Метод електронного парамагнiтного резонансу

Явище електронного парамагнiтного резонансу (ЕПР) було вiдкрите радянським фiзиком Е.К. Завойським у 1944 роцi. З того часу цей метод швидко розвинувся i в наш час став незамiнним при вивченнi структури вiльних орга­нiч­них та неорганiчних радикалiв.

Розглянемо систему парамагнiтних частинок, пара­маг­не­тизм яких зумовлений наявнiстю неспареного елект­рона (вiльнi радикали, iони змiнної валентностi). Парамаг­нетизм таких частинок має, як правило, спiновий характер, тобто зумовлений наявнiстю нескомпенсованого спiнового маг­нiт­ного моменту електрона, який можна подати у ви­глядi:

P_ms = g m_в S, (9.20)

де S – спiнове квантове число (для електрона S = 1/2), g – так званий “жи-фактор” (це є безрозмiрна величина, яка у випадку чисто “спiнового магнетизму”, тобто для вiльного електрона, дорiвнює 2.0023), m_в = eћ /2 m – магнетон Бора.

При вiдсутності зовнiшнього магнiтного поля систему таких парамагнiтних частинок можна охарактеризувати деякою середньою енергiєю Е ₀. У зовнiшньому магнiтному полi енергiя парамагнiтної частинки змiнюється i стає рiвною

E = E ₀ + D Е, (9.21)

де D Е – додаткова енергiя, зумовлена взаємодiєю магнiт­ного момента частинки з зовнiшнiм магнiтним полем. Ця енергiя пропорцiйна iндукцiї магнітного поля В і проекцiї магнiтного моменту P_ms ¢ на напрямок поля:

D Е = – P_ms¢ B. (9.22)

Проекцiя спiнового магнiтного моменту на напрямок зовнiшнього магнiтного поля може набувати значень, що визначаються формулою

P_ms ¢ = – gm_В m_S, (9.23)

де m_s – магнiтне спiнове число електрона (m_s = +1/2, –1/2). Знак “–“ у формулі (9.23) вiдтворює той факт, що спiновi механiчний та магнiтний моменти спрямованi в протилежнi боки.

Рiвнiсть (9.21) iз врахуванням (9.22) i (9.23) набуває вигляду

E = E ₀ + gm_B m_SB. (9.24)

Таким чином, система iзоенергетичних частинок з енергiєю Е ₀ у зовнiшньому магнiтному полi розпадається на двi пiдсистеми з енергiями Е ₁ i Е ₂ вiдповiдно до двох можливих орiєнтацiй їх магнiтних моментiв вiдносно зовнiшнього магнiтного поля (мал. 9.23).

Мал.9.23Розщеплення енергетичного рівня парамагнітних частинок в магнітному полі.

Мiж рiвнями Е ₁ i Е ₂ можливi переходи, тобто парамаг­нiтнi частинки можуть змiнювати орiєнтацiю свого магнiт­ного моменту. Однак ймовiрнiсть спонтанних, самодовiль­них переходiв частинок мiж рiвнями Е ₁ i Е ₂ дуже незначна. Такi переходи можна викликати (iндукувати) опромiненням системи високочастотним електромагнiтним полем (НВЧ-випромiнюванням) за умови, що квант НВЧ-випромiню­ван­ня задовольняє умовi hv= Е ₂ – Е ₁. Заселенiсть енергетичних рiвнiв Е ₁ та Е ₂ пiдлягає розподілу Больцмана, згiдно з яким при Е ₁ < E ₂ маємо N ₁ > N ₂, де N ₁ та N ₂ – заселеностi рiвнiв Е ₁ та Е ₂. У цьому випадку, як вже зазначалося в 9.4.1, кiлькiсть переходiв з поглинанням енергiї Е ₁ ® Е ₂ буде переважати кiлькiсть переходiв з випромiнюванням енергiї Е ₂ ® Е ₁. В результатi за умови

hv= Е ₂ – Е ₁ = g m_в B (9.25)

буде спостерiгатись резонансне поглинання енергiї високо­частотного електромагнiтного поля (НВЧ-випромiнювання).

Мал. 9.23 Розщеплення енергетичного рівня парамагнітних частинок.

Для спостереження сигналу поглинання використо­вуються спецiальнi прилади – магнiтнi радiоспектрометри.

Вiдповiдно до (9.25), умову резонансу можна здiйснити двома способами:

а) при постійному магнітному полі(B = const) варі­юється частота v;

б) при незмінній частоті (v = const) варіюється індукція магнітного поля В.

У сучасних радiоспектрометрах здiйснюється другий спосiб, оскiльки технiчно його простiше здiйснити. На мал. 9.24 наведено принципову схему радіоспектрометра.

Мал. 9.24. Принципова схема радіоспектрометра: 1 – джерело НВЧ-випромiнювання, 2 – електромагнiт, 3 – хвильоводи, по яких до зразка пiдводиться потужнiсть НВЧ-випромінювання, 4 – резонатор (поглинаюча комiрка, що концентрує НВЧ-випромiнювання на об’єктi дослiдження – аналог оптичної кювети), 5 – детектор – пристрiй, за допомогою якого потужнiсть НВЧ-випромінювання, яка вiдводиться вiд зразка, перетворюється в електричну напругу, 6 – пiдсилювач сигналу ЕПР, 7 – реєструючий пристрiй.

Лiнiї поглинання реєструються у виглядi кривої погли­нання I_погл = f (B) (мал. 9.25, а) або у виглядi першої похiд­ної вiд кривої поглинання dI_погл / dB = f (B) (мал. 9.25, б).

Мал. 9.25.Спектри елект­рон­ного парамаг­нітного резонансу у ви­гляді кривої погли­нан­ня Іn = f (B) та пер­шої похідної від кри­вої поглинання dIп / dB = f (B).

Для одержання iнформацiї про дослiджувану систему розглядаються такі параметри спектра ЕПР:

1. Iнтегральна iнтенсивнiсть сигналу. Iнтегральною iнтенсивнiстю сигналу називають площу пiд кривою погли­нання. Вона є мірою кількості неспарених електронів (кіль­кості вільних радикалів або інших парамагнiтних части­нок), що знаходиться у дослiджуваному зразку.

2. Положення лiнiї поглинання в спектрi. Положення лiнiї поглинання в спектрi ЕПР визначається, згiдно з (9.25), значенням g- фактора

g = hv / m_BB.

Так, наприклад, при значеннях iндукцiї магнiтного поля B = 0.3 Тл та довжинi хвилi НВЧ-випромiнювання l = 0.03 м, значення g -фактора для вiльного електрона дорiвнює 2.0023. Для рiзних вiльних радикалiв значення g- фактора коливається в межах g = 2.000¸2.060. Таким чином, поло­жен­ня лiнiї поглинання в спектрi, що визначається значен­ням g -фактора парамагнiтної частинки, дозволяє iдентифi­кувати парамагнiтну частинку.

3. Ширина лiнiї та її форма. Ширина лiнiї та її форма дозволяє оцiнити рухливість парамагнiтної частинки в дослiджуваному зразку, а також характер та ступiнь її взаємодiї з навколишнім середовищем.

4. Надтонка структура (НТС) сигналу ЕПР. Надтон­кою структурою називається розщеплення сигналу ЕПР на декiлька компонентiв внаслiдок взаємодiї магнiтного мо­мен­ту неспареного електрона з магнiтними моментами ядер, які містяться в парамагнітній частинці. Серед ядер, що вхо­дять до складу органiчних молекул, ядернi магнiтнi момен­ти мають протони та ядро азоту.

Розглянемо сигнал ЕПР нiтроксильного радикалу R ₁ R ₂N–O^·, де R ₁, R ₂ – рiзнi хiмiчнi групи. В результатi взаємодiї неспареного електрона з магнiтними моментами ядер азоту, по-рiзному орiєнтованими в зовнiшньому маг­нiт­ному полi, сигнал ЕПР нiтроксильного радикала роз­щеплю­ються на три компоненти (мал. 9.26).

Мал. 9.26. Спектр ЕПР нітроксильного радикала.

Вiдстань мiж компонентами НТС називається констан­тою надтонкої взаємодiї (НТВ). Константа НТВ пропор­цiйна густинi неспареного електрона на даному ядрi:

а = Q |y|².

Аналiз НТС, поряд iз значенням g- фактора, дозволяє iдентифiкувати вiльний радикал, встановити розподiл електрон­ної густини в молекулi, i, вiдповiдно, визначити її реакцiйнi центри.

Використовуючи метод ЕПР, бiологи та медики, якi працюють в областi теоретичної та клiнiчної медицини, можуть розв’язати такі основні задачі:

1. Виявити та iдентифiкувати промiжнi сполуки вільно­радикальної природи у рiзних метаболiчних реакцiях.

2. Виявити та iдентифiкувати вiльнi радикали, що вини­ка­ють у бiологiчних тканинах пiд дiєю проникаючої радi­ацiї.

3. Дослiджувати обмiннi процеси в ракових клiтинах i у тканинах, що пiдлягали гiпоксiї.

4. Дослiдити структуру та функцiї бiологiчних мембран за допомогою методу спiнових мiток. Цей метод заслуговує особливої уваги.