Elektronų paramagnetinis rezonansas plazmoje. Elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR)

UAB "ASTANOS MEDICINOS UNIVERSITETAS"

Informatikos ir matematikos katedra su medicininės biofizikos kursu

abstrakčiai

Pagal medicininę biofiziką

Tema „Branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) ir elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) panaudojimas medicininiuose tyrimuose“

Mokinio atliktas darbas:

Bendrosios medicinos, odontologijos ir farmacijos fakultetas

Patikrintas darbas:

I Įvadas.

II pagrindinė dalis. EPR ir BMR: fizinė prigimtis ir procesai, kuriais grindžiami šie reiškiniai, taikymas biomedicinos tyrimuose.

1) Elektronų paramagnetinis rezonansas.

a) Fizinė EPR esmė.

b) Energijos lygių padalijimas. Zeeman efektas.

c) Elektroninis padalijimas. Itin smulkus padalijimas.

d) EPR spektrometrai: prietaisas ir veikimo principas.

e) Sukimo zondo metodas.

f) EPR spektrų taikymas biomedicininiuose tyrimuose.

2) Branduolinis magnetinis rezonansas.

a) Fizinė BMR esmė.

b) BMR spektrai.

c) BMR panaudojimas biomedicininiuose tyrimuose: BMR introskopija (magnetinio rezonanso tomografija).

III Išvada. Medicininių tyrimų metodų, pagrįstų EPR ir BMR, vertė.


aš . Įvadas.

Atomui, patalpintam į magnetinį lauką, spontaniški perėjimai tarp to paties lygio polygių mažai tikėtini. Tačiau tokie perėjimai sukeliami veikiant išorinei elektros įtampai magnetinis laukas. Būtina sąlyga yra elektromagnetinio lauko dažnio sutapimas su fotono dažniu, atitinkančiu energijos skirtumą tarp suskaidytų polygių. Šiuo atveju galima stebėti elektromagnetinio lauko energijos absorbciją, kuri vadinama magnetiniu rezonansu. Priklausomai nuo dalelių tipo - magnetinio momento nešėjų - yra elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR) ir branduolinis magnetinis rezonansas (BMR).

II. Pagrindinė dalis. EPR ir BMR: fizinė prigimtis ir procesai, kuriais grindžiami šie reiškiniai, taikymas biomedicinos tyrimuose.

1. Elektronų paramagnetinis rezonansas. Elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR) – tai rezonansinė elektromagnetinės energijos sugertis centimetro arba milimetro bangos ilgio diapazone, kurią sukelia medžiagos, kuriose yra paramagnetinių dalelių. EPR yra vienas iš radiospektroskopijos metodų. Medžiaga vadinama paramagnetine, jei ji neturi makroskopinio magnetinio momento, kai nėra išorinio magnetinio lauko, bet įgyja jį panaudojus lauką, o momento dydis priklauso nuo lauko, o pats momentas yra nukreiptas. ta pačia kryptimi kaip ir laukas. Mikroskopiniu požiūriu medžiagos paramagnetizmas atsiranda dėl to, kad šią medžiagą sudarantys atomai, jonai ar molekulės turi nuolatinius magnetinius momentus, atsitiktinai orientuotus vienas kito atžvilgiu, nesant išorinio magnetinio lauko. Nuolatinio magnetinio lauko taikymas lemia kryptingą jų orientacijos pasikeitimą, dėl kurio atsiranda bendras (makroskopinis) magnetinis momentas.

EPR atrado E. K. Zavoisky 1944 m. Nuo 1922 m. daugelyje straipsnių buvo pareikšti svarstymai apie EPR egzistavimo galimybę. Bandymą eksperimentiškai aptikti EPR XX amžiaus trečiojo dešimtmečio viduryje bandė olandų fizikas K. Gorteris. Tačiau EPR buvo pastebėtas tik Zavoisky sukurtų radiospektroskopinių metodų dėka. EPR yra ypatingas magnetinio rezonanso atvejis.

Fizinė EPR esmė. Elektronų paramagnetinio rezonanso reiškinio esmė yra tokia. Jei laisvąjį radikalą su gautu kampiniu momentu J patalpinsime į magnetinį lauką, kurio stiprumas B 0, tada, kai J skiriasi nuo nulio, magnetiniame lauke pašalinama degeneracija, o dėl sąveikos su magnetiniu lauku 2J + 1 atsiranda lygiai, kurių padėtis apibūdinama išraiška: W = gβB 0 M, (kur М=+J, +J-1, …-J) ir nustatoma pagal magnetinio lauko Zeeman sąveiką su magnetiniu momentu. J.

Jei dabar elektromagnetinis laukas, kurio dažnis ν, poliarizuotas plokštumoje, statmenoje magnetinio lauko vektoriui B 0 , taikomas paramagnetiniam centrui, tai sukels magnetinio dipolio perėjimus, kurie paklūsta atrankos taisyklei ΔM=1. Kai elektroninio perėjimo energija sutampa su elektromagnetinės bangos fotono energija, įvyks mikrobangų spinduliuotės rezonansinė absorbcija. Taigi rezonanso sąlyga nustatoma pagal pagrindinį magnetinio rezonanso ryšį hν = gβB 0 .

Energijos lygių padalijimas. Zeeman efektas. Nesant išorinio magnetinio lauko, elektronų magnetiniai momentai yra orientuoti atsitiktinai, o jų energija praktiškai nesiskiria viena nuo kitos (E 0). Kai veikia išorinis magnetinis laukas, elektronų magnetiniai momentai yra orientuojami lauke, priklausomai nuo sukimosi magnetinio momento dydžio, o jų energijos lygis yra padalintas į dvi dalis. Elektrono magnetinio momento sąveikos su magnetiniu lauku energija išreiškiama lygtimi:

, yra elektrono magnetinis momentas, H yra magnetinio lauko stiprumas. Iš proporcingumo lygties išplaukia, kad ,

o elektrono sąveikos su išoriniu magnetiniu lauku energija bus

.

Ši lygtis apibūdina Zeemano efektą, kurį galima išreikšti tokiais žodžiais: į magnetinį lauką patalpintų elektronų energijos lygiai šiame lauke suskaidomi priklausomai nuo sukimosi magnetinio momento dydžio ir magnetinio lauko intensyvumo.

Elektroninis padalijimas. Itin smulkus padalijimas. Dauguma pritaikymų, įskaitant biomedicininius, yra pagrįsti linijų grupės (ne tik pavienių) analize EPR absorbcijos spektre. Artimų linijų grupės buvimas EPR spektre sąlyginai vadinamas padalijimu. Yra du būdingi EPR spektro padalijimo tipai. Pirmasis – elektroninis skilimas – įvyksta, kai molekulė ar atomas turi ne vieną, o kelis elektronus, kurie sukelia EPR. Antrasis, hipersmulkus skilimas, stebimas elektronams sąveikaujant su branduolio magnetiniu momentu. Remiantis klasikinėmis koncepcijomis, aplink branduolį cirkuliuojantis elektronas, kaip ir bet kuri įkrauta dalelė, judanti žiedine orbita, turi dipolio magnetinį momentą. Panašiai ir kvantinėje mechanikoje elektrono orbitinis kampinis impulsas sukuria tam tikrą magnetinį momentą. Šio magnetinio momento sąveika su branduolio magnetiniu momentu (dėl branduolio sukimosi) sukelia hipersmulkų skilimą (t. y. sukuria hipersmulkią struktūrą). Tačiau elektronas taip pat turi sukimąsi, kuris prisideda prie jo magnetinio momento. Todėl yra labai smulkus padalijimas net ir terminams, kurių orbitinis kampinis momentas yra nulinis. Atstumas tarp hipersmulkiosios struktūros polygių yra 1000 kartų mažesnis pagal dydį nei tarp smulkiosios struktūros lygių (šią eilę iš esmės lemia elektrono masės ir branduolio masės santykis).

EPR spektrometrai: prietaisas ir veikimo principas. EPR radijo spektrometro įtaisas daugeliu atžvilgių primena spektrofotometro, skirto optinei absorbcijai matuoti matomoje ir ultravioletinėje spektro dalyse, įrenginį. Radijo spektrometro spinduliuotės šaltinis yra klistronas, kuris yra radijo lempa, skleidžianti monochromatinę spinduliuotę centimetrų bangų diapazone. Spektrofotometro apertūra radiospektrometre atitinka slopintuvą, leidžiantį dozuoti pavyzdžiui tenkančią galią. Kiuvetė su mėginiu radijo spektrometre yra specialiame bloke, vadinamame rezonatoriumi. Rezonatorius yra gretasienis su cilindrine arba stačiakampe ertme, kurioje yra sugeriantis mėginys. Rezonatoriaus matmenys tokie, kad jame susidaro stovinti banga. Optiniame spektrometre trūkstamas elementas yra elektromagnetas, sukuriantis pastovų magnetinį lauką, reikalingą elektronų energijos lygiams skaidyti. Per išmatuotą mėginį, radijo spektrometru ir spektrofotometru praėjusi spinduliuotė patenka į detektorių, tada detektoriaus signalas sustiprinamas ir įrašomas į registratorių arba kompiuterį. Reikėtų pažymėti dar vieną radiospektrometro skirtumą. Tai slypi tame, kad radijo diapazono spinduliuotė perduodama iš šaltinio į mėginį, o po to į detektorių naudojant specialius stačiakampius vamzdelius, vadinamus bangolaidžiais. Bangolaidžių skerspjūvio matmenis lemia perduodamos spinduliuotės bangos ilgis. Ši radijo spinduliuotės perdavimo bangolaidžiais ypatybė lemia tai, kad EPR spektrui radijo spektrometre įrašyti naudojamas pastovus spinduliuotės dažnis, o rezonanso sąlyga pasiekiama keičiant magnetinio lauko dydį. Kita svarbi radijo spektrometro savybė yra signalo stiprinimas jį moduliuojant aukšto dažnio kintamuoju lauku. Dėl signalo moduliacijos jis diferencijuojamas ir sugerties linija paverčiama pirmuoju išvestiniu, kuris yra EPR signalas.

Sukimo zondo metodas. Sukimo zondai yra atskiros paramagnetinės cheminės medžiagos, naudojamos įvairioms molekulinėms sistemoms tirti naudojant EPR spektroskopiją. Šių junginių EPR spektro kitimo pobūdis leidžia gauti unikalios informacijos apie makromolekulių sąveiką ir dinamiką bei apie įvairių molekulinių sistemų savybes. Tai metodas, skirtas tirti molekulinį mobilumą ir įvairias struktūrines transformacijas kondensuotoje terpėje, naudojant stabilių radikalų (zondų), pridėtų prie tiriamos medžiagos, elektronų paramagnetinio rezonanso spektrus. Jei stabilūs radikalai yra chemiškai susieti su tiriamos terpės dalelėmis, jie vadinami etiketėmis ir kalba apie sukimosi (arba paramagnetinių) etikečių metodą. Kaip zondai ir etiketės dažniausiai naudojami nitroksido radikalai, kurie yra stabilūs plačiame temperatūrų diapazone (iki 100-200○C), gali dalyvauti cheminėse reakcijose neprarandant paramagnetinių savybių, gerai tirpsta vandenyje ir organinėje aplinkoje. žiniasklaida. Didelis EPR metodo jautrumas leidžia įvesti zondus (skysčio ar garų būsenoje) nedideliais kiekiais - nuo 0,001 iki 0,01% masės, o tai nekeičia tiriamų objektų savybių. Sukimo zondų ir etikečių metodas ypač plačiai naudojamas tiriant sintetinius polimerus ir biologinius objektus. Šiuo atveju galima tirti bendrus mažos molekulinės masės dalelių polimeruose dinamikos dėsningumus, kai sukiniai zondai modeliuoja įvairių priedų (plastifikatorių, dažiklių, stabilizatorių, iniciatorių) elgesį; gauti informaciją apie molekulinio judrumo kitimą cheminio modifikavimo ir struktūrinių bei fizikinių transformacijų (senėjimo, struktūrizavimo, plastifikacijos, deformacijos) metu; tyrinėti dvejetaines ir daugiakomponentes sistemas (kopolimerus, užpildytus ir plastifikuotus polimerus, kompozitus); tirti polimerų tirpalus, ypač tirpiklio ir temperatūros poveikį jų elgsenai; nustatyti fermentų sukimosi judrumą, struktūrą ir erdves. grupių išsidėstymas aktyviame fermento centre, baltymų konformacija veikiant įvairiems poveikiams, fermentinės katalizės greitis; tirti membranų preparatus (pavyzdžiui, nustatyti lipidų mikroklampumą ir rikiuotės laipsnį membranoje, tirti lipidų ir baltymų sąveiką, membranų susiliejimą); tirti skystųjų kristalų sistemas (molekulių išsidėstymo tvarkos laipsnį, fazių perėjimą), DNR, RNR, polinukleotidus (struktūrinius pokyčius veikiant temperatūrai ir aplinkai, DNR sąveiką su ligandais ir interkaliuojančiais junginiais). Metodas taip pat naudojamas įvairiose medicinos srityse, tiriant veikimo mechanizmą. vaistai, ląstelių ir audinių pokyčių sergant įvairiomis ligomis analizė, mažų toksinių ir biologiškai aktyvių medžiagų koncentracijų organizme nustatymas, virusų veikimo mechanizmų tyrimas.

EPR metodas įgijo didelę reikšmę chemijoje, fizikoje, biologijoje ir medicinoje, nes leidžia nustatyti organinių ir neorganinių laisvųjų radikalų struktūras ir koncentracijas. Gali susidaryti laisvieji radikalai cheminis metodas, fotocheminiu būdu arba didelės energijos spinduliuote.

EPR spektrą suteikia laisvieji radikalai, molekulės su nelyginiu elektronų skaičiumi, organinių molekulių tripletinės būsenos, paramagnetiniai pereinamųjų metalų jonai ir jų kompleksai.

EPR metodas pradėtas naudoti biologiniuose tyrimuose praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje. Dėl gana didelio jautrumo ir galimybės nustatyti paramagnetinių dalelių prigimtį šis metodas nustatė platus pritaikymas tirti įvairius biologinius procesus.

Be laisvųjų radikalų signalų, audiniuose stebima nemažai metalinių signalų (Fe, Cu, Mn, Ni, Co). Šie metalai yra metaloproteinų, dalyvaujančių daugelyje fermentinių procesų, dalis. Geležies turintys baltymai (citochromai, ferredoksinai) yra elektronų transportavimo grandinių komponentai mitochondrijose ir chloroplastuose.

EPR metodu ištirta nemažai fermentinių sistemų, rasta substratų laisvųjų radikalų produktų. Daugeliu atvejų buvo įmanoma stebėti metalų jonų, įtrauktų į aktyvųjį fermento centrą, redokso transformacijas.

EPR spektroskopija plačiai naudojama fotosintezės tyrimuose: tiriamas pirminių krūvių atskyrimo etapų mechanizmas reakcijos centruose ir tolesnis elektrono pernešimas elektronų transportavimo grandine.

Be reakcijų, vykstančių dalyvaujant paramagnetinėms dalelėms, mechanizmų tyrimo, EPR metodas taip pat plačiai naudojamas tiriant makromolekulių ir biomembranų struktūrines ir dinamines savybes.

Pastaruoju metu biologinėms ir polimerinėms sistemoms tirti dažnai naudojami „paramagnetinio zondo“, „sukimosi etikečių“ ir „sukimosi spąstų“ metodai. Visi jie pagrįsti įvairių struktūrų stabilių azoto rūgšties radikalų panaudojimu, tiksliau, EPR spektrų linijos pločio pokyčių, kuriuos sukelia šių radikalų rotacinė ir transliacinė difuzija, analize.

Pagrindinė sukimo etiketės ir zondo metodo idėja yra pritvirtinti prie vieno ar kito funkcinė grupė laisvųjų radikalų baltymas ir jo EPR signalų charakteristikų tyrimas. Patogiausi šiuo atžvilgiu yra nitroksilo radikalai, turintys laisvųjų radikalų grupę:

kur R1 ir R2 yra skirtingos cheminės grupės.

Sukimo etiketės metodas susideda iš to, kad stabilus radikalas yra prijungtas prie neparamagnetinės molekulės kovalentiniu ar kitokiu ryšiu, todėl laisvasis valentingumas nepaveikiamas. Judesio pobūdis aiškiai pasireiškia spektro forma ir yra svarbus informacijos apie pradinę molekulę šaltinis.

Jei molekulė yra įterpta baltymų molekulė ir ten yra laikomas elektrostatinių jėgų arba hidrofobinių sąveikų, tada tokia molekulė vadinama sukimosi zondas. Metodas pagrįstas zondo radikalo sukimosi ir transliacinio judrumo vandeninėje arba organinėje terpėje arba polimerinėje matricoje tyrimu. Radikalų judrumas priklauso nuo aplinkos molekulių mobilumo, todėl radikalas yra savotiškas molekulinis struktūrinės ir dinaminės informacijos apie vietinę aplinką jutiklis.

EPR signalo, kurį sukuria sukimosi etiketė arba zondas, forma priklauso nuo nitroksi radikalo mikroaplinkos ir, visų pirma, nuo grupės, kurioje jis yra, sukimosi mobilumo.

Pagrindinis sukimosi etikečių ir zondų trūkumas yra tas, kad nors šios molekulės yra mažos, įtrauktos į lipidų dvisluoksnį sluoksnį, jos šiek tiek pakeičia jo savybes.

Metodo esmė "sukimosi spąstai" yra specialiai į tiriamą sistemą įvestos neparamagnetinės molekulės (spąstų) reakcija su trumpalaikiu radikalu, dėl kurios susidaro stabilus radikalas. Susidariusio stabilaus radikalo kinetinė elgsena ir jo struktūra suteikia informacijos apie procesų kinetiką ir mechanizmą tiriamoje sistemoje.

Chemijos tyrimų objektai taikant EPR spektroskopiją yra: 1) laisvieji radikalai organinių reakcijų tarpiniuose produktuose; 2) reakcijos kinetika; 3) paviršiaus reiškinių chemija; 4) sunaikinimas dėl švitinimo; 5) polimerizacija dėl laisvųjų radikalų; 6) laisvieji radikalai, užšalę žemoje temperatūroje; 7) kintamo valentingumo metalai ir jų kompleksai.

EPR metodas yra vertingas indėlis į cheminių reakcijų kinetikos ir mechanizmų tyrimą. Pirma, linijos pločio matavimai EPR spektruose gali būti naudojami norint nustatyti procesų, kuriuose dalyvauja paramagnetinės dalelės, kurių būdingas gyvavimo laikas yra 10–5–10–10 s, greičio konstantas. Antra, EPR metodas leidžia įrašyti dideliu jautrumu skirtingos sąlygos paramagnetines daleles, kurios suteikia vertingos informacijos apie reakcijos mechanizmus. Trečia, EPR spektrometras gali būti naudojamas kaip analitinis prietaisas reaguojančių paramagnetinių molekulių koncentracijai reakcijų eigoje nustatyti. Paramagnetinių centrų skaičius mėginyje yra proporcingas plotui po sugerties spektru.

EPR metodas plačiai naudojamas tiriant greitus procesus, susijusius su radikalų molekulinės struktūros pokyčiais. Šie procesai apima trukdomą sukimąsi ir konformacinius perėjimus.

Trumpalaikių radikalų atveju metodo jautrumą galima padidinti naudojant srauto sistemą arba nuolatinį švitinimą. Nestabilių radikalų EPR spektrus galima gauti fiksuojant juos stiklinėse, šaldytų tauriųjų dujų matricose ar kristaluose.

Interviu klausimai

1. Metodo teoriniai pagrindai.

2. Analitiniai EPR spektro parametrai.

3. EPR spektrometrai.

4. EPR taikymas.

Testo užduotys

1. Rezonanso sąlyga EPR metodu:

a) n = gH 0 (1-s) / 2p; b) δ \u003d (ΔH / H 0); c) hn \u003d gβH 0; d) δ = (Δν/ν 0)/(ΔН/Н 0).

2. Kas vyksta rezonanso momentu taikant EPR metodą:

a) spinduliavimo kvantai sugeriami, sukimosi perorientacija nevyksta;

b) sugeriami spinduliuotės kvantai ir persiorientuoja sukiniai, t.y. perėjimas iš žemesnės energijos būsenos į viršutinę ir atvirkščiai. Perėjimų iš apačios į viršų skaičius yra didesnis nei perėjimų iš viršaus į apačią skaičius.

c) sugeriami spinduliuotės kvantai ir persiorientuoja sukiniai, t.y. perėjimas iš žemesnės energijos būsenos į viršutinę ir atvirkščiai. Perėjimų iš viršaus į apačią skaičius yra didesnis nei perėjimų iš apačios į viršų skaičius.

3. EPR spektrų parametrai:

a) g faktorius, sugerties juostos plotis, sugerties linijos intensyvumas;

b) bendras signalų skaičius, signalo intensyvumas, cheminis poslinkis, signalo daugialypiškumas;

c) g faktorius, sugerties juostos plotis, sugerties linijos intensyvumas, HFS EPR spektrai.


MASĖS SPEKROMETRIJOS

Šis metodas iš esmės skiriasi nuo spektroskopinių metodų. Masių spektrometrijos metodai yra pagrįsti medžiagos jonizacija, jonų atskyrimu, pagal santykį ( m/z) ir gautų fragmentų masės registravimą.

Teorinius ir eksperimentinius masių spektrometrijos pagrindus padėjo D.D. Thomsonas, kuris pirmą kartą 1912 m. sukūrė prietaisą teigiamų jonų masės spektrui gauti. Tačiau jo prietaisas turėjo mažą skiriamąją gebą. Jo mokinys F. Astonas 1918 metais žymiai padidino skiriamąją gebą ir pirmą kartą savo prietaise atrado elementų izotopus. Beveik kartu su F. Astonu Čikagoje A. Dempsteris sukonstravo pirmąjį masės spektrometrą, kuriame skersinis magnetinis laukas tarnavo kaip analizatorius, buvo matuojamos jonų srovės. elektriniai metodai. Jo schema taip pat naudojama šiuolaikiniuose įrenginiuose.

Molekulių jonizacija turi būti atliekama tokiomis sąlygomis, kad susidaręs jonas, nepaisant jonizacijos būdo, nepatirtų jokio susidūrimo su kitomis molekulėmis ar jonais. Tai būtina norint nustatyti ryšį tarp jono ir molekulės savybių.

Jonizacijos metodai

Jonizacija gali būti atliekama įvairiais būdais.

1. Elektronų smūginės jonizacijos (EI) metodas.

Tai yra labiausiai paplitęs jonų gavimo būdas dėl jonų šaltinių paprastumo ir prieinamumo bei didelio efektyvumo. Tarkime, kad per medžiagos garus praeina elektronų srautas, kurio energiją galima palaipsniui didinti. Jei ši energija pasiekia tam tikrą lygį, tada, kai elektronas susiduria su molekule, elektronas gali būti „išmuštas“ iš jos susidarant molekuliniam jonui:

poliatominė molekulė molekulinis jonas (radikalų katijonas)

Mažiausia bombarduojančių elektronų energija, kuriai esant jonų susidarymas iš tam tikros molekulės vadinama materijos jonizacijos energija. Jonizacijos energija yra stiprumo, kuriuo molekulė laiko mažiausiai su ja susietą elektroną, matas. Organinių molekulių jonizacijos energija yra 9 ÷ 12 eV.

Jeigu elektrono energija gerokai viršija jonizacijos energiją, tai susidaręs molekulinis jonas gauna energijos perteklių, kurios gali pakakti ryšiams jame nutraukti. Molekulinis jonas skyla į mažesnės masės daleles (fragmentus). Toks procesas vadinamas suskaidymas . Masių spektrometrijos praktikoje naudojami 30÷100 eV energijos elektronai, užtikrinantys molekulinio jono suskaidymą.

Molekuliniai jonai Tai jonai, kurių masė lygi jonizuotos molekulės masei. Deja, tiesioginių jonų struktūros nustatymo metodų nėra. Todėl dažnai naudojama prielaida apie molekulinio jono (M +) ir neutralios molekulės (M) struktūros tapatumą. Molekulinio jono susidarymo tikimybė yra didesnė paprastoms, mažoms molekulėms. Didėjant atomų skaičiui molekulėje, didėja molekulinio jono suskaidymo tikimybė.

Yra du pagrindiniai molekulinio jonų suskaidymo tipai – disociacija ir persitvarkymas.

Disociacija- molekulinio jono skilimas išsaugant ryšių seką. Proceso metu susidaro katijonas ir radikalas:

Dėl angliavandenilių disociacijos susidaro fragmentai su nelyginiu m/z santykiu.

pergrupavimas lydi jungčių sekos pasikeitimas, dėl kurio susidaro naujas mažesnės masės radikalų katijonas ir neutrali stabili molekulė (H 2 O, CO, CO 2 ir kt.):

Dėl angliavandenilių ir deguonies turinčių junginių persitvarkymo susidaro fragmentas, kurio m/z santykis yra lygus. Išmatavus susidariusių fragmentų masę ir jų santykinį kiekį, gaunama vertingos informacijos apie organinių junginių struktūrą.

Panagrinėkime masių spektrometro įtaisą (1 pav.). Masių spektrometre turi būti komponentų, kad būtų galima atlikti šias funkcijas: 1) mėginio jonizavimą, 2) jonų pagreitinimą. elektrinis laukas, 3) jonų pasiskirstymas pagal santykį m/z, 4) jonų aptikimas atitinkamu elektriniu signalu.

1 pav. Masių spektrometro prietaisas

1 - elektronų šaltinis; 2 - jonizacijos kamera; 3 - greitinančios plokštės (neigiamas potencialas); 4 - magnetas; 5 - tarpas;

6 - jonų kolektorius (jonų detektorius)

Norint gauti masių spektrą, naudojant specialią pūtimo sistemą nedideliais kiekiais į jonizacijos kamerą patenka medžiagų garai. (2) , kur palaikomas gilus vakuumas (slėgis 10 -6 mm Hg). Medžiagos molekules bombarduoja karšto katodo skleidžiamas elektronų srautas (1). Susidarę jonai nedideliu potencialų skirtumu išstumiami iš jonizacijos kameros (3). Susidaręs jonų srautas pagreitinamas, sufokusuojamas stipriu elektriniu lauku ir patenka į magnetinį lauką. (4).

Dėl elektronų bombardavimo medžiagos molekulėms susidaro dalelės, turinčios teigiamą arba neigiamą krūvį, taip pat neutralios dalelės. Kai dalelių srautas praeina per magnetinį lauką, neutralios dalelės nekeičia krypties, o teigiamos ir neigiamos dalelės nukrypsta į skirtingas puses. Jonų deformacija yra proporcinga jų krūviui ir atvirkščiai proporcinga jų masei.

Kiekvienas atskiras jonas, kuriam būdinga tam tikra m/z vertė, juda savo trajektorija tam tikro magnetinio lauko stiprumo atžvilgiu. Masės nuskaitymo intervalas gali būti keičiamas keičiant magnetinio lauko stiprumą arba elektrinio lauko potencialą.

Įprastinėje masių spektrometrijoje įprasta registruoti tik daleles, kurios turi teigiamą krūvį, nes. kai molekulės bombarduojamos elektronais, teigiamo krūvio jonų paprastai būna daugiau nei neigiamai įkrautų. Jei reikia tirti neigiamo krūvio jonus, reikia keisti pagreičio potencialo ženklą (pagreičio plokštelės).

Jei prie jonų išėjimo iš magnetinio lauko yra sumontuotas įrašymo įrenginys, dalelės, kurios skiriasi m/z reikšmėmis, duos atskirus signalus. Signalo intensyvumas bus proporcingas dalelių, turinčių tam tikrą m/z reikšmę, skaičiui. Signalų intensyvumas apibrėžiamas kaip jų aukštis, išreikštas mm. Didžiausio intensyvumo smailės aukštis imamas 100% (bazinė smailė), likusių smailių intensyvumas proporcingai perskaičiuojamas ir išreiškiamas procentais.

Didėjant m/z santykiui, mažėja dalelių, besiskiriančių vienu atominės masės vienetu, magnetinio lauko įlinkio skirtumas. Šiuo atžvilgiu svarbi masės spektrometrų savybė yra jų rezoliucija (R) , kuri nustato didžiausią jonų, besiskiriančių vienu atominės masės vienetu, masę (kurios smailes prietaisas atskiria ne mažiau kaip 90%):

čia M yra didžiausia masė, kurios smailės persidengimas yra mažesnis nei 10 %; ΔM yra vienas atominės masės vienetas.

Standartiniai įrenginiai turi R ≈ 5000/1, o prietaisams su dvigubu jonų srauto fokusavimu R ≈ 10000/1 ir net daugiau. Tokie prietaisai gali užfiksuoti jonų molekulinės masės skirtumą iki 0,0001. Dvigubo fokusavimo masės spektrometras gali lengvai atskirti jonų smailes, turinčias tą pačią nominalią molekulinę masę, bet skirtingą elementų sudėtį. Pavyzdžiui, galima atskirti N 2 (28,0061), CO (27,9949) ir C 2 H4 (28,0313).

Sukurti empirinę formulę iš masės spektro duomenų nėra lengva užduotis, tačiau ją galima išspręsti naudojant tinkamą algoritmą. Norint gauti masių spektrą, reikalingas nereikšmingas medžiagos kiekis – apie 1 μg.

2. Cheminė jonizacija (CI).

Taikant šį metodą, mėginys prieš švitinimą elektronų pluoštu praskiedžiamas dideliu „reagento dujų“ pertekliumi. Pirminių jonizuojančių susidūrimų tarp elektronų ir mėginio molekulių tikimybė tuomet yra tokia maža, kad pirminiai jonai susidaro beveik vien tik iš reaguojančių molekulių. Kaip reagentai dažniausiai naudojamos mažos molekulinės masės dujos, tokios kaip CH 4 , ISO-C 4 H 10 , NH 3 ir inertinės dujos (Ar, He). Antriniai jonai susidaro dėl vandenilio atomo arba elektrono perdavimo.

Jei metanas yra reaguojančios dujos, tada reakcijos vyksta tokia seka:

CH 4 + ē → CH 4 + + 2°

CH 4 + + ē → CH 3 + + H + + 2°

CH 4 + + CH 4 → CH 5 + +CH3

CH 3 + + CH4 → C 2H 5 + +H2

R-CH3 + CH5 + → R-CH4 + +CH4

kur R-CH3 yra bandomosios medžiagos molekulė.

Tyrimai parodė, kad CH 5 dalelės + ir C2H5 + kartu jie sudaro apie 90 % jonų, esančių šioje sistemoje. Po cheminės jonizacijos gauti masių spektrai yra daug paprastesni, juose yra mažiau smailių, todėl dažnai juos lengviau interpretuoti.

Elektronų paramagnetinio rezonanso metodas yra pagrindinis paramagnetinių dalelių tyrimo metodas. Paramagnetinėms dalelėms, turinčioms svarbią biologinė reikšmė, du pagrindiniai tipai yra laisvieji radikalai ir kintamo valentingumo metalų (tokių kaip Fe, Cu, Co, Ni, Mn) kompleksai.

Elektronų paramagnetinio rezonanso metodą 1944 metais atrado E. K. Zavoisky, tirdamas elektromagnetinės spinduliuotės sąveiką mikrