The authors thank Prof. Peter Imming and Diana M&#252;ller 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.

주의 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하십시오. 섭취 또는 흡입시 에탄올 유해이며 가연성이다. 1. 연속파 (CW) EPR 매개 변수를 최적화 <ol><li> 1 mM의 농도로 에탄올 IPSL 40 μL (PA)을 준비한다. </li><li> 피펫 컨트롤러를 가지고 2cm의 충전 높이로 IPSL 솔루션 모세관을 입력합니다. 용액을 아래에 에어 갭이 존재하도록 캐 필러로 1cm 상기 용액을 당긴다. 모세관 튜브 화합물 씰링 양쪽 끝의 모세 혈관을 밀봉합니다. 에어 갭은 샘플에 밀봉 화합물 성분의 확산을 방지한다. </li><li> 모세관의 상부 및 하부 단부에서 1cm의 거리 모세관 주위 약 5cm 길이의 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE)의 두 테이프 스트립을 감싸. </li><li> EPR 샘플 튜브 (4mm 내경)에 모세관을 넣습니다. PTFE를 테이프 모세관을 유지하는지 확인샘플 튜브의 중심 축에 고정시켰다. 샘플 튜브의 바닥에 모세관을 아래로 밀어 넣습니다. </li><li> 공진기에 샘플을 넣고 공진기 내에서 스핀 라벨 솔루션을 중심으로. </li><li> 조정 분광계 설명서의 지침에 따라 중요한 커플 링 분광계. </li><li> 예비 분광계 설정 <ol><li> 수식을 이용하여 중심 필드 B를 설정하는 마이크로파의 주파수를 사용하여 <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/54335/54335eq1.jpg" /> g ≈ 2.003는 질산화물 스핀 라벨의 짝 라디칼의 g 요인에 대한 대략적인 추정치이고, H는 플랑크 상수이고, B는 보어 마그네 톤이다 μ. </li><li> 횡축으로 자기장과 좌표와 신호 강도와 새로운 실험 &quot;field_sweep&quot;를 설정합니다. 다음 매개 변수를 사용하여 중견수를 스위프 폭 이전 단계에서 계산 : 400 G, modulati0.8 G, 변조 주파수 : 100 kHz에서, 전자 감쇠 : 30dB, 포인트의 수 : 2,048, 검사의 수 : 1, 스캔 시간 : 80 초, 일정 시간 : 50 밀리 초 진폭에. </li><li> 설치 스캔 모드를 활성화합니다. 설치 검사 시정를 들어, 분광계 제공하는 가장 낮은 값을 선택합니다. 표시 신호가 표시 강도 범위의 80 %를 채우는 경우, 값의 수신기 이득을 조정하더라도 노이즈 데이터 포인트는 최대의 80 %보다 더 높은 강도가 없도록. 나중에 설치 검사를 사용하지 않도록 설정합니다. </li><li> &quot;실행&quot;버튼을 누릅니다. </li><li> 얻어진 스펙트럼에서 중앙 피크의 제로 크로싱의 필드 값을 읽습니다. 그 값으로 중심 필드를 설정합니다. </li><li> 가장 왼쪽 피크가 포인트로 기본 수준 이상으로 상승하기 시작하는 위치를 수평 줄 도구를 가지고 지점에서 스펙트럼의 폭을 측정 위치를 기준 레벨로 오른쪽 피크 돌아갑니다. </li><li> 세 번 스펙트럼 폭 스위프 폭을 설정합니다. </li></ol></li><li> 분광계 매개 변수를 다시 계산 <ol><li> 스위프 시간을 계산 : 스위프 폭 / 스윕 속도를. 5 G / sec의 스윕 속도를 사용합니다. </li><li> 데이터 포인트의 최소 수를 계산한다 (10) * 스위프 폭 / 선폭. </li><li> 전환 시간을 계산 : 스위프 시간 / 데이터 포인트의 수. </li><li> 0.1 * 라인 폭 * 스캔 시간 / 스위프 폭 : 시정을 계산합니다. </li></ol></li><li> 최적의 마이크로 웨이브 파워를 파악하기 위해 포화 곡선을 측정 <ol><li> 10dB의 마이크로파 감쇠를 설정하고, 단계 1.7.3에서 설명 된 바와 같이 수신기의 이득을 조절한다. </li><li> 50dB로 전자 감쇠를 설정하고 스펙트럼을 기록합니다. 신호대 잡음비가 5 미만이면 1, 스캔의 수를 증가시킨다. 1 이상 : 신호대 잡음비가 5가 될 때까지이 과정을 반복한다. </li><li> , 횡축 한 바와 같이 횡축이 아니라 마이크로파 전력 및 종축 신호 강도의 자기장을 이용한 새로운 실험 &quot;포화&quot;를 만든다. 일에서 모든 설정을 복사단계 1.9.2에서 전자 &quot;field_sweep&quot;실험. 횡축이 들어 10 dB 1 dB의 증분 값 10 dB에서 50 dB의 범위를 커버하는 41 점의 수에 마이크로파 감쇠의 시작 값을 설정한다. 실험을 실행합니다. </li><li> 포화 곡선 스프레드 시트를 작성합니다. 첫 번째 열에 dB의 전자 감쇠를 삽입합니다. </li><li> 화학식 상기 제 2 열에 AU에서 마이크로파 전력의 제곱근을 계산 <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/54335/54335eq2.jpg" /> 여기서 X는 첫번째 칼럼에서 dB에서 마이크로파 감쇠이다. </li><li> 실험에서 각각 전자 레인지 감쇠에 대한 중앙 스펙트럼 라인의 강도를 피크 피크를 측정하는 분석기 소프트웨어를 사용합니다. 스프레드 시트의 세 번째 열로 그 강도를 작성합니다. </li><li> 포화 곡선을 얻기 위해 피크 세기 (칼럼 2 대 3 열)의 피크 대 마이크로파 전력의 제곱근을 플롯. 의 inclu플롯의 원점 (0,0)을 해제. </li><li> 포화 곡선의 선형 정권을 확인합니다. 최적의 마이크로파 전력 선형 정권 여전히 높은 마이크로파 전력이다. 모든 추가 실험에 대한 대응 감쇠 설정을 사용합니다. </li></ol></li></ol> 2. 자기장 그라데이션 강도와 시간 해상도를 결정 <ol><li> 횡축 1과 자기장 종축 신호 강도 분광계 소프트웨어의 새로운 실험 만들기. 그라데이션 코일 컨트롤을 사용합니다. </li><li> 1.8과 1.9.8에서 결정된 이전의 실험에서 모든 분광계 설정을 복사합니다. </li><li> 위쪽을 가리키는 샘플 축 방향으로 170 G / cm의 자기장 경사 강도를 설정한다. </li><li> 스윕 폭 SW SW = 계산 FOV + 0 * 0 (SW)가 자계 구배의 부재 1.8.4 결정된 스윕 폭 G,FOV 시야 (2.5 cm)를이고 G는 자계 구배 강도이다. </li><li> 자기장 기울기의 부재 1.9.3에 기록 된 스펙트럼 선폭을 이용하여 추정 된 픽셀 크기 = 선폭 / G를 계산한다. </li><li> 스위프 시간 = SW / 스위프 속도를 계산합니다. 1.8.1에서와 같은 스위프 속도를 사용합니다. </li><li> 높은 값을 이용하여 필요한 데이터 포인트의 최소 수를 계산 전. N 1 = 10 * 스위프 폭 / 선폭 II. N 2 = 10 *보기 / (G의 * 픽셀 크기)의 필드입니다. </li><li> 전환 시간을 계산 : 스위프 시간 / 데이터 포인트의 수. </li><li> 0.1 * 라인 폭 * 스캔 시간 / 스위프 폭 이하 : 시정을 계산합니다. </li><li> 2.9을 통해 2.3에서 계산 된 매개 변수를 설정하고 &quot;실행&quot;버튼을 누릅니다. </li><li> 기준선의 잡음 레벨뿐만 아니라 강도 피크하는 피크를 측정수직선 도구 중앙 라인. 신호 대 잡음비를 계산한다. </li><li> 신호대 잡음비가 5 미만이면 1, 분광계 파라미터 &quot;스캔&quot;패널에서 스캔의 개수를 두 배로 반복 2.11 통해 2.1.3 단계. </li></ol> 3. 샘플을 준비 주의 : 보호 안경을 착용 할 것. 참고 : 완전히 항상 용매에 잠긴 에어로젤을 유지합니다. 사진 및 개략적 인 그림 2를 참조하십시오. <ol><li> 5mm의 높이까지 에탄올 (PA)와 10cm 직경의 페트리 접시를 입력합니다. </li><li> 페트리 접시에 에어로젤을 넣고 길이가 1cm 5 mm의 원통형 조각을 잘라. </li><li> 에어로젤 실린더보다 약 1cm 이상 열 수축 튜브의 조각을 준비한다. </li><li> 4cm 길이 두 조각을 만들 2mm 내경의 샘플 튜브를 분해하기 위해, 유리 튜브 커터를 사용한다. 두 조각 두 개 구단이 있어야합니다. <br/&gt;주의 : 열 총을 작동 할 때 보호 안경과 적절한 장갑을 착용 할 것. 피부 나 옷으로 공기 흐름을 지시하고 가연성 물질을 멀리 보관하지 마십시오. </li><li> 열 수축 튜브의 한쪽 끝으로 5mm 깊이 샘플 튜브 조각 중 하나를 삽입합니다. 조심스럽게 튜브의 나머지 부분을 축소하지 않고 열 수축 튜브의 일단이 가열 히트 건을 사용한다. 열 수축 튜브는 이제 유리관에 고정되어야한다. <ol><li> 에어로겔의 페트리 접시에 유리관 및 열 수축 튜브의 결합을 담근다. 