Paramagnetická rezonancia a detekcia spinu jedného elektrónu. Elektrónová paramagnetická rezonancia - abstrakt. EPR v silných magnetických poliach

Fenomén magnetickej rezonancie. Elektrónová paramagnetická rezonancia (EPR)

V predchádzajúcej časti sme uvažovali o rozdelení spektrálnych čiar spojených s prechodmi medzi podúrovňami rôznych úrovní rozdelených v magnetickom poli. energetické hladiny. Takéto prechody zodpovedajú optickému frekvenčnému rozsahu. Spolu s tým sú v dipólovej aproximácii možné prechody medzi susednými podúrovňami rozdelenia energetickej hladiny v magnetickom poli podľa pravidiel výberu:

Zo vzorca (3.95) vyplýva, že takéto prechody zodpovedajú frekvenciám:

o IN~ 0,3 T frekvencia v * 10 Hz a vlnová dĺžka X~ 3 cm Toto je mikrovlnný frekvenčný rozsah alebo mikrovlnný rozsah. Pravdepodobnosť dipólových prechodov je úmerná v 3 , preto je v mikrovlnnej oblasti zanedbateľne malá v porovnaní s pravdepodobnosťou v optickej oblasti. Navyše pre atómy s jedným valenčným elektrónom sú prechody v tomto prípade zakázané výberovým pravidlom AL=±. Pravdepodobnosť prechodu sa však stáva významnou, keď sa aplikuje dodatočné vonkajšie striedavé magnetické pole, t.j. keď sa prechody stanú vynútenými. Z toho bude zrejmé, že striedavé magnetické pole musí byť kolmé na stacionárne magnetické pole, čo spôsobuje Zeemanovo štiepenie energetických hladín. Ak sa frekvencia striedavého magnetického poľa rovná frekvencii prechodu (3.101), potom je jeho energia absorbovaná alebo dochádza k stimulovanej emisii. V tomto prípade sa prudko zmení orientácia magnetického momentu atómu, teda jeho priemet do zvoleného smeru.

Emisia alebo absorpcia elektromagnetických vĺn pri zmene orientácie magnetických dipólových momentov atómov v magnetickom poli sa nazýva fenomén magnetickej rezonancie.

Dôsledný popis magnetickej rezonancie je dosť ťažký. Kvalitatívny obraz tohto javu možno pochopiť na základe jednoduchého klasického modelu. Ak má častica magnetický moment M, potom vo vonkajšom konštantnom magnetickom poli B 0 = (0,0, B 0) pôsobí naň krútiaci moment K \u003d MxV 0. Pretože magnetické M a mechanické J momenty častice (napríklad elektrónu v atóme) súvisia vzťahom:

kde y je gyromagnetický pomer, y = gib /h = napr./2m e , potom pohybovú rovnicu možno zapísať ako:

Toto je horná rovnica, ktorá ukazuje, že mechanické a magnetické momenty prebiehajú okolo B 0 . Uhlová rýchlosť(frekvencia) tejto precesie je:

V magnetickom poli nasmerovanom pozdĺž osi zčastica získava dodatočnú energiu:

Frekvencia prechodu medzi susednými energetickými podúrovňami sa zhoduje s frekvenciou precesie:

Ryža. 3.34

Ak pridáme magnetické pole B meniace sa s frekvenciou w, kolmé na stacionárne pole B 0 (obr. 3.34), tak dodatočný premenný krútiaci moment [MxV, 1. Keď sa zmenia frekvencie precesie a poľa B! sa navzájom výrazne líšia, potom ako |B, |z, takže v priemere sa tento uhol nemení. Ak sa však frekvencia zmeny poľa B zhoduje s frekvenciou precesie (3.104), potom sa magnetický moment javí ako v statických podmienkach a dodatočný krútiaci moment má tendenciu ho „prevrátiť“. Keďže magnetický moment je kvantový vektor, jeho projekcia do smeru statického magnetického poľa sa môže zmeniť len náhle, čo zodpovedá prechodu do susednej delenej podúrovne. Ide o fenomén magnetickej rezonancie.

Ak sú magnetické a mechanické momenty atómu spôsobené jeho elektrónmi, potom sa v tomto prípade nazýva magnetická rezonancia elektrónová paramagnetická rezonancia(EPR). Keď sú momenty určené jadrom atómu, potom sa nazýva magnetická rezonancia nukleárna magnetická rezonancia(NMR), ktorý bol prvýkrát pozorovaný pri experimentoch s Rabiho molekulárnymi lúčmi v roku 1938. Existujú aj feromagnetické A antiferomagnetické rezonancie spojené so zmenou orientácie elektronických magnetických momentov vo feromagnetikách a antiferomagnetikách. Ďalej sa pozrime bližšie na EPR.

Elektronický paramagnetizmus majú: všetky atómy a molekuly s nepárnym počtom elektrónov (nespárové, nekompenzované elektróny) na vonkajších elektrónových obaloch, pretože v tomto prípade sa celkový spin systému nerovná nule (voľné atómy sodíka, plynný dusičnan oxid, atď.); atómy a ióny s nevyplneným vnútorným elektrónovým obalom (prvky vzácnych zemín, aktinidy atď.) atď. EPR je súbor javov spojených s kvantovými prechodmi vyskytujúcimi sa medzi energetickými hladinami makroskopických systémov pod vplyvom striedavého magnetického poľa rezonancie frekvencia.

Fenomén EPR prvýkrát experimentálne pozoroval E. K. Zavoisky v roku 1944. EPR je silný nástroj na štúdium vlastností paramagnetických látok v makroskopických množstvách. V tomto prípade nie je jedna, ale veľa častíc s magnetickými momentmi. Makroskopickou magnetickou charakteristikou látky je vektor magnetizácie 1 = , kde N- počet častíc na jednotku

objem látky; je priemerný magnetický moment častíc. Systém momentov všetkých paramagnetických častíc danej látky sa nazýva spinový systém. Zvyšné stupne voľnosti paramagnetu – prostredia magnetických momentov – sa nazývajú „mriežka“. V tejto súvislosti sa berú do úvahy dva typy interakcie: magnetické momenty navzájom (interakcia spin-spin) a magnetické momenty s ich prostredím (interakcia spin-mriežka). V izolovanom spinovom systéme nedochádza k stacionárnej absorpcii energie striedavého poľa. Pred zapnutím striedavého magnetického poľa je totiž počet častíc v základnom stave väčší ako ich počet N 2 v vzrušenom stave. Keď je energia absorbovaná, počet častíc JV klesá a počet N 2 zvyšuje. Toto sa bude diať až do N] A N 2 nie sú rovnaké. Potom sa dosiahne saturácia a ďalšia absorpcia energie sa zastaví. Berúc do úvahy interakciu spinového systému s mriežkou, je možná stacionárna absorpcia energie. Rošt slúži ako zásobník energie a pri tom sa zohrieva.

Zmena vektora magnetizácie je opísaná Blochovou rovnicou:

kde = (x,y,z)‘ t y - gyromagnetický pomer; 1 0 - rovnovážna hodnota vektora magnetizácie v konštantnom magnetickom poli v 0 =(0,0, pri 0); t x - spin-spin (alebo priečny) relaxačný čas, t x \u003d t y=t2; t z - spin-mriežka (alebo pozdĺžna)

relaxácia, m^ = m,. Hodnoty m a m 2 závisia od charakteristík interakcie každej častice s časticami, ktoré ju obklopujú. Stanovenie týchto relaxačných časov je hlavným experimentálnym problémom metódy magnetickej rezonancie. V rovnici

(3.106) prvý člen je napísaný analogicky s pohybovou rovnicou jediného magnetického momentu (3.103). Druhý člen je spôsobený interakciami spin-spin a spin-mriežka, ktoré určujú dosiahnutie rovnovážneho stavu systémom.

Výkon žiarenia /(co) absorbovaný paramagnetickou látkou sa vypočíta pomocou rovnice (3.106). Je definovaný vzorcom

Kde A- nejaký multiplikátor; IN ]- amplitúda striedavého magnetického poľa. Tvar absorpčnej krivky je určený funkciou

kde o) 0 - frekvencia precesie, o) 0 =y# 0 .

To ukazuje, že absorpcia má rezonančný charakter (obr. 3.35). Absorpčná krivka má Lorentzovský tvar a dosahuje maximum pri rezonancii: co=co 0 . Šírka absorpčnej čiary:

V dostatočne slabom vysokofrekvenčnom magnetickom poli je šírka absorpčnej krivky určená relaxačným časom spin-spin. Keď sa toto pole zväčšuje, absorpčná línia sa rozširuje. Šírka absorpčnej krivky určuje relaxačné časy, ktoré sú spojené s vlastnosťami látky. Na dosiahnutie rezonancie v experimente sa ukazuje, že je vhodnejšie zmeniť nie frekvenciu striedavého magnetického poľa, ale frekvenciu precesie zmenou konštantného magnetického poľa.

Na obr. 3.36 ukazuje jeden z jednoduché obvody rádiový spektroskop na EPR pozorovanie - rádiový spektroskop s vlnovodným mostíkom. Obsahuje stabilný zdroj RF žiarenia - klystron, ladený dutinový rezonátor so skúmanou vzorkou a merací systém na detekciu, zosilnenie a indikáciu signálu. Energia klystronu ide z polovice do ramena rezonátora obsahujúceho testovanú vzorku a z polovice do druhého ramena do zodpovedajúcej záťaže. Pri nastavovaní skrutkou je možné kobylku vyvážiť. Ak sa potom pomocou modulačných cievok zmení konštantné magnetické pole, potom sa pri rezonancii prudko zvýši absorpcia energie vzorkou, čo vedie k nevyváženosti mostíka. Potom, po zosilnení signálu, osciloskop zapíše rezonančnú krivku.

Metóda EPR má vysokú citlivosť. Umožňuje merať relaxačné časy, nukleárne magnetické momenty, vykonávať kvantitatívnu analýzu akýchkoľvek paramagnetických látok do 10 -12 g látky a určovať štruktúru chemických zlúčenín.

elektronické konfigurácie, merajú slabé sily magnetického poľa až do 79,6 A/m atď.

Ukážme si, ako je možné vypočítať výkon žiarenia absorbovaného paramagnetickou látkou (3.107). Predstavme si striedavé magnetické pole rotujúce v smere hodinových ručičiek (v smere precesie magnetického momentu) v komplexnej forme:

B(t)== 2?,coso)/-/"#, sinw/ = 2? u +iBly . Môžete tiež zadať

komplexný vektor magnetizácie /(/)= / a + a (9 ktorý súvisí s komplexným vektorom striedavého magnetického poľa vzťahom / = x(o>)H, kde x(w) je komplexná magnetická susceptibilita. Tento vzťah sa zavádza podobne ako v statickom prípade, keď magnetické pole BQ neustále: / 0 = x 0 ? 0, kde %o~ statická magnetická susceptibilita.Z Blochových rovníc (3.106) dostaneme

V ustálenom stave máme: - = - / o) /, - = 0. Potom od

systém (3.110) sleduje sústavu rovníc:

Riešenie pre tento systém:

Priemerný absorbovaný výkon za obdobie poľa možno vypočítať podľa vzorca

Z toho vyplýva, že absorbovaný výkon je určený imaginárnou časťou komplexnej magnetickej susceptibility.

Použitím metódy magnetickej rezonancie sa získali mnohé zásadné výsledky. Meral sa najmä anomálny magnetický moment elektrónu. Ukázalo sa, že spinový magnetický moment elektrónu sa nerovná presne jednému Bohrovmu magnetónu, t.j. pre elektrón je gyromagnetický pomer g e ^2. Toto už bolo diskutované v § 2.7. Meral sa aj magnetický moment neutrónu atď. Na základe tejto metódy bol vytvorený štandard atómového lúča pre frekvenciu a čas - atomichron pomocou zväzku atómov cézia Cs 133

1. Vo voľnom ióne Cu 2+ chýba jeden elektrón v obale 3^. Určte frekvenciu paramagnetickej rezonancie v magnetickom poli 421,88-10 3 A/m.

Riešenie. Hlavný štát - /)-štát (L= 2) so spinom 5= 1/2. Podľa Hundovho pravidla číslo /= L+ 5 = 5/2. V neprítomnosti magnetického poľa sa táto úroveň nerozdelí s faktorom degenerácie (25+ 1)(2Z.+ 1)= 10. V konštantnom magnetickom poli sa hladina rozdelí na 2/+ 1 = 6 podúrovní. Lande faktor g = 6/5. Frekvencia paramagnetickej rezonancie je určená vzorcom (3.101).

EPR spektrá sa môžu použiť na určenie valencie paramagnetického iónu a symetrie jeho prostredia, čo v kombinácii s údajmi röntgenovej štruktúrnej analýzy umožňuje určiť polohu paramagnetického iónu v kryštálovej mriežke. Hodnota energetických hladín paramagnetického iónu umožňuje porovnať výsledky EPR s údajmi optických spektier a vypočítať magnetickú susceptibilitu paramagnetov.

Metóda EPR umožňuje určiť povahu a lokalizáciu mriežkových defektov, ako sú farebné centrá. V kovoch a polovodičoch je možný aj EPR spojený so zmenou orientácie spinov vodivých elektrónov. Metóda EPR je široko používaná v chémii a biológii, kde v priebehu chemických reakcií alebo pri pôsobení ionizujúceho žiarenia môžu vznikať molekuly s nenaplnenou chemickou väzbou, voľné radikály. Ich g-faktor je zvyčajne blízky , a šírke čiary EPR
malý. Kvôli týmto vlastnostiam sa jeden z najstabilnejších voľných radikálov (), ktorý má g = 2,0036, používa ako štandard pri meraniach ESR. V biológii EPR sa študujú enzýmy a voľné radikály v biologických systémoch a organokovové zlúčeniny.

1. EPR v silných magnetických poliach

Prevažná väčšina experimentálnych štúdií paramagnetickej rezonancie bola vykonaná v magnetických poliach, ktorých intenzita je menšia ako 20 ke. Medzitým je použitie silnejších statických polí a variabilných polí viac vysoké frekvencie by výrazne rozšírila možnosti metódy EPR, zvýšila by informácie, ktoré poskytuje. V blízkej budúcnosti permanentné magnetické polia až 250 ke a impulzívne polia merané v desiatkach miliónov oerstedov. To znamená, že Zeemanove štiepenia v konštantných poliach dosiahnu približne 25
a v pulzných poliach sú hodnoty o dva rády väčšie. Low pomocou spektrometra so supravodivým magnetom zmeral EPR v poliach H0 65 ke. Prochorov a jeho kolegovia pozorovali EPR signály na vlnovej dĺžke =1,21mm.

Silné magnetické polia by mali byť veľkým prínosom pre emisiu iónov vzácnych zemín v kryštáloch, ktorých intervaly medzi Starkovými podúrovňami sú rádovo 10-100
. EPR efekt v bežných poliach často chýba, pretože pozemná úroveň Starka sa ukáže ako singlet, alebo preto, že prechody medzi Zeemanovými podúrovňami pozemného Kramersovho dubletu sú zakázané. Účinok v dôsledku prechodov medzi rôznymi Stark podúrovňami je vo všeobecnosti možný. Ďalej je kryštálové pole v kryštáloch vzácnych zemín charakterizované veľkým počtom parametrov, na určenie ktorých znalostí g- tenzor hlavného Kramersovho dubletu nestačí.

Silné magnetické polia možno využiť aj na štúdium iónov skupiny železa, najmä ako napr

ktoré majú delenia rádu 10 100
.

Pri aplikácii na páry spojené s výmenou to umožňujú silné magnetické polia pozorovaním efektu v dôsledku prechodov medzi úrovňami s rôznymi hodnotami výsledného točenia S páry so spektroskopickou presnosťou merajú parameter výmennej interakcie J.

Paramagnetická rezonancia v silných magnetických poliach bude mať množstvo funkcií. K efektom saturácie magnetizáciou dôjde pri relatívne vysokých teplotách. Keď nie veľmi nízke teploty polarizácia iónových magnetických momentov bude taká veľká, že okrem vonkajšieho magnetického poľa bude potrebné vniesť do rezonančných podmienok aj vnútorné pole. Ukáže sa závislosť rezonančných podmienok od tvaru vzorky.

ÚVOD……………………………………………………………………………………….2

1. PRINCÍP METÓDY EPR…………………………………………………………..3

1.1. História objavu metódy EPR………………………………………………..3

1.2. Mechanické a magnetické momenty elektrónu………………………………4

1.3. Zeemanov efekt ……………………………………………………………………….. .................6

1.4. Základná rezonančná rovnica ……………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

2. CHARAKTERISTIKA SPEKTR EPR ………………………………………….10

2.1. Amplitúda signálu, tvar čiary a šírka čiary……………………………….10

2.2. Hyperjemná štruktúra EPR spektier……………………………………………….16

……………………………………………………………..18

3. ZARIADENIE RÁDIOSPEKTROMETRA EPR…………………………...22

4. APLIKÁCIA EPR V LEKÁRSKOM A BIOLOGICKOM VÝSKUME……………………………………………………………………….24

4.1 Signály EPR pozorované v biologických systémoch………………..24

4.2. Spôsob rotácie štítkov a sond………………………………………………26

4.3. Metóda spinovej pasce………………………………………………...35

ZÁVER………………………………………………………………………...39

ZOZNAM POUŽITÝCH ZDROJOV………………………..40

ÚVOD

Elektrónová paramagnetická rezonancia(EPR, electronic spin rezonance), fenomén rezonančnej absorpcie elektromagnetického žiarenia paramagnetickými časticami umiestnenými v konštantnom magnetickom poli, v dôsledku kvantových prechodov medzi magnetickými podúrovňami paramagnetických atómov a iónov (Zeemanov efekt). OTVORENÉZavojský Jevgenij Konstantinovič V Kazaň štátna univerzita v roku 1944

Pri absencii konštantného magnetického poľa H sú magnetické momenty nepárového elektróny sú nasmerované ľubovoľne, stav sústavy takýchto častíc je energeticky degenerovaný. Keď sa aplikuje pole H, projekcie magnetických momentov na smer poľa nadobudnú určité hodnoty a degenerácia sa odstráni (Zeemanov efekt), t.j. rozdelí sa energetická hladina. elektróny E 0 .

Keďže na spodnej úrovni je číslo elektróny viac v súlade s Boltzmannovým rozdelením, potom bude dochádzať prevažne k rezonančnej absorpcii energie striedavého magnetického poľa (jeho magnetickej zložky).

Na nepretržité pozorovanie absorpcie energie nestačí rezonančná podmienka, pretože vplyvom elektromagnetického žiarenia sa populácie podúrovní vyrovnajú (efekt saturácie). Relaxačné procesy sú nevyhnutné na udržanie Boltzmannovho rozloženia podúrovňových populácií.

Hlavnými parametrami EPR spektier sú intenzita, tvar a šírka rezonancie linky , g-faktor, konštanty jemných a hyperjemných (HFS) štruktúr.

1. PRINCÍP METÓDY EPR

1.1.História objavu metódy EPR

Metóda elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR, EPRelektrónová paramagnetická rezonancia, ESR elektrónová spinová rezonancia ) je hlavnou metódou štúdiaparamagnetické častice. K paramagnetickým časticiam s dôležitým biologickýmčo znamená, že existujú dva hlavné typy, ktorými sú voľné radikály a komplexy kovovpremenlivá valencia (ako Fe, Cu, Co, Ni, Mn).

Metódu elektrónovej paramagnetickej rezonancie objavil v roku 1944 E.K. Zavoisky pri štúdiu interakcie mikrovlnného elektromagnetického žiarenia so soľami kovov. Všimol si, že monokryštál CuCl2 umiestnený v konštantnom magnetickom poli 40 Gauss (4 mT) môže absorbovať žiarenie s frekvenciou asi 133 MHz.

Priekopníkmi využitia EPR v biologickom výskume v ZSSR boli L.A. Blumenfeld a A.E. Kalmanson, ktorý začal študovať voľné radikály bielkovín získaných pôsobením ionizujúceho žiarenia.

Postupom času syntéza stabilných nitroxidových radikálov výrazne rozšírila rozsah metódy EPR v biologickom a medicínskom výskume. Dnes je táto metóda jednou z najpoužívanejších metód modernej vedy.

1.2. Mechanické a magnetické momenty elektrónu

Metóda EPR je založená na absorpcii elektromagnetického žiarenia v rádiovom dosahu nespárovanými elektrónmi v magnetickom poli.

Je dobre známe, že elektrón v atóme sa podieľa na orbitálnom a spinálnom pohybe, ktorý možno charakterizovať pomocou zodpovedajúcich mechanických a magnetických momentov. Orbitálny magnetický moment teda súvisí s mechanickým prejavom

(1)

kde je magnetický orbitálny moment a je mechanický orbitálny moment. Na druhej strane, mechanickú orbitálnu hybnosť možno vyjadriť ako orbitálne kvantové číslo

(2)

Dosadením výrazu (1.2) do (1.1) dostaneme to

Množstvo je elementárny magnetický moment a pre elektrón sa nazýva Bohrov magnetón. Označuje sa písmenom β a rovná sa 9,27 1024 J/T.

Pre spinový magnetický moment možno napísať podobné výrazy

(4)

(5)

(6)

kde je spinový magnetický moment, PS mechanický magnetický moment a s spinové kvantové číslo. Je dôležité poznamenať, že koeficient proporcionality medzi a Ps (e/m ) dvakrát toľko ako pre a Pl(e/2m).

Výsledkom je, že celkový magnetický moment elektrónu, ktorý je vektorom, sa bude rovnať súčtu vektorov orbitálnych a spinových magnetických momentov.

(7)

Pretože absolútne hodnoty a môžu sa značne líšiť, pre pohodlie pri zohľadnení príspevku orbitálnych a spinových magnetických momentov k celkovému magnetickému momentu elektrónu sa zavedie koeficient úmernosti, ktorý ukazuje podiel každého z nich.momenty v celkovom magnetickom momente hodnota g alebo g-faktor.

kde Pj plný mechanický moment elektrónu, rovný Pl + Ps . g -Koeficient sa rovná jednej at s = 0 (t. j. pri absencii rotácie) a rovná sa dvom, ak je orbitálny moment hybnosti nula ( l = 0). g - Faktor je identický s Landeovým spektroskopickým deliacim faktorom a možno ho vyjadriť ako celkové kvantové čísla S, P a J:

kde (9)

Pretože vo väčšine prípadov sú elektrónové orbitály veľmi odlišné od sférických orbitálov, orbitálny magnetický moment má relatívne malý príspevok k celkovému magnetickému momentu. Pre zjednodušenie výpočtov možno tento príspevok zanedbať. Okrem toho, ak nahradíme spinový mechanický moment jeho priemetom do zvoleného smeru (napríklad do smeru magnetického poľa), dostaneme nasledujúci výraz:

(10)

kde eh/4πm je Bohrov magnetón a je magnetické kvantové číslo, ktoré je projekciou spinového magnetického momentu do zvoleného smeru a rovná sa ±1/2.

1 .3. Zeemanov efekt

Obrázok 1 Orientácia elektrónov vo vonkajšom magnetickom poli ( H).

Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty elektrónov náhodne orientované (obr. 1 vľavo) a ich energia sa od seba prakticky nelíši (E0). Pri pôsobení vonkajšieho magnetického poľa sa magnetické momenty elektrónov v poli orientujú v závislosti od veľkosti spinového magnetického momentu (obr. 1 vpravo) a ich energetická hladina sa rozdelí na dva (obr. 2). ).

Obrázok 2 Rozdelenie energetických hladín jednotlivých elektrónov v magnetickom poli (Zeemanov efekt).

Energiu interakcie magnetického momentu elektrónu s magnetickým poľom vyjadruje rovnica

(11)

kde μ je celkový magnetický moment elektrónu, H sila magnetického poľa a cos(μH) kosínus uhla medzi vektormi μ a H.

V našom prípade bude interakčná energia elektrónu s vonkajším magnetickým poľom

(12)

a energetický rozdiel medzi týmito dvoma úrovňami je

(13)

Energetické hladiny elektrónov umiestnených v magnetickom poli sa teda delia v tomto poli v závislosti od veľkosti spinového magnetického momentu a intenzity magnetického poľa ( Zeemanov efekt).

1.4 Základná rezonančná rovnica

Počet elektrónov v skúmanom systéme, ktoré majú konkrétnu energiu, sa určí v súlade s Boltzmannovým rozdelením, a to

(14)

kde a je počet elektrónov na vyššej alebo nižšej energetickej úrovni zodpovedajúci magnetickému momentu elektrónu so spinom +1/2 alebo 1/2.

Ak elektromagnetická vlna dopadne na systém elektrónov v magnetickom poli, potom pri určitých hodnotách energie dopadajúcich kvánt dôjde k prechodom elektrónov medzi úrovňami.

Nevyhnutnou podmienkou je rovnosť energie dopadajúceho kvanta (hν) a energetický rozdiel medzi hladinami elektrónov s rôznymi spinmi (gβH).

AE = hν = gβH (15)

Táto rovnica vyjadruje základnú podmienku absorpcie energie elektrónmi a je tzvhlavná rezonančná rovnica. Pod vplyvom žiarenia budú elektróny, ktoré sú na vyššej energetickej úrovni, emitovať energiu a vrátia sa na nižšiu úroveň, tento jav sa nazýva indukovaná emisia. Elektróny na nižšej úrovni absorbujú energiu a presunú sa na vyššiu úroveň.

energetickej úrovni, tento jav sa nazývarezonančná absorpcia. Keďže pravdepodobnosti jednotlivých prechodov medzi energetickými hladinami sú rovnaké a celková pravdepodobnosť prechodov je úmerná počtu elektrónov v danej energetickej hladine, prevládne absorpcia energie nad jej emisiou. Je to spôsobené tým, že ako vyplýva z Boltzmannovho rozdelenia, obyv nižší level nad populáciou hornej energetickej hladiny.

Malo by sa pamätať na to, že rozdiel v energetických hladinách elektrónu v magnetickom poli (ako aj iných nabitých častíc so spinom, napríklad protóny) je spojený s prítomnosťou vlastného magnetického momentu v elektróne. Spárované elektróny majú kompenzované magnetické momenty a nereagujú na vonkajšie magnetické pole, takže bežné molekuly nedávajú EPR signály. EPR teda umožňuje zisťovať a študovať vlastnostivoľné radikály(majú nespárovaný elektrón vo vonkajších orbitáloch) a kovové komplexy premenlivej valencie (v ktorých nespárovaný elektrón patrí do hlbších elektrónových obalov). Tieto dve skupiny paramagnetických častíc sa často označujú ako paramagnetické centrá.

2. CHARAKTERISTIKA SPEKTRA EPR

Metóda EPR nám umožňuje študovať vlastnosti paramagnetických centier prostredníctvom absorpčných spektier elektromagnetického žiarenia týmito časticami. Keď poznáme charakteristiky spektier, môžeme posúdiť aj vlastnosti paramagnetických častíc. Hlavnými charakteristikami spektier sú amplitúda, šírka čiary, tvar čiary, g -faktorová a hyperjemná štruktúra spektier.

2.1. Amplitúda signálu, tvar čiary a šírka čiary

Amplitúda signálu

Signál EPR je prvou deriváciou absorpčného spektra (obr. 3). Plocha pod absorpčnou čiarou je úmerná koncentrácii paramagnetických častíc vo vzorke. Koncentrácia paramagnetických centier je teda úmerná prvému integrálu pod absorpčnou čiarou alebo druhému integrálu EPR spektra. Ak majú dva signály rovnakú šírku, potom koncentrácie paramagnetických centier korelujú ako amplitúdy signálu v absorpčnom spektre.

Obrázok 3 - Signál EPR. Vľavo závislosť mikrovlnnej absorpcie od intenzity magnetického poľa (H); vpravo prvá derivácia tejto závislosti. EPR spektrometre zaznamenávajú krivky druhého typu.

Na určenie koncentrácie sa merajú plochy pod absorpčnou krivkou pre referenčnú vzorku so známou koncentráciou paramagnetických centier a pre meranú vzorku a neznáma koncentrácia sa zistí z pomeru za predpokladu, že obe vzorky majú rovnaký objem:

(16)

kde a sú koncentrácie meranej vzorky a referenčnej vzorky a S x a S 0 plocha pod absorpčnými čiarami meraného signálu a referenčnej vzorky.

Na určenie oblasti pod absorpčnou čiarou neznámeho signálu môžete použiť metódu numerickej integrácie

(17)

kde f" (H ) prvá derivácia absorpčnej čiary (EPR spektrum), F(H ) funkcia absorpčnej čiary a H sila magnetického poľa.

(18)

Vzhľadom na to, že F (H ) . H v bodoch -∞ a ∞ je nula a dF (H ) sa rovná f "(H) dH, dostaneme

(19)

kde f" (H ) prvá derivácia absorpčnej čiary alebo EPR spektra. Vzhľadom na to je ľahké prejsť od integrálu k integrálnemu súčtu H = nΔH, dostaneme

(20)

kde ΔH krok zmeny magnetického poľa, a n i číslo kroku. Plocha pod absorpčnou krivkou sa teda bude rovnať súčinu druhej mocniny kroku magnetického poľa a súčtu súčinov amplitúdy EPR spektra a čísla kroku. Z výrazu (20) je ľahké vidieť, že pre veľké n (t.j. ďaleko od stredu signálu) môže byť príspevok vzdialených častí spektra dosť veľký aj pri malých hodnotách amplitúdy signálu.

Tvar čiary

Hoci podľa základnej rezonančnej rovnice k absorpcii dochádza len vtedy, keď sa energia dopadajúceho kvanta rovná energetickému rozdielu medzi hladinami nepárových elektrónov, EPR spektrum je v určitom okolí rezonančného bodu spojité. Funkcia popisujúca signál EPR sa nazýva funkcia tvaru čiary. V zriedených roztokoch, keď je možné zanedbať interakciu medzi paramagnetickými časticami, je absorpčná krivka opísaná Lorentzovou funkciou:

(21)

kde je funkcia krivky absorpcie v bode rezonancie, je hodnota poľa v bode rezonancie, je šírka signálu v polovici maxima. Podobný zápis sa používa pre krivku absorpcie opísanú Gaussovou funkciou.

(22)

Gaussova funkcia je obalom EPR spektra, ak existuje interakcia medzi paramagnetickými časticami. Pri určovaní plochy pod absorpčnou krivkou je obzvlášť dôležité zvážiť tvar čiary. Ako je zrejmé z vyššie uvedených vzorcov, Lorentzova línia má pomalší rozpad a teda širšie krídla, čo môže spôsobiť značnú chybu pri integrácii spektra.

Šírka čiary

Šírka spektra EPR závisí od interakcie magnetického momentu elektrónu s magnetickými momentmi okolitých jadier (mriežka) (spin-mriežková interakcia) a elektrónov (spin-spin interakcia). V neprítomnosti týchto interakcií by energia absorbovaná elektrónmi viedla k zníženiu rozdielu v úrovni populácie a ukončeniu absorpcie.

V experimente však nie je pozorovaná žiadna zmena v rozdiele populácie hladiny vzhľadom na to, že existujú procesy, pri ktorých sa absorbovaná energia prenáša do prostredia a elektróny sa vracajú na počiatočnú úroveň. Takéto procesy sa nazývajú relaxačné procesy, udržiavajú konštantný rozdiel v populácii energetických hladín. Relaxačný mechanizmus spočíva v prenose elektromagnetickej energie kvanta do mriežky alebo okolitých elektrónov a návrate elektrónu do

nízka energetická hladina. Čas, počas ktorého elektrón zostáva na vysokej energetickej úrovni, sa nazýva relaxačný čas. V súlade s tým existuje čas spinovej mriežky ( T 1) a spin-spin ( T 2) relaxácia.

Jedným z dôvodov rozšírenia absorpčných pásiem v EPR signáloch sú vlnové vlastnosti elementárnych častíc, ktoré sa prejavujú existenciou známeho Heisenbergovho princípu vzťahu neurčitosti. Podľa tohto princípu platí, že čím presnejšie je nastavený čas pozorovania (čím menšie Δ t ), tým väčšia je neistota energie častíc (:

(23)

Ak pripustíme, že Δ t je čas relaxu T a AE zodpovedá g βΔH , potom to dostaneme

(24)

tie. neistota šírky čiary je nepriamo úmerná dobe relaxácie. Pozorovaný relaxačný čas sa považuje za súčet relaxačných časov spin-mriežky a spin-spin.

(25)

Voľné radikály v roztokoch majú T1>> T 2, preto bude šírka čiary závisieť hlavne od T2.

„Prirodzené“ rozšírenie signálu EPR, ktoré závisí od času spin-mriežky a spin-spin relaxácie, nie je jediným mechanizmom, ktorý ovplyvňuje šírku čiary. c Ignala. Tiež zohrávajú dôležitú úlohuinterakcia dipól-dipól; anizotropia g -faktor a; dynamické rozšírenie línie a výmena spinov.

V jadre interakcia dipól-dipólspočíva v interakcii magnetického momentu nepárového elektrónu s lokálnym magnetickým poľom vytvoreným susednými elektrónmi a jadrami. Sila magnetického poľa v mieste, kde sa nachádza nespárovaný elektrón, závisí od vzájomnej orientácie magnetických momentov nespárovaného elektrónu a iného elektrónu alebo jadra a od vzdialenosti medzi týmito centrami. Zmena energie nepárového elektrónu je určená rovnicou

(26)

kde μ je magnetický moment elektrónu, θ je uhol medzi interagujúcimi magnetickými momentmi R vzdialenosť medzi nimi.

Príspevok anizotropia g-faktoraRozšírenie línie EPR je spôsobené tým, že orbitálny pohyb elektrónu vytvára magnetické pole, s ktorým interaguje spinový magnetický moment. Tým vzniká posun veľkosti vonkajšej intenzity poľa, pri ktorom je pozorovaná rezonancia, t.j. k posunu v polohe maxima signálu EPR. To sa zase prejavuje zjavnou odchýlkou g -faktor voľného elektrónu od hodnoty 2,00. Na druhej strane vplyv orbitálneho magnetického poľa na elektrón

závisí od orientácie molekuly vzhľadom na vonkajšie magnetické pole, čo vedie k rozšíreniu EPR signálu pri meraní v systéme pozostávajúcom z mnohých náhodne orientovaných molekúl.

Rozšírenie EPR signálu môže byť spojené aj so vzájomnou transformáciou dvoch paramagnetických častíc. Ak má teda každá z častíc svoje vlastné spektrum EPR, potom zvýšenie rýchlosti vzájomnej transformácie povedie k rozšíreniu čiary, pretože v tomto prípade sa životnosť radikálu v každom stave znižuje. Taká zmenašírka signálu je tzvdynamické rozšírenie signál.

Výmena točenia je ďalším dôvodom na rozšírenie signálu EPR. Mechanizmus rozšírenia signálu pri spinovej výmene spočíva v zmene smeru spinového magnetického momentu elektrónu na opačný pri jeho zrážke s iným nepárovým elektrónom alebo iným paramagnetom. Pretože takáto kolízia znižuje životnosť elektrónu v daný stav, potom sa opäť rozšíri EPR signál. Najčastejším prípadom rozšírenia spin-výmennej línie EPR je rozšírenie signálu v prítomnosti kyslíka alebo paramagnetických kovových iónov.

2.2 Hyperjemná štruktúra EPR spektier

Rozdelenie jednej línie EPR na niekoľko línií je založené na tomto javehyperjemná interakciat.j. interakcia magnetických momentov nepárových elektrónov () s magnetickými momentmi susedných jadier (

Obrázok 4 poskytuje vysvetlenie hyperjemnej interakcie. Nespárovaný elektrón v radikále môže byť umiestnený blízko protónu, napríklad ako v etanolovom radikále (1). Pri absencii vplyvu blízkych protónov má elektrón signál vo forme jedinej čiary (2). Protón má však aj magnetický moment, ktorý je orientovaný vo vonkajšom magnetickom poli ( H 0) v dvoch smeroch (pozdĺž poľa alebo proti poľu), pretože ako elektrón má spinové číslo S = ½. Ako malý magnet vytvára protón magnetické pole, ktoré má v mieste elektrónu určité hodnoty +Hp alebo Hp v závislosti od orientácie protónu (3). Výsledkom je, že celkové magnetické pole aplikované na nespárovaný elektrón (4) má hodnotu o niečo väčšiu (+ Hp) alebo o niečo nižšiu (Hp) ako v neprítomnosti protónu (). Signál EPR radikálu preto pozostáva z dvoch pásiem, ktorých vzdialenosť od pôvodného stredu pásu sa rovná Hp (5).

Obrázok 4 - Hyperjemné rozdelenie signálu EPR v etanolovom radikále.

1 etanolový radikál. 2 EPR signál elektrónu vo vonkajšom poli. 3 orientácia protónov vo vonkajšom magnetickom poli. 4 zvýšenie alebo zníženie poľa pôsobiaceho na elektrón v dôsledku uloženia magnetického poľa protónu ( H p) na vonkajšie magnetické pole. 5 EPR signál radikálu, v ktorom je magnetické pole protónu superponované na vonkajšie magnetické pole.

V našom príklade bol spin jadra interagujúceho s nespárovaným elektrónom ± 1/2, čo nám nakoniec poskytlo rozdelenie na dve línie. Táto hodnota spinu je charakteristická pre protóny. Jadrá atómov dusíka (N14) majú spin celé číslo . Môže nadobudnúť hodnoty ±1 a 0. V tomto prípade, keď nepárový elektrón interaguje s jadrom atómu dusíka, bude pozorované rozdelenie na tri rovnaké čiary, ktoré zodpovedajú hodnote spinu +1, 1 a 0. Vo všeobecnom prípade počet

čiary v spektre EPR sú 2 m N+1. (pozri nižšie, obr. 10)

Prirodzene, počet nepárových elektrónov a teda plocha pod krivkou absorpcie EPR nezávisia od veľkosti jadrového spinu a sú konštantnými hodnotami. V dôsledku toho, keď je jeden signál EPR rozdelený na dva alebo tri, intenzita každej zložky bude 2 alebo 3 krát nižšia.

