Paramagnetna resonanca in detekcija vrtenja enega elektrona. Elektronska paramagnetna resonanca - povzetek. EPR v močnih magnetnih poljih

Pojav magnetne resonance. Elektronska paramagnetna resonanca (EPR)

V prejšnjem odstavku smo obravnavali cepitev spektralnih linij, povezanih s prehodi med podravni različnih vrst, razcepljenih v magnetnem polju. ravni energije. Takšni prehodi ustrezajo optičnemu frekvenčnemu območju. Poleg tega so v dipolnem približku možni prehodi med sosednjimi podnivoji razcepa energijskega nivoja v magnetnem polju po izbirnih pravilih:

Iz formule (3.95) sledi, da takšni prehodi ustrezajo frekvencam:

pri IN~ 0,3 T frekvenca v * 10 Hz in valovna dolžina X~ 3 cm To je mikrovalovno frekvenčno območje ali mikrovalovno območje. Verjetnost dipolnih prehodov je sorazmerna z v 3 , zato je v mikrovalovnem območju zanemarljivo majhna v primerjavi z verjetnostjo v optičnem območju. Poleg tega so za atome z enim valenčnim elektronom prehodi v tem primeru prepovedani z izbirnim pravilom AL =±. Verjetnost prehodov pa postane pomembna, ko se uporabi dodatno zunanje izmenično magnetno polje, tj. ko postanejo prehodi vsiljeni. Iz tega, kar sledi, bo jasno, da mora biti izmenično magnetno polje pravokotno na stacionarno magnetno polje, kar povzroča Zeemanovo cepitev energijskih nivojev. Če je frekvenca izmeničnega magnetnega polja enaka prehodni frekvenci (3.101), potem pride do absorpcije njegove energije ali stimulirane emisije. V tem primeru se orientacija magnetnega momenta atoma nenadoma spremeni, to je njegova projekcija na izbrano smer.

Emisijo ali absorpcijo elektromagnetnega valovanja, ko se spremeni orientacija magnetnih dipolnih momentov atomov v magnetnem polju, imenujemo pojav magnetne resonance.

Dosleden opis magnetne resonance je precej težak. Kvalitativno sliko tega pojava je mogoče razumeti na podlagi preprostega klasičnega modela. Če ima delec magnetni moment M, potem je v zunanjem konstantnem magnetnem polju B 0 = (0,0, B 0) nanj deluje navor K = MxB 0 . Ker sta magnetni M in mehanski J moment delca (na primer elektrona v atomu) povezana z razmerjem:

kjer je y žiromagnetno razmerje, y = gi b /h = npr./2m e, potem lahko enačbo gibanja zapišemo kot:

To je zgornja enačba, ki kaže, da mehanski in magnetni momenti precesirajo okoli B 0 . Kotna hitrost(frekvenca) te precesije je enaka:

V magnetnem polju, usmerjenem vzdolž osi z, delec pridobi dodatno energijo:

Frekvenca prehoda med sosednjimi energijskimi podravni sovpada s frekvenco precesije:

riž. 3.34

Če dodamo magnetno polje B, ki se spreminja s frekvenco w, pravokotno na stacionarno polje B 0 (slika 3.34), potem dodaten spremenljiv navor [MxB,1. Ko se frekvence precesije in polja spremenijo B! se med seboj zelo razlikujejo, potem za |B,|z, tako da se v povprečju ta kot ne spremeni. Če pa frekvenca spremembe v polju B sovpada s frekvenco precesije (3.104), se zdi, da je magnetni moment v statičnih pogojih in dodatni navor teži k temu, da ga "prevrne". Ker je magnetni moment kvantni vektor, se lahko njegova projekcija na smer statičnega magnetnega polja le nenadoma spremeni, kar ustreza prehodu na sosednjo razcepljeno podnivo. To je pojav magnetne resonance.

Če so magnetni in mehanski momenti atoma posledica njegovih elektronov, se v tem primeru imenuje magnetna resonanca. elektronska paramagnetna resonanca(EPR). Kadar trenutke določa jedro atoma, se imenuje magnetna resonanca jedrska magnetna resonanca(NMR), ki je bil prvič opažen v poskusih z Rabijevimi molekularnimi žarki leta 1938. Obstajajo tudi feromagnetni in antiferomagnetne resonance, povezane s spremembami orientacije elektronskih magnetnih momentov v feromagnetih in antiferomagnetih. Nato si podrobneje oglejmo EPR.

Elektronski paramagnetizem imajo: vsi atomi in molekule z lihim številom elektronov (nesparjeni, nekompenzirani elektroni) na zunanjih elektronskih lupinah, saj v tem primeru skupni spin sistema ni enak nič (prosti natrijevi atomi, plinasti dušikov oksid, itd.); atomi in ioni z nezapolnjeno notranjo elektronsko ovojnico (elementi redkih zemelj, aktinidi itd.) itd. EPR je skupek pojavov, povezanih s kvantnimi prehodi, ki se pojavljajo med energijskimi nivoji makroskopskih sistemov pod vplivom izmeničnega magnetnega polja resonančne frekvence. .

Pojav EPR je prvič eksperimentalno opazil E. K. Zavoisky leta 1944. EPR služi kot močno orodje za proučevanje lastnosti paramagnetnih snovi v makroskopskih količinah. V tem primeru ni enega, ampak veliko delcev z magnetnimi momenti. Makroskopska magnetna karakteristika snovi je vektor magnetizacije 1 = , kjer je n- število delcev na enoto

prostornina snovi; - povprečni magnetni moment delcev. Sistem momentov vseh paramagnetnih delcev določene snovi se imenuje spinski sistem. Preostale stopnje svobode paramagnetika - okolje magnetnih momentov - se imenujejo "mreža". V zvezi s tem se obravnavata dve vrsti interakcij: magnetni momenti med seboj (spin-spin interakcija) in magnetni momenti z okolico (spin-mrežna interakcija). V izoliranem vrtilnem sistemu ni stacionarne absorpcije energije izmeničnega polja. Pravzaprav je pred vklopom izmeničnega magnetnega polja število delcev v osnovnem stanju večje od njihovega števila N 2 v razburjenem stanju. Ko se energija absorbira, se število delcev JV zmanjša, število N 2 poveča. To se bo dogajalo do N ] in N 2 ne bo enaka. Takrat je dosežena nasičenost in nadaljnja absorpcija energije se ustavi. Ob upoštevanju interakcije spinskega sistema z rešetko postane možna stacionarna absorpcija energije. Rešetka služi kot ponor energije in se pri tem segreje.

Spremembo vektorja magnetizacije opisuje Blochova enačba:

kje = (x,y,z)‘ t y -žiromagnetno razmerje; 1 0 - ravnotežna vrednost vektorja magnetizacije v konstantnem magnetnem polju pri 0 =(0,0, B 0); t x - spin-spin (ali prečni) relaksacijski čas, t x = t y=t 2; t z - spin-mrežni (ali longitudinalni) čas

sprostitev, t^ = t,. Vrednosti m in m 2 so odvisne od značilnosti interakcije vsakega delca z delci, ki ga obkrožajo. Določitev teh relaksacijskih časov je glavna eksperimentalna naloga metode magnetne resonance. V enačbi

(3.106) je prvi člen zapisan po analogiji z enačbo gibanja posameznega magnetnega momenta (3.103). Drugi člen je posledica interakcij spin-spin in spin-mreža, ki določajo, ali sistem doseže ravnovesno stanje.

Moč sevanja /(ω), ki jo absorbira paramagnetna snov, se izračuna z uporabo enačbe (3.106). Določa se s formulo

Kje A- nekaj množitelja; IN ]- amplituda izmeničnega magnetnega polja. Oblika absorpcijske krivulje je določena s funkcijo

kjer je o) 0 frekvenca precesije, o) 0 =у# 0.

To kaže, da je absorpcija resonančne narave (slika 3.35). Absorpcijska krivulja ima Lorentzovo obliko in doseže maksimum pri resonanci: co=co 0. Širina črte absorpcije:

V dovolj šibkem visokofrekvenčnem magnetnem polju je širina absorpcijske krivulje določena s časom spin-spin relaksacije. Ko se to polje poveča, se absorpcijska linija razširi. Širina absorpcijske krivulje določa relaksacijske čase, ki so povezani z lastnostmi snovi. Da bi eksperimentalno dosegli resonanco, se izkaže, da je bolj priročno spremeniti ne frekvenco izmeničnega magnetnega polja, temveč frekvenco precesije s spreminjanjem konstantnega magnetnega polja.

Na sl. 3.36 prikazuje enega od enostavna vezja radijski spektroskop za opazovanje EPR - radijski spektroskop z valovodnim mostom. Vsebuje stabilen vir RF sevanja - klistron, resonator z nastavljivo votlino s proučevanim vzorcem in merilni sistem za detekcijo, ojačitev in indikacijo signala. Energija klistrona gre polovico v krak resonatorja, ki vsebuje proučevani vzorec, polovica pa v drugi krak k usklajeni obremenitvi. Z nastavitvijo vijaka lahko uravnotežite most. Če nato spremenite konstantno magnetno polje z modulacijskimi tuljavami, se pri resonanci absorpcija energije vzorca močno poveča, kar vodi do neravnovesja mostu. Nato po ojačanju signala osciloskop zapiše resonančno krivuljo.

Metoda EPR je zelo občutljiva. Omogoča vam merjenje relaksacijskih časov, jedrskih magnetnih momentov, izvedbo kvantitativne analize vseh paramagnetnih snovi do 10 -12 g snovi in ​​določanje strukture kemičnih spojin.

elektronske konfiguracije, merjenje jakosti šibkega magnetnega polja do 79,6 A/m itd.

Pokažimo, kako lahko izračunamo moč sevanja, ki ga absorbira paramagnetna snov (3.107). Predstavljajmo si izmenično magnetno polje, ki se vrti v smeri urinega kazalca (v smeri precesije magnetnega momenta) v kompleksni obliki:

B(t)== 2?,coso)/-/"#, sinw/ = 2? u +iBly. Lahko tudi vstopite

kompleksni vektor magnetizacije /(/)= / in +jaz (9 ki je povezan s kompleksnim vektorjem izmeničnega magnetnega polja z razmerjem / = x(o>)R, kjer je x(w) kompleksna magnetna susceptibilnost. To razmerje uvedemo podobno kot v statičnem primeru, ko magnetno polje B Q konstanta: / 0 = x 0 ? 0, kje %o~ statična magnetna občutljivost Iz Blochovih enačb (3.106) dobimo

V ustaljenem stanju imamo: - = -/o)/, -- = 0. Tedaj iz

sistem (3.110) sledi sistemu enačb:

Rešitev tega sistema:

Povprečno absorbirano moč v obdobju polja je mogoče izračunati s formulo

Iz tega sledi, da je absorbirana moč določena z imaginarnim delom kompleksne magnetne občutljivosti.

Z uporabo metode magnetne resonance je bilo pridobljenih veliko temeljnih rezultatov. Zlasti je bil izmerjen nepravilni magnetni moment elektrona. Izkazalo se je, da spinski magnetni moment elektrona ni enak točno enemu Bohrovemu magnetonu, tj. za elektron žiromagnetno razmerje g e ^2. O tem smo že razpravljali v §2.7. Izmerjen je bil tudi magnetni moment nevtrona itd.. Na podlagi te metode je bil ustvarjen standard frekvence in časa atomskega žarka - atomihron z uporabo žarka cezijevih atomov Cs 133

1. Prostemu Cu 2+ ionu manjka en elektron v 3d lupini. Določite frekvenco paramagnetne resonance v magnetnem polju 421,88-10 3 A/m.

rešitev. Osnovno stanje - /)-stanje (L= 2) z vrtenjem 5 = 1/2. Po Hundovem pravilu je število /= L+ 5 = 5/2. V odsotnosti magnetnega polja ta nivo ni razdeljen s faktorjem degeneracije (25+ 1)(2Z.+ 1) = 10. V stalnem magnetnem polju je nivo razdeljen na 2/+ 1 = 6 podravni. . Lande faktor g=6/5. Frekvenca paramagnetne resonance je določena s formulo (3.101).

Iz spektrov ESR je mogoče določiti valenco paramagnetnega iona in simetrijo njegovega okolja, kar v kombinaciji s podatki rentgenske strukturne analize omogoča določitev položaja paramagnetnega iona v kristalni mreži. . Vrednost energijskih nivojev paramagnetnega iona omogoča primerjavo rezultatov EPR s podatki o optičnih spektrih in izračun magnetne občutljivosti paramagnetnih materialov.

Metoda EPR omogoča določanje narave in lokalizacije mrežnih napak, kot so barvna središča. V kovinah in polprevodnikih je možen tudi EPR, povezan s spremembo orientacije spinov prevodnih elektronov. Metoda EPR se pogosto uporablja v kemiji in biologiji, kjer lahko v procesu kemičnih reakcij ali pod vplivom ionizirajočega sevanja nastanejo molekule z nezapolnjeno kemično vezjo - prosti radikali. Njihov g-faktor je običajno blizu , in EPR širina črte
majhna Zaradi teh lastnosti se eden najstabilnejših prostih radikalov () z g = 2,0036 uporablja kot standard pri meritvah EPR. V ER biologiji preučujemo encime, proste radikale v bioloških sistemih in organokovinske spojine.

1. EPR v močnih magnetnih poljih

Velika večina eksperimentalnih študij paramagnetne resonance je bila opravljena v magnetnih poljih, katerih jakost je manjša od 20 ke. Medtem je uporaba močnejših statičnih polj in spremenljivih polj večja visoke frekvence bi bistveno razširil zmogljivosti metode EPR in povečal informacije, ki jih zagotavlja. V bližnji prihodnosti bodo na voljo trajna magnetna polja do 250 ke in impulzna polja, merjena v desetinah milijonov oerstedov. To pomeni, da bodo Zeemanove delitve v konstantnih poljih dosegle približno 25
, in a v pulznih poljih – vrednosti so za dva reda velikosti večje. Lowe je uporabil spektrometer s superprevodnim magnetom za merjenje EPR v poljih H0 65 ke. Prokhorov in njegovi kolegi so opazovali signale EPR na valovni dolžini =1,21mm.

Močna magnetna polja bi morala biti zelo koristna za sevanje ionov redkih zemelj v kristalih, katerih intervali med Starkovimi podravni so reda velikosti 10-100
. Učinek EPR v običajnih poljih je pogosto odsoten zaradi dejstva, da se glavni Starkov nivo izkaže za singlet, ali ker so prehodi med Zeemanovimi podravnimi glavnega Kramersovega dubleta prepovedani. Učinek je na splošno možen zaradi prehodov med različnimi Starkovimi podravni. Nadalje je za kristalno polje v kristalih redkih zemelj značilno veliko število parametrov, za določanje, katera znanja g- tenzor glavnega Kramerjevega dubleta ni dovolj.

Močna magnetna polja se lahko uporabljajo tudi za preučevanje ionov železove skupine, zlasti kot npr

ki imajo razcepe reda 10 100
.

Pri uporabi na izmenjalno sklopljenih parih bodo močna magnetna polja omogočila opazovanje učinka, ki ga povzročajo prehodi med ravnmi z različnimi vrednostmi nastalega vrtenja S pare s spektroskopsko natančnostjo za merjenje parametra izmenjave interakcije J.

Paramagnetna resonanca v močnih magnetnih poljih bo imela številne značilnosti. Učinki nasičenosti magnetizacije se bodo pojavili pri relativno visokih temperaturah. Ko ne zelo nizke temperature polarizacija ionskih magnetnih momentov bo tako velika, da bo treba poleg zunanjega magnetnega polja v resonančne pogoje vnesti še notranje polje. Pojavila se bo odvisnost resonančnih pogojev od oblike vzorca.

UVOD………………………………………………………………………………….2

1. PRINCIP METODE EPR……………………………………………………..3

1.1. Zgodovina odkritja metode EPR………………………………………………………..3

1.2. Mehanski in magnetni momenti elektrona…………………………4

1.3. Zeemanov učinek ............................................................ ...... ...................................6

1.4. Osnovna enačba resonance………………………………………………………………8

2. ZNAČILNOSTI SPEKTRA EPR ………………………………….10

2.1. Amplituda signala, oblika črte in širina črte…………………….10

2.2. Ultrafina struktura EPR spektrov………………………………….16

……………………………………………………………..18

3. NAPRAVA RADIJSKEGA SPEKTROMETRA EPR……………………...22

4. UPORABA EPR V MEDICINSKIH IN BIOLOŠKIH RAZISKAVAH……………………………………………………………………………….24

4.1 Signali EPR, opaženi v bioloških sistemih………………..24

4.2. Spin label in metoda sonde………………………………………………………26

4.3. Metoda vrtilne pasti……………………………………………...35

ZAKLJUČEK………………………………………………………………...39

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV………………………..40

UVOD

Elektronska paramagnetna resonanca(EPR, elektronska spinska resonanca), pojav resonančne absorpcije elektromagnetnega sevanja paramagnetnih delcev, postavljenih v konstantno magnetno polje, ki ga povzročajo kvantni prehodi med magnetnimi podravni paramagnetnih atomov in ionov (Zeemanov učinek). OdprtoZavojskij Evgenij Konstantinovič V Kazan državna univerza leta 1944

V odsotnosti konstantnega magnetnega polja H so magnetni momenti neparni elektroni so poljubno usmerjeni, je stanje sistema takih delcev energijsko degenerirano. Ko se uporabi polje H, projekcije magnetnih momentov na smer polja zavzamejo določene vrednosti in degeneracija se odstrani (Zeemanov učinek), to pomeni, da se raven energije razdeli. elektroni E 0 .

Ker je na nižji ravni število elektroni bolj v skladu z Boltzmannovo porazdelitvijo, potem bo pretežno prišlo do resonančne absorpcije energije izmeničnega magnetnega polja (njegove magnetne komponente).

Za neprekinjeno opazovanje absorpcije energije pogoj resonance ni dovolj, ker Pri izpostavljenosti elektromagnetnemu sevanju se naseljenosti podravni izenačijo (učinek nasičenosti). Za ohranitev Boltzmanove porazdelitve populacij podravni so potrebni relaksacijski procesi.

Glavni parametri EPR spektrov so jakost, oblika in širina resonance vrstice , g-faktor, konstante fine in hiperfine strukture (HFS).

1. PRINCIP METODE EPR

1.1.Zgodovina odkritja metode EPR

Metoda elektronske paramagnetne resonance (EPR, EPRelektronska paramagnetna resonanca, ESR elektronska spinska resonanca ) je glavna metoda za študijparamagnetni delci. Paramagnetnim delcem, ki imajo pomembno biološkokar pomeni, da obstajata dve glavni vrsti, to so prosti radikali in kovinski kompleksispremenljivo valenco (kot so Fe, Cu, Co, Ni, Mn).

Metodo elektronske paramagnetne resonance je leta 1944 odkril E.K. Zavoisky pri proučevanju interakcije elektromagnetnega sevanja v mikrovalovnem območju s kovinskimi solmi. Opazil je, da lahko monokristal CuCl2, postavljen v konstantno magnetno polje 40 Gaussa (4 mT), absorbira sevanje s frekvenco približno 133 MHz.

Pionirji uporabe EPR v bioloških raziskavah v ZSSR so bili L.A. Blumenfeld in A.E. Kalmanson, ki je začel proučevati proste radikale beljakovin, pridobljenih pod vplivom ionizirajočega sevanja.

Sčasoma je sinteza stabilnih nitroksilnih radikalov bistveno razširila področje uporabe metode EPR v bioloških in medicinskih raziskavah. Danes je ta metoda ena izmed najbolj razširjenih metod sodobne znanosti.

1.2. Mehanski in magnetni momenti elektrona

Metoda EPR temelji na absorpciji elektromagnetnega sevanja v radijskem območju s strani neparnih elektronov, ki se nahajajo v magnetnem polju.

Znano je, da elektron v atomu sodeluje pri orbitalnem in spinskem gibanju, ki ga lahko označimo z ustreznimi mehanskimi in magnetnimi momenti. Tako je orbitalni magnetni moment povezan z mehanskim izrazom

(1)

kjer je magnetni orbitalni moment in je mehanski orbitalni moment. Po drugi strani se lahko mehanski orbitalni moment izrazi z orbitalnim kvantnim številom

(2)

Če nadomestimo izraz (1.2) v (1.1), dobimo to

Količina je elementarni magnetni moment in se imenuje Bohrov magneton za elektron. Označena je s črko β in je enaka 9,27·1024 J/T.

Za spinski magnetni moment lahko zapišemo podobne izraze

(4)

(5)

(6)

kje je spinski magnetni moment, PS mehanski magnetni moment in s spinsko kvantno število. Pomembno je omeniti, da je sorazmernostni koeficient med in PS (e/m ) dvakrat toliko kot za in Pl(e/2m).

Posledično bo skupni magnetni moment elektrona, ki je vektor, enak vsoti vektorjev orbitalnega in spinskega magnetnega momenta

(7)

Ker se absolutne vrednosti in lahko zelo razlikujejo, je zaradi lažjega upoštevanja prispevka orbitalnih in spinskih magnetnih momentov k skupnemu magnetnemu momentu elektrona uveden koeficient sorazmernosti, ki prikazuje delež vsakegatrenutkov v skupni magnitudi magnetnega momenta g ali g-faktor.

kjer je Pj skupni mehanski moment elektrona, enak Pl + Ps. g -Faktor je enak ena pri s = 0 (tj. v odsotnosti vrtilnega gibanja) in je enak dve, če je orbitalni moment enak nič ( l = 0). g -Faktor je identičen Landejevemu spektroskopskemu cepitvenemu faktorju in ga je mogoče izraziti s polnimi kvantnimi številkami S, P in J:

kjer (9)

Ker se v večini primerov elektronske orbitale zelo razlikujejo od sferičnih, ima orbitalni magnetni moment razmeroma majhen prispevek k celotnemu magnetnemu momentu. Za poenostavitev izračunov lahko ta prispevek zanemarimo. Poleg tega, če spinski mehanski moment nadomestimo z njegovo projekcijo na izbrano smer (na primer smer magnetnega polja), potem dobimo naslednji izraz:

(10)

kjer je eh/4πm Bohrov magneton in magnetno kvantno število, ki je projekcija spinskega magnetnega momenta na izbrano smer in je enako ±1/2.

1 .3. Zeemanov učinek

Slika 1 Orientacija elektronov v zunanjem magnetnem polju ( H).

V odsotnosti zunanjega magnetnega polja so magnetni momenti elektronov naključno usmerjeni (slika 1 levo), njihova energija pa je praktično enaka drug drugemu (E0). Ko je uporabljeno zunanje magnetno polje, so magnetni momenti elektronov usmerjeni v polje glede na velikost spinskega magnetnega momenta (slika 1. desno), njihova energijska raven pa se razdeli na dva dela (slika 2).

Slika 2 Razcep energijskih nivojev posameznih elektronov v magnetnem polju (Zeemanov učinek).

Energija interakcije med magnetnim momentom elektrona in magnetnim poljem je izražena z enačbo

(11)

kjer je μ skupni magnetni moment elektrona, n jakost magnetnega polja in cos(μH) kosinus kota med vektorjema μ in H.

V našem primeru bo energija interakcije elektrona z zunanjim magnetnim poljem enaka

(12)

in razlika v energiji med obema nivojema bo

(13)

Tako se nivoji energije elektronov, postavljenih v magnetno polje, v tem polju razdelijo glede na velikost spinskega magnetnega momenta in intenziteto magnetnega polja ( Zeemanov učinek).

1.4. Osnovna resonančna enačba

Število elektronov v proučevanem sistemu, ki imajo eno ali drugo energijo, bo določeno v skladu z Boltzmannovo porazdelitvijo, in sicer

(14)

kjer je in število elektronov na višji ali nižji energijski ravni, ki ustreza magnetnemu momentu elektrona s spinom +1/2 ali 1/2.

Če elektromagnetni val pade na sistem elektronov, ki se nahajajo v magnetnem polju, se bodo pri določenih vrednostih energije vpadnih kvantov pojavili prehodi elektronov med nivoji.

Nujen pogoj je enakost energije vpadnega kvanta (hν) in energijske razlike med nivoji elektronov z različnimi spini (gβH).

ΔE = hν = gβH (15)

Ta enačba izraža osnovni pogoj za absorpcijo energije s strani elektronov in se imenujeosnovna resonančna enačba. Pod vplivom sevanja bodo elektroni na višji energijski ravni oddali energijo in se vrnili na nižjo raven, ta pojav imenujemo stimulirana emisija. Elektroni, ki se nahajajo na nižji ravni, bodo absorbirali energijo in se premaknili na višjo raven

energijski ravni, se ta pojav imenujeresonančna absorpcija. Ker so verjetnosti posameznih prehodov med energijskimi nivoji enake in je skupna verjetnost prehodov sorazmerna s številom elektronov, ki se nahajajo na danem energijskem nivoju, bo absorpcija energije prevladala nad njeno emisijo. To je posledica dejstva, da je, kot izhaja iz Boltzmannove porazdelitve, prebivalstvo nižja raven višja od populacije zgornje energijske ravni.

Ne smemo pozabiti, da je razlika v ravneh energije elektrona v magnetnem polju (pa tudi drugih nabitih delcev s spinom, na primer protonov) povezana s prisotnostjo lastnega magnetnega momenta elektrona. Seznanjeni elektroni imajo kompenzirane magnetne momente in se ne odzivajo na zunanje magnetno polje, zato običajne molekule ne proizvajajo signalov EPR. Tako EPR omogoča odkrivanje in proučevanje lastnostiprosti radikali(ki imajo nesparjeni elektron v zunanjih orbitalah) in kompleksi kovin s spremenljivo valenco (v katerih nesparjeni elektron pripada globljim elektronskim lupinam). Ti dve skupini paramagnetnih delcev pogosto imenujemo paramagnetni centri.

2. ZNAČILNOSTI SPEKTROV EPR

Metoda EPR nam omogoča preučevanje lastnosti paramagnetnih centrov preko absorpcijskih spektrov elektromagnetnega sevanja teh delcev. Če poznamo značilnosti spektrov, lahko presojamo lastnosti paramagnetnih delcev. Glavne značilnosti spektra vključujejo amplitudo, širino črte, obliko črte, g -faktor in hiperfina struktura spektrov.

2.1. Amplituda signala, oblika in širina črte

Amplituda signala

Signal EPR je prvi derivat absorpcijskega spektra (slika 3). Površina pod absorpcijsko črto je sorazmerna s koncentracijo paramagnetnih delcev v vzorcu. Tako je koncentracija paramagnetnih centrov sorazmerna prvemu integralu pod absorpcijsko črto oziroma drugemu integralu spektra EPR. Če imata dva signala enako širino, potem sta koncentraciji paramagnetnih centrov povezani kot amplitudi signalov v absorpcijskih spektrih.

Slika 3 - EPR signal. Leva odvisnost mikrovalovne absorpcije od jakosti magnetnega polja (H); na desni je prvi izvod te odvisnosti. EPR spektrometri beležijo krivulje druge vrste.

Za določitev koncentracije se izmerijo površine pod absorpcijsko krivuljo za primerjalni vzorec z znano koncentracijo paramagnetnih centrov in za izmerjeni vzorec, neznana koncentracija pa se ugotovi iz razmerja, če imata vzorca enak volumen:

(16)

kjer sta in sta koncentraciji izmerjenega vzorca oziroma referenčnega vzorca in S x in S 0 območje pod absorpcijskimi črtami izmerjenega signala in referenčnega vzorca.

Za določitev površine pod absorpcijsko črto neznanega signala lahko uporabite tehniko numerične integracije

(17)

kjer je f "(H ) prvi derivat absorpcijske črte (spekter EPR), F(H ) funkcija absorpcijske črte in H jakost magnetnega polja.

(18)

Glede na to, da je F(H). H v točkah -∞ in ∞ enaka nič in dF (H) je enako f "(H) dH, dobimo

(19)

kjer je f "(H ) prvi derivat absorpcijske črte ali spekter EPR. Glede na to je enostavno iti od integrala do integralne vsote H = nΔH, dobimo

(20)

kjer je ΔH korak spremembe magnetnega polja in n i številka koraka. Tako bo površina pod absorpcijsko krivuljo enaka zmnožku kvadrata velikosti koraka magnetnega polja in vsote produktov amplitude spektra EPR in števila korakov. Iz izraza (20) je enostavno videti, da za velike n (tj. daleč od središča signala) je lahko prispevek oddaljenih delov spektra precej velik tudi pri majhnih vrednostih amplitude signala.

Oblika črte

Čeprav po osnovni resonančni enačbi pride do absorpcije le, ko je energija vpadnega kvanta enaka energijski razliki med nivoji nesparjenih elektronov, je spekter EPR v določeni bližini resonančne točke zvezen. Funkcija, ki opisuje signal EPR, se imenuje funkcija oblike črte. V razredčenih raztopinah, ko lahko zanemarimo interakcijo med paramagnetnimi delci, je absorpcijska krivulja opisana z Lorentzovo funkcijo:

(21)

kjer je funkcija absorpcijske krivulje na resonančni točki, vrednost polja na resonančni točki, širina signala na polovici maksimuma. Podoben zapis se uporablja za absorpcijsko krivuljo, ki jo opisuje Gaussova funkcija.

(22)

Gaussova funkcija je ovojnica spektra EPR, če med paramagnetnimi delci obstaja interakcija. Upoštevanje oblike črte je še posebej pomembno pri določanju površine pod absorpcijsko krivuljo. Kot je razvidno iz zgornjih formul, ima Lorentzova linija počasnejše zmanjšanje in s tem širša krila, kar lahko pri integraciji spektra povzroči znatno napako.

Širina črte

Širina spektra EPR je odvisna od interakcije magnetnega momenta elektrona z magnetnimi momenti okoliških jeder (mreža) (spin-mreža interakcija) in elektronov (spin-spin interakcija). V odsotnosti teh interakcij bi energija, ki bi jo absorbirali elektroni, povzročila zmanjšanje razlike v populaciji ravni in prenehanje absorpcije.

Vendar v poskusu ni opaziti nobene spremembe v populacijski razliki med nivoji zaradi dejstva, da obstajajo procesi, v katerih se absorbirana energija prenese v okolje in se elektroni vrnejo na prvotno raven. Takšne procese imenujemo relaksacijski procesi, vzdržujejo konstantno razliko v populaciji energijskih nivojev. Relaksacijski mehanizem je sestavljen iz prenosa elektromagnetne energije kvanta na mrežo ali okoliške elektrone in vračanja elektrona v

nizka raven energije. Čas, v katerem elektron ostane na visoki energijski ravni, se imenuje relaksacijski čas. V skladu s tem obstaja spin-mrežni čas ( T 1) in vrtenje-vrtenje ( T 2) sprostitev.

Eden od razlogov za širjenje absorpcijskih pasov v signalih EPR je v valovnih lastnostih osnovnih delcev, ki se kažejo v obstoju znanega Heisenbergovega principa negotovosti. V skladu s tem načelom, čim natančneje je določen čas opazovanja (manjši kot je Δ t ), večja je negotovost v energiji delcev (:

(23)

Če sprejmemo, da je Δ t čas je za sprostitev T in Δ E ustreza g βΔ H , potem to razumemo

(24)

tiste. negotovost v širini črte je obratno sorazmerna s časom relaksacije. Šteje se, da je opazovani relaksacijski čas vsota spin-mrežnih in spin-spin relaksacijskih časov.

(25)

Prosti radikali v raztopinah imajo T1>> T 2, zato bo širina črte odvisna predvsem od T2.

"Naravno" širjenje signala EPR, ki je odvisno od spin-mreže in spin-spin relaksacijskih časov, ni edini mehanizem, ki vpliva na širino črte. c signalizirano. Igrajo tudi pomembno vlogodipol-dipol interakcija; anizotropija g -faktor a; dinamično širjenje linij in izmenjavo spinov.

V jedru dipol-dipol interakcijaleži v interakciji magnetnega momenta nesparjenega elektrona z lokalnim magnetnim poljem, ki ga ustvarjajo sosednji elektroni in jedra. Jakost magnetnega polja na mestu, kjer se nahaja nesparjeni elektron, je odvisna od relativne orientacije magnetnih momentov nesparjenega elektrona in drugega elektrona ali jedra ter razdalje med tema središčema. Sprememba energije nesparjenega elektrona je podana z enačbo

(26)

kjer je μ magnetni moment elektrona, θ kot med medsebojno delujočimi magnetnimi momenti R razdalja med njimi.

Prispevek anizotropija g-faktorjaRazširitev črte EPR je posledica dejstva, da orbitalno gibanje elektrona ustvarja magnetno polje, s katerim interagira spinski magnetni moment. To ustvari premik v jakosti zunanjega polja, pri katerem opazimo resonanco, tj. na premik položaja maksimuma signala EPR. To pa se kaže v navideznem odstopanju g -faktor prostih elektronov od vrednosti 2,00. Po drugi strani pa vpliv orbitalnega magnetnega polja na elektron

je odvisna od orientacije molekule glede na zunanje magnetno polje, kar vodi do razširitve signala EPR, kadar se meri v sistemu, sestavljenem iz številnih naključno usmerjenih molekul.

Razširitev signala EPR je lahko povezana tudi z medsebojno transformacijo dveh paramagnetnih delcev. Torej, če ima vsak od delcev svoj spekter EPR, bo povečanje hitrosti medsebojnega preoblikovanja drug v drugega povzročilo razširitev linij, ker Hkrati se življenjska doba radikala v vsakem stanju zmanjša. Takšna spremembase imenuje širina signaladinamično širjenje signal.

Izmenjava vrtenja je še en razlog za razširitev signala EPR. Mehanizem širjenja signala med izmenjavo spinov je sprememba smeri spinskega magnetnega momenta elektrona v nasprotno, ko ta trči z drugim neparnim elektronom ali drugim paramagnetom. Ker takšen trk skrajša življenjsko dobo elektrona v to stanje, potem se signal EPR ponovno razširi. Najpogostejši primer razširitve črte EPR z mehanizmom spinske izmenjave je razširitev signala v prisotnosti kisika ali paramagnetnih kovinskih ionov.

2.2 Hiperfina struktura EPR spektrov

Razdelitev ene vrstice EPR na več temelji na pojavuhiperfina interakcija, tj. interakcija magnetnih momentov neparnih elektronov () z magnetnimi momenti sosednjih jeder (

Slika 4 prikazuje razlago hiperfine interakcije. Nesparjeni elektron v radikalu se lahko nahaja blizu protona, na primer v radikalu etanola (1). Če ni vpliva bližnjih protonov, ima elektron signal v obliki ene same črte (2). Vendar pa ima proton tudi magnetni moment, ki je usmerjen v zunanjem magnetnem polju ( H 0) v dveh smereh (vzdolž polja ali proti polju), ker ima tako kot elektron vrtilno število S = ½. Ker je proton majhen magnet, ustvarja magnetno polje, ki ima na mestu elektrona določene vrednosti +Hp ali Hp, odvisno od orientacije protona (3). Posledično ima celotno magnetno polje, ki deluje na nesparjeni elektron (4), nekoliko večjo (+ Hp) ali nekoliko manjšo (Hp) kot v odsotnosti protona (). Zato je signal EPR radikala sestavljen iz dveh pasov, od katerih je razdalja do prejšnjega središča pasu enaka Hp (5).

Slika 4. Ultrafina cepitev signala EPR v radikalu etanola.

1 radikal etanola. 2 EPR signal elektrona v zunanjem polju. 3 orientacija protonov v zunanjem magnetnem polju. 4 povečanje ali zmanjšanje polja, ki deluje na elektron zaradi vsiljevanja magnetnega polja protona ( H p) na zunanje magnetno polje. 5 Signal ESR radikala, pri katerem je magnetno polje protona superponirano na zunanje magnetno polje.

