В Ситу Мониторинг Diffusion гостевых молекул в пористых средах с помощью электронного парамагнитного резонанса томография
Summary
A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.
Abstract
A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with nitroxide spin probe 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) as a guest inside the periodic mesoporous organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL as a host and ethanol as a solvent is used as an example to describe the protocol. Data is shown from a previous publication, where the protocol has been applied to both IPSL and Tris(8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo[1,2-d:4,5-d′]bis(1,3)dithiole) methyl (Trityl) as guest molecules and UKON1-GEL and SILICA-GEL as host systems.
A method is shown to prepare aerogel samples that cannot be synthesized directly in the sample tube for measurement due to a size change during synthesis. The aerogel is attached to sample tubes using heat shrink tubing and a pressure cooker to reach the necessary temperature without evaporating the solvent in the process. The method does not assume a clearly defined initial distribution of guest molecules at the start of the measurement. Instead, it requires a reservoir on top of the aerogel and experimentally determines the influx rate during data analysis.
The diffusion is monitored continually over a period of 20 hr by recording the 1d spin density profile within the sample. The spectrometer settings for the imaging experiment are described quantitatively. Data analysis software is provided to take the resonator sensitivity profile into account and to numerically solve the diffusion equation. The software determines the macroscopic translational diffusion coefficient by least square minimization of the difference between the experiment and the numerical solution of the diffusion equation.
Introduction
Пористые материалы играют важную роль в практических приложениях , таких как катализ и хроматография 1. Добавляя поверхностные группы и корректировки свойств размера пор и поверхности, материалы могут быть адаптированы к желаемому применения 2,3. Функциональность пористого материала существенно зависит от диффузии свойств молекул гостя внутри пор. В пористых материалах, различие должно быть сделано между микроскопическим диффузионной поступательной постоянной D микро-, который описывает диффузию по шкале молекулярной длины , с одной стороны , и макроскопического диффузии поступательная константа D макро с другой стороны, которая находится под влиянием диффузии через многочисленные поры, границы зерен, извитости и неоднородности материала.
Есть несколько методов магнитного резонанса, доступные для изучения диффузии, каждый из которых подходящие для частиicular масштаб длины. На миллиметровой шкале, может быть использован ядерный магнитный резонанс (ЯМР) томография 4 и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) визуализация (как это представлено в данном протоколе). Меньшие масштабы становятся доступными при использовании импульсных градиентов поля в ЯМР, а также ЭПР – экспериментах 5,6. В нанометровом масштабе, ЭПР – спектроскопии может быть использован путем наблюдения изменения обменного взаимодействия между Гейзенберга спиновых зондов 7,8. Исследования трансляционной диффузии с использованием ЭПР спектр изображений от промышленного катализатора поддерживает, например, оксид алюминия 9, к анизотропным жидкости 10,11, системы высвобождения лекарственного средства из полимерных гелей 12 – 14 и 15 модельных мембран.
Этот протокол представляет собой в месте подхода с использованием ЭПР визуализации для наблюдения макроскопического трансляционной диффузии спиновых зондов в цилиндрических, пористых сред. Показано для принимающей гостевой системы, состоящей из йе нитроксильного спинового зонда 3- (2-Iodoacetamido) -2,2,5,5-тетраметил-1-пирролидинилокси (ИПСЛ) в качестве гостя внутри периодической мезопористого organosilica (ОУП) аэрогель UKON1-Gel в качестве хост-компьютером и этанолом как растворитель. Этот протокол был успешно использован ранее 16 для сравнения D макрос как определено с изображениями ЭПР с D микро для хозяина материалов UKON1-GEL и силикагельной и гостевой вид ИПСЛ и трис (8-карбокси-2,2,6,6-perdeutero-тетраметил-бензо [1,2-д : 4,5-d '] бис (1,3) дитиол) метил (тритил), смотрите Рисунок 1.
В других методов , основанных на непрерывной волны (CW) ЭПР томографии 17, диффузия происходит за пределами спектрометра. В противоположность этому , метод , представленный здесь использует подход , в точке. Серия снимков с 1д распределения спиновой плотности р 1d (т, γ) являетсязаписан в течение нескольких часов. За это время один снимок берется за другой, и обеспечивает в реальном масштабе времени картина диффузии с временным разрешением около 5 мин.
