del tubo de muestra con el diámetro más grande del aerogel. La línea azulestá formada por aquellas sondas de espín que han avanzado más lejos en el aerogel debido a la difusión. El panel del medio muestra la forma de la línea espectral de las sondas de espín que se utilizan para la deconvolución. El panel de la derecha muestra el color perfil de sensibilidad giro 1d codificada a lo largo del eje de la muestra en el tiempo, según lo determinado por deconvolución utilizando la función de Matlab deconvreg con el parámetro de potencia de ruido indicada para cada punto en el tiempo. El eje del campo magnético se ha convertido a una posición espacial del eje utilizando la fuerza de gradiente de campo magnético, donde los valores positivos corresponden a la parte superior de la muestra y los valores negativos corresponden a la parte inferior de la muestra. La parte superior del aerogel puede ser visto como una línea horizontal en alrededor de 3,5 mm. Por debajo de esta línea, la propagación de sondas de espín a través de la aerogel se puede considerar como una ampliación de la región amarilla en la dirección vertical conforme aumenta el tiempo. Por favor, haga clicaquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6: Recorte de la densidad de giro 1d a una región de interés La figura muestra el paso de la superficie de cultivo del software utilizado para el análisis de datos (etapa 8.2.4).. Se muestra la densidad de espín 1d desde el paso 8.2.3 en el lado izquierdo. Los datos se toma directamente del panel del lado derecho de la Figura 5 y se limita a la región donde el perfil de sensibilidad resonador es mayor que 10 por ciento de su valor máximo. El lado derecho muestra los mismos datos, pero recorta a la zona que el usuario ha seleccionado. El coeficiente de difusión será determinada solamente de esa zona. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

"Figura Figura 7: Determinar la tasa de afluencia de sondas de espín con el tiempo La figura muestra el paso afluencia sonda de giro del software utilizado para el análisis de datos (etapa 8.2.6).. Cada rebanada vertical en el panel de la izquierda es la función integral de la densidad de espín 1d con respecto a la posición de cada punto en el tiempo. Los valores negativos se han cambiado a cero. El panel central muestra la cantidad de vueltas dentro de la zona observada para cada punto en el tiempo como puntos de datos individuales y se determina por la fila superior del panel en el lado izquierdo. La línea roja es un ajuste exponencial de los datos. El panel de la derecha muestra la derivada de tiempo de los datos en el panel central y corresponde a la afluencia de sonda de giro en el tiempo. Para evitar el ruido introducido por la derivada numérica de los datos experimentales, la línea roja se ha calculado analíticamente de los parámetros de la ex ajuste exponencial del panel central y que se usa como condición de contorno para resolver la ecuación de difusión en la etapa 8.2.7.1. Normalmente no se necesita el panel en el lado izquierdo, pero puede utilizarse para verificar los datos intermedios utilizados por el software. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8
Figura 8:. Densidad de espín 1d con el tiempo medido experimentalmente 1d ρ (t, y) en unidades arbitrarias en UKON1-GEL para (a) tritilo y (c) las soluciones IPSL y soluciones numéricas de la ecuación de difusión en (b), (d ), respectivamente. Reproducido con permiso de la American Chemical Society 16./54335/54335fig8large.jpg "Target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9
Figura 9:. Se obtiene coeficientes de difusión obtenidos experimentalmente macroscópica difusión traslacional coeficientes D macro. Se muestra la desviación estándar de varias mediciones con muestras individuales de un mismo lote. El microscópica difusión traslacional coeficiente D macro de IPSL se indica como una línea discontinua para la comparación con una estimación de la incertidumbre de la determinación del tiempo de correlación rotacional en las simulaciones espectrales, se indica con líneas de puntos 16. Reproducido con permiso de la American Chemical Society 16. Please clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El protocolo permite la monitorización de la difusión de moléculas huésped paramagnéticas. Un enfoque de formación de imágenes 1D ha sido elegido debido a que permite una resolución de tiempo mayor en comparación con las imágenes 2D o 3D. El enfoque 1d requiere un área de sección transversal constante de la muestra debido a que la intensidad de la imagen 1d obtenido depende no sólo de la concentración sino también en el área de la sección transversal de la muestra. El método requiere también que los espectros EPR de las sondas de espín dentro de las muestras único cambio en intensidad, pero no en forma. De lo contrario consume más tiempo imágenes espectrales-espacial debe ser utilizado, que está fuera del alcance de este protocolo. El método también se limita a sistemas en los que D macro se encuentra entre 10 -12 m 2 / seg y 7 · 10 -9 m 2 / seg si se observa la muestra en un área entre 1 mm y 1 cm de longitud y durante períodos de tiempo entre 1 hr y 72 hr 16.