조심스럽게 열 수축 튜브의 개방 단부에 단계 3.2에서 에어로겔의 조각을 밀어 넣습니다. </li></ol></li><li> 7cm의 높이까지 에탄올 (PA)와 테스트 튜브를 입력합니다. 시험관에 배양 접시에서 샘플을 이동. 이렇게하는 동안, 열 수축 튜브의 개방 단부가 정상에 지향되어 있는지 확인합니다. 에어로젤은 완전히 에탄올에 빠져들되어 있는지 확인합니다. </li><li> 의 두 번째 4cm 길이 조각을 삽입열 수축 튜브의 개방 단부로 단계 3.4에서 샘플 튜브. 힘을 가하지 마십시오, 무게는 에어로젤 및 샘플 튜브 조각 사이의 격차를 닫 충분합니다. 비커에 샘플 테스트 튜브를 넣습니다. </li><li> 최소 500 ml의 에탄올로 압력 밥솥을 입력하고 교반 막대를 추가합니다. </li><li> 압력 밥솥 내부의 삼발이에 샘플이 들어있는 비커를 넣습니다. 주의 : 흄 후드에서 다음 단계를 수행 및 안전 안경을 착용하는 것을 계속한다. </li><li> 쿡은 자석 교반기 주위 압력보다 1 bar의 압력 설정에서 샘플을 저어. 온도는 90 ° C에 도달한다. 그것은 곧 압력이 도달 압력 밸브 출시 에탄올 증기 바와 같이 냉각 할 수 있습니다. 열 수축 튜브 수축하지 않은 경우,이 단계를 반복합니다. 주 : 즉시 밀봉 밸브에 대한 에탄올의 영향을 최소화하기 위해 물과 함께 압력 밥솥 세척. 이때, 제조 된 샘플은 세비 에탄올에 저장 될 수있다RAL 개월. </li></ol> 4. 분광계를 준비 <ol><li> 횡축이 같은 2D 횡축으로 한 자기장을 이용하여 실험 시간을 만들고 자계 스윕 각 시간 단계에 대해 기록되도록 종축으로 신호 강도. 그라데이션 코일 컨트롤을 사용합니다. </li><li> 제로로 측정 사이의 시간 지연을 설정합니다. 20 시간 / 스위프 시간 설정 부 (2)의 시간 축에 대한 점수를 결정되는 다른 파라미터를 설정한다. 각 조각 스캔 후 미세 조정을 수행하기 위해 전자 레인지 다리를 설정합니다. </li><li> 조정 빈 공진기에 분광계를 1.7 절의 단계를 따릅니다. </li></ol> 5. 측정을위한 샘플을 준비 주 :이 프로토콜의 시간 만 중요한 단계는 분광계의 데이터 획득이 시작되는 때까지 스핀 라벨의 첨가로 확산 공정의 개시로부터 인 6.2으로 5.3이다. 도입하지 않고 다음 단계를 수행지연. <ol><li> 하단 유출 에탄올 용액 유지 부 (3)에서 샘플의 상부에 손가락을 넣어. 그런 다음 하단 샘플 튜브의 바닥 5mm에서 약간의 에탄올을 제거하고 튜브 밀봉 화합물과 그 끝을 밀봉하기 위해 주사기를 사용합니다. 밀봉 화합물 위 높이 2 mm의 기포가 있는지 확인합니다. </li><li> 단지 파스퇴르 모세관 피펫을 사용하여 에어로젤 위 3mm를 제외하고는 에어로젤 위의 샘플 튜브에서 모든 에탄올을 제거합니다. </li><li> 에어로겔 위에 에탄올에 스핀 라벨 용액 20 ㎕를 주입한다. 에어로겔의 상단에 공기 거품을 만들 수 없습니다해야합니다. 확산 공정의 개시와 현재 시간을 표시한다. </li><li> 4mm 내경 샘플 튜브 샘플을 놓습니다. 샘플을 중앙에 PTFE 테이프를 사용합니다. </li><li> 에어로겔의 상단 위에 68mm의 위치에서 외측 샘플 튜브를 표시하기 위해 펠트 펜을 사용한다. 이 올바르게 공진기에 샘플을 중심으로하는 데 도움과 C를 둔다공진기 에어로겔의 상부 에지 아래 1mm를 입력한다. </li></ol> 6. 확산 실험을 수행 <ol><li> (가) 공진기 및 조정 분광계의 사용 설명서에 설명되어 같은 중요한 커플 링에 대한 분광계의 PTFE 홀더의 상단이 5.5 맞 춥니에서 표시되도록 공진기에 샘플을 놓습니다. </li><li> 그라데이션 코일이 계속 꺼진 상태 1.7.3에 설명 된대로 수신기 이득을 설정하는 설정 스캔 모드를 사용합니다. </li><li> 현재 시간을 기록 섹션 4에서 설정 한 실험을 시작합니다. 하나는 기록 신호가 4 시간 이상에 걸쳐 변경되지 않는 경우 실험을 완료하거나 중지 실험에 20 시간을 기다립니다. 결과를 저장합니다. </li></ol> 7. 데이터 분석에 필요한 추가 실험을 수행 참고 : 직접 확산 실험 후 모없이 동일한 샘플 7.1 및 7.2에서 실험을 실시샘플을 ving. <ol><li> 역대 합에 대한 포인트 확산 기능을 녹음 <ol><li> 단계 1.7.2에서 &quot;필드 스윕&quot;실험로 전환합니다. 6 단계에서 실험에서 모든 설정을 복사합니다. </li><li> 스펙트럼을 기록하고, 신호 대 잡음비를 측정한다. 이 20 미만이면 1, 스캔 횟수를 증가시키고이 과정을 반복한다. 그렇지 않으면 스펙트럼을 저장합니다. </li></ol></li><li> 2 차원 이미징 실험을 수행 <ol><li> 횡축 1과 자계 분광계에 새로운 실험 횡축이 같은 자기장 기울기의 각도 종축 신호 강도를 생성한다. 정적 자기장 B 0의 방향과 샘플 축을 포함하는 평면 인 YZ면에 촬상면을 설정 단계 6에서 매개 변수를 복사한다. </li><li> N = N FOV / 원하는 픽셀 크기 이상으로 경사 방향의 각도의 수를 설정한다. </li><li> 측정을 시작하고 결과를 저장합니다. </li><li> 반복 일7.1 전자 공정하고 결과를 저장합니다. </li></ol></li><li> 공진기 감도 프로필을 측정 <ol><li> 단계 1.5을 통해 1.1을 반복하여 용액의 스핀 프로브의 또 다른 샘플을 준비하지만 이번에는 2cm 대신 모세관으로 솔루션의 4cm를 추가합니다. </li><li> 샘플의 축 방향 자계 구배 샘플의 스펙트럼을 기록 (2)의 단계에 따라. 단계 2.3, 3cm의보기의 필드를 사용합니다. 결과를 저장합니다. </li><li> 자기장 기울기의 부재하에 측정을 반복하고 그 결과를 저장한다. </li></ol></li></ol> 8. 데이터 분석 <ol><li> 2 차원 이미징 실험을 재구성 <ol><li> 분광계 소프트웨어의 기본 뷰포트에 7.2.3의 2 차원 영상 실험을로드합니다. </li><li> 분광계 소프트웨어의 2 차 뷰포트에 7.2.4에서 실험을로드합니다. </li><li> 모든를 클릭 : 처리로 이동&gt; 변환은&gt; 디콘 볼 루션, 슬라이스를 선택디컨 볼 루션을 수행하기 위해 적용됩니다. </li><li> 디스크에 deconvolved 데이터를 저장합니다. </li><li> 다음 명령으로 자유롭게 사용할 영상 재구성 소프트웨어 (20)를 사용하여 재구성 --input result_from_8_1_4.DSC --output reconstructed_image.DSC --steps 100 --size 256 </li><li> 나중에 참조 분광계 소프트웨어에 8.1.5에서 결과를로드합니다. </li></ol></li><li> 녹화 확산 실험 분석 <ol><li> 데이터 분석 소프트웨어를 시작하고 그림 3과 같이 소프트웨어의 &quot;로드&quot;탭으로 이동합니다. &quot;확산 실험&quot;에서 단계 6.3에서 확산 실험을로드합니다. &quot;/ 그라데이션 오 w 확산 실험&quot;의 단계 7.1.2에서 해당 포인트 확산 함수를로드합니다. &quot;공진기 프로필 실험&quot;과 &quot;/ 그라데이션 오 w 공진기 프로필 특급&quot;아래 단계 7.3.3의 결과에 따라 단계 7.3.2에서 결과를로드합니다. </li><li> 도 4에 도시 한 공진기 감도 탭으로 이동 </strong는&gt; 점 확산 함수로 7.3.3을 사용하여 실험 7.3.2에서 데이터의 디컨 볼 루션을 수행 할 수 있습니다. 노이즈 그냥 사라질 때까지 결과에 잡음이 될 때까지 잡음 전력 값을 줄, 다음을 올립니다. </li><li> 점 분포 함수로서 7.1 실험을 사용하여 6.2으로 기록 된 각 필드 스윕 deconvolve하기 위해도 5에 도시 된 1D 스핀 밀도 프로파일 탭으로 이동. 노이즈 그냥 사라질 때까지 결과에 잡음이 될 때까지 잡음 전력 값을 줄, 다음을 올립니다. </li><li> . 그림 6 자르기 영역 탭으로 전환 에어로겔의 어디 스핀 프로브는 그 지역의 처음 단계에서 위에서 입력 막이다 안에 완전히 거짓말을 확산 열 맵의 영역을 선택합니다. 의심하는 경우, 에어로겔의 정확한 위치를 식별하는 데 도움이 분광계 소프트웨어 8.1.6에서 재구성 된 이미지를로드합니다. </li><li> 샘플의 아래 방향으로 단계 8.2에서 면적을 증가 있도록 더 스핀 PROB 없습니다E는 실험 시간 내에 영역의 하한에 도달한다. 참조 그림 6을 참조하십시오. </li><li> 그림 7과 압입에 도시 유입 탭으로 전환합니다. 왼쪽 패널은 위치 축을 따라 8.2.5에서 잘라낸 영역의 적분을 나타낸다. </li><li> 중앙 패널에 표시된 곡선은 0에서 시작하고 즉시 상승하기 시작 있는지 확인합니다. 그 경우가 아니라면, 8.2.5로 돌아 간다. </li><li> 중앙 패널에 표시된 빨간색 선이 검은 데이터 포인트를 다음과 있는지 확인합니다. </li></ol></li><li> 시간이 지남에 따라 1D 스핀 농도를 시뮬레이션하고, 확산 계수를 장착 <ol><li> 확산 계수 탭 압입로 전환합니다. </li><li> 계산의 결과를 기다립니다. </li><li> 왼쪽 그림과 실험 데이터가 오른쪽에 표시되는 수치 데이터와 일치하는지 확인합니다. </li><li> 거시적 병진 확산 계수 D 매크로의 값 표시는 읽기화면에 YED. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Schüth, F., Sing, K. S. W., Weitkamp, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSch%C3%BCth%2C+F+%22Handbook+of+Porous+Solids%22">Handbook of Porous Solids</a>. , Wiley-VCH Verlag GmbH. Weinheim, Germany. (2002).</li>
