In Situ Monitoramento da Difusão de Guest Molecules in Porous Media Usando ressonância paramagnética eletrônica de imagem

Os materiais porosos desempenhar um papel importante em aplicações práticas, tais como a cromatografia e a catálise ^um. Ao adicionar grupos superficiais e ajustar as propriedades de tamanho de poro e de superfície, os materiais podem ser adaptados para a aplicação pretendida ^2,3. A funcionalidade do material poroso depende essencialmente das propriedades de difusão das moléculas hóspedes no interior dos poros. Em materiais porosos, deve ser feita uma distinção entre o microscópico difusão translacional _micro constante D, que descreve a difusão em uma escala de comprimento molecular por um lado e a constante D _macro macroscópico difusão translacional por outro lado, que é influenciada pela difusão através de múltiplos poros, fronteiras de grão, a tortuosidade e falta de homogeneidade do material.

Existem vários métodos de ressonância magnética disponíveis para estudar a difusão, cada um deles apropriados para uma parteescala de comprimento icular. Na escala milimétrica, ressonância magnética nuclear (RMN) e ressonância de electrões de imagem ⁴ paramagnética (EPR) de imagem (como apresentado neste protocolo) pode ser usado. Escalas menores tornam-se acessíveis através da utilização de gradientes de campo pulsados ​​em RMN, bem como as experiências EPR ^5,6. Na escala nanométrica, espectroscopia de EPR podem ser utilizados, observando alterações da interacção de troca de spin entre as sondas Heisenberg ^7,8. Estudos de difusão translacional usando Range Imaging EPR de catalisador industrial suporta, por exemplo, óxido de alumínio ^9, para anisotrópica fluidos ^10,11, sistemas de liberação de drogas feitas de gel de polímero ^{12 – 14} e modelo membranas ^15.

Este protocolo apresenta uma abordagem em situ utilizando imagiologia de EPR para controlar a difusão de translação macroscópica de sondas de spin em cilíndrica, meios porosos. É demonstrado por um sistema host-guest consiste em thsonda e nitróxido rotação 3- (2-iodoacetamido) -2,2,5,5-tetrametil-1-pirrolidiniloxilo (IPSL) como um hóspede dentro do organosilica mesoporosa periódica (PMO) aerogel UKON1-gel como um hospedeiro e etanol como um solvente. Este protocolo foi usado com sucesso anteriormente ¹⁶ para comparar D _macro conforme determinado com imagem latente D EPR com _micro para os materiais hospedeiros UKON1 de gel e a sílica-gel e IPSL espécie hóspede e tris (8-carboxi-2,2,6,6-tetrametil-perdeutero-benzo [1,2-d : 4,5-d '] bis (1,3) ditiol) metilo (tritilo), ver Figura 1.

Em outros métodos baseados em imagens de onda contínua (CW) EPR ^17, difusão ocorre fora do espectrômetro. Em contraste, o método aqui apresentado utiliza uma abordagem em situ. Uma série de instantâneos do ρ _1d distribuição de densidade de spin 1d (t, γ) éregistada ao longo de um período de várias horas. Durante este tempo, uma captura de imagem é tomada após o outro e proporciona um padrão de difusão em tempo real com uma resolução de tempo de cerca de 5 min.

UKON1-gel e de gel de sílica foram sintetizados em tubos de ensaio com um diâmetro interno de 3 mm, conforme descrito na literatura. A UKON1 ^16,18,19-gel e síntese de gel de sílica conduz a um encolhimento da amostra. As amostras são colocadas dentro de um tubo termo-retráctil para impedir que as moléculas hóspedes de mover-se entre o aerogel e a parede do tubo da amostra. Este passo adicional não é necessária para as amostras que podem ser sintetizados directamente no tubo de ensaio sem alterar o seu tamanho. O colapso amostras de aerogel quando secar, então eles devem ser submerso em solvente em todos os momentos. A temperatura que é necessária para a tubagem de retracção térmica é mais elevada do que o ponto de ebulição de etanol, à pressão ambiente. Portanto, o protocolo descreve a utilização de uma panela de pressão para elevar aponto de etanol em ebulição.

O protocolo abrange a preparação de amostras de UKON1-GEL sintetizado de antemão para o experimento de imagem EPR e as configurações do espectrómetro que são usados ​​para controlar a difusão da sonda de rotação IPSL. Para análise dos dados, o software escrito localmente é fornecido e seu uso é descrito. Os dados brutos do espectrômetro pode ser diretamente carregado. O software calcula o espaço 1d distribuição de densidade de spin ρ _1d (t, γ) e leva em consideração o perfil de sensibilidade ressonador. O utilizador pode seleccionar uma região do aerogel e uma janela de tempo, durante o qual a constante de difusão é determinada. O software então determina as condições de contorno da equação de difusão com base em que a seleção e resolve a equação de difusão. Ele suporta ajuste de mínimos quadrados para encontrar o valor de D _macro onde a solução numérica melhor coincide com os dados experimentais.