UNunque la UKON1-GEL y de gel de sílice se han sintetizado en un tubo de muestra, el contrato de muestras durante el proceso. Esto crea un espacio entre el aerogel y la pared del tubo de muestra, que prohíbe un enfoque de formación de imágenes 1d para controlar la difusión. Esta complicación ha sido resuelto por poner el aerogel en el interior de tubo de contracción por calor. Las muestras que no cuentan con un espacio entre el aerogel y el tubo de muestra se pueden medir directamente. El experimento de imágenes 2D sirve como un experimento de control para comprobar que la sonda de giro que se encuentra fuera del tubo de contracción por calor debido a una fuga. La imagen 2D puede ser reconstruido con el algoritmo de retroproyección filtrada que se implementa en el software del espectrómetro. En este protocolo sin embargo, el uso de un algoritmo iterativo 20, que es más robusto en condiciones de ruido, se sugiere.

En trabajos anteriores 10-15,17 que utilizan imágenes EPR para estudiar la difusión, el estado inicial del experimento se prepara cuidadosamentepara presentar inicialmente una cierta cantidad de sondas de espín en un área tan pequeña como sea posible y con una muestra completamente aislado. Para el método que se describe en este protocolo, la distribución inicial de las sondas de espín no es crítica, siempre que hay una parte de la muestra que inicialmente no contiene sondas de espín. La cantidad de sondas de espín que entra en la parte observada de la muestra se determina directamente a partir de la medición de los datos de difusión. El software de análisis de datos implementa el método que se describe en el trabajo previo 16. Mientras que el software espectrómetro incluye todas las funciones que se requieren para llevar a cabo los pasos de preprocesamiento en 8.2, estos pasos se han incluido en el software de análisis de datos proporcionados. Esto hace que sea más fácil cambiar y comparar la elección de los parámetros.

Al adaptar el protocolo para diferentes sistemas de muestreo y equipo, los parámetros espectroscópicos tales como la velocidad de exploración, modulación de amplitud, modulación Frecuy la rendición de necesidad de potencia de microondas se ajusta de acuerdo con el manual del espectrómetro, y también la fuerza del gradiente y el período de tiempo durante el cual se observa la difusión necesita ser reevaluado. La duración del tiempo durante el cual se observó la difusión en el paso 6.3 D depende de macro. El experimento se puede detener cuando se produce ningún cambio significativo de la concentración de perfil 1d. Esto también se puede ver en los datos sin procesar antes de deconvolución.

Hay algunos puntos críticos para observar al seguir los pasos de este protocolo. Los aerogeles particulares utilizados en este protocolo colapso irreversible y se contraen cuando se secan, lo que es crucial para mantener los aerogeles sumergidos en un disolvente en todo momento. La razón por la olla a presión se llena con disolvente adicional y una barra de agitación en 3,8 es crear rápidamente la presión de vapor antes de que el disolvente se evapore todo el aerogel. Cuando los aerogeles se secan reducen significativamente en diameter, la longitud, una muestra fresca deben estar preparados. El compuesto de sellado tubo capilar puede resultar en una señal de EPR si está en contacto directo con el disolvente y se difunde en el resonador. La burbuja de aire entre el compuesto de sellado y el disolvente en el paso 5.1 crea una barrera para evitar que esto suceda.

Dependiendo del disolvente y de la geometría de la muestra que puede ser difícil de lograr acoplamiento crítico durante el paso de sintonía espectrómetro. En ese caso, gire la muestra y vuelva a intentarlo, o tomar la muestra y compruebe que el aerogel y los capilares que contienen el disolvente se centran.

Durante el análisis de datos en el paso 8.2.8, la afluencia determinado experimentalmente del marcador de espín puede desviarse de la forma. Si ese es el caso y la relación señal a ruido de los datos deconvolved es insuficiente, vuelva a realizar los pasos 8.2.2 y 8.2.3 y aumentar el parámetro de potencia de ruido para reducir la cantidad de ruido a costa de espacialresolución. Si la relación señal-ruido no es el problema, vuelva a realizar los pasos 8.2.4 a través de 8.2.8 para volver a seleccionar la región de la que D macro se calcula y asegurarse de que los datos experimentales, así como el ajuste en el panel central de la pestaña afluencia sonda de giro es una línea que pasa por el origen, como se muestra en la Figura 7.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

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

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References

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