<li>Hoffmann, F., Cornelius, M., Morell, J., Fröba, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica-Based+Mesoporous+Organic-Inorganic+Hybrid+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Silica-Based Mesoporous Organic-Inorganic Hybrid Materials.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 45 (20), 3216-3251 (2006).</li>
<li>Sanchez, C., Boissière, C., Grosso, D., Laberty, C., Nicole, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design%2C+Synthesis%2C+and+Properties+of+Inorganic+and+Hybrid+Thin+Films+Having+Periodically+Organized+Nanoporosity%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+of+Mat%22%5BJournal%5D)">Design, Synthesis, and Properties of Inorganic and Hybrid Thin Films Having Periodically Organized Nanoporosity.</a> Chem. of Mat. 20 (3), 682-737 (2008).</li>
<li>Le Bihan, D., Johansen-Berg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+MRI+at+25%3A+Exploring+brain+tissue+structure+and+function%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Diffusion MRI at 25: Exploring brain tissue structure and function.</a> NeuroImage. 61 (2), 324-341 (2012).</li>
<li>Pregosin, P. S., Kumar, P. G. A., Fernández, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsed+Gradient+Spin%E2%88%92Echo+%28PGSE%29+Diffusion+and+1H%2C19F+Heteronuclear+Overhauser+Spectroscopy+%28HOESY%29+NMR+Methods+in+Inorganic+and+Organometallic+Chemistry%3A+Something+Old+and+Something+New%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">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.</a> Chem. Rev. 105 (8), 2977-2998 (2005).</li>
<li>Talmon, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+diffusion+in+porous+media+by+PGS+ESR%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Molecular diffusion in porous media by PGS ESR.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (23), 5998-6007 (2010).</li>
<li>Okazaki, M., Seelan, S., Toriyama, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Condensation+process+of+alcohol+molecules+on+mesoporous+silica+MCM-41+and+SBA-15+and+fumed+silica%3A+a+spin-probe+ESR+study%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">Condensation process of alcohol molecules on mesoporous silica MCM-41 and SBA-15 and fumed silica: a spin-probe ESR study.</a> Appl. Magn. Reson. 35 (3), 363-378 (2009).</li>
<li>Wessig, M., Spitzbarth, M., Drescher, M., Winter, R., Polarz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple+scale+investigation+of+molecular+diffusion+inside+functionalized+porous+hosts+using+a+combination+of+magnetic+resonance+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Multiple scale investigation of molecular diffusion inside functionalized porous hosts using a combination of magnetic resonance methods.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (24), 15976-15988 (2015).</li>
<li>Yakimchenko, O. E., Degtyarev, E. N., Parmon, V. N., Lebedev, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+in+Porous+Catalyst+Grains+as+Studied+by+EPR+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Diffusion in Porous Catalyst Grains as Studied by EPR Imaging.</a> J. Phys. Chem. 99 (7), 2038-2041 (1995).</li>
<li>Cleary, D. A., Shin, Y. K., Schneider, D. J., Freed, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+determination+of+translational+diffusion+coefficients+using+ESR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">Rapid determination of translational diffusion coefficients using ESR imaging.</a> J. Magn. Reson. 79 (3), 474-492 (1988).</li>
<li>Hornak, J. P., Moscicki, J. K., Schneider, D. J., Freed, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+coefficients+in+anisotropic+fluids+by+ESR+imaging+of+concentration+profiles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Diffusion coefficients in anisotropic fluids by ESR imaging of concentration profiles.</a> J. Chem. Phys. 84 (6), 3387-3395 (1986).</li>
