ניטור באתרו של דיפוזיה של מולקולות צימרים נקבוביות מדיה באמצעות הדמית תהודה מגנטית אלקטרונית
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
חומרים נקבוביים לשחק תפקיד מרכזי יישומים מעשיים כגון קטליזה כרומטוגרפיה 1. על ידי הוספת קבוצות משטח והתאמת מאפייני גודל משטח הנקבוביות, החומרים ניתן להתאים את היישום הרצוי 2,3. הפונקציונליות של חומר נקבובי תלוי באופן מכריע על המאפיינים דיפוזיה של מולקולות אורח בתוך הנקבוביות. חומרים נקבוביים, הבחנה צריכה להיעשות בין המיקרו D הדיפוזיה translational המיקרוסקופי, אשר מתאר דיפוזיה בסולם אורך מולקולרי מחד ואת המאקרו D הדיפוזיה translational מקרוסקופית מצד השני, אשר מושפע דיפוזיה דרך הנקבוביות מרובות, גבולות תבואה, tortuosity ו הומגניות של החומר.
ישנן מספר שיטות תהודה המגנטית זמינות ללמוד דיפוזיה, כל מתאים חלקבקנה מידה אורך icular. על הסקאלה המילימטר, תהודה מגנטית גרעינית (NMR) הדמיה 4 ו תהודה מגנטית אלקטרוני (EPR) הדמיה (כפי שהוצג בפרוטוקול זה) יכול לשמש. הקשקשים קטנים הופכים נגישים על ידי השימוש הדרגתי שדה פעם ב NMR וכן ניסויי EPR 5,6. על בקנה מידה ננומטרי, ספקטרוסקופיה EPR יכול להיות בשימוש על ידי התבוננות שינויים של אינטראקציה החליפין הייזנברג בין בדיקות ספין 7,8. מחקרים של דיפוזיה translational באמצעות מגוון הדמיה EPR מ זרז תעשייתי תומך, למשל, תחמוצת 9 אלומיניום, כדי איזוטרופי נוזלים 10,11, מערכות שחרור התרופה עשוי ג'ל פולימר 12 – 14 ודגם ממברנות 15.
פרוטוקול זה מציג בגישה באתרו באמצעות הדמיה EPR לפקח דיפוזיה translational מקרוסקופית של בדיקות ספין גלילי, בתווך נקבובי. זה מודגם על מערכת מארחת-אורח המורכב הדואר ספין nitroxide חללית 3- (2-Iodoacetamido) -2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) כאורח בתוך organosilica mesoporous התקופתי (PMO) airgel UKON1-GEL כמארח ואתנול כמו מֵמֵס. פרוטוקול זה בהצלחה כבר בשימוש 16 בעבר להשוות מאקרו D כפי שנקבע עם הדמיה EPR עם מיקרו D עבור החומרים מארח UKON1-GEL וסיליקה-GEL ו IPSL מינים אירוח טריס (8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo [1,2-D : 4,5-D '] bis (1,3) dithiole מתיל) (Trityl), ראה איור 1.
בשיטות אחרות המבוססות על הגל רציף (CW) EPR הדמיה 17, דיפוזיה מתרחשת מחוץ ספקטרומטר. לעומת זאת, השיטה המוצגת כאן משתמשת בגישה באתרו. סדרת תמונות של 1D ρ הפצת צפיפות ספין 1D (t, γ) היאנרשם על פני תקופה של מספר שעות. במהלך תקופה זו, תמונת מצב אחד הוא נלקח אחרת ומספקת דפוס דיפוזיה בזמן אמת עם רזולוצית זמן של כ 5 דקות.
UKON1-GEL וסיליקה-GEL כבר מסונתזים דוגמיות בקוטר פנימי של 3 מ"מ כמתואר בספרות. 16,18,19 סינתזת UKON1-GEL וסיליקה-GEL מובילה בהתכווצות המדגמת. הדגימות ממוקמות בתוך צינור לכווץ למנוע מולקולות אורחים נעו בין airgel לבין הקיר של הצינור המדגם. צעד נוסף זה אינו הכרחי עבור דגימות שניתן מסונתז ישירות בצינור מדגם מבלי לשנות את הגודל שלהם. קריסת דגימות airgel כאשר הם מתייבשים, ולכן הם חייבים להיות שקועים בתוך ממס בכל העת. הטמפרטורה מה שצריך עבור צינורות החום להתכווץ היא גבוהה יותר מאשר נקודת הרתיחה של אתנול בלחץ הסביבה. לכן הפרוטוקול מתאר את השימוש בסיר לחץ להעלות את נקודת רתיחה של אתנול.
הפרוטוקול מכסה את הכנת המדגם של-GEL UKON1 המסונתז מראש לצורך ניסוי הדמית EPR ואת ההגדרות ספקטרומטר המשמשות לניטור דיפוזיה של חללית ספין IPSL. לניתוח נתונים, תוכנות שנכתבו מקומית מסופקות והשימוש בו מתואר. הנתונים הגולמיים מן ספקטרומטר ניתן לטעון ישירות. התוכנה מחשבת את הפריסה המרחבית 1D ספין צפיפות ρ 1D (t, γ) ולוקחת בחשבון את פרופיל רגישות מהוד. המשתמש יכול לבחור אזור של airgel וחלון זמן, שעליו הדיפוזיה הוא שיקבע. התוכנה ואז קובעת את תנאי הגבול של משוואת הדיפוזיה מבוסס על כי הבחירה פותר את משוואת הדיפוזיה. הוא תומך הולם מרובע לפחות כדי למצוא את הערך של מאקרו D שבו הפתרון המספרי המתאים ביותר את נתוני הניסוי.
<p clתחת = "jove_content"> הפרוטוקול ניתן להשתמש בהתאמות לחומרי אורח ומארח שונים כל עוד שטח החתך של המדגם אינו משתנה לאורך כל המדגם, כלומר ρ 1D (t, γ) מעניק גישה ישירה אל הריכוז אינו מושפע משינוי חתך מדגם. טווח הערכים נגישים עבור מאקרו D ההערכה היא 16 בין 10 -12 מ '2 / sec ו -7 · 10 -9 מ' 2 / sec.Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול מאפשר ניטור של דיפוזיה של מולקולות אורח פאראמגנטיים. גישה הדמיה 1D נבחרה משום שהיא מאפשרת על מנת להגיע לפתרון זמן גבוה לעומת הדמיה 2D או 3D. גישת 1D דורשת שטח חתך קבוע של המדגם בגלל האינטנסיביות של תמונת 1D השיגה תלויה לא רק הריכוז אלא גם על אזור החתך של המדגם. השי…
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).