V primeru, ki smo ga obravnavali, je bil spin jedra, ki medsebojno deluje z nesparjenim elektronom, enak ± 1/2, kar nam je na koncu dalo razdelitev na dve črti. Ta vrednost spina je značilna za protone. Jedra dušikovih atomov (N14) imajo spin celo število . Lahko sprejme vrednosti ±1 in 0. V tem primeru, ko neparni elektron interagira z jedrom atoma dušika, bo opaziti razdelitev na tri enake črte, ki ustrezajo vrednostim spina +1, 1 in 0 V splošnem primeru je število

vrstic v spektru EPR je 2 m N+1. (glej spodaj, slika 10)

Seveda število neparnih elektronov in s tem površina pod absorpcijsko krivuljo EPR nista odvisna od vrednosti jedrskega spina in sta konstantni vrednosti. Posledično, ko je en sam signal EPR razdeljen na dva ali tri, bo intenziteta vsake komponente 2- ali 3-krat manjša.

Zelo podobna slika nastane, če neparni elektron ne komunicira z enim, temveč z več enakovrednimi (z isto konstanto hiperfine interakcije) jedri, ki imajo magnetni moment, ki ni enak nič, na primer dva protona. V tem primeru nastanejo tri stanja, ki ustrezajo usmerjenosti protonskih vrtljajev: (a) obe vzdolž polja, (b) obe proti polju in (c) eno vzdolž polja in eno proti polju. Možnost (c) je dvakrat bolj verjetna kot (a) ali (b), ker se lahko izvede na dva načina. Zaradi te porazdelitve neparnih elektronov se bo ena črta razdelila na tri z razmerjem intenzivnosti 1:2:1. Na splošno za n enakovredna jedra s spinom mN je število črt enako n 2 m N +1.

2.3. Lastnosti atomov z magnetnimi jedri, konstante, HFC nesparjenega elektrona z jedrom

Atom	Masno število		Jedrsko vrtenje	a 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 -elektronski sistemi (večina organskih prostih radikalov)gostota vrtenjana jedrski točki enak nič (nodalna točka p-orbitale) in realizirata se dva mehanizma za nastanek HFI (spin transfer): konfiguracijska interakcija in učinek superkonjugacije. Mehanizem konfiguracijske interakcije je ponazorjen z upoštevanjem fragmenta CH (slika 5). Ko je neparen elektron , njegovo magnetno polje deluje z par elektronov -C H vezi, tako da pride do njihovega delnega združevanja (spin polarizacija), kar povzroči proton se pojavi negativnogostota vrtenja, saj interakcijske energije vrti in so različni. Pogoj, prikazan na sl. 5, a, bolj trajnostno, saj za ogljik atom , ki nosi neparen elektron , v skladu z Hundovo pravilo dosežen maksimumvečkratnost. Pri sistemih te vrste obstaja povezava med konstanto STI in proton in gostota vrtenjana ustreznem ogljiku atom , določeno z McConnellovo relacijo: kjer je Q = -28 x 10 -4 T, - gostota vrtenja na ogljikovem atomu . Prenos spina prek mehanizma konfiguracijske interakcije je realiziran za aromatične protoni in -protoni v organskih prostih radikalih.

Slika 5 – Možne konfiguracije vrtenja za-orbitalna vez atom vodika v fragmentu CH in p-orbitale ogljikov atom s spinom a - vrti na vezi -orbitale in p-orbitale ogljikov atom vzporedno, b - enako hrbet antiparalelen.

Učinek superkonjugacije je neposredno prekrivanje orbitale nesparjenega elektrona in magnetna jedra. Zlasti pri alkilnih radikalih se po tem mehanizmu HFC pojavi na jedrih-protoni. Na primer v etilnem radikalu-protoni HFC je določen s konfiguracijsko interakcijo in naprej-protoni - superkonjugacija. Enakovrednost STV s tremi protoni metilna skupina v obravnavanem primeru je posledica hitre rotacije skupine CH 3 glede na vez C C. V odsotnosti proste rotacije (ali v primeru ovirane rotacije), ki se realizira v tekoči fazi za številne sisteme z razvejanimi alkilnimi substituenti ali v monokristalnih vzorcih, HFC konstanta z-protonov je določen z izrazom, Kje - diedrski kot med 2p z-orbitala -ogljikovega atoma in CH vezi, B 0 4 x 10 -4 T določa prispevek vrtenja polarizacija vzdolž jedrskega jedra (konfiguracijska interakcija), B 2 45 x 10 -4 Tl. V meji hitrega vrtenja a n = 2,65 x 10-3 T. V spektroskopiji EPR tripletnih stanj (S=1) je treba poleg elektron-jedrskih interakcij (ITI) upoštevati še interakcijo neparnih elektroni skupaj. Določena je z interakcijo dipol-dipol, povprečno na nič v tekoči fazi in opisana s parametroma ničelne cepitve D in E, ki sta odvisna od razdalje med neshranjenimi elektroni (radikalni pari), kot tudiizmenjava interakcije(izotropno), zaradi neposrednega prekrivanja orbitale nesparjenih elektronov (spinska izmenjava), ki jo opišemo z menjalnim integralom J menjava Za diradikale , v katerem ima vsak od radikalskih centrov eno magnetno jedro s HFC konstanto na tem jedru a, v primeru hitre (močne) izmenjave J izmenjava oh, in vsak nesparjen elektron biradikalni sistem interagira z magnetnimi jedri obeh radikalskih središč. S šibko izmenjavo (J izmenjava a) spektri EPR vsakega radikalnega središča se posnamejo neodvisno, to pomeni, da se posname "mono-radikalna" slika. Odvisnost J izmenjava iz temperature in topila omogoča pridobitev dinamičnih značilnosti diradikalnega sistema (frekvenčna in energetska pregrada izmenjave spinov).

1. EPR RADIOSPEKTROMETRSKA NAPRAVA

Zasnova radiospektrometra EPR le bežno spominja na spektrofotometer za merjenje optične absorpcije v vidnem in ultravijoličnem delu spektra (slika 6).

Slika 6 Zasnova spektrometra EPR.

Vir sevanja v radijskem spektrometru je klistron, ki je radijska cev, ki proizvaja monokromatsko sevanje v centimetrskem območju valovnih dolžin.

Vlogo diafragme v radijskem spektrometru ima dušilnik, ki omogoča doziranje padajoče moči na vzorec. Vzorčna celica v radiospektrometru se nahaja v posebnem bloku, imenovanem resonator. Resonator je votli paralelopiped iz kovine, katerega votlina ima valjasto ali pravokotno obliko. Vsebuje vpojni vzorec. Dimenzije resonatorja so takšne, da vhodno sevanje tvori stojalo elektromagnetno valovanje. Element, ki je popolnoma odsoten v optičnem spektrometru, je elektromagnet, ki ustvarja konstantno magnetno polje, potrebno za cepitev energijskih ravni elektronov. Sevanje, ki prehaja skozi merjeni vzorec, zadene detektor, nato se signal detektorja ojača in posname na snemalnik ali računalnik. Edinstvena zasnova radijskega spektrometra je v tem, da se radijsko sevanje prenaša od vira do vzorca in nato do detektorja s pomočjo posebnih cevi. pravokotni odsek, ki služijo kot valovod. Dimenzije preseka valovodov so določene z valovno dolžino prepuščenega sevanja. Ta značilnost prenosa radijskega sevanja skozi valovode določa dejstvo, da se za snemanje spektra EPR v radijskem spektrometru uporablja konstantna frekvenca sevanja, resonančni pogoj pa se doseže s spreminjanjem vrednosti magnetnega polja.

Še en pomembna lastnost radijskega spektrometra je, da ta naprava ne meri absorpcije (A) elektromagnetnega (mikrovalovnega) valovanja, temveč prvi odvod absorpcije glede na jakost magnetnega polja dA/dH. Dejstvo je, da je za merjenje absorpcije potrebno primerjati jakosti prepuščenega sevanja merjenega in kontrolnega objekta (recimo prazne kivete), pri merjenju prvega odvoda pa kontrolni objekt ni potreben. Ko se magnetno polje spremeni, se jakost mikrovalovnih valov, ki prehajajo skozi prazen prostor ali predmet, ki ne absorbira, ne spremeni in je prvi odvod absorpcije enak nič. Če gredo mikrovalovni valovi skozi predmet s paramagnetnimi centri, pride do absorpcije, njena velikost pa je odvisna od jakosti magnetnega polja. Spremenimo polje in absorpcija se spremeni, kar se kaže v spremembi jakosti izmerjenega mikrovalovnega nihanja. Prav ta sprememba intenzitete izmerjenega mikrovalovnega sevanja z rahlo modulacijo magnetnega polja okoli dane vrednosti omogoča določitev dA/dH v vsaki točki H, s čimer dobimo spektre ali signale EPR.

1. UPORABA EPR V MEDICINSKIH IN BIOLOŠKIH RAZISKAVAH

1. Signali EPR, opaženi v bioloških sistemih

Uporaba metode EPR v bioloških raziskavah je povezana s preučevanjem dveh glavnih vrst paramagnetnih centrov - prostih radikalov in kovinskih ionov spremenljive valence. Preučevanje prostih radikalov v bioloških sistemih je povezano s težavo nizkih koncentracij prostih radikalov, ki nastanejo med celično aktivnostjo. Po različnih virih naj bi bila koncentracija radikalov v celicah, ki se normalno presnavljajo, približno M, sodobni radiospektrometri pa omogočajo merjenje koncentracije radikalov M. Koncentracijo prostih radikalov lahko povečamo tako, da zaviramo njihovo odmiranje ali povečamo hitrost njihove nastanek. V eksperimentalnih pogojih izobraževanje

radikale najlažje opazimo, ko biološke objekte obsevamo pri zelo nizkih temperaturah (recimo 77K) med njihovim obsevanjem z UV ali ionizirajočim sevanjem. Preučevanje strukture radikalov bolj ali manj kompleksnih biološko pomembnih molekul, dobljenih v takih pogojih, je bilo eno prvih področij uporabe metode EPR v bioloških raziskavah (slika 7). Druga smer uporabe metode EPR v bioloških raziskavah je bila študija kovin spremenljive valence in/ali njihovih kompleksov, ki obstajajo. in vivo . Zaradi kratkih relaksacijskih časov lahko EPR signale metaloproteinov opazujemo tudi le pri nizkih temperaturah, na primer pri temperaturi tekočega dušika ali celo helija.

Slika 7 - ESR spektri UV-obsevanega cisteina pri temperaturi tekočega dušika (77 K) in navadni temperaturi (300 K).

Kot primer na sl. Slika 8 prikazuje spekter EPR podganjih jeter. Na njem lahko vidite signale citokroma P-450, ki imajo g -faktor 1,94 in 2,25, signal methemoglobina z g - faktor 4,3 in signal prostih radikalov, ki pripada semikinonskim radikalom askorbinske kisline in flavinov z g-faktor 2,00.

Slika 8 - EPR spekter jeter podgane.

Vendar lahko signale EPR nekaterih radikalov opazujemo tudi pri sobni temperaturi. Takšni signali vključujejo signale EPR številnih semikinon ali fenoksilnih radikalov, kot so semikinonski radikal ubikinona, fenoksilni in semikinonski radikal α-tokoferola (vitamin E), vitamin D in mnogi drugi (slika 9).

Slika 9 - EPR signali semikinon in fenoksil radikalov.

1. Spin label in metoda sonde

Pomembna faza v razvoju uporabe metode EPR v bioloških raziskavah je bila sinteza stabilnih prostih radikalov. Med takimi radikali so najbolj priljubljeni nitroksilni radikali.

Stabilnost nitroksilnih radikalov je posledica prostorskega presejanja skupine NO. , ki ima nesparjen elektron, štiri metilne skupine, ki preprečujejo reakcijo, ki vključuje prosto valenco. Vendar pa taka zaščita ni absolutna in reakcija zmanjšanja proste valence lahko še vedno pride. Askorbinska kislina je na primer dober reduktor nitroksilnih radikalov.

EPR spekter nitroksilnih radikalov je običajno sestavljen iz treh linij enake intenzitete, zaradi interakcije nesparjenega elektrona z jedrom dušikovega atoma (slika 10).

Slika 10 - Formula in EPR spekter nitroksidnega radikala 2,2,6,6-

tetrametil-piperidin-1-oksil (TEMPO).

Pustimo ob strani zapleteno teorijo, ki pojasnjuje odvisnost oblike signala EPR od gibljivosti sonde in se omejimo na zelo shematsko predstavitev opazovanega v poskusih. Če je nitroksilni radikal v vodna raztopina, potem je njegova rotacija izotropna in precej hitra, opazimo pa signal EPR, ki je sestavljen iz treh ozkih simetričnih črt (slika 11, zgoraj). Ko se hitrost vrtenja zmanjša, opazimo širjenje črt in spremembo amplitude komponent spektra (slika 11, sredina). Nadaljnje povečanje viskoznosti medija povzroči še večjo spremembo signala EPR vrtilne sonde (slika 11, spodaj).

Za kvantitativni opis rotacijsko gibanje radikalno uporabite koncept rotacijskega korelacijskega časa (τс). Je enak času rotacije nitroksidnega radikala za kot π/2. Na podlagi analize signala EPR lahko korelacijski čas ocenimo z empirično enačbo

(27)

Kjer je Δ pasovna širina spektra EPR pri nizki vrednosti polja in je intenzivnost komponent visokega in nizkega polja spektra EPR. To enačbo je mogoče uporabiti za korelacijske čase od 5 do s.

Sinteza stabilnih nitroksilnih radikalov družine TEMPO je bila pomembna faza pri uporabi metode EPR za preučevanje notranje viskoznosti bioloških membran in proteinov za reševanje medicinskih in bioloških problemov.

Slika 11 - ESR spekter TEMPO pri različnih rotacijskih korelacijskih časih τс (številke na levi strani spektra).

Vendar pa imajo derivati ​​TEMPO na žalost eno pomembno pomanjkljivost - zaradi svoje amfifilnosti je težko določiti lokalizacijo te sonde in s tem odgovoriti na vprašanje, kje pravzaprav določamo mikroviskoznost. Ta problem je bil praktično rešen, ko so se pojavile tako imenovane “fatty acid spin probes”, tj. spojine, v katerih je molekula nitroksidnega radikala kovalentno vezana na molekulo maščobna kislina. V tem primeru spekter ESR nedvomno odraža lastnosti hidrofobne (lipidne) faze proučevanega sistema, v katerega je vstavljena sonda. Slika 12 prikazuje shematsko strukturo molekule vrtilne sonde maščobne kisline, 5-doksil stearata, v kateri je nitroksilni radikal (doksil, spojina, strukturno sorodna TEMPO) vezan na 5. ogljikov atom molekule stearinske kisline. Gibanje takšne sonde je označeno s količino, ki se imenuje parameter reda S , ki označuje stopnjo asimetrije pri vrtenju sonde glede na vzdolžno in prečno os njene molekule. Parameter reda je mogoče najti iz značilnosti spektra EPR z uporabo empirične enačbe

(28)

kjer je A|| in A⊥ parametri, prikazani na sliki. Teoretično se lahko parameter reda spreminja od 0 do 1, s spremembami v viskoznosti in strukturi membrane. Pri popolnoma simetrični rotaciji, ko je hitrost vrtenja okoli treh osi enaka (kar je značilno za sferične delce v izotropnem mediju), je parameter reda enak nič. Parameter za urejanje je enak 1, če os vrtenja sonde sovpada z normalo na membrano in je vrtenje glede na druge osi popolnoma odsotno. Pri nizkih temperaturah ali v membranah iz sintetičnih nasičenih fosfolipidov se sonda vrti pretežno okoli dolge osi molekule, usmerjene čez membrano. V tem primeru ima parameter naročila visoke vrednosti. Ko se viskoznost membrane zmanjša, se vrednost parametra reda zmanjša.

Slika 12 Kemijska formula in spekter EPR 5-doksil stearata.

Zelo dragocena lastnost spin sond, ki vsebujejo maščobno kislino, je zmožnost merjenja parametra reda na različnih razdaljah od površine membrane, tako imenovani profil reda ali profil viskoznosti. Da bi to naredili, uporabljajo niz vrtljivih sond, ki so molekule iste maščobne kisline, ki vsebujejo nitroksilni del na različnih razdaljah od karboksilne skupine. Uporabljajo se na primer vrtilne sonde z nitroksidnim radikalom pri 5, 7, 12 in 16 ogljikovih atomih stearinske kisline. Skupek teh povezav omogoča merjenje parametra S na razdaljah 3,5, 5, 8,5 in 10,5 angstromov od površine membrane (slika 13).

Slika 13—Sprememba signala EPR po odstranitvi nitroksidnega radikala iz polarne karboksilne skupine maščobne kisline.

Običajno se lahko spektri EPR vrtljive sonde, vdelane v membrano, in sonde, ki se nahaja v okoliški vodni raztopini, bistveno razlikujejo. Ta lastnost je bila izkoriščena za ustvarjanje novega razreda vrtilnih sond, ki lahko merijo membranski mejni potencial (pogosto imenovan površinski potencial). Za merjenje tega potenciala se izmeri koeficient porazdelitve voda/membrana nevtralne in nabite sonde. Ker nabita sonda interagira z naboji na površini membrane, se bo njen koeficient porazdelitve razlikoval od koeficienta nevtralne sonde. Razmerje porazdelitvenih koeficientov služi kot merilo površinskega potenciala preučevane membrane. Kemijska formula vrtilne sonde, ki se uporablja za merjenje površinskega potenciala, je prikazana na sliki 14.

Slika 14 – Kemijska formula nabite vrtilne sonde.

Še en pomembna aplikacija Metoda vrtljive sonde je merjenje pH v mikrovolumnih, na primer znotraj lizosomov ali fagosomov celic. Za te namene se uporabljajo posebne pH-občutljive vrtljive sonde (slika 15). Metoda merjenja pH z uporabo vrtljivih sond temelji na zmožnosti sonde, da ustvari različne spektre EPR

protonirane in deprotonirane oblike. Tako, odvisno od pK spinske sonde, obstaja določeno območje pH, v katerem pride do njegove protonacije in pride do ustrezne spremembe v spektru EPR (slika 16).

Slika 15 – Kemijske formule pH-občutljive vrtljive sonde.

Slika 16 - Spektri ESR in odvisnost koncentracije deprotonirane pH-občutljive spin sonde od pH

Vse, kar je bilo doslej obravnavano v tem razdelku, zadevametoda vrtljive sonde. Vendar pa ni nič manj zanimivometoda spin label. Metoda spinske oznake temelji na istem principu spreminjanja EPR spektra nitroksidnega radikala glede na hitrost in izotropijo njegove rotacije. Razlika med metodo je dejstvo, da je spinska oznaka kovalentno vezana na drugo bolj ali manj veliko

molekula.

Ena prvih in uspešnih aplikacij metode spin label je bila merjenje števila in dostopnosti proteinskih SH skupin (slika 17). Kemijska formula in spekter EPR spinske oznake, ki medsebojno deluje s sulfhidrilnimi skupinami, v svobodna država in po pritrditvi na protein so prikazani na sliki 18.

Slika 17 - Shema interakcije spinske sonde s tiolno skupino proteina.

Iz slike je razvidno, da se spektri EPR spinske nalepke v prostem in vezanem stanju zelo razlikujejo, kar je posledica razlike v hitrosti in smeri vrtenja. Vezana vrtilna nalepka ima seveda bistveno nižjo hitrost vrtenja kot v prosti obliki. Poleg tega je število povezanih spinskih oznak in s tem intenzivnost signala EPR sorazmerna s številom

sulfhidrilne skupine reagirajo s spinsko oznako, kar omogoča določitev ne le mobilnosti sonde, temveč tudi njeno količino.

Slika 18 - Kemijska formula spinske oznake za SH skupine in EPR spektri imobilizirane (1), vezane (2) in proste (3) spinske oznake.

Trenutno obstaja veliko metodoloških tehnik, ki omogočajo preučevanje topografije beljakovinske globule z uporabo spinskih oznak. Ker so številni kovinski ioni s spremenljivo valenco paramagnetni in se poleg tega lahko nahajajo v aktivnem središču encima, interakcija spinske oznake, pritrjene na primer na cisteinski ali histidinski ostanek beljakovinske globule, z kovinski ion bo povzročil razširitev spektra ESR kot rezultat dipol-dipol interakcije paramagnet

1. Metoda vrtilne pasti

Pojav nitroksilnih radikalov se je izkazal za odločilen dogodek pri reševanju problema odkrivanja in proučevanja prostih radikalov, ki nastajajo v živih sistemih. Odkrivanje radikalov je bilo mogoče zaradi pojava metode

vrtilne pasti. Bistvo metode je, da neka spojina, ki ni nitroksilni radikal, ima strukturo, ki je blizu nitroksilnemu radikalu (vrtilna past), interagira s prostim, kratkoživim radikalom in se pretvori v dolgoživi nitroksilni radikal ( vrtilni adukt ), katerega spekter ESR je edinstven za dani radikal ali družino radikalov.

Glede na njihovo kemično naravo lahko vrtilne pasti razvrstimo v dva glavna razreda: nitrone in nitrozo spojine. Nitroni vključujejo dve najbolj priljubljeni spinski pasti: C-fenil-N-tert-butil nitron (PBN) in 5,5-dimetil-pirolin-1-oksil (DMPO). Reakcija med PBN in radikalom je naslednja:

Stabilnost nastalega nitroksilnega radikala FBN (vrtilni adukt) je razloženo z dejstvom, da je atom kisika, na katerem je lokaliziran neparni elektron, prostorsko zaščiten s tremi metilnimi skupinami. Spinski adukt radikala ima edinstven spekter EPR (glej sliko 19). V tem primeru je oblika EPR spektrov spinskih aduktov odvisna od narave dodanega prostega radikala. Tako je mogoče proučevati reakcije prostih radikalov v bioloških objektih z metodo EPR pri fizioloških temperaturah.

Slika 19 - EPR spekter spinskega adukta in vrednosti konstant hiperfine cepitve za nekatere radikale.

aH in aN konstanti hiperfine cepitve na protonskem oziroma dušikovem atomu

Slika 20 Shema reakcije pasti radikalov DMPO in OH.

Na sl. Slika 20 prikazuje reakcijo druge spinske pasti, DMPO, s hidroksilnim radikalom in nastanek spinskega adukta tega radikala. Z merjenjem hiperfinih cepitvenih konstant spektra spinskega adukta je mogoče identificirati kratkotrajni radikal.

Metoda spin trap zavzema eno najpomembnejših mest v biomedicinskih raziskavah, saj omogoča odkrivanje in prepoznavanje radikalov, ki nastanejo v živih celicah in tkivih. Med takimi radikali je treba opozoriti na superoksidne in hidroksilne radikale ter dušikov oksid. Poleg tega uporaba metode spin trap omogoča preučevanje antioksidativnih lastnosti snovi in ​​količine antioksidativne rezerve.

ZAKLJUČEK

Metoda elektronske paramagnetne resonance (EPR) temelji na interakciji snovi z magnetnim poljem. Kot že ime metode pove, se uporablja za preučevanje paramagnetnih delcev.

Znano je, da ko paramagnetne materiale postavimo v magnetno polje, se paramagnetni material vleče v to polje. To je posledica prisotnosti magnetnih momentov v paramagnetnih materialih. Magnetne momente ustvarjajo nesparjeni elektroni.

Primeri paramagnetnih delcev, zanimivih za biologe, so prosti radikali, ki so vmesni produkti biokemičnih reakcij, in kovinski ioni spremenljive valence, kot so železo, baker, mangan itd.

Manifestacija magnetnega momenta v elektronu je posledica dejstva, da je elektron nabit delec in ko se elektron vrti okoli svoje osi (spinsko gibanje), se pojavi magnetno polje, usmerjeno vzdolž osi vrtenja. Ko je paramagnetni vzorec postavljen v magnetno polje, so magnetni momenti neparnih elektronov usmerjeni v to

polje, podobno kot se zgodi z magnetnimi iglami.

Magnetni moment nesparjenega elektrona v zunanjem magnetnem polju je lahko usmerjen na dva načina - vzdolž polja in proti polju. Torej, če v proučevanem sistemu obstajajo neparni elektroni, uporaba zunanjega magnetnega polja vodi do ločitve elektronov v skupine: magnetni momenti nekaterih elektronov so usmerjeni vzdolž polja, medtem ko so drugi usmerjeni proti njemu.

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

1. D. Ingram Elektronska paramagnetna resonanca v biologiji [Besedilo]. Založba "Mir", 1972.
2. Prosti radikali v bioloških sistemih [Besedilo]. zv.1, čl.88-175, 178-226. Založba "Mir", 1979.

3. J. Wertz in J. Bolton, Teorija in praktične uporabe metode EPR [Besedilo], Moskva: Mir, 1975.

4. Sodobne metode biofizične raziskave [Besedilo]. Delavnica o biofiziki, uredil A.B. Rubina, Moskva: Višja šola, 1988.

5. Metoda Spin label [Besedilo]. Teorija in uporaba, uredil L. Berliner, Moskva: Mir, 1979.

6. A.N. Kuznetsov, Metoda vrtilne sonde, Moskva [Besedilo]: Nauka, 1976.

7. V.E. Zubarev, Metoda vrtilne pasti, Moskva [Besedilo]: Založba Moskovske državne univerze, 1984.

STRAN \* MERGEFORMAT 1

ELEKTRONSKA PARAMAGNETNA RESONANCA(EPR) - resonančna absorpcija (sevanje) el-magnet. valovanje radiofrekvenčnega območja (10 9 -10 12 Hz) s paramagneti, katerih paramagnetizem je posledica elektronov. EPR je poseben primer paramagnetnega. resonanco in več splošen pojav - magnetna resonanca. Je osnova radiospektroskopije metode za preučevanje snovi (glej radiospektroskopija). Ima sinonim - elektronska spinska resonanca (ESR), ki poudarja pomembno vlogo v pojavu elektronskih vrtljajev. Odprl leta 1944 E. K. Zavoisky (ZSSR). Kot paramagnetik delci (v primeru kondenzirane snovi - paramagnetni centri), ki določajo paramagnetizem so lahko elektroni, atomi, molekule, kompleksne spojine, kristalni defekti, če imajo različno nič magnetni moment. Vir magnetnega moment je lahko neparni spin ali skupni spin, ki ni enak nič (impuls števila gibov) elektronov.

V trajnem magnetu. polja kot posledica odprave degeneracije v paramagnetnih poljih. delcev nastane magnetni sistem. (spin) podravni (glej Zeemanov učinek Med njimi pod vplivom električnega magneta. sevanju pride do prehodov, ki vodijo do absorpcije (emisije) fotona s frekvenco w ij = ||/.V primeru enega elektrona v permanentnem magnetu. polje H energije podravni = bg b H/ 2 in v skladu s tem je frekvenca ESR w določena z razmerjem

kjer je g spektroskopski faktor. cepljenje; b - Bohrov magneton; običajno, H= 10 3 5-10 4 E; g2.

Eksperimentalne metode. EPR spektrometri (radiospektrometri) delujejo v centimetrskem in milimetrskem območju valovnih dolžin. Uporablja se mikrovalovna tehnologija - generator (običajno klistron), sistem valovodov in resonatorjev z detekcijsko napravo. Vzorec obsega več. mm 3 se nahaja v območju resonatorja, kjer je elektromagnetna komponenta. Valovanje (običajno magnetno), ki povzroča prehode, ima antinod. Resonator je nameščen med poloma elektromagneta - vira trajnega magneta. polja. Resonančno stanje tipa (1) običajno dosežemo s spreminjanjem poljske jakosti H pri fiksni frekvenci generatorja w. Vrednost magneta polja pri resonanci ( H p) v splošnem odvisno od orientacije vektorja H glede na vzorec. Absorpcijski signal v obliki značilnega zvonastega izbruha ali njegovega derivata (slika 1) opazujemo z osciloskopom ali snemalnikom. Naib. Pogosto se preučuje absorpcijski signal, ki je sorazmeren z namišljenim delom dinamičnega magnetnega polja. občutljivost (c"") vzorca. Vendar pa je v številnih primerih zabeležen njegov realni del (c"), ki določa delež magnetizacije, ki se spreminja v fazi z magnetno komponento elektromagnetnega valovanja. ESR se lahko manifestira v obliki mikrovalovnih analogov optičnega valovanja. Faradayev in Cotton-Moutonov učinek.Za njihovo registracijo so potrebni valovod, na koncu katerega so nameščene posebne antene, ki se vrtijo okoli osi valovoda in merijo vrtenje ravnine polarizacije ali eliptičnost valovanja, ki izhaja iz vzorca. Impulzne metode so postale zelo razširjene, kar omogoča analizo časovnih odvisnosti signalov EPR (tako imenovana spin indukcija in vrtilni odmev Obstajajo številne druge tehnike za preučevanje sproščanja. procesov, zlasti za merjenje relaksacijskih časov.

riž. 1. Elektronska paramagnetna resonanca: A - paramagnetni delec s spinom S= 1/2, postavljenoizpostavljen zunanjemu magnetnemu polju, ima dva podnivoja (in ), od katerih vsak spremeni pogonnacionalno H in je odvisno od njegove usmerjenosti vzdolž glede na kristalografske osi naveditemoja kota q in f. Pri resonančnih vrednostih magnetbrez polja H p1 in H p2 (koti q 1, (j 1 in q 2, j 2) razlika postane enaka kvantu mikrovalovne energije-sevanje. Poleg tega v absorpcijskem spektru ( b) opazujtev bližini so značilni izbruhi N r 1 in Hp 2 (zpodana sta absorpcijski signal in njegov derivat).

Teoretični opis. Za opis EPR spektra se uporablja spin Hamiltonian, ki ima za vsak konkreten primer svojo obliko. V splošnem primeru ga lahko predstavimo v obliki, ki upošteva vse možne paramagnetne interakcije. delci (sredina):

kjer opisuje interakcijo z zunanjim. mag. polje H ; - interakcija z intrakristalnim električni polje; - z mag. trenutek lastnega in okoliških jeder ( hiperfina interakcija in super-ultrafina interakcija); - spin-spin interakcije paramagnetni centri med seboj (izmenjalna interakcija, dipol-dipol itd.); -interakcija s priloženim zunanjim pritisk p(deformacije); -z zun. električni polje E . Vsak izraz, vključen v (2), je lahko sestavljen iz več. izrazi, katerih tip je odvisen od velikosti spinov elektrona in jedra ter lokalne simetrije središča. Pogosto pojavljajoči se izrazi so oblike;

Kje g, a, A, J, C, R- parametri teorije, S (jaz) in jaz (k) - jaz th in k-th spin elektronov in jedra; - enotska matrika. Spin Hamiltonian (2) se običajno imenuje en elektron ali elektronsko nihanje. člen (običajno glavni), ob predpostavki, da so drugi členi ločeni od njega z količino, ki znatno presega energijo kvanta prehoda EPR. Toda v nekaterih primerih je npr. v prisotnosti Jahn-Tellerjev učinek, so lahko vzbujeni členi precej blizu in jih je treba upoštevati pri opisovanju spektrov EPR. Potem, da ohranimo formalizem spin Hamiltonian, lahko uvedemo eff. vrtenje( S ef), povezano s skupnim številom stanj vseh ravni ( r) razmerje r = 2S eff +1. V okviru metode perturbacijske matrike je možen še en pristop: najdemo celotno matriko perturbacijskega operaterja za vsa stanja upoštevanih nivojev.

Vsak od izrazov (2) lahko razdelimo na dva dela: statični in dinamični. Statično del določa položaj črt v spektru, dinamični del določa verjetnosti kvantnih prehodov, vključno s tistimi, ki povzročajo in relaksacijo. procesov. Energija strukturo in valovne funkcije najdemo z reševanjem sistema enačb, ki ustreza (2). Število nivojev je enako

Kje n in str- število vrtljajev elektronov in jeder, ki se pojavljajo v (2). Običajno S in jaz vzemite vrednosti od 1/2 do 7/2 ; n= 1, 2; p= l-50, kar kaže na možnost obstoja sekularnih enačb visokega reda. Za premagovanje tehničnih Težave pri diagonalizaciji (2) uporabljajo približne (analitične) izračune. Niso vsi izrazi (2) enako veliki. Običajno so nadrejeni drugim članom, pa tudi bistveno manj kot prejšnji. To omogoča razvoj teorije motenj na več načinov. obdobja. Poleg tega posebno računalniški programi.

Cilj je fenomenološki. teorija - ugotovitev za opredelitev. prehodni izraz za H p v funkciji parametrov spin Hamiltonian in kotov, ki označujejo usmerjenost zunanjega. polja glede na kristalografsko. sekire. Za primerjavo ( H p) teorija z ( H p) exp se ugotovi pravilnost izbire (2) in najdejo se parametri spinskega hamiltoniana.

Parametre spinskega hamiltoniana izračunamo neodvisno z metodami kvantne mehanike na podlagi definicije. paramagnetni modeli center. V tem primeru se uporablja kristalna teorija. polja, molekularna orbitalna metoda, druge metode kvantna kemija in teorija trdne snovi. Osnovno Težavnost tega problema je v določanju energije elektronov. strukture in valovne funkcije paramagnet. centrih. Če so te komponente Schrödingerjeve enačbe najdene in so operatorji motenj znani, se problem zmanjša na izračun samo ustreznih matričnih elementov. Zaradi kompleksnosti celotnega kompleksa problemov je bilo doslej opravljenih le malo popolnih izračunov parametrov spinskega hamiltoniana in vsi niso dosegli zadovoljivega ujemanja z eksperimentom. Običajno smo omejeni na ocene po velikosti z uporabo približnih vrednosti.

EPR spekter (število črt, njihova odvisnost od orientacije zunanjih polj glede na kristalografske osi) je v celoti določen s spinskim Hamiltonianom. Tako ima izraz za energijo v prisotnosti le Zeemanove interakcije obliko = g b H + M, Kje M- kvantno število operaterja, pri čemer je 2 S+1 vrednosti: - S, - S+ 1, .... S-1, S. Magn. el-magnetna komponenta valovanje v tem primeru povzroči samo prehode z izbirnimi pravili DM = b 1, zaradi ekvidistance nivojev pa bo v spektru EPR opazna ena črta. Do kršitve ekvidistance pride zaradi drugih členov spinskega Hamiltonija. Tako je osno simetrični člen , označen s parametrom D, dodaja k članu , H p se izkaže, da je odvisen od M, in 2 bo opazen v spektru S vrstice. Obračunavanje termina AS z I z vodi do dodajanja (D ) st = AMt, Kje T- kvantno število operaterja jaz z ; H p bo odvisno od m, v EPR spektru pa bosta 2 jaz+ 1 vrstica. Drugi izrazi iz (2) lahko vodijo do dodatnih, »prepovedanih« izbirnih pravil (na primer D M= b2), kar poveča število črt v spektru.

Pod vplivom električnega toka nastane specifična cepitev vodov. polja (term). V kristalih (korund, volframit, silicij) so pogosto inverzno neekvivalentni položaji, v katerih se z enako verjetnostjo nahajajo nečistočni ioni. Ker je mag. polje je neobčutljivo na operacijo inverzije, ne razlikuje med temi položaji in v EPR spektru črte iz njih sovpadajo. Električna energija, ki se nanaša na kristal. polje za različne neekvivalentne položaje bo zaradi njihove medsebojne inverzije usmerjeno v nasprotni smeri. Spremembe k H p (linearni in E) z različnih položajev bodo imeli nasprotne predznake, mešanje dveh skupin črt pa bo prikazano v obliki cepitve.

V odsotnosti magnetnega polje ( =0), je cepitev ravni, imenovana začetna, posledica drugih členov (2). Število nivojev, ki se pojavijo, in množica njihove degeneracije sta odvisna od velikosti spina in simetrije paramagnetika. center. Med njimi so možni prehodi (ustrezen pojav imenujemo resonanca brez polja). Če ga želite izvesti, lahko spremenite frekvenco v el-magn. sevanja, oz v= const sprememba razdalje med zunanjimi nivoji. električni polje, tlak, sprememba temperature.

Določanje simetrije paramagnetnega središča. Kot zasvojenost H p (q, f) odraža simetrijo spinskega hamiltoniana, ki je nato povezan s simetrijo paramagnetika. center. To omogoča glede na vrsto funkcije H p (q, f), ugotovljeno eksperimentalno, določa simetrijo središča. V primeru visoko simetričnih skupin ( Oh, Td, C 4u itd.). H p(q, f) ima vrsto značilne lastnosti: 1) položaji ekstremov za črte različnih prehodov sovpadajo; 2) razdalja med ekstremoma je p/2 (učinek ortogonalnosti); 3) funkcija H p je simetričen glede na položaje ekstremov itd. V primeru nizko simetričnih skupin ( C 1 , C 2 , C 3 itd.) so vsi ti vzorci porušeni (učinki nizke simetrije). Ti učinki se uporabljajo za določanje strukture napak.

Običajni EPR ustreza spinskemu Hamiltonianu, ki ne upošteva električne energije. polja (=0). Vključuje samo operaterje momenta količine gibanja in magnetnega polja. polja. Zaradi njihove psevdovektorske narave, max. število neusklajenih spinskih hamiltonianov bo 11 (od 32 možnih skupin točk). To vodi do dvoumnosti pri določanju paramagnetne simetrije. centrov, ki jih lahko odpravimo z zunanjimi. električni polje. Linearno po E operator je različen za različne skupine točk, ki nimajo središča inverzije (za središča inverzije = 0). Na 1. stopnji poskusov brez polja E določena je množica skupin z enakim hamiltonianom, ki ustreza simetriji spektra navadnega EPR. Na 2. stopnji se uporablja polje E in upošteva se dejstvo, da vsak niz skupin vključuje samo eno skupino s središčem inverzije.

Študij neurejenih sistemov. Skupaj s študijem paramagnet centri v popolnih kristalih EPR se uporabljajo tudi za preučevanje neurejeni sistemi(praški, stekla, raztopine, kristali z napakami). Značilnost takih sistemov je neenakomernost (heterogenost) pogojev na lokacijah centrov zaradi razlik v notranjih. električni (magn.) polja in deformacije, ki jih povzročajo strukturne distorzije kristala; neenakovrednost paramagnetne orientacije. centrov v odnosu do zunanjih polja; heterogenost slednjega. To vodi do razpršitve parametrov spinskega Hamiltonijana in posledično do nehomogenega širjenja linij EPR. Preučevanje teh linij omogoča pridobivanje informacij o naravi in ​​stopnji napak v kristalu. Nehomogeno širjenje katere koli narave je mogoče obravnavati z enega samega vidika. Splošni izraz za obliko črte je:

kjer je y funkcija, ki opisuje začetno obliko črte brez upoštevanja motečih dejavnikov; V (F)- verjetnost prehoda na enoto časa; r( F) - funkcija porazdelitve parametrov F(F 1 , F 2 , .·., F k), ki opisuje mehanizme širjenja (komponente polj, deformacije, koti). Torej, v primeru kaotično usmerjenega paramagnetika središča (praški) pod F potrebno je razumeti Eulerjeve kote, ki označujejo orientacijo praškastega delca glede na koordinatni sistem, povezan z zunanjim polja. Na sl. Slika 2 prikazuje tipičen EPR spekter prahu za spin Hamiltonian oblike Namesto kota odvisnost ene same ozke črte, ki je značilna za paramagnet središča v monokristalih, se v tem primeru pojavi orientacijsko razširjena ovojna črta.

riž. 2. Signal elektronske paramagnetne resonancesa kaotično usmerjenimi paramagnetnimi centri. Absorpcijska linija ( A) in njen derivat ( b ) v primeru rombne simetrije spina HamiltonNiana. Značilne točke spektra so povezane s parametri spinskega hamiltoniana z razmerjem Hpi=w/bg iii .

Relaksacijski procesi. EPR spremljajo procesi obnove poškodovanega elektromagnetnega polja. sevanje ravnovesja v mediju, ki ustreza Boltzmannovi porazdelitvi. Te so sproščujoče. procesov povzroča povezava med paramagnetnimi. center in rešetko ter središča med zbirko. V skladu s tem ločijo sprostitev s in n-spina. Če prehaja pod vplivom elektromagnetnega prevladujejo valovi, pride do pojava saturacije (izenačitev populacij nivojev), ki se kaže v zmanjšanju signala EPR. Sprostitev. procesi so označeni z relaksacijskimi časi in opisani s kinetiko. ur-niyami (glej Osnovna kinetična enačba). V primeru dveh nivojev jaz in j raven za prebivalstvo n i in n j- izgleda kot

Kje a = u 0 ij + u ij, b = u 0 ji + u ji, u 0 ij in u ij-verjetnost prehoda na enoto časa iz stopnje jaz na raven j pod vplivom elektromagnetnega valovi in ​​sprostitev mehanizmi oziroma ( u 0 ij = u 0 ji). Čas za sprostitev T p je določen z izrazom T p = (u ij+u ji) -1 in označuje hitrost, pri kateri se vzpostavi ravnovesje. Sprostitev. procesi, ki določajo življenjske dobe delcev na spinskih nivojih, vodijo do njihovega širjenja, kar vpliva na širino in obliko črte EPR. To širjenje, ki se na enak način kaže v vseh paramagnetnih valovih. centri običajno imenujemo homogeni. Določa zlasti funkcijo y, vključeno v (3).

Dvojne resonance. Za opis vrtilnega sistema je uveden koncept vrtilne temperature T s. Razmerje med populacijo ravni in temperaturo, ki določa Boltzmannovo porazdelitev, je posplošeno na primer neravnovesnih populacij. Od tega, za poljubna populacijska razmerja, vrh. ( p in) in nižje ( n n) ravni sledi, da Т s =-()/ln( n V / n n). pri n v = n n (nasičenost) T s =, in kdaj n v > n n vrednost T s< 0. Možnost ustvarjanja neravnovesne populacije in zlasti situacije, v katerih T s = in 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); pridobivanje vira el-magn. sevanja z ustvarjanjem višje populacije na zgornji ravni kot na nižji ravni (slika 3, b). Načelo ojačanja signala je osnova za izvedbo številnih dvojnih resonanc v primerih, ko sistem vsebuje spine različnih vrst. Tako je v prisotnosti elektronskih in jedrskih vrtljajev možna dvojna elektronsko-jedrska resonanca (ENDR). Hiperfina cepitev ravni je običajno veliko manjša od Zeemanove cepitve. To ustvarja priložnost za izboljšanje prehodov med hiperfinimi podravni z nasičenjem spin-elektronskih prehodov. Pri metodi ENDOR se ne poveča samo občutljivost opreme, temveč tudi njena ločljivost, saj lahko hiperfine interakcije z vsakim jedrom opazujemo neposredno v ustreznem spin-nuklearnem prehodu (medtem ko je analiza hiperfine strukture iz EPR spektra v veliko primerov težko zaradi prekrivajočih se linij). Zahvaljujoč tem prednostim je ENDOR našel široko uporabo v fiziki trdne snovi, zlasti v fiziki polprevodnikov. Z njegovo pomočjo je mogoče analizirati jedra številnih koordinacij. krogle v bližini defekta, kar omogoča nedvoumno določitev njegove narave in lastnosti. Dvojne resonance, povezane s proizvodnjo el-magnetnih virov. sevanje je predstavljalo osnovo za delovanje kvantnih generatorjev, kar je pripeljalo do nastanka in razvoja nove smeri - kvantne elektronike.

riž. 3. Dvojna resonanca v večnivojskem sistemu. Obstajajo 3 stopnje, za katere n 1 0 - n 0 2 >>str 0 2 - p 0 3 (p 0 - ravnotežna vrednost); A- dobiček absorpcija; Stopnji 1 in 2 sta nasičeni z intenzivnim elektromagnetnim sevanjem, torej n 1 n 2 = (n 0 1 + n 0 2)/2; kot rezultat p 2 - p 3 poveča za ( n 0 1 - n 0 2 )/ 2, in absorpcijski signal pri frekvenci v 32 se močno poveča; b- maser učinek; nasičenost ravni pogona 1 in 3dit to potreben pogoj [n 3 -n 2 (n 0 1 -n 0 2)/2>0] za ustvarjanje el-magn. sevanje na frekvenci v 32 ·

Zaključek. EPR je našel široko uporabo na različnih področjih. področja fizike, kemije, geologije, biologije, medicine. Intenzivno se uporablja za preučevanje površine trdnih teles, faznih prehodov in neurejenih sistemov. V fiziki polprevodnikov se EPR uporablja za preučevanje plitvih in globokih točk nečistoč, prostih nosilcev naboja, parov in kompleksov nosilec-nečistoča, sevanja. preučujejo se defekti, dislokacije, strukturne napake, amorfizacijske napake, vmesne tvorbe (kot so meje Si - SiO 2 ), interakcija nosilec-nečistoča, rekombinacijski procesi, fotoprevodnost in drugi pojavi.

Lit.: Altshuler S. A., Kozyrev B. M., Elektronska paramagnetna resonanca spojin elementov vmesne skupine, 2 izd., M., 1972; Poole Ch., Tehnika EPR spektroskopije, trans. iz angleščine, M., 1970; Abraham A., Bleaney B., Elektronska paramagnetna resonanca prehodnih ionov, trans. iz angleščine, g. 1-2, M., 1972-73; Meilman M. L., Samoilovich M. I., Uvod v EPR spektroskopijo aktiviranih monokristalov, M., 1977; Električni učinki v radijski spektroskopiji, ed. M. F. Daygena, M., 1981; Roytsin A. B., Mayevsky V. N., Radijska spektroskopija površine trdnih teles, K., 1992; Radiospektroskopija trdnih snovi, ur. A. B. Roytsina, K., 1992. A. B. Roitsin.

EPR opazimo pri trdne snovi(kristalni, polikristalni in praškasti), pa tudi tekoči in plinasti. Najpomembnejši pogoj Opazovanje EPR je odsotnost električne prevodnosti in makroskopske magnetizacije v vzorcu.

V ugodnih pogojih je najmanjše število vrtljajev, ki jih je mogoče zaznati v proučevanem vzorcu, 1010. Masa vzorca se lahko giblje od nekaj mikrogramov do 500 miligramov. Med študijo EPR se vzorec ne uniči in se lahko v prihodnosti uporabi za druge poskuse.

Elektronska paramagnetna resonanca

Pojav elektronske paramagnetne resonance (EPR) je resonančna absorpcija elektromagnetnega sevanja v radiofrekvenčnem območju s snovmi, ki so postavljene v konstantno magnetno polje, povzročajo pa ga kvantni prehodi med energijskimi podravni, povezani s prisotnostjo magnetnega momenta v elektronskih sistemih. . EPR se imenuje tudi elektronska spinska resonanca (ESR), magnetna spinska resonanca (MSR) in med strokovnjaki, ki delajo z magnetno urejenimi sistemi, feromagnetna resonanca (FMR).

Fenomen EPR lahko opazimo v:

• atomi in molekule, ki imajo v svojih orbitalah liho število elektronov - H, N, NO 2 itd.;
• kemični elementi v različnih nabojnih stanjih, pri katerih vsi elektroni v zunanjih orbitalah ne sodelujejo pri tvorbi kemične vezi - najprej so to d- in f-elementi;
• prosti radikali – metilni radikal, nitroksilni radikali itd.;
• elektronske in luknjaste napake, stabilizirane v matriki snovi - O - , O 2 - , CO 2 - , CO 2 3 - , CO 3 - , CO 3 3 - in mnogi drugi;
• molekule s sodim številom elektronov, katerih paramagnetizem je posledica kvantnih pojavov porazdelitve elektronov v molekularnih orbitalah - O 2;
• superparamagnetni nanodelci, ki nastanejo med raztapljanjem ali v zlitinah s skupnim magnetnim momentom, ki se obnašajo kot elektronski plin.

Struktura in lastnosti EPR spektrov

Obnašanje magnetnih momentov v magnetnem polju je odvisno od različnih interakcij neparnih elektronov, tako med seboj kot z njihovim neposrednim okoljem. Najpomembnejše med njimi so spin-spin in spin-orbitalne interakcije, interakcije med neparnimi elektroni in jedri, na katerih so lokalizirani (hiperfine interakcije), interakcije z elektrostatičnim potencialom, ki ga ustvarjajo ioni v neposrednem okolju na mestu neparnih elektronov. , in drugi. Večina naštetih interakcij vodi do naravnega cepljenja linij. V splošnem primeru je spekter EPR paramagnetnega centra večkomponenten. Zamisel o hierarhiji osnovnih delitev je mogoče dobiti iz naslednjega diagrama (definicije uporabljenega zapisa so podane spodaj):

Glavne značilnosti spektra EPR paramagnetnega centra (PC) so:

število črt v spektru EPR določenega PC-ja in njihove relativne intenzitete.

Fina struktura (FS). Število linij TC je določeno z vrednostjo spina S PC in lokalno simetrijo elektrostatičnega polja neposrednega okolja, relativne integralne intenzitete pa s kvantnim številom mS (velikost projekcije spina na smer magnetnega polja). V kristalih je razdalja med črtami TC odvisna od velikosti potenciala kristalnega polja in njegove simetrije.

Ultrafina struktura (HFS). Črte HFS iz določenega izotopa imajo približno enako integralno intenziteto in so praktično enako oddaljene. Če ima jedro PC-ja več izotopov, potem vsak izotop proizvaja svoj niz HFS linij. Njihovo število je določeno s spinom I izotopskega jedra, okoli katerega je lokaliziran neparni elektron. Relativne intenzitete HFS linij iz različnih izotopov PC so sorazmerne z naravno številčnostjo teh izotopov v vzorcu, razdalja med HFS linijami pa je odvisna od magnetnega momenta jedra posameznega izotopa, hiperfine interakcijske konstante in stopnja delokalizacije nesparjenih elektronov na tem jedru.

Super ultrafina struktura (USHS). Število linij CCTS je odvisno od števila nl ekvivalentnih ligandov, s katerimi interagira neparna spinska gostota, in vrednosti jedrskega spina In njihovih izotopov. Značilna lastnost takšnih črt je tudi porazdelitev njihovih integralnih intenzitet, ki se v primeru I l = 1/2 podreja zakonu binomske porazdelitve z eksponentom n l. Razdalja med linijama SCHS je odvisna od velikosti magnetnega momenta jeder, konstante hiperfine interakcije in stopnje lokalizacije neparnih elektronov na teh jedrih.

spektroskopske značilnosti linije.
Posebnost EPR spektrov je oblika, v kateri so posneti. Zaradi številnih razlogov spekter EPR ni posnet v obliki absorpcijskih črt, temveč kot derivat teh linij. Zato je v spektroskopiji EPR za označevanje parametrov linije sprejeta nekoliko drugačna terminologija, ki se razlikuje od splošno sprejete.

EPR absorpcijska črta in njen prvi izvod: 1 – Gaussova oblika; 2 – Lorentzova oblika.

Prava premica je δ-funkcija, vendar ima ob upoštevanju relaksacijskih procesov Lorentzovo obliko.

Črta - odraža verjetnost procesa resonančne absorpcije elektromagnetnega sevanja s PC in je določena s procesi, v katerih sodelujejo vrtljaji.

Oblika črte odraža zakon porazdelitve verjetnosti resonančnih prehodov. Ker so v prvem približku odstopanja od resonančnih pogojev naključna, ima oblika črt v magnetno razredčenih matricah Gaussovo obliko. Prisotnost dodatnih izmenjav spin-spin interakcij vodi do Lorentzove oblike črte. Na splošno je oblika črte opisana z mešanim zakonom.

Širina črte - ΔВ max - ustreza razdalji čez polje med ekstremoma na ukrivljeni črti.

Amplituda črte – I max – ustreza na skali amplitude signala razdalji med ekstremoma na ukrivljeni črti.

Intenzivnost – I 0 – vrednost verjetnosti na točki MAX na absorpcijski krivulji, izračunana z integracijo vzdolž konture snemalne črte;

Integrirana intenziteta - površina pod absorpcijsko krivuljo, je sorazmerna s številom paramagnetnih centrov v vzorcu in se izračuna z dvojno integracijo snemalne črte, najprej po konturi, nato po polju.

Položaj črte – B 0 – ustreza presečišču konture dI/dB derivata z ničelno črto (trendna črta).

položaj črt EPR v spektru.
Glede na izraz ħν = gβB, ki določa pogoje resonančne absorpcije za PC s spinom S = 1/2, lahko položaj linije elektronske paramagnetne resonance označimo z vrednostjo g-faktorja (analog Landejevega spektroskopski faktor cepitve). Vrednost g-faktorja je definirana kot razmerje med frekvenco ν, pri kateri je bil izmerjen spekter, in vrednostjo magnetne indukcije B 0, pri kateri je bil opazen največji učinek. Opozoriti je treba, da za paramagnetne centre g-faktor označuje PC kot celoto, tj. ne ločeno črto v spektru EPR, temveč celoten niz linij, ki jih povzroča proučevani PC.

Pri EPR poskusih je energija elektromagnetnega kvanta fiksna, to je frekvenca ν, magnetno polje B pa se lahko spreminja v širokih mejah. Obstaja nekaj precej ozkih mikrovalovnih frekvenčnih območij, v katerih delujejo spektrometri. Vsak obseg ima svojo oznako:

Razpon (BAND)	Pogostost ν, MHz (GHz)	Valovna dolžina λ, mm	Magnetna indukcija B0, pri kateri opazimo signal EPR prostega elektrona z g = 2,0023, G (T)

Najpogosteje uporabljeni spektrometri so pasovi X in Q. Magnetno polje v takih spektrometrih ESR ustvarjajo uporovni elektromagneti. Pri spektrometrih z višjo kvantno energijo je magnetno polje ustvarjeno na osnovi superprevodnih magnetov. Trenutno je EPR oprema na RC MRMI večnamenski X-band spektrometer z uporovnim magnetom, ki omogoča izvajanje eksperimentov v magnetnih poljih z indukcijo od -11000 G do 11000 G.

Osnovni način je CW način ali način počasnega diferencialnega prehoda skozi resonančne pogoje. V tem načinu se izvajajo vse klasične spektroskopske tehnike. Namenjen je pridobivanju informacij o fizični naravi paramagnetnega središča, njegovi lokaciji v matriki snovi in ​​njenem neposrednem atomsko-molekularnem okolju. Računalniške študije v CW načinu omogočajo predvsem pridobitev celovitih informacij o možnih energijskih stanjih preučevanega predmeta. Informacije o dinamičnih značilnostih spinskih sistemov lahko pridobimo z opazovanjem EPR, na primer pri različnih temperaturah vzorca ali ko je ta izpostavljen fotonom. Za PC v tripletnem stanju je dodatno fotoobsevanje vzorca obvezno.

Primer

Na sliki je prikazan spekter zobne sklenine bizona (lat. Bison antiquus) iz zbirke, ki jo je leta 2005 izbrala sibirska arheološka odprava Inštituta za humanistiko Ruske akademije znanosti, ki je izvajala reševalna izkopavanja na zgornjepaleolitskem spomeniku Berezovski rez. 2, ki se nahaja na ozemlju rudnika premoga Berezovski 1.

Zobna sklenina je sestavljena iz skoraj čistega hidroksiapatita Ca(1) 4 Ca(2) 6 (PO 4) 6 (OH) 2. Struktura hidroksiapatita vsebuje tudi 3-4% karbonatov.

Obsevanje zdrobljene zobne sklenine z gama sevanjem vodi do pojava kompleksnega asimetričnega signala ESR (AS) blizu vrednosti g=2. Ta signal se preučuje pri problemih dozimetrije, datiranja, medicine in kot vir informacij o strukturi apatita.

Glavni del radikalov, ki nastanejo pri obsevanju zobne sklenine, so karbonatni anioni, tj. CO 2 - , CO 3 - , CO - in CO 3 3- .

Spekter je zabeležil signal iz osno simetričnih paramagnetnih CO 2 centrov - z g ‖ = 1,9975 ± 0,0005 in g ┴ = 2,0032 ± 0,0005. Signal je radijsko induciran, kar pomeni, da so PC nastali pod vplivom ionizirajočega sevanja (sevanja).

Intenzivnost signala CO 2 nosi informacijo o odmerku sevanja, ki ga je predmet prejel v času svojega obstoja. Zlasti dozimetrične metode za analizo in spremljanje sevanja temeljijo na študijah CO 2 - signalov v spektrih zobne sklenine (GOST R 22.3.04-96). V tem in mnogih drugih primerih je mogoče vzorec minerala datirati z metodo EPR. Starostni razpon, ki ga zajema metoda EPR, sega od sto let do 105 in celo 106 let, kar presega zmožnosti radiokarbonske metode. Vzorec, katerega spektri so prikazani na sliki, je bil datiran z EPR in ima starost 18.000 ± 3.000 let.

Za preučevanje dinamičnih značilnosti centrov je priporočljivo uporabiti impulzne metode. V tem primeru se uporablja FT način delovanja spektrometra EPR. Pri takih poskusih je vzorec v določenem energijskem stanju izpostavljen močnemu impulznemu elektromagnetnemu sevanju. Spin sistem se spravi iz ravnovesja in zabeleži se odziv sistema na ta vpliv. Z izbiro različnih zaporedij impulzov in spreminjanjem njihovih parametrov (trajanje impulza, razdalja med impulzi, amplituda itd.) Lahko bistveno razširimo razumevanje dinamičnih karakteristik PC (relaksacijski časi T 1 in T 2, difuzija itd.). ).

3. ESE (tehnika elektronskega spinskega odmeva)

Metodo ESE je mogoče uporabiti za pridobitev elektronsko-jedrskega dvojnega resonančnega spektra, da prihranite čas snemanja ali kadar posebna oprema ENDOR ni na voljo.

primer:

Testni vzorec: zobna sklenina, sestavljena iz hidroksiapatita Ca(1) 4 Ca(2) 6 (PO 4) 6 (OH) 2. Proučevali smo signal CO 2 - radikalov, ki se nahajajo v strukturi hidroksiapatita.

Prosto upadanje indukcije (FID) je predstavljeno z nizom nihanj, imenovanih modulacija. Modulacija prenaša informacije o resonančnih frekvencah jeder, ki obdajajo paramagnetni center. Kot rezultat Fourierjeve transformacije časovne odvisnosti FID smo dobili spekter jedrske magnetne resonance. Pri frekvenci 14 MHz je signal 1H, zato proučevane skupine CO 2 interagirajo s protoni, ki se nahajajo v njihovem okolju.

4.ENDOR

Najpogostejša tehnika dvojne resonance je metoda elektronsko-jedrske dvojne resonance - ENDOR, ki omogoča preučevanje procesov interakcije nesparjenega elektrona tako z lastnim jedrom kot z jedri njegovega neposrednega okolja. V tem primeru se lahko občutljivost metode NMR poveča za več deset in celo tisočkrat v primerjavi s standardnimi metodami. Opisane tehnike se izvajajo v načinu CW in FT.

Primer

Slika prikazuje ENDOR spekter biološkega hidroksiapatita (zobna sklenina). Metoda je bila uporabljena za pridobivanje informacij o okolju paramagnetnih CO 2 - centrov v sklenini. Signale iz jedrskega okolja centra CO 2 smo posneli na frekvencah 14 MHz in 5,6 MHz. Signal na frekvenci 14 MHz se nanaša na jedra vodika, signal na frekvenci 5,6 MHz pa na jedra fosforja. Na podlagi strukturnih značilnosti biološkega apatita lahko sklepamo, da je proučevani paramagnetni CO 2 - center obdan z OH - in PO 4 - anioni.

5. ELDOR (trenutno ni na voljo v DC)

ELDOR (ELectron Double Resonance, elektronska dvojna resonanca) je vrsta tehnike dvojne resonance. Ta metoda proučuje interakcijo med dvema sistemoma elektronskega spina, pri čemer se spekter EPR enega elektronskega sistema posname z vzbujanjem drugega. Za opazovanje signala je potreben obstoj mehanizma, ki povezuje "opazovani" in "črpani" sistem. Primeri takih mehanizmov so dipolna interakcija med vrtljaji in molekularnim gibanjem.