<li>Berliner, L. J., Fujii, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EPR+imaging+of+diffusional+processes+in+biologically+relevant+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">EPR imaging of diffusional processes in biologically relevant polymers.</a> J. Magn. Reson. 69 (1), 68-72 (1986).</li>
<li>Degtyarev, Y. N., Schlick, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+Coefficients+of+Small+Molecules+as+Guests+in+Various+Phases+of+Pluronic+L64+Measured+by+One-Dimensional+Electron+Spin+Resonance+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Diffusion Coefficients of Small Molecules as Guests in Various Phases of Pluronic L64 Measured by One-Dimensional Electron Spin Resonance Imaging.</a> Langmuir. 15 (15), 5040-5047 (1999).</li>
<li>Marek, A., Labský, J., Koňák, Č, Pilař, J., Schlick, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Translational+Diffusion+of+Paramagnetic+Tracers+in+HEMA+Gels+and+in+Concentrated+Solutions+of+PolyHEMA+by+1D+Electron+Spin+Resonance+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Translational Diffusion of Paramagnetic Tracers in HEMA Gels and in Concentrated Solutions of PolyHEMA by 1D Electron Spin Resonance Imaging.</a> Macromolecules. 35 (14), 5517-5528 (2002).</li>
<li>Shin, Y. K., Ewert, U., Budil, D. E., Freed, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscopic+versus+macroscopic+diffusion+in+model+membranes+by+electron+spin+resonance+spectral-spatial+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Microscopic versus macroscopic diffusion in model membranes by electron spin resonance spectral-spatial imaging.</a> Biophys. J. 59 (4), 950-957 (1991).</li>
<li>Spitzbarth, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+Monitoring+of+Macroscopic+and+Microscopic+Diffusion+of+Guest+Molecules+in+Silica+and+Organosilica+Aerogels+by+Spatially+and+Time-Resolved+Electron+Paramagnetic+Resonance+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Simultaneous Monitoring of Macroscopic and Microscopic Diffusion of Guest Molecules in Silica and Organosilica Aerogels by Spatially and Time-Resolved Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy.</a> J. Phys. Chem. C. 119 (30), 17474-17479 (2015).</li>
<li>Kruczala, K., Schlick, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+Diffusion+Coefficients+of+Nitroxide+Radicals+in+Heterophasic+Propylene%E2%88%92Ethylene+Copolymers+by+Electron+Spin+Resonance+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Measuring Diffusion Coefficients of Nitroxide Radicals in Heterophasic Propylene−Ethylene Copolymers by Electron Spin Resonance Imaging.</a> Macromolecules. 44 (2), 325-333 (2011).</li>
<li>Wessig, M., Drescher, M., Polarz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+Functional+Group+Specific+Surface+Interactions+in+Porous+Solids+Using+ESR+Spectroscopy+as+a+Sensitive+and+Quantitative+Tool%5BTitle%5D)+AND+%22The+J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Probing Functional Group Specific Surface Interactions in Porous Solids Using ESR Spectroscopy as a Sensitive and Quantitative Tool.</a> The J. Phys. Chem. C. 117 (6), 2805-2816 (2013).</li>
<li>Kuschel, A., Polarz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organosilica+Materials+with+Bridging+Phenyl+Derivatives+Incorporated+into+the+Surfaces+of+Mesoporous+Solids%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Organosilica Materials with Bridging Phenyl Derivatives Incorporated into the Surfaces of Mesoporous Solids.</a> Adv. Funct. Mater. 18 (8), 1272-1280 (2008).</li>
<li>Spitzbarth, M., Drescher, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+iterative+reconstruction+technique+software+for+spectral-spatial+EPR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">Simultaneous iterative reconstruction technique software for spectral-spatial EPR imaging.</a> J. Magn. Reson. 257, 79-88 (2015).</li>
<li>Stoll, S., Schweiger, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EasySpin%2C+a+comprehensive+software+package+for+spectral+simulation+and+analysis+in+EPR%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Magn.+Reson%22%5BJournal%5D)">EasySpin, a comprehensive software package for spectral simulation and analysis in EPR.</a> J. Magn. Reson. 178 (1), 42-55 (2006).</li>
</ol>