Veľmi podobný obraz vzniká, ak nepárový elektrón interaguje nie s jedným, ale s niekoľkými ekvivalentnými (s rovnakou hyperjemnou interakčnou konštantou) jadrami, ktoré majú magnetický moment iný ako nula, napríklad dva protóny. V tomto prípade vznikajú tri stavy zodpovedajúce orientácii spinov protónov: (a) oba pozdĺž poľa, (b) oba proti poľu a (c) jeden pozdĺž poľa a jeden proti poľu. Možnosť (c) je dvakrát pravdepodobnejšia ako (a) alebo (b), pretože možno vykonať dvoma spôsobmi. V dôsledku takéhoto rozloženia nepárových elektrónov sa jedna čiara rozdelí na tri čiary s pomerom intenzity 1:2:1. Vo všeobecnosti pre n ekvivalentných jadier so spinom mN, počet riadkov je n 2 m N +1.

2.3. Vlastnosti atómov s magnetickými jadrami, konštanty, HFI nespárovaného elektrónu s jadrom

Atom	Hromadné číslo		jadrový spin	x 10-4 T
		99,98
		7,52		54,29
			92,48		143,37
				316,11
		93,26		82,38
		72,15		361,07
			27,85		1219,25
				819,84

IN - elektronické systémy (väčšina organických voľných radikálov)hustota odstreďovaniav bode jadra sa rovná nule (uzlový bod p-orbitálu) a realizujú sa dva mechanizmy vzniku SHF (spin transfer): konfiguračná interakcia a superkonjugačný efekt. Mechanizmus interakcie konfigurácie je ilustrovaný zvážením CH-fragmentu (obr. 5). Keď sa v p-orbitále objaví nepárový elektrón , jeho magnetické pole interaguje s pár elektrónov -väzby CH tak, že sa čiastočne deparujú (spinová polarizácia), čo má za následok protón sa javí negatívnehustota odstreďovania, keďže interakčné energie sa točí a rôzne. Stav znázornený na obr. 5, a, je stabilnejší, pretože pre uhlík atóm , nesúci nespárované elektrón , v súlade s Hundovo pravidlo maximálnemnohosť. Pre systémy tohto typu existuje vzťah medzi konštantou STV a protón a hustota odstreďovaniana zodpovedajúcom uhlíku atóm , určené vzťahom McConnell: kde Q = -28 x 10 -4 T, - hustota odstreďovania na atóme uhlíka . Prenos spinu mechanizmom konfiguračnej interakcie sa realizuje pre aromatické protóny a -protóny v organických voľných radikáloch.

Obrázok 5 - Možné konfigurácie odstreďovania pre- spojenie orbitálov atóm vodíka vo fragmente CH a p-orbitály atóm uhlíka so spinom a - sa točí na väzbe -orbitály a p-orbitály atóm uhlíka paralelné, b - to isté späť sú antiparalelné.

Účinok prekonjugácie sa priamo prekrýva orbitály nepárového elektrónu a magnetické jadrá. Najmä v alkylových radikáloch sa HFI objavuje týmto mechanizmom na jadrách-protóny. Napríklad v etylovom radikále na-protóny HFC je určený interakciou konfigurácie a ďalej-protóny - superkonjugácia. Ekvivalencia CTB s tromi protóny metylová skupina je v tomto prípade spôsobená rýchlou rotáciou skupiny CH 3 vzhľadom na väzbu C C. V neprítomnosti voľnej rotácie (alebo v prípade sťaženej rotácie), ktorá sa pri mnohých systémoch s rozvetvenými alkylovými substituentami alebo v monokryštálových vzorkách realizuje v kvapalnej fáze, konštanta HFI s-protóny je určený výrazom, Kde - dihedrálny uhol medzi 2p z -orbital -atóm uhlíka a CH väzba, V04 x 10-4 T určuje príspevok rotácie polarizácia jadrovým jadrom (konfiguračná interakcia), B 245 x 10-4 Tl. V limite rýchlej rotácie a n \u003d 2,65 x 10-3 T. V spektroskopii EPR tripletových stavov (S=1), okrem elektrón-nukleárnych interakcií (HFI), je potrebné brať do úvahy aj interakciu nepárových elektróny spolu. Je určená interakciou dipól-dipól spriemerovanou na nulu v kvapalnej fáze a opísanou parametrami nulového delenia D a E, ktoré závisia od vzdialenosti medzi neuloženými elektróny (radikálne páry), ako ajvýmenná interakcia(izotropné) v dôsledku priameho prekrývania orbitály nepárových elektrónov (výmena rotácie), ktorá je opísaná výmenným integrálom J výmena Pre biradikály , v ktorom každé z radikálových centier má jedno magnetické jadro s konštantou HFI a na tomto jadre, v prípade rýchlej (silnej) výmeny J výmena a, a každý nespárovaný elektrón biradikálový systém interaguje s magnetickými jadrami oboch radikálových centier. So slabou výmenou (J výmena a) spektrá EPR každého radikálového centra sa zaznamenávajú nezávisle, to znamená, že sa zaznamenáva "monoradikálový" vzor. Závislosť J výmena z t-ry a rozpúšťadla umožňuje získať dynamické charakteristiky biradikálového systému (frekvenčná a energetická bariéra výmeny spinov).

1. RÁDIOSPEKTROMETR EPR ZARIADENIE

Zariadenie rádiového spektrometra EPR len veľmi vzdialene pripomína zariadenie spektrofotometra na meranie optickej absorpcie vo viditeľnej a ultrafialovej časti spektra (obr. 6).

Obrázok 6 Zariadenie EPR spektrometra.

Zdrojom žiarenia v rádiovom spektrometri je klystron, čo je rádiová lampa, ktorá vydáva monochromatické žiarenie v rozsahu centimetrových vĺn.

Úlohu membrány v rádiovom spektrometri plní atenuátor, ktorý umožňuje dávkovať výkon dopadajúci na vzorku. Kyveta so vzorkou v rádiovom spektrometri je umiestnená v špeciálnej jednotke nazývanej rezonátor. Rezonátor je dutý rovnobežnosten vyrobený z kovu, ktorého dutina má valcový alebo obdĺžnikový tvar. Obsahuje absorpčnú vzorku. Rozmery rezonátora sú také, že prichádzajúce žiarenie v ňom vytvára stojaté elektromagnetické vlnenie. Prvok, ktorý v optickom spektrometri úplne chýba, je elektromagnet, ktorý vytvára konštantné magnetické pole potrebné na rozdelenie energetických hladín elektrónov. Žiarenie, ktoré prešlo meranou vzorkou, dopadá na detektor, následne sa signál detektora zosilní a zaznamená na záznamník alebo počítač. Zvláštnosťou konštrukcie rádiového spektrometra je, že žiarenie rádiového rozsahu sa prenáša zo zdroja do vzorky a následne do detektora pomocou špeciálnych trubíc. obdĺžnikový rez slúžiace ako vlnovody. Rozmery prierezu vlnovodov sú určené vlnovou dĺžkou prenášaného žiarenia. Táto vlastnosť prenosu rádiovej emisie cez vlnovody určuje skutočnosť, že na záznam EPR spektra v rádiovom spektrometri sa používa konštantná frekvencia žiarenia a rezonančný stav sa dosahuje zmenou veľkosti magnetického poľa.

Ešte jeden dôležitá vlastnosť rádiový spektrometer spočíva v tom, že toto zariadenie nemeria absorpciu (A) elektromagnetických (mikrovlnných) vĺn, ale prvú deriváciu absorpcie vzhľadom na silu magnetického poľa dA/dH. Ide o to, že na meranie absorpcie je potrebné porovnať intenzity prenášaného žiarenia meraného a kontrolného objektu (povedzme prázdnej kyvety), pričom pri meraní prvej derivácie nie je potrebný kontrolný objekt. Pri zmene magnetického poľa sa intenzita mikrovlnných vĺn, ktoré prešli prázdnym priestorom alebo neabsorbujúcim objektom, nemení a prvá derivácia absorpcie sa rovná nule. Ak mikrovlnné vlny prechádzajú objektom s paramagnetickými centrami, dochádza k absorpcii a jej veľkosť závisí od sily magnetického poľa. Zmeníme pole a zmení sa absorpcia, čo sa prejaví zmenou intenzity meraného mikrovlnného kmitania. Práve táto zmena intenzity meranej mikrovlny s malou moduláciou magnetického poľa okolo jeho danej hodnoty umožňuje určiť dA / dH v každom bode H, čím sa získajú spektrá, alebo EPR signály.

1. APLIKÁCIA EPR V LEKÁRSKOM A BIOLOGICKOM VÝSKUME

1. Signály EPR pozorované v biologických systémoch

Využitie metódy EPR v biologickom výskume je spojené so štúdiom dvoch hlavných typov paramagnetických centier – voľných radikálov a kovových iónov premenlivej valencie. Štúdium voľných radikálov v biologických systémoch je spojené s ťažkosťami, ktoré spočívajú v nízkej koncentrácii voľných radikálov vznikajúcich počas životnej aktivity buniek. Podľa rôznych zdrojov je koncentrácia radikálov v normálne metabolizujúcich bunkách približne M, pričom moderné rádiové spektrometre umožňujú meranie koncentrácií radikálov M. Koncentráciu voľných radikálov je možné zvýšiť spomalením ich smrti alebo zvýšením rýchlosti ich tvorby. . V experimentálnych podmienkach vzdelávanie

Radikály sa dajú najľahšie pozorovať, keď sú biologické objekty vystavené veľmi nízkym teplotám (povedzme 77 K) počas ich vystavenia UV alebo ionizujúcemu žiareniu. Štúdium štruktúry radikálov viac či menej zložitých biologicky dôležitých molekúl získaných za takýchto podmienok bolo jednou z prvých oblastí aplikácie metódy EPR v biologickom výskume (obr. 7). Druhou oblasťou použitia metódy EPR v biologickom výskume bolo štúdium kovov s premenlivou mocnosťou a/alebo ich komplexov, ktoré existujú. in vivo . V dôsledku krátkych relaxačných časov je možné EPR signály metaloproteínov pozorovať len pri nízkych teplotách, napríklad pri teplote tekutého dusíka alebo dokonca hélia.

Obrázok 7 - EPR spektrá cysteínu ožiareného UV žiarením pri teplote kvapalného dusíka (77 K) a bežnej teplote (300 K).

Ako príklad na obr. 8 ukazuje EPR spektrum pečene potkana. Na ňom môžete vidieť signály cytochrómu P-450, ktoré majú g -faktor 1,94 a 2,25, signál methemoglobínu s g - faktor 4,3 a signál voľných radikálov patriacich k semichinónovým radikálom kyseliny askorbovej a flavínov s g-faktor 2,00.

Obrázok 8 - EPR spektrum pečene potkana.

Signály EPR niektorých radikálov však možno pozorovať aj pri teplote miestnosti. Tieto signály zahŕňajú EPR signály mnohých semichinónových alebo fenoxy radikálov, ako je semichinónový radikál ubichinónu, fenoxy a semichinónový radikál α-tokoferolu (vitamín E), vitamín D a mnohé ďalšie (obr. 9).

Obrázok 9 - EPR signály semichinónových a fenoxyradikálov.

1. Metóda rotácie štítku a sondy

Dôležitou etapou vo vývoji aplikácie metódy EPR v biologickom výskume bola syntéza stabilných voľných radikálov. Spomedzi týchto radikálov sú najpopulárnejšie nitroxidové radikály.

Stabilita nitroxylových radikálov je spôsobená priestorovým skríningom skupiny NO. , ktorý má nepárový elektrón, štyri metylové skupiny, ktoré bránia reakcii s účasťou voľnej valencie. Takýto skríning však nie je absolútny a stále môže nastať reakcia redukcie voľnej valencie. Kyselina askorbová je napríklad dobrým redukčným činidlom pre nitroxidové radikály.

EPR spektrum nitroxidových radikálov zvyčajne pozostáva z troch čiar rovnakej intenzity v dôsledku interakcie nepárového elektrónu s jadrom atómu dusíka (obr. 10).

Obrázok 10 - Vzorec a EPR spektrum nitroxy radikálu 2,2,6,6-

tetrametyl-piperidín-1-oxyl (TEMPO).

Nechajme bokom zložitú teóriu, ktorá vysvetľuje závislosť tvaru signálu EPR od pohyblivosti sondy a obmedzme sa na veľmi schematickú prezentáciu toho, čo bolo pozorované v experimentoch. Ak je nitroxidový radikál vo vodnom roztoku, potom je jeho rotácia izotropná a pomerne rýchla a pozoruje sa EPR signál pozostávajúci z troch úzkych symetrických čiar (obr. 11, hore). So znižovaním rýchlosti otáčania sa čiary rozširujú a mení sa amplitúda zložiek spektra (obr. 11, stred). Ďalšie zvýšenie viskozity média vedie k ešte väčšej zmene signálu EPR rotačnej sondy (obr. 11, dole).

Pre kvantitatívny popis rotačný pohyb radikál, používa sa koncept rotačného korelačného času (τс). Rovná sa času rotácie nitroxidového radikálu o uhol π/2. Na základe analýzy signálu EPR možno korelačný čas odhadnúť pomocou empirickej rovnice

(27)

kde A je šírka pásma EPR spektra pri nízkej hodnote poľa a a je intenzita zložiek s vysokým a nízkym poľom EPR spektra. Túto rovnicu možno použiť s korelačným časom 5 až s.

Syntéza stabilných nitroxylových radikálov rodiny TEMPO bola míľnikom pri použití metódy EPR na štúdium vnútornej viskozity biologických membrán a proteínov pri riešení biomedicínskych problémov.

Obrázok 11 - EPR spektrum TEMPO v rôznych časoch rotačnej korelácie τс (čísla naľavo od spektra).

Deriváty TEMPO však, žiaľ, majú jednu podstatnú nevýhodu – vzhľadom na ich amfifilitu je ťažké určiť lokalizáciu tejto sondy a odpovedať tak na otázku, kde v skutočnosti mikroviskozitu určujeme. Tento problém bol prakticky vyriešený, keď sa objavili takzvané „sondy spinu mastných kyselín“, t.j. zlúčeniny, v ktorých bola molekula nitroxy radikálu kovalentne pripojená k molekule mastné kyseliny. V tomto prípade spektrum EPR nepochybne odráža vlastnosti hydrofóbnej (lipidovej) fázy skúmaného systému, kde je sonda vložená. Obrázok 12 ukazuje schematickú štruktúru molekuly spinovej sondy mastnej kyseliny, 5-doxyl stearátu, v ktorej je nitroxylový radikál (doxyl, zlúčenina príbuzná štruktúre TEMPO) pripojený k uhlíku 5 molekuly kyseliny stearovej. Charakteristickým znakom pohybu takejto sondy je veličina nazývaná parameter usporiadania S , ktorý charakterizuje stupeň asymetrie rotácie sondy vzhľadom na pozdĺžnu a priečnu os jej molekuly. Parameter usporiadania možno zistiť z charakteristík spektra EPR pomocou empirickej rovnice

(28)

kde A|| a A ⊥ parametre uvedené na obrázku. Teoreticky sa parameter usporiadania môže meniť od 0 do 1 so zmenou viskozity a štruktúry membrány. Pri dokonale symetrickej rotácii, keď je rýchlosť rotácie okolo troch osí rovnaká (čo je typické pre sférické častice v izotropnom prostredí), je parameter poradia rovný nule. Parameter usporiadania sa rovná 1, ak sa os otáčania sondy zhoduje s normálou k membráne a nedochádza k žiadnej rotácii vzhľadom na ostatné osi. Pri nízkych teplotách alebo v membránach zo syntetických nasýtených fosfolipidov sa sonda otáča prevažne okolo dlhej osi molekuly, orientovanej cez membránu. V tomto prípade má parameter objednávania vysoké hodnoty. S klesajúcou viskozitou membrány klesá hodnota objednávacieho parametra.

Obrázok 12 Chemický vzorec a EPR spektrum 5 doxylstearátu.

Veľmi cennou vlastnosťou spinových sond s obsahom mastných kyselín je schopnosť merať objednávací parameter v rôznych vzdialenostiach od povrchu membrány, takzvaný objednávací profil alebo viskozitný profil. Na to sa používa sada spinových sond, čo sú molekuly rovnakej mastnej kyseliny, ktoré obsahujú nitroxidový fragment v rôznych vzdialenostiach od karboxylovej skupiny. Používajú sa napríklad spinové sondy s nitroxylovým radikálom s 5, 7, 12 a 16 atómami uhlíka kyseliny stearovej. Súbor týchto zlúčenín umožňuje merať parameter S vo vzdialenosti 3,5, 5, 8,5 a 10,5 angstromov od povrchu membrány (obr. 13).

Obrázok 13 - Zmena signálu EPR po odstránení nitroxylového radikálu z polárnej karboxylovej skupiny mastnej kyseliny.

Zvyčajne sa EPR spektrá spinovej sondy zahrnutej v membráne a sondy v okolitom vodnom roztoku môžu výrazne líšiť. Táto vlastnosť bola využitá na vytvorenie novej triedy spinových sond, ktoré merajú medzifázový potenciál membrány (často označovaný ako povrchový potenciál). Na meranie tohto potenciálu sa meria distribučný koeficient voda/membrána neutrálnej a nabitej sondy. Pretože nabitá sonda interaguje s nábojmi umiestnenými na povrchu membrány, jej distribučný koeficient sa bude líšiť od koeficientu neutrálnej sondy. Pomer distribučných koeficientov slúži ako miera povrchového potenciálu skúmanej membrány. Chemický vzorec spinovej sondy použitej na meranie povrchového potenciálu je znázornený na obr.14.

Obrázok 14 - Chemický vzorec nabitej spinovej sondy.

Ďalšou dôležitou aplikáciou metódy spinovej sondy je meranie pH v mikroobjemoch, napríklad vo vnútri lyzozómov alebo fagozómov buniek. Na tieto účely sa používajú špeciálne pH-senzitívne spinové sondy (obr. 15). Metóda pH-metrie s použitím spinových sond je založená na schopnosti sondy poskytovať rôzne EPR spektrá v

protonované a deprotonované formy. V závislosti od pK spinovej sondy teda existuje určité rozmedzie pH, v ktorom dochádza k jej protonácii a zodpovedajúcej zmene v EPR spektre (obr. 16).

Obrázok 15 - Chemické vzorce rotačnej sondy citlivej na pH.

Obrázok 16 - EPR spektrá a závislosť koncentrácie deprotonovanej pH-senzitívnej spinovej sondy od pH

Všetko, o čom sa v tejto časti doteraz diskutovalo, bolometóda spinovej sondy. Nie menej zaujímavé však jemetóda spin label. Metóda spin label je založená na rovnakom princípe zmeny EPR spektra nitroxidového radikálu v závislosti od rýchlosti a izotropie jeho rotácie. Rozdielom v metóde je skutočnosť, že spinová značka sa kovalentne viaže na inú viac či menej veľkú

molekula.

Jednou z prvých a úspešných aplikácií metódy spin label bolo meranie množstva a dostupnosti proteínových SH skupín (obr. 17). Chemický vzorec a EPR spektrum spinovej značky interagujúcej so sulfhydrylovými skupinami, v slobodný štát a po pripojení k proteínu sú znázornené na obr.

Obrázok 17 - Schéma interakcie spinovej sondy s tiolovou skupinou proteínu.

Z obrázku je vidieť, že EPR spektrá spinovej značky vo voľnom a viazanom stave sú veľmi odlišné, čo je spôsobené rozdielom v rýchlosti a smere rotácie. Prirodzene, viazaný spinový štítok má oveľa nižšiu rýchlosť rotácie ako vo voľnej forme. Okrem toho je počet priradených spinových značiek a podľa toho aj intenzita EPR signálu úmerné číslu

sulfhydrylové skupiny reagovali so spinovou značkou, čo umožňuje určiť nielen pohyblivosť sondy, ale aj jej množstvo.

Obrázok 18 - Chemický vzorec spinovej značky pre SH-skupiny a EPR spektrá imobilizovanej (1), viazanej (2) a voľnej (3) spinovej značky.

V súčasnosti existuje mnoho metodických techník, ktoré umožňujú študovať topografiu proteínovej globule pomocou spinových značiek. Pretože mnohé kovové ióny s premenlivou mocnosťou sú paramagnetické a navyše sa môžu nachádzať v aktívnom centre enzýmu, interakcia spinovej značky pripojenej napríklad k cysteínovému alebo histidínovému zvyšku proteínovej globule s kovový ión povedie k rozšíreniu spektra EPR v dôsledku paramagnetov interakcie dipól-dipól.

1. Metóda spinovej pasce

Objavenie sa nitroxy radikálov sa ukázalo ako rozhodujúca udalosť pri riešení problému detekcie a štúdia voľných radikálov vytvorených v živých systémoch. Detekcia radikálov bola možná vďaka nástupu tejto metódy

spin pasce. Podstata metódy spočíva v tom, že nejaká zlúčenina, ktorá nie je nitroxy radikál, ale má štruktúru blízku nitroxy radikálu (spin pasca), interaguje s voľným, krátkodobým radikálom a mení sa na dlhodobý nitroxidový radikál ( spinový adukt ), ktorých EPR spektrum je jedinečné pre daný radikál alebo rodinu radikálov.

Podľa ich chemickej povahy môžu byť spinové pasce klasifikované do dvoch hlavných tried: nitróny a nitrózozlúčeniny. Medzi nitróny patria dva najpopulárnejšie spinové pasce, C-fenyl-N-terc-butylnitrón (PBN) a 5,5-dimetylpyrolín-1-oxyl (DMPO). Reakcia interakcie PBN s radikálom je nasledovná:

Stabilita výsledného nitroxylového radikálu PBN (spinový adukt) sa vysvetľuje tým, že atóm kyslíka, na ktorom je lokalizovaný nepárový elektrón, je priestorovo tienený tromi metylovými skupinami. Spinový adukt radikálu má jedinečné EPR spektrum (pozri obr. 19). Tvar EPR spektier spinových aduktov závisí od povahy pridaného voľného radikálu. Je teda možné študovať reakcie voľných radikálov v biologických objektoch metódou EPR pri fyziologických teplotách.

Obrázok 19 - EPR spektrum spinového aduktu a hodnoty hyperjemných deliacich konštánt pre niektoré radikály.

aH a aN hyperjemné deliace konštanty na protónovom a dusíkovom atóme

Obrázok 20 Schéma reakcie zachytávania DMPO a OH radikálu.

Na obr. 20 ukazuje reakciu ďalšieho spinového lapača, DMPO s hydroxylovým radikálom a tvorbu spinového aduktu tohto radikálu. Opäť platí, že meraním hyperjemných deliacich konštánt spektra spinového aduktu je možné identifikovať radikál s krátkou životnosťou.

Metóda spinovej pasce zaujíma jedno z najdôležitejších miest v biomedicínskom výskume, pretože umožňuje detekovať a identifikovať radikály vznikajúce v živých bunkách a tkanivách. Medzi týmito radikálmi je potrebné uviesť superoxidové a hydroxylové radikály, ako aj oxid dusnatý. Použitie metódy spin trap navyše umožňuje študovať antioxidačné vlastnosti látok a hodnotu antioxidačnej rezervy.

ZÁVER

Metóda elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR) je založená na interakcii hmoty s magnetickým poľom. Ako už názov metódy napovedá, používa sa na štúdium paramagnetických častíc.

Je známe, že keď sú paramagnety umiestnené v magnetickom poli, paramagnet je vtiahnutý do tohto poľa. Je to spôsobené prítomnosťou magnetických momentov v paramagnetoch Magnetické momenty sú vytvárané nespárovanými elektrónmi.

Príkladmi paramagnetických častíc, ktoré sú zaujímavé pre biológov, sú voľné radikály, ktoré sú medziproduktmi biochemických reakcií, kovové ióny s premenlivou mocnosťou, ako je železo, meď, mangán atď.

Prejav magnetického momentu elektrónu je spôsobený skutočnosťou, že elektrón je nabitá častica a keď sa elektrón otáča okolo svojej osi (pohyb rotácie), pozdĺž osi rotácie sa objaví magnetické pole. Keď je paramagnetická vzorka umiestnená v magnetickom poli, magnetické momenty nepárových elektrónov sú orientované v tomto poli.

poli, rovnako ako sa to deje s magnetickými ihlami.

Magnetický moment nespárovaného elektrónu vo vonkajšom magnetickom poli môže byť orientovaný dvoma spôsobmi - pozdĺž poľa a proti poľu. Ak sa teda v skúmanom systéme nachádzajú nepárové elektróny, aplikácia vonkajšieho magnetického poľa vedie k oddeleniu elektrónov do skupín: magnetické momenty niektorých elektrónov sú orientované pozdĺž poľa, zatiaľ čo iné sú opačné.

ZOZNAM POUŽITÝCH ZDROJOV

1. D. Ingramova elektrónová paramagnetická rezonancia v biológii [Text]. Vydavateľstvo "Mir", 1972.
2. Voľné radikály v biologických systémoch [Text]. v.1, st.88-175, 178-226. Vydavateľstvo "Mir", 1979.

3. J. Wertz a J. Bolton, Teória a praktické aplikácie metódy EPR [Text], Moskva: Mir, 1975.

4. Moderné metódy biofyzikálny výskum [Text]. Workshop o biofyzike, editoval A.B. Rubina, Moskva: Vyššia škola, 1988.

5. Spôsob rotácie štítkov [Text]. Teória a aplikácia, edited L. Berliner, Moskva: Mir, 1979.

6. A.N. Kuznecov, Metóda spinovej sondy, Moskva [Text]: Nauka, 1976.

7. V.E. Zubarev, metóda spinovej pasce, Moskva [Text]: Vydavateľstvo MGU, 1984.

STRÁNKA \* MERGEFORMAT 1

ELEKTRONICKÁ PARAMAGNETICKÁ REZONANCIA(EPR) - rezonančná absorpcia (žiarenie) e-mag. vlny rádiofrekvenčného rozsahu (10 9 -10 12 Hz) paramagnetmi, ktorých paramagnetizmus je spôsobený elektrónmi. EPR je špeciálny prípad paramagnetu. rezonancia a ďalšie všeobecný jav - magnetická rezonancia. Tvorí základ rádiovej spektroskopie. metódy skúmania hmoty (pozri. rádiospektroskopia). Má synonymum - elektrónová spinová rezonancia (ESR), zdôrazňujúca dôležitú úlohu vo fenoméne elektrónových spinov. Otvoril v roku 1944 E. K. Zavoisky (ZSSR). ako paramagnet. častice (v prípade kondenzovaných médií - paramagnetické centrá), ktoré určujú paramagnetizmus, môžu pôsobiť elektróny, atómy, molekuly, komplexné zlúčeniny, kryštálové defekty, ak majú nenulový magnetický moment. Pôvod magnetu. momentom môže byť nepárový spin alebo nenulový celkový spin (hybnosť počtu pohybu) elektrónov.

V permanentnom magnete. polia v dôsledku odstránenia degenerácie paramagnetu. častice existuje systém magnet. (spin) podúrovne (pozri Zeemanov efekt Medzi nimi pri pôsobení e-magn. žiarenia dochádza k prechodom, vedúcim k pohlteniu (vyžiareniu) fotónu s frekvenciou w ij = | V prípade jedného elektrónu v permanentnom magnete. lúka H podúrovňové energie = bg b H/ 2 a podľa toho je frekvencia w EPR určená vzťahom

kde g je spektroskopický faktor. štiepenie; b - Bohrov magnetón; zvyčajne, H\u003d 10 3 5-10 4 Oe; g2.

Experimentálne metódy. EPR spektrometre (rádiové spektrometre) pracujú v centimetrových a milimetrových rozsahoch vlnových dĺžok. Používa sa mikrovlnná technika - generátor (zvyčajne klystron), systém vlnovodov a rezonátorov s detekčným zariadením. Objem vzorky v niekoľkých. mm 3 je umiestnený v oblasti rezonátora, kde je súčiastka e-mag. vlny (zvyčajne magnetické), spôsobujúce prechody, má antinodu. Rezonátor je inštalovaný medzi pólmi elektromagnetu - zdroja permanentného magnetu. poliach. Rezonančný stav typu (1) sa zvyčajne dosiahne zmenou intenzity poľa H pri pevnej frekvencii generátora w. Magnetická hodnota polia v rezonancii ( H p) vo všeobecnosti závisí od orientácie vektora H vo vzťahu k vzorke. Absorpčný signál vo forme typického zvonovitého vzplanutia alebo jeho derivátu (obr. 1) sa pozoruje pomocou osciloskopu alebo zapisovača. Naíb. často sa študuje absorpčný signál, ktorý je úmerný imaginárnej časti dynamického magnetického poľa. citlivosť (c"") vzorky. V niektorých prípadoch je však zaznamenaná jeho reálna časť (c "), ktorá určuje zlomok magnetizácie, ktorý sa mení vo fáze s magnetickou zložkou vlny el-magnet. EPR sa môže prejaviť vo forme mikrovlnných analógov optické Faradayove a Cotton-Moutonove efekty Na ich registráciu používame vlnovody, na konci ktorých sú inštalované špeciálne antény, otáčajúce sa okolo osi vlnovodu a merajúce rotáciu roviny polarizácie alebo elipticitu vlny vychádzajúcej z vzorka. spin echo Existuje množstvo ďalších metód na štúdium relaxácie. procesy, najmä na meranie relaxačných časov.

Ryža. 1. Elektrónová paramagnetická rezonancia: A - paramagnetická častica so spinom S= 1/2, umiestnenévo vonkajšom magnetickom poli, má dve podúrovne (a ), z ktorých každá mení pomerracionálne do terénu H a závisí od jeho orientácie vzťah ku kryštalografickým osám, nastaveniemoje rohy sú q a f. Pri rezonančných hodnotách magnetlúka H p1 a Hр2 (uhly q 1 , (j 1 a q 2 , j 2) rozdiel sa rovná kvantu mikrovlnnej energie-žiarenia. Zároveň v absorpčnom spektre ( b) pozorovaťcharakteristické výbuchy sú uvedené blízko H p 1 a Hp 2 (kedyje daný absorpčný signál a jeho derivácia).

Teoretický popis. Na popis spektra EPR používame spinový hamiltonián, ktorá má pre každý konkrétny prípad vlastnú formu. Vo všeobecnom prípade môže byť prezentovaný vo forme, ktorá zohľadňuje všetky možné interakcie paramagnetov. častice (v strede):

kde opisuje interakciu s vonkajškom. magn. lúka H ; - interakcia s intrakryštalickými. elektrický lúka; - s magn. moment vlastných a okolitých jadier ( hyperjemná interakcia a super-hyperjemná interakcia); - spin-spin interakcie paramagnetické centrá medzi sebou (interakcia výmeny, dipól-dipól atď.); -interakcia s pripojenou externou. tlak P(deformácie); - s vonkajším elektrický lúka E . Každý výraz zahrnutý v (2) môže pozostávať z niekoľkých. členov, ktorých forma závisí od veľkosti elektronických a jadrových spinov a lokálnej symetrie stredu. Často sa vyskytujúce výrazy majú tvar;

Kde g, a, A, J, C, R- teoretické parametre, S (i) A ja (k) - i-té a k spiny elektrónov a jadier; - matica identity. Spin Hamiltonián (2) sa zvyčajne označuje ako jeden elektrón alebo elektrónová vibrácia. člen (zvyčajne hlavný), za predpokladu, že ostatné členy sú od neho oddelené hodnotou výrazne prevyšujúcou energiu prechodového kvanta EPR. Ale v niektorých prípadoch, napr. v prítomnosti Jahn-Tellerov efekt, excitované členy môžu byť celkom blízko a musia sa vziať do úvahy pri popise EPR spektier. Potom, aby sme zachovali formalizmus spinového hamiltoniánu, môžeme zaviesť eff. točiť ( S eff) spojené s celkovým počtom stavov všetkých úrovní ( r) podľa vzťahu r = 2S ef +1. Iný prístup je možný v rámci metódy poruchovej matice: úplná matica poruchového operátora sa nachádza na všetkých stavoch zohľadňovaných úrovní.

Každý z výrazov (2) možno rozdeliť na dve časti: statickú a dynamickú. Statické časť určuje polohu čiar v spektre, dynamická časť určuje pravdepodobnosti kvantových prechodov vrátane tých, ktoré určujú a relaxujú. procesy. energie štruktúru a vlnové funkcie nájdeme riešením sústavy rovníc zodpovedajúcich (2). Počet ur-ónov sa rovná

Kde n A p je počet spinov elektrónov a jadier vyskytujúcich sa v (2). Zvyčajne S A ja nadobúdajú hodnoty od 1/2 do 7/2 ; n= 1, 2; p= l-50, čo naznačuje možnosť existencie sekulárnych ur- cií vyššieho rádu. Na prekonanie tech. ťažkosti s diagonalizáciou (2) používajú približné (analytické) výpočty. Nie všetky členy (2) majú rovnakú veľkosť. Zvyčajne sú nadradené ostatným členom a oveľa menej ako predchádzajúce. To umožňuje rozvinúť poruchovú teóriu vo viacerých etapy. Navyše špeciálne počítačové programy.

Účel fenomenologického teória - nález pre def. prechodový výraz pre H p vo funkcii parametrov spinového hamiltoniánu a uhlov charakterizujúcich orientáciu vonkajšieho. poliach vzhľadom na kryštalografické. osi. Zhoda ( H p) alebo s ( H p) exp zistí správnosť voľby (2) a nájde parametre spinového hamiltoniánu.

Parametre spinového hamiltoniánu sa vypočítavajú nezávisle pomocou metód kvantovej mechaniky na základe definície. paramagnetické modely. centrum. V tomto prípade sa používa teória kryštalizácie. polia, molekulárna orbitálna metóda, iné metódy kvantová chémia a teória pevných látok. Hlavná zložitosť tohto problému spočíva v určení elektronickej energie. štruktúry a vlnové funkcie paramagnet. stredísk. Ak sa nájdu tieto zložky Schrödingerovej rovnice a sú známe poruchové operátory, problém sa zredukuje na výpočet iba zodpovedajúcich prvkov matice. Vzhľadom na zložitosť celého komplexu problémov sa doteraz kompletné výpočty parametrov spinového hamiltoniánu vykonávali málo a nie všetky dosiahli uspokojivú zhodu s experimentom. Obyčajne obmedzené na odhady rádovej veľkosti s použitím približných f-ly.

EPR spektrum (počet čiar, ich závislosť od orientácie vonkajších polí vzhľadom na kryštalografické osi) je úplne určené spinovým hamiltoniánom. Takže v prítomnosti iba Zeemanovej interakcie má výraz pre energiu tvar = g b H + M, Kde M je kvantové číslo operátora, ktorý berie 2 S+1 hodnoty: - S, -S+ 1, .... S-1, S. Mag. komponent e-magn. vlny v tomto prípade spôsobujú iba prechody s výberovými pravidlami DM = b 1 a vzhľadom na ekvidištanciu hladín bude v EPR spektre pozorovaná jedna čiara. Porušenie ekvidistancie vzniká v dôsledku iných pojmov v hamiltoniáne spinu. Teda osovo symetrický člen z , charakterizovaný parametrom D, dodáva člen , H p ukazuje, že závisí od M a spektrum ukáže 2 S linky. Účtovanie za termín AS z I z od vedie k pridaniu (D ) sv = AMt, Kde T je kvantové číslo operátora Iz; H p bude závisieť od m a spektrum EPR bude mať 2 I+ 1 riadok. Iné výrazy z (2) môžu viesť k dodatočným, „zakázaným“ pravidlám výberu (napríklad D M= b2), čo zvyšuje počet čiar v spektre.

Špecifické rozdelenie vedení nastáva pôsobením el. polia (termín). V kryštáloch (korund, wolframity, kremík) sú často inverzne neekvivalentné polohy, v ktorých sa s rovnakou pravdepodobnosťou nachádzajú ióny nečistôt. Keďže magn. pole je necitlivé na operáciu inverzie, nerozlišuje medzi týmito polohami a čiary z nich sa zhodujú v spektre EPR. Elektrická energia aplikovaná na kryštál pole pre rôzne neekvivalentné polohy bude v dôsledku ich vzájomnej inverzie smerovať opačným smerom. Zmeny a doplnenia k H p (lineárny in E) z rôznych pozícií budú mať opačné znamienka a zmiešanie dvoch skupín čiar sa prejaví v podobe rozdelenia.

Pri absencii magnetu. pole ( = 0), rozdelenie úrovní, nazývané počiatočné, je spôsobené inými pojmami (2). Počet úrovní, ktoré vznikajú a násobnosť ich degenerácie závisí od veľkosti rotácie a symetrie paramagnetu. stred. Medzi nimi sú možné prechody (zodpovedajúci jav sa nazýva pole-horor-rezonančné šialenstvo). Pre jeho implementáciu môžete zmeniť frekvenciu v e-mag. žiarenia, príp v= const zmena vzdialenosti medzi úrovňami ext. elektrický poľa, tlaku, zmeny teploty.

Určenie symetrie paramagnetického centra. Uhol závislosť H p(q, f) odráža symetriu spinového hamiltoniánu, ktorý zase súvisí so symetriou paramagnetu. stred. To umožňuje formou funkcie H p (q, f), zistené experimentálne, určiť symetriu stredu. V prípade vysoko symetrických skupín ( Približne h, T d, C 4u atď.). H p(q, f) má rad charakteristické znaky: 1) polohy extrémov pre čiary rôznych prechodov sa zhodujú; 2) vzdialenosť medzi extrémami sa rovná p/2 (efekt ortogonality); 3) funkcia H p je symetrické vzhľadom na polohy extrémov atď. V prípade skupín s nízkou symetriou ( C 1 , C 2 , C 3 a pod.), sú porušené všetky tieto zákonitosti (efekty nízkej symetrie). Tieto efekty sa používajú na určenie štruktúry defektov.

Zvyčajné EPR zodpovedá spinovému Hamiltoniánovi, ktorý neberie do úvahy elektrický. polia (=0). Zahŕňa iba operátory momentu počtu pohybu a magn. poliach. Vzhľadom na ich pseudovektorový charakter, max. počet nezhodných spinových hamiltoniánov bude 11 (z 32 možných bodových skupín). To vedie k nejednoznačnosti pri určovaní symetrie paramagnetu. centrá, to-ruyu možno eliminovať pomocou externého. elektrický lúka. Lineárne v E operátor je odlišný pre rôzne skupiny bodov, ktoré nemajú inverzný stred (pre inverzné stredy =0). Na 1. stupni pokusov bez poľa E určí sa množina skupín s rovnakým hamiltoniánom zodpovedajúcim symetrii bežného spektra EPR. Na 2. stupni sa využíva pole E a berie sa do úvahy okolnosť, že každá skupina skupín obsahuje iba jednu skupinu s inverzným stredom.

Štúdium neusporiadaných systémov. Spolu so štúdiom paramagnetu. na štúdium sa využívajú aj centrá v dokonalých EPR kryštáloch neusporiadané systémy(prášky, poháre, roztoky, kryštály s defektmi). Charakteristickým rysom takýchto systémov je heterogenita (heterogenita) podmienok v miestach centier v dôsledku rozdielov vo vnútorných. elektrický (magn.) polia a deformácie spôsobené štrukturálnymi deformáciami kryštálu; neekvivalencia orientácie paramagnetu. centier vo vzťahu k ext. polia; heterogenita toho druhého. To vedie k rozptylu parametrov spinového hamiltoniánu a v dôsledku toho k nehomogénnemu rozšíreniu línií EPR. Štúdium týchto čiar umožňuje získať informácie o povahe a stupni defektnosti kryštálu. Nehomogénne rozšírenie akéhokoľvek charakteru možno považovať z jednotného hľadiska. Všeobecný výraz pre tvar čiary je:

kde y je funkcia, ktorá opisuje počiatočný tvar čiary bez zohľadnenia rušivých faktorov; V (f)- pravdepodobnosť prechodu za jednotku času; r( F) - distribučná funkcia parametrov F(F 1 , F 2 , .., Fk) charakterizujúce mechanizmy rozšírenia (komponenty polí, deformácie, uhly). Teda v prípade náhodne orientovaných paramagnetov. centrá (prášky) pod F by sa mali chápať ako Eulerove uhly charakterizujúce orientáciu častice prášku vzhľadom na súradnicový systém spojený s vonkajškom. poliach. Na obr. Obrázok 2 ukazuje typické EPR spektrum prášku pre spinový hamiltonián formy Namiesto ang. závislosť jedinej úzkej čiary, ktorá je vlastná paramagnetu. centrách v monokryštáloch, v tomto prípade sa objaví orientačne rozšírená obalová línia.

Ryža. 2. Signál elektrónovej paramagnetickej rezonanciesa chaoticky orientované paramagnetické centrá. Absorpčná čiara ( A) a jeho derivát ( b ) v prípade rombickej symetrie spinového hamiltoniánuniana. Charakteristické body spektra súvisia s parametrami spinového hamiltoniánu vzťahom H pi=w/bg iii .

Relaxačné procesy. EPR sprevádzajú procesy obnovy narušeného e-mag. rovnovážne žiarenie v prostredí zodpovedajúcom Boltzmannovmu rozdeleniu. Tieto relaxac. procesy sú spôsobené spojením medzi paramagnetom. stred a mriežku, ako aj stredy medzi sobr. V súlade s tým sa rozlišuje medzi spinom a n-resh e-bodom a spinom a n-spin relaxáciou. Ak sa prechody pod pôsobením e-magn. prevládajú vlny, dochádza k saturačnému javu (úrovňové vyrovnávanie populácie), čo sa prejavuje poklesom signálu EPR. Relaxac. procesy sú charakterizované relaxačnými časmi a sú opísané kinetickými. ur-niyami (pozri základná kinetická rovnica). V prípade dvoch úrovní i A j pre obyvateľstvo n i A nj- mať formu

Kde a = ty 0 ij + u ij, b = ty 0 ji + u ji, ty 0 ij a u ij-pravdepodobnosti prechodu za jednotku času z úrovne i na úroveň j pôsobením elektrického magnetu. vlny a relax. mechanizmy, resp. ty 0 ij = ty 0 ji). Relaxačný čas T p je dané T p = (u ij+u ji) -1 a charakterizuje rýchlosť nastolenia rovnováhy. Relaxac. procesy, určujúce životnosť častíc na úrovniach spinu, vedú k ich rozšíreniu, čo ovplyvňuje šírku a tvar EPR línie. Ide o rozšírenie, ktoré sa prejavuje rovnako vo všetkých paramagnetoch. centrá sa nazývajú homogénne. Určuje najmä funkciu y obsiahnutú v (3).

Dvojité rezonancie. Na opísanie systému odstreďovania je zavedený pojem teplota odstreďovania T s. Súvislosť medzi populáciou hladín a teplotou, ktorá určuje Boltzmannovu distribúciu, bola zovšeobecnená na prípad nerovnovážnych populácií. Z nej, s ľubovoľnými pomermi populácií, vrchol. ( p c) a nižšie. ( n m) úrovní vyplýva, že T s =-()/ln( n V / n n). o n v = n n (sýtosť) T s =, a kedy n v > n n hodnotu Ts< 0. Možnosť vytvorenia nerovnovážnej populácie a najmä situácie, v ktorých T s = A T s<0, привело к развитию двойных резонансов на базе ЭПР. Они характеризуются тем, что при наличии многоуровневой системы осуществляются резонансные переходы одновременно (или в опре-дел. последовательности) на двух частотах (рис. 3). Цель осуществления двойных резонансов: увеличение интенсивности поглощения за счёт увеличения разности населённостей (рис. 3, A); získanie zdroja e-magn. radiácie vytvorením väčšej populácie na hornej úrovni ako na spodnej (obr. 3, b). Princíp zosilnenia signálu tvoril základ pre implementáciu množstva dvojitých rezonancií v prípadoch, keď systém obsahuje spiny rôznych typov. Takže v prítomnosti elektronických a jadrových spinov je možná dvojitá elektrón-nukleárna rezonancia (ENDOR). Hyperjemné rozdelenie úrovní je zvyčajne oveľa menšie ako Zeemanovo. To umožňuje zlepšiť prechody medzi hyperjemnými podúrovňami saturáciou prechodov spin-elektrón. Pri metóde ENDOR sa zvyšuje nielen citlivosť zariadenia, ale aj jeho rozlíšenie, pretože hyperjemné interakcie s každým jadrom možno pozorovať priamo v príslušnom spin-nukleárnom prechode (zatiaľ čo analýza hyperjemnej štruktúry z EPR spektra je v mnohých prípadoch ťažké kvôli prekrývajúcim sa čiaram). Vďaka týmto výhodám našiel ENDOR široké uplatnenie vo fyzike pevných látok a najmä vo fyzike polovodičov. S jeho pomocou je možné analyzovať jadrá mnohých koordinácií. gule v blízkosti defektu, čo umožňuje jednoznačne určiť jeho povahu a vlastnosti. Dvojité rezonancie spojené so získavaním zdrojov e-mag. žiarenie, tvorilo základ pre činnosť kvantových generátorov, čo viedlo k vytvoreniu a rozvoju nového smeru – kvantovej elektroniky.

Ryža. 3. Dvojitá rezonancia vo viacúrovňovom systéme. K dispozícii sú 3 úrovne, pre ktoré a n 1 0 - n 0 2 >>p 0 2 - P 0 3 (P 0 - rovnovážna hodnota); A- zosilnenie prevzatia; úrovne 1 a 2 sú nasýtené intenzívnym elektromagnetickým žiarením, takže n 1 n 2 = (n 0 1 + n 0 2)/2; ako výsledok P 2 - P 3 sa zvýši o ( n 0 1 - n 0 2 )/ 2 a absorpčný signál na frekvencii v 32 sa prudko zvyšuje; b- maser efekt; saturácia úrovní 1 a 3dit k nevyhnutná podmienka [n 3 -n 2 (n 0 1 -n 0 2)/2>0] pre generovanie e-magn. žiarenie na frekvencii v 32 ·

Záver. EPR našiel široké uplatnenie v decomp. oblasti fyziky, chémie, geológie, biológie, medicíny. Intenzívne sa využíva na štúdium povrchu pevných látok, fázových prechodov, neusporiadaných sústav. Vo fyzike polovodičov sa EPR používa na štúdium plytkých a hlbokých bodových centier nečistôt, voľných nosičov náboja, párov a komplexov nosič-nečistota, žiarenia. Študujú sa defekty, dislokácie, štrukturálne defekty, amorfizačné defekty, medzivrstvové formácie (ako sú hranice Si - SiO 2), interakcia nosič-nečistota, rekombinačné procesy, fotovodivosť a iné javy.

Lit.: Altshuler S. A., Kozyrev B. M., Elektrónová paramagnetická rezonancia zlúčenín prvkov intermediárnych skupín, 2 vyd., M., 1972; Pool Ch., Technika EPR spektroskopie, prekl. z angličtiny, M., 1970; Abraham A., Blini B., Elektrónová paramagnetická rezonancia prechodových iónov, trans. z angličtiny, 1-2, M., 1972-73; Mailman M.L., Samoilovich M.I., Úvod do EPR spektroskopie aktivovaných monokryštálov, M., 1977; Elektrické efekty v rádiospektroskopii, vyd. M. F. Daygena, M., 1981; Roitsin A. B., Mayevsky V. H., Rádiová spektroskopia povrchu pevných látok, K., 1992; Radiospectroscopy of a Solid State, ed. A. B. Roitsina, K., 1992. A. B. Roitsin.

EPR sa pozoruje v pevné látky(kryštalické, polykryštalické a práškové), ako aj kvapalné a plynné. Najdôležitejšia podmienka EPR pozorovanie je absencia elektrickej vodivosti a makroskopickej magnetizácie vo vzorke.

Za priaznivých podmienok je minimálny počet rotácií, ktoré je možné stanoviť v testovanej vzorke, 1010. Hmotnosť vzorky môže byť v tomto prípade od niekoľkých mikrogramov do 500 miligramov. Počas štúdie EPR sa vzorka nezničí a môže sa použiť neskôr na iné experimenty.

Elektrónová paramagnetická rezonancia

Fenomén elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR) spočíva v rezonančnej absorpcii elektromagnetického žiarenia v rádiofrekvenčnom rozsahu látkami umiestnenými v konštantnom magnetickom poli a v dôsledku kvantových prechodov medzi energetickými podúrovňami spojených s prítomnosťou magnetického momentu v elektronických systémoch . EPR sa nazýva aj elektrónová spinová rezonancia (ESR), magnetická spinová rezonancia (MSR) a medzi odborníkmi pracujúcimi s magneticky usporiadanými systémami aj feromagnetická rezonancia (FMR).

Fenomén EPR možno pozorovať na:

• atómy a molekuly, ktoré majú vo svojich orbitáloch nepárny počet elektrónov - H, N, NO 2 atď.;
• chemické prvky v rôznych stavoch náboja, v ktorých sa na tvorbe chemickej väzby nezúčastňujú všetky elektróny vo vonkajších orbitáloch - v prvom rade sú to d- a f-prvky;
• voľné radikály - metylový radikál, nitroxylový radikál atď.;
• elektronické a dierové defekty stabilizujúce v matrici látok - O -, O 2 -, CO 2 -, CO 2 3-, CO 3 -, CO 3 3- a mnohé ďalšie;
• molekuly s párnym počtom elektrónov, ktorých paramagnetizmus je spôsobený kvantovými javmi distribúcie elektrónov v molekulových orbitáloch - O 2;
• nanočastice-superparamagnety vznikajúce pri rozpúšťaní alebo v zliatinách s kolektívnym magnetickým momentom, ktoré sa správajú ako elektrónový plyn.

Štruktúra a vlastnosti EPR spektier

Správanie magnetických momentov v magnetickom poli závisí od rôznych interakcií nepárových elektrónov, a to ako medzi sebou, tak aj s najbližším prostredím. Najdôležitejšie z nich sú spin-spin a spin-orbitálne interakcie, interakcie medzi nepárovými elektrónmi a jadrami, na ktorých sú lokalizované (hyperjemné interakcie), interakcie s elektrostatickým potenciálom vytváraným iónmi najbližšieho prostredia v mieste nespárovaných elektrónov, interakcie medzi nespárovanými elektrónmi a jadrami, na ktorých sú lokalizované (hyperjemné interakcie). a ďalšie. Väčšina uvedených interakcií vedie k pravidelnému rozdeleniu riadkov. Vo všeobecnom prípade je spektrum EPR paramagnetického centra viaczložkové. Predstavu o hierarchii hlavných delení možno získať z nasledujúceho diagramu (definície použitého zápisu sú uvedené nižšie):

Hlavné charakteristiky spektra EPR paramagnetického centra (PC) sú:

počet čiar v spektre EPR konkrétneho PC a ich relatívnej intenzity.

Jemná štruktúra (TS). Počet čiar TS je určený hodnotou spinu PC S a lokálnou symetriou elektrostatického poľa najbližšieho prostredia a relatívne integrované intenzity sú určené kvantovým číslom mS (hodnota projekcie spinu do smeru magnetického poľa). V kryštáloch vzdialenosť medzi čiarami TS závisí od veľkosti potenciálu kryštálového poľa a jeho symetrie.

Hyperjemná štruktúra (HFS). Čiary HFS z určitého izotopu majú približne rovnakú integrovanú intenzitu a sú prakticky rovnako vzdialené. Ak jadro PC má niekoľko izotopov, potom každý izotop dáva svoju vlastnú sadu HFS čiar. Ich počet je určený spinom I izotopového jadra, v blízkosti ktorého je lokalizovaný nepárový elektrón. Relatívne intenzity čiar HFS z rôznych izotopov PC sú úmerné prirodzenému množstvu týchto izotopov vo vzorke a vzdialenosť medzi čiarami HFS závisí od magnetického momentu jadra konkrétneho izotopu, konštanty hyperjemnej interakcie a stupeň delokalizácie nepárových elektrónov na tomto jadre.

Superhyperjemná štruktúra (SHFS). Počet línií SHFS závisí od počtu nl ekvivalentných ligandov, s ktorými nepárová hustota spinov interaguje, a od veľkosti jadrového spinu Il ich izotopov. charakteristický znak takéto čiary sú tiež rozdelením ich integrálnych intenzít, ktoré sa v prípade I l \u003d 1/2 riadia zákonom binomického rozdelenia s exponentom n l. Vzdialenosť medzi čiarami SHFS závisí od veľkosti magnetického momentu jadier, konštanty hyperjemnej interakcie a stupňa lokalizácie nepárových elektrónov na týchto jadrách.

spektroskopické charakteristiky čiary.
Charakteristickým znakom EPR spektier je forma ich záznamu. Z mnohých dôvodov je spektrum EPR zapísané nie vo forme absorpčných čiar, ale ako derivát týchto čiar. Preto sa v EPR spektroskopii používa trochu odlišná terminológia, ktorá sa líši od všeobecne akceptovanej terminológie na označenie parametrov čiar.

EPR absorpčná línia a jej prvá derivácia: 1 – Gaussova forma; 2 - Lorentzova forma.

Pravá čiara je δ-funkcia, ale berúc do úvahy relaxačné procesy, má Lorentzovu formu.

Čiara - odráža pravdepodobnosť procesu rezonančnej absorpcie elektromagnetického žiarenia PC a je určená procesmi, na ktorých sa zúčastňujú spiny.

Tvar čiary - odráža zákon rozloženia pravdepodobnosti rezonančných prechodov. Keďže v prvej aproximácii sú odchýlky od rezonančných podmienok náhodné, tvar čiar v magneticky zriedených matriciach má gaussovský tvar. Prítomnosť ďalších výmenných interakcií spin-spin vedie k tvaru Lorentzovej čiary. Vo všeobecnosti je tvar čiary opísaný zmiešaným zákonom.

Šírka čiary - ΔВ max - zodpovedá vzdialenosti poľa medzi extrémami na zakrivenej čiare.

Amplitúda čiary - I max - zodpovedá na stupnici amplitúdy signálu vzdialenosti medzi extrémami na zakrivenej čiare.

Intenzita - Io - hodnota pravdepodobnosti v bode MAX na absorpčnej krivke sa vypočíta integrovaním pozdĺž obrysu záznamovej čiary;

Integrovaná intenzita - plocha pod absorpčnou krivkou, je úmerná počtu paramagnetických centier vo vzorke a vypočíta sa dvojitou integráciou záznamovej čiary, najprv pozdĺž obrysu, potom pozdĺž poľa.

Poloha čiary – B 0 – zodpovedá priesečníku derivačného obrysu dI/dB s nulovou čiarou (trendovou čiarou).

polohu čiar EPR v spektre.
Podľa výrazu ħν = gβB, ktorý určuje podmienky rezonančnej absorpcie pre PC so spinom S = 1/2, možno polohu elektrónovej paramagnetickej rezonančnej čiary charakterizovať hodnotou g faktora (analogicky ako pri spektroskopickom Landeovom štiepení faktor). Hodnota g-faktora je definovaná ako pomer frekvencie ν, pri ktorej bolo spektrum namerané, k hodnote magnetickej indukcie B 0, pri ktorej bol pozorovaný maximálny účinok. Je potrebné poznamenať, že pre paramagnetické centrá faktor g charakterizuje PC ako celok, t. j. nie jednu čiaru v spektre EPR, ale celý súbor čiar v dôsledku skúmaného PC.

V EPR experimentoch je energia elektromagnetického kvanta pevná, to znamená frekvencia ν, a magnetické pole B sa môže meniť v širokom rozsahu. Existuje niekoľko pomerne úzkych rozsahov mikrovlnných frekvencií, v ktorých spektrometre pracujú. Každý rad má svoje vlastné označenie:

Rozsah (PÁSMO)	Frekvencia v, MHz (GHz)	Vlnová dĺžka λ, mm	Magnetická indukcia B0, pri ktorej je pozorovaný EPR signál voľného elektrónu s g = 2,0023, G (T)

Najrozšírenejšie sú spektrometre v pásme X a Q. Magnetické pole v takýchto EPR spektrometroch vytvárajú odporové elektromagnety. V spektrometroch s vyššou kvantovou energiou je magnetické pole už vytvorené na báze supravodivých magnetov. V súčasnosti je zariadením EPR na RC MRMI multifunkčný X-pásmový spektrometer s odporovým magnetom, ktorý umožňuje vykonávať experimenty v magnetických poliach s indukciou od -11000 G do 11000 G.

Základným režimom je režim CW alebo režim pomalého diferenciálneho prechodu rezonančnými podmienkami. V tomto režime sú implementované všetky klasické spektroskopické techniky. Je určený na získanie informácií o fyzikálnej povahe paramagnetického centra, jeho umiestnení v matrici hmoty a jeho najbližšom atómovom a molekulárnom prostredí. Štúdie PC v režime CW umožňujú predovšetkým získať komplexné informácie o možných energetických stavoch skúmaného objektu. Informácie o dynamických charakteristikách spinových systémov možno získať pozorovaním EPR, napríklad pri rôznych teplotách vzorky alebo keď je vystavený fotónom. Pre PC v tripletovom stave je povinné dodatočné fotoožarovanie vzorky.

Príklad

Na obrázku je znázornené spektrum zubnej skloviny zubra (lat. Bison antiquus) zo zbierky vybranej v roku 2005 Sibírskou archeologickou expedíciou Ústavu hutníckych materiálov Ruskej akadémie vied, ktorá realizovala záchranné výskumy na vrchnopaleolitickej lokalite Berezovskij. zárez 2, ktorý sa nachádza na území uhoľnej bane Berezovskij 1.

Zubnú sklovinu tvorí takmer čistý hydroxyapatit Ca(1) 4 Ca(2) 6 (PO 4) 6 (OH) 2 . Štruktúra hydroxyapatitu obsahuje aj 3-4% uhličitanov.

Ožarovanie rozdrvenej zubnej skloviny gama žiarením vedie k vzniku komplexného asymetrického signálu (AS) EPR blízko hodnoty g=2. Tento signál je študovaný v problematike dozimetrie, datovania, medicíny a ako zdroj informácií o štruktúre apatitu.

Hlavnou časťou radikálov, ktoré vznikajú pri ožarovaní zubnej skloviny, sú uhličitanové anióny, t.j. C02-, C03-, CO- a C033-.

Spektrum ukazuje signál z osovo symetrických paramagnetických centier CO 2 - s g ‖ = 1,9975 ± 0,0005 a g ┴ = 2,0032 ± 0,0005. Signál je rádioindukovaný, t.j. PC vznikli pôsobením ionizujúceho žiarenia (žiarenie).

Intenzita signálu CO 2 - nesie informáciu o dávke žiarenia prijatého objektom počas jeho existencie. Najmä dozimetrické metódy na analýzu a kontrolu žiarenia (GOST R 22.3.04-96) sú založené na štúdiách signálov CO 2 v spektrách zubnej skloviny. V tomto a mnohých ďalších prípadoch je možné datovať vzorku minerálu metódou EPR. Vekové rozpätie pokryté metódou EPR datovania je od stoviek rokov až po 105 a dokonca 106 rokov, čo presahuje možnosti rádiouhlíkovej metódy. Vzorka, ktorej spektrá sú uvedené na obrázku, bola datovaná metódou EPR a má vek 18 000 ± 3 000 rokov.

Na štúdium dynamických charakteristík centier je účelné použiť impulzné metódy. V tomto prípade sa používa FT režim činnosti EPR spektrometra. Pri takýchto experimentoch je vzorka v určitom energetickom stave vystavená silnému pulznému elektromagnetickému žiareniu. Rotačný systém sa vyvedie z rovnováhy a zaznamená sa reakcia systému na tento náraz. Výberom rôznych sekvencií impulzov a zmenou ich parametrov (trvanie impulzu, vzdialenosť medzi impulzmi, amplitúda atď.) je možné výrazne rozšíriť pochopenie dynamických charakteristík PC (časy relaxácie T1 a T2, difúzia atď.). ).

3. ESE (elektrónová spinová echo technika)

Metóda ESE sa môže použiť na získanie elektrón-nukleárneho spektra dvojitej rezonancie, aby sa ušetril čas záznamu alebo pri absencii špeciálneho zariadenia ENDOR.

Príklad:

Testovaná vzorka: zubná sklovina pozostávajúca z hydroxyapatitu Ca(1) 4 Ca(2) 6 (PO 4) 6 (OH) 2 . Študoval sa signál CO 2 - radikálov v štruktúre hydroxyapatitu.

Voľný indukčný rozpad (FID) je reprezentovaný súborom oscilácií nazývaných modulácia. Modulácia nesie informáciu o rezonančných frekvenciách jadier obklopujúcich paramagnetické centrum. Ako výsledok Fourierovej transformácie časovej závislosti FID sa získalo spektrum nukleárnej magnetickej rezonancie. Pri frekvencii 14 MHz je signál 1H, preto študované skupiny CO 2 - interagujú s protónmi nachádzajúcimi sa v ich prostredí.

4. ENDOR

Najbežnejšou metódou dvojitej rezonancie je metóda dvojitej elektrón-nukleárnej rezonancie - ENDOR (ENDOR), ktorá umožňuje študovať procesy interakcie nespárovaného elektrónu s vlastným jadrom aj s jadrami jeho najbližšieho prostredia. V tomto prípade môže citlivosť NMR metódy vzrásť v porovnaní so štandardnými metódami desaťkrát až tisíckrát. Opísané techniky sú implementované v režime CW aj FT.

Príklad

Na obrázku je znázornené ENDOR spektrum biologického hydroxyapatitu (zubná sklovina). Metóda bola použitá na získanie informácií o prostredí obsiahnutom v sklovine paramagnetických CO 2 - centrách. Boli zaregistrované signály z jadrového prostredia CO 2 centra - na frekvenciách 14 MHz a 5,6 MHz. Signál s frekvenciou 14 MHz sa týka jadier vodíka a signál s frekvenciou 5,6 MHz sa týka jadier fosforu. Na základe štruktúrnych znakov biologického apatitu môžeme konštatovať, že skúmané paramagnetické centrum CO 2 - je obklopené aniónmi OH - a PO 4 - .

5. ELDOR (momentálne nedostupný v DC)

ELDOR (elektrónová dvojitá rezonancia, elektronická dvojitá rezonancia) je variáciou techniky dvojitej rezonancie. V tejto metóde sa študuje interakcia medzi dvoma elektrónovými spinovými systémami a EPR spektrum z jedného elektrónového systému sa zaznamenáva excitáciou druhého. Na pozorovanie signálu je potrebná existencia mechanizmu spájajúceho „pozorovaný“ a „čerpaný“ systém. Príkladmi takýchto mechanizmov sú dipólová interakcia medzi spinmi, molekulárny pohyb.