UKON1-ГЕЛЬ и силикагелевой синтезированы в пробирок с внутренним диаметром 3 мм , как описано в литературе. 16,18,19 UKON1-ГЕЛЬ и синтез силикагелевой приводит к сужению образца. Образцы помещают внутри термоусадочные трубки, чтобы предотвратить гостевые молекулы от перемещения между аэрогелем и стенкой пробирки с образцом. Этот дополнительный шаг не требуется для образцов, которые могут быть синтезированы непосредственно в пробирку для образца без изменения их размера. Образцы аэрогеля коллапс, когда они высыхают, поэтому они должны быть погружены в растворитель во все времена. Температура, которая необходима для термоусадочной трубки выше, чем температура кипения этанола при атмосферном давлении. Следовательно, протокол описывает использование скороварке, чтобы поднятьтемпература кипения этанола.
Протокол охватывает пробоподготовки UKON1-GEL синтезированную заранее для ЭПР эксперимента визуализации и настройки спектрометрических, которые используются для контроля диффузии IPSL спинового зонда. Для анализа данных локально написано программное обеспечение предоставляется и его использование описано. Исходные данные спектрометра могут быть непосредственно загружены. Программа вычисляет пространственное распределение 1к спиновой плотности р 1г (т, у) и учитывает профиль чувствительности резонатора. Пользователь может выбрать область аэрогеля и окно времени, в течение которого коэффициент диффузии должен быть определен. Затем программное обеспечение определяет граничные условия уравнения диффузии на основе этого выбора и решает уравнение диффузии. Он поддерживает наименьших квадратов , чтобы найти значение D макро , где численное решение лучше всего соответствует экспериментальным данным.
<p clзад = "jove_content"> Протокол может быть использован с поправкой на различных гостевых и исходных материалов до тех пор , как площадь поперечного сечения образца не изменяется по всему образцу, то есть ρ 1d (т, γ) дает прямой доступ к концентрация и не оказывает влияния на изменение поперечного сечения образца. Диапазон доступных значений для D макро оценивается 16 от 10 -12 м 2 / сек и 7 · 10 -9 м 2 / сек.Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол позволяет осуществлять мониторинг диффузии парамагнитных молекул гостя. 1D-подход визуализации был выбран потому, что она позволяет более высоким временным разрешением по сравнению с 2D или 3D визуализации. 1d подход требует постоянной площадью поперечного сечения образца, так …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Prof. Peter Imming and Diana Müller for synthesis of the Trityl spin probe and Prof. Sebastian Polarz, Martin Wessig and Andreas Schachtschneider for the synthesis of the porous materials. Financial support by the DFG (DR 743/7-1) and within the SPP 1570 is gratefully acknowledged.
Materials
| 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, 3l 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 |
References
- Schüth, F., Sing, K. S. W., Weitkamp, J. . Handbook of Porous Solids. , (2002).
- Hoffmann, F., Cornelius, M., Morell, J., Fröba, M. Silica-Based Mesoporous Organic-Inorganic Hybrid Materials. Angew. Chem. Int. Edit. 45 (20), 3216-3251 (2006).
- 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).
- Le Bihan, D., Johansen-Berg, H. Diffusion MRI at 25: Exploring brain tissue structure and function. NeuroImage. 61 (2), 324-341 (2012).
- 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).
- Talmon, Y., et al. Molecular diffusion in porous media by PGS ESR. Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (23), 5998-6007 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Berliner, L. J., Fujii, H. EPR imaging of diffusional processes in biologically relevant polymers. J. Magn. Reson. 69 (1), 68-72 (1986).
- 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).
- Marek, A., Labský, J., Koňák, &. #. 2. 6. 8. ;., 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Spitzbarth, M., Drescher, M. Simultaneous iterative reconstruction technique software for spectral-spatial EPR imaging. J. Magn. Reson. 257, 79-88 (2015).
- Stoll, S., Schweiger, A. EasySpin, a comprehensive software package for spectral simulation and analysis in EPR. J. Magn. Reson. 178 (1), 42-55 (2006).