저자는 공개 아무것도 없어.

프로토콜은 상자성 게스트 분자의 확산을 모니터링 할 수있다. 이 2 차원 또는 3 차원 영상에 비하여 더 높은 시간 해상도를 허용하므로 1 차원 이미징 방법이 선택되었다. 얻어진 1 차원 영상의 강도가 농도뿐만 아니라 샘플의 단면적에 단지 의존하므로 1D 방법은 시료의 일정한 단면적을 필요로한다. 또한,이 방법은 시료 내 스핀 프로브 EPR 스펙트럼 강도 만이 아닌 형상으로 변경하는 것이 필요?...

다공성 물질은 촉매와 같이 크로마토 그래피 한 실제 응용에 중요한 역할을한다. 기공 크기 및 표면 특성 표면 그룹을 추가하고 조절함으로써, 재료는 원하는 애플리케이션 2,3-로 맞출 수있다. 다공성 재료의 기능은 결정적 세공 내부에 손님 분자의 확산 특성에 의존한다. 다공성 물질에서 구분 한 손에 분자 길이 규모와 거시적 병진 확산 상수 D 매크로 확산을 설명하는 미세한 병진 확산 상수 D 마이크로 사이에 이루어져야합니다 복수의 세공, 입계, 비틀림 및 물질의 불균일성을 통해 확산에 의해 좌우되는 반면에. 일부에 대한 각각의 적합한 확산을 연구하기 위해 사용할 수있는 몇 가지 자기 공명 방법이있다icular 길이 규모. 밀리미터 스케일, 핵 자기 공명 (NMR) 영상화 (4)과, 전자 상자성 공명 (EPR) 영상 (이 프로토콜에서 제시된 바와 같이) 이용 될 수있다. 작은 규모는 펄스 NMR 필드 구배뿐만 아니라 EPR 실험 5,6의 사용에 의해 액세스됩니다. 나노 스케일, EPR 분광법 스핀 프로브 7,8 하이젠 베르크 간의 교환 상호 작용의 변화를 관찰하여 사용할 수있다. 멤브레인 (14) 및 모델 (15) - 예를 들어, 공업 촉매 지원 EPR에서 촬상 범위를 이용하여 병진 확산, 산화 알루미늄 (9)의 연구는 고분자 겔 (12)로 이루어지는 유체 (10, 11), 약물 방출 시스템 이방성. 이 프로토콜은 원통형의 스핀 프로브의 거시적 병진 확산, 다공성 매체를 모니터링 할 EPR 이미지를 사용하여 현장 접근에를 제공합니다. 이것은 제 구성된 호스트 게스트 시스템에 대해 설명된다전자 질산화물 스핀 프로브 -3- (2- 요오도 아세트 아미도) 주기적 메조 포러스 유기 실리카 내부 게스트로 -2,2,5,5 테트라 메틸 -1- 피 롤리 (IPSL) (PMO) 에어로겔 UKON1-GEL를 A와 같은 호스트와 에탄올 용제. 이 프로토콜은 성공적 D 매크로를 비교하기 이전에 16 사용되고 호스트 재료 UKON1-GEL 실리카 겔 게스트 IPSL 종과 트리스 (8- 카르복시 -2,2,6,6- 테트라 perdeutero 벤조 [1,2-D에 대한 D 마이크로과 EPR 촬상하여 결정된 : 4,5-D &#39;] 비스 (1,3) dithiole) 메틸 (트리 틸), 그림 1을 참조하십시오. 연속파 (CW) EPR 영상 (17)에 따라 다른 방법으로, 확산 분광계의 외부에서 발생한다. 대조적으로, 여기에서 제시된 방법은 현장에 접근을 사용한다. 1 차원 스핀 밀도 분포 ρ의 1D의 스냅 샷의 시리즈 (t, γ)입니다몇 시간의 기간에 걸쳐 기록 하였다. 이 시간 동안, 하나의 스냅 샷은 다른 촬영 후 약 5 분의 시간 해상도와 실시간 확산 패턴을 제공한다. UKON1 - 겔 실리카 - 겔은 문헌에 기술 된 바와 같이. 3mm의 내경 샘플 튜브 합성 16,18,19 UKON1 - 겔 실리카 - 겔 합성 샘플의 수축을 유도 하였다. 샘플은 에어로겔 샘플 튜브의 벽 사이에 이동하는 게스트 분자를 방지하는 열수축 튜브 내에 배치된다. 이 추가 단계는 사이즈를 변경하지 않고, 샘플 튜브에서 직접 합성 할 수있는 샘플을 위해 필요하지 않다. 그들은 건조, 그래서 그들은 항상 용매에 빠져들해야 에어로젤 샘플 붕괴. 열 수축 튜브에 필요한 온도는 대기압에서의 에탄올의 비점보다 높다. 따라서, 프로토콜은 인상 압력솥의 사용을 설명에탄올의 끓는점. 프로토콜은 EPR 이미징 실험 및 IPSL 스핀 프로브의 확산을 모니터링하는 데 사용되는 분광계 설정을 미리 합성 UKON1-GEL의 시료 전처리를 포함한다. 데이터 분석을 위해 로컬로 작성된 소프트웨어가 제공되고, 그것의 사용을 설명한다. 분광계에서 원시 데이터를 직접로드 할 수 있습니다. 소프트웨어는 상기 공간 (1D)의 스핀 밀도 분포 ρ의 1D (t, γ)를 계산하고 고려 공진기 감도 프로파일 걸린다. 사용자는 확산 상수가 결정되어야하는 동안 에어로겔과 시간 윈도우의 영역을 선택할 수있다. 소프트웨어는 그 선택에 기초하여 확산 방정식의 경계 조건을 결정하고, 상기 확산 방정식을 해결한다. 이 수치 용액 가장 실험 데이터와 일치 D 매크로 값을 찾기 위해, 최소 제곱 피팅을 지원한다. ρ의 1D이고 다른 게스트와 호스트 재료의 조정에 사용될 수있다 (t는 γ)에 직접 액세스 할 농도와는 시료 단면의 변화에​​ 의해 영향을받지 않는다. D 매크로에 대한 접근 값의 범위 16 / 초 2m -9 10 · / 초 2m -12 (10) 사이에 7 추정된다.

<table><tbody><tr><td>X-Band spectrometer</td><td>Bruker</td><td>E580</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer software</td><td>Bruker</td><td>Xepr 2.6b.108</td><td></td></tr><tr><td>gradient coil system</td><td>Bruker</td><td>E540 GCX2</td><td></td></tr><tr><td>imaging resonator</td><td>Bruker</td><td>TMHS 1007</td><td></td></tr><tr><td>micro-classic pipette controller</td><td>Brand</td><td>25900</td><td></td></tr><tr><td>microcapillary ringcaps 50&amp;nbsp;&amp;micro;l</td><td>Hirschmann</td><td>9600150</td><td>inner diameter 0.5 mm</td></tr><tr><td>EPR sample tube 2 mm inner diameter</td><td>Bruker</td><td>ER 221TUB/2</td><td></td></tr><tr><td>EPR sample tube 4 mm inner diameter</td><td>Bruker</td><td>ER 221TUB/4</td><td></td></tr><tr><td>heat-shrink tubing DERAY-IB</td><td>DSG-Canusa</td><td>2210048952</td><td>4.8 mm/2.4 mm, 2:1, 95&amp;nbsp;&amp;deg;C - 200&amp;nbsp;&amp;deg;C</td></tr><tr><td>heat gun</td><td>Bosch</td><td>PHG 600-3</td><td></td></tr><tr><td>PTFE&amp;nbsp; band</td><td>VWR</td><td>332362S</td><td>width 12 mm</td></tr><tr><td>test tube</td><td></td><td></td><td>length 16 cm, diameter 1.5 cm</td></tr><tr><td>beaker</td><td></td><td></td><td>250 ml, height 9 cm, diameter 7 cm</td></tr><tr><td>capillary tube sealing</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-678</td><td></td></tr><tr><td>pressure cooker, 3 L with trivet</td><td>Beem</td><td>Vital-X-Press V2, F1000675</td><td></td></tr><tr><td>magnetic stirrer with heating element</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ethanol (p.a.)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ethanol (techn.)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>syringe</td><td>Hamilton</td><td>1705</td><td>0.05 ml, custom length: 20 cm</td></tr><tr><td>Pasteur capillary pipette</td><td></td><td></td><td>length 23 cm</td></tr><tr><td>data analysis software</td><td>homemade</td><td></td><td>Available for download at http://www.uni-konstanz.de/drescher/software. Requires Matlab.</td></tr><tr><td>UKON1-GEL</td><td>kindly provided by Prof. Sebastian Polarz, Martin Wessig and Andreas Schachtschneider&amp;nbsp;</td><td></td><td>See references 16, 18, 19 for the synthesis</td></tr></tbody></table>

in situ monitoring of diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance imaging

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&#8242;]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.

수축 튜브 내의 에어로젤의 사진 및 모식도는도 2a 및도 2b에 도시된다. 그림 2C의 2 차원 EPR 이미지가 명확하게 에어로젤의 상단을 보여줍니다. 스핀 프로브의 농도는 에어로겔 내의 적어도 높은되었지만 에어로겔 상기 샘플 관 내의 ρ (1D)의 강도는 낮다. 그러나, 화상면에 수직 샘플 깊이는 샘플 관의 작은 내경으로 인?...

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In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.

전자 상자성 공명 영상을 이용하여 다공성 미디어에서 고객 분자의 확산의 제자리 모니터링에

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

6.4K 조회수.  Universität Konstanz. A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.

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Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring 

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end organs. The latter include the lung, RES, and brain and are operative during human immunodeficiency virus type one (HIV-1) infection. Macrophage entry into tissues is notable in areas of active HIV-1 replication and sites of inflammation. In order to assess the potential of macrophages as nanocarriers, superparamagnetic iron-oxide and/or drug laden particles coated with surfactants were parenterally injected into HIV-1 encephalitic mice. This was done to quantitatively assess particle and drug biodistribution. Magnetic resonance imaging (MRI) test results were validated by histological coregistration and enhanced image processing. End organ disease as typified by altered brain histology were assessed by MRI. The demonstration of robust migration of nanoformulations into areas of focal encephalitis provides '"proof of concept" for the use of advanced bioimaging techniques to monitor macrophage migration. Importantly, histopathological aberrations in brain correlate with bioimaging parameters making the general utility of MRI in studies of cell distribution in disease feasible. We posit that using such methods can provide a real time index of disease burden and therapeutic efficacy with translational potential to humans.

Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring

Bioimaging methods used to assess cell biodistribution of nanoparticles are applicable for therapeutic and diagnostic monitoring of nanoformulated compounds. The methods described herein are sensitive and specific when assessed by histological coregistration. The methodologies provide a translational pathway from rodent to human applications.

진단 및 치료 모니터링을위한 Nanomaterials 등록 Bioimaging

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end ...

연구

생체공학

Exploring the Radical Nature of a Carbon Surface by Electron Paramagnetic Resonance and a Calibrated Gas Flow

While the first Electron Paramagnetic Resonance (EPR) studies regarding the effects of oxidation on the structure and stability of carbon radicals date back to the early 1980s the focus of these early papers primarily characterized the changes to the structures under extremely harsh conditions (pH or temperature)1-3. It is also known that paramagnetic molecular oxygen undergoes a Heisenberg spin exchange interaction with stable radicals that extremely broadens the EPR signal4-6. Recently, we reported interesting results where this interaction of molecular oxygen with a certain part of the existing stable radical structure can be reversibly affected simply by flowing a diamagnetic gas through the carbon samples at STP7. As flows of He, CO2, and N2 had a similar effect these interactions occur at the surface area of the macropore system.
This manuscript highlights the experimental techniques, work-up, and analysis towards affecting the existing stable radical nature in the carbon structures. It is hoped that it will help towards further development and understanding of these interactions in the community at large.

Stable radicals that are present in carbon substrates interact with paramagnetic oxygen through a Heisenberg spin exchange. This interaction can be significantly reduced under STP conditions by flowing a diamagnetic gas over the carbon system. This manuscript describes a simple method to characterize the nature of those radicals.

전자 상자성 공명 및 교정 가스 흐름에 의해 탄소 표면의 급진적 자연 탐험

While the first Electron Paramagnetic Resonance (EPR) studies regarding the effects of oxidation on the structure and stability of carbon radicals date ...

화학

In Vivo EPR Assessment of pH, pO2, Redox Status, and Concentrations of Phosphate and Glutathione in the Tumor Microenvironment

This protocol demonstrates the capability of low-field electron paramagnetic resonance (EPR)-based techniques in combination with functional paramagnetic probes to provide quantitative information on the chemical tumor microenvironment (TME), including pO2, pH, redox status, concentrations of interstitial inorganic phosphate (Pi), and intracellular glutathione (GSH). In particular, an application of a recently developed soluble multifunctional trityl probe provides unsurpassed opportunity for in vivo concurrent measurements of pH, pO2 and Pi in Extracellular space (HOPE probe). The measurements of three parameters using a single probe allow for their correlation analyses independent of probe distribution and time of the measurements.

In Vivo EPR Assessment of pH, pO2, Redox Status, and Concentrations of Phosphate and Glutathione in the Tumor Microenvironment

Low-field (L-band, 1.2 GHz) electron paramagnetic resonance using soluble nitroxyl and trityl probes is demonstrated for assessment of physiologically important parameters in the tumor microenvironment in mouse models of breast cancer.

Vivo에서 PH, pO2, 산화 환 원 상태, 고 농도의 인산 염 및 종양 Microenvironment에 티의 EPR 평가

This protocol demonstrates the capability of low-field electron paramagnetic resonance (EPR)-based techniques in combination with functional paramagnetic ...

암 연구학

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

과분극 자기 공명 에이전트의 연구 다중 구획 동적 단일 효소 팬텀의 사용

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

공학

From Fast Fluorescence Imaging to Molecular Diffusion Law on Live Cell Membranes in a Commercial Microscope

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the regulation of many cellular functions. However, due to the fast dynamics and the tiny structures involved, a very high spatio-temporal resolution is required to catch the real behavior of molecules. Here we present the experimental protocol for studying the dynamics of fluorescently-labeled plasma-membrane proteins and lipids in live cells with high spatiotemporal resolution. Notably, this approach doesn&#8217;t need to track each molecule, but it calculates population behavior using all molecules in a given region of the membrane. The starting point is a fast imaging of a given region on the membrane. Afterwards, a complete spatio-temporal autocorrelation function is calculated correlating acquired images at increasing time delays, for example each 2, 3, n repetitions. It is possible to demonstrate that the width of the peak of the spatial autocorrelation function increases at increasing time delay as a function of particle movement due to diffusion. Therefore, fitting of the series of autocorrelation functions enables to extract the actual protein mean square displacement from imaging (iMSD), here presented in the form of apparent diffusivity vs average displacement. This yields a quantitative view of the average dynamics of single molecules with nanometer accuracy. By using a GFP-tagged variant of the Transferrin Receptor (TfR) and an ATTO488 labeled 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (PPE) it is possible to observe the spatiotemporal regulation of protein and lipid diffusion on &#181;m-sized membrane regions in the micro-to-milli-second time range.

Spatial distribution and temporal dynamics of plasma membrane proteins and lipids is a hot topic in biology. Here this issue is addressed by a spatio-temporal image fluctuation analysis that provides conceptually the same physical quantities of single particle tracking, but it uses small molecular labels and standard microscopy setups.

상용 현미경에서 라이브 세포막에 분자 확산 법률에 빠른 형광 이미징

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the ...

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids with adsorbates. Vibrational spectra provide information on the chemical nature of adsorbed species and their structure. Thus, they are very useful for obtaining molecular level understanding of surface species. The IR spectrum of the sample itself gives some direct information about the material. General conclusions can be drawn concerning hydroxyl groups, some stable surface species and impurities. However, the spectrum of the sample is &#34;blind&#34; with respect to the presence of coordinatively unsaturated ions and gives rather poor information about the acidity of surface hydroxyls, species decisive for the adsorption and catalytic properties of the materials. Furthermore, no discrimination between bulk and surface species can be made. These problems are solved by the use of probe molecules, substances that interact specifically with the surface; the alteration of some spectral features of these molecules as a result of adsorption provides valuable information about the nature, properties, location, concentration, etc., of the surface sites.
The experimental protocol for in-situ IR studies of gas/sample interaction includes preparation of a sample pellet, activation of the material, initial spectral characterization through the analysis of the background spectra, characterization by probe molecules, and study of the interaction with a particular set of gas mixtures. In this paper we investigate a zirconium terephthalate metal organic framework, Zr6O4(OH)4(BDC)6 (BDC = benzene-1,4-dicarboxylate), namely UiO-66 (UiO refers to University of Oslo). The acid sites of the UiO-66 sample are determined by using CO and CD3CN as molecular probes. Furthermore, we have demonstrated that CO2 is adsorbed on basic sites exposed on dehydroxylated UiO-66. Introduction of water to the system produces hydroxyl groups acting as additional CO2 adsorption sites. As a result, CO2 adsorption capacity of the sample is strongly enhanced.

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

The use of FTIR spectroscopy for investigation of the surface properties of polycrystalline solids is described. Preparation of sample pellets, activation procedures, characterization with probe molecules and model studies of CO2 adsorption are discussed.

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids ...

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan electron-paramagnetic-resonance (RS-EPR), which can provide quantitative information under in vivo conditions on oxygen concentration, pH, redox status and concentration of signaling molecules (i.e., OH&#8226;, NO&#8226;). The RS-EPR technique has a higher sensitivity, improved spatial resolution (1 mm), and shorter acquisition time in comparison to the standard continuous wave (CW) technique. A variety of phantom configurations have been tested, with spatial resolution varying from 1 to 6 mm, and spectral width of the reporter molecules ranging from 16 &#181;T (160 mG) to 5 mT (50 G). A cross-loop bimodal resonator decouples excitation and detection, reducing the noise, while the rapid scan effect allows more power to be input to the spin system before saturation, increasing the EPR signal. This leads to a substantially higher signal-to-noise ratio than in conventional CW EPR experiments.

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

A new electron paramagnetic resonance (EPR) method, rapid scan EPR (RS-EPR), is demonstrated for 2D spectral spatial imaging which is superior to the traditional continuous wave (CW) technique and opens new venues for in vivo imaging. Results are demonstrated at 250 MHz, but the technique is applicable at any frequency.

빠른 스캔 전자 스핀 공명 이미징 생리 학적으로 중요 매개 변수에 대한 새로운 길을 엽니 다<em&gt; 생체</em

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan ...

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at length scales down to the atomic level. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) studies performed using (scanning) transmission electron microscopy (STEM) can separate and identify localized dynamic reactions, which are extremely challenging to capture using other characterization techniques. For these experiments, we used a CCGR holder that utilizes microelectromechanical systems (MEMS)-based heating microchips (hereafter referred to as &#34;E-chips&#34;). The experimental protocol described here details the method for performing in situ gas reactions in dry and wet gases in an aberration-corrected STEM. This method finds relevance in many different materials systems, such as catalysis and high-temperature oxidation of structural materials at atmospheric pressure and in the presence of various gases with or without water vapor. Here, several sample preparation methods are described for various material form factors. During the reaction, mass spectra obtained with a residual gas analyzer (RGA) system with and without water vapor further validates gas exposure conditions during reactions. Integrating an RGA with an in situ CCGR-STEM system can, therefore, provide critical insight to correlate gas composition with the dynamic surface evolution of materials during reactions. In situ/operando studies using this approach allow&#160;for detailed investigation of the fundamental reaction mechanisms and kinetics that occur at specific environmental conditions (time, temperature, gas, pressure), in real-time, and at high spatial resolution.

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Here, we present a protocol for performing in situ TEM closed-cell gas reaction experiments while detailing several commonly used sample preparation methods.

전송 전자 현미경에서 시투 폐쇄 세포 가스 반응에서 수행

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at ...

Electron Spin Resonance Micro-imaging of Live Species for Oxygen Mapping

This protocol describes an electron spin resonance (ESR) micro-imaging method for three-dimensional mapping of oxygen levels in the immediate environment of live cells with micron-scale resolution1. Oxygen is one of the most important molecules in the cycle of life. It serves as the terminal electron acceptor of oxidative phosphorylation in the mitochondria and is used in the production of reactive oxygen species. Measurements of oxygen are important for the study of mitochondrial and metabolic functions, signaling pathways, effects of various stimuli, membrane permeability, and disease differentiation. Oxygen consumption is therefore an informative marker of cellular metabolism, which is broadly applicable to various biological systems from mitochondria to cells to whole organisms. Due to its importance, many methods have been developed for the measurements of oxygen in live systems. Current attempts to provide high-resolution oxygen imaging are based mainly on optical fluorescence and phosphorescence methods that fail to provide satisfactory results as they employ probes with high photo-toxicity and low oxygen sensitivity. ESR, which measures the signal from exogenous paramagnetic probes in the sample, is known to provide very accurate measurements of oxygen concentration. In a typical case, ESR measurements map the probe's lineshape broadening and/or relaxation-time shortening that are linked directly to the local oxygen concentration. (Oxygen is paramagnetic; therefore, when colliding with the exogenous paramagnetic probe, it shortness its relaxation times.) Traditionally, these types of experiments are carried out with low resolution, millimeter-scale ESR for small animals imaging. Here we show how ESR imaging can also be carried out in the micron-scale for the examination of small live samples. ESR micro-imaging is a relatively new methodology that enables the acquisition of spatially-resolved ESR signals with a resolution approaching 1 micron at room temperature2. The main aim of this protocol-paper is to show how this new method, along with newly developed oxygen-sensitive probes, can be applied to the mapping of oxygen levels in small live samples. A spatial resolution of ~30 x 30 x 100 &mu;m is demonstrated, with near-micromolar oxygen concentration sensitivity and sub-femtomole absolute oxygen sensitivity per voxel. The use of ESR micro-imaging for oxygen mapping near cells complements the currently available techniques based on micro-electrodes or fluorescence/phosphorescence. Furthermore, with the proper paramagnetic probe, it will also be readily applicable for intracellular oxygen micro-imaging, a capability which other methods find very difficult to achieve.

This protocol describes a method for micron-scale three-dimensional imaging of oxygen concentration in the immediate environment of live cells by electron spin resonance microscopy.

전자 스핀 공명 산소 매핑에 대한 라이브 종의 마이크로 이미징

This protocol describes an electron spin resonance (ESR) micro-imaging method for three-dimensional mapping of oxygen levels in the immediate environment ...

생물학

<meta charset="utf8"></head><body>EPRI 및 초음파를 사용한 종양 산소 농도의 전임상 이미징

Tumor Hypoxia Assessment: In Vivo 3D Oxygen Imaging Through Electron Paramagnetic Resonance

The precise and real-time measurement of oxygen partial pressure (pO2) brings valuable information in many pathologies, including cancer. Low tumor pO2 (i.e., hypoxia) is connected to tumor aggressiveness and poor response to therapy. The quantification of tumor pO2 allows the evaluation of treatment effectiveness. Electron Paramagnetic Resonance Imaging (EPRI), particularly Pulse EPRI, has emerged as an advanced three-dimensional (3D) method of assessing tissue oxygenation in vivo. This innovation was enabled by the technological developments in EPR (Electron Paramagnetic Resonance) and the application of the water-soluble oximetric spin probes from the triaryl family, offering fast and sensitive oxygenation data. The relaxation time of the spin probe (T1 and/or T2) provides accurate information about pO2 in selected voxels.
Human glioblastoma LN229 tumors were grown in the interscapular fad pad of BALB/c nude mice. Ultrasound (US) imaging was used as a reference for tumor anatomical information. To image tissue pO2, the animals were placed in a fixed position in the animal bed with fiducials, enabling registration between the imaging modalities. After the OX071 contrast agent was administered, EPRI was performed, followed by US B-mode. Because of the low spin probe toxicity, the procedure can be repeated during tumor growth or treatment. Following imaging, the registration process was carried out using software written in MATLAB. Ultimately, the hypoxic fraction can be calculated for a specific tumor, and the histogram of pO2 tissue distribution can be compared over time. EPRI combined with ultrasound is an excellent tool for oxygen mapping of tumors in the preclinical setting.

<meta charset="utf8"></head><body>종양 저산소증 평가: 전자 상자성 공명을 통한 생체 내 3D 산소 이미징

Quantitative 3D oxygen maps of murine tumors were imaged noninvasively using Pulse Electron Paramagnetic Resonance. Ultrasound B-mode and Power Doppler were used for anatomy and vascular structure. Images from both modalities were superimposed enabling multi-parametric tumor analysis.

종양 저산소증 평가: 전자 상자성 공명을 통한 생체 내 3D 산소 이미징 

The precise and real-time measurement of oxygen partial pressure (pO2) brings valuable information in many pathologies, including cancer. Low tumor pO2 ...

전자 상자성 공명 영상을 이용하여 다공성 미디어에서 고객 분자의 확산의 제자리 모니터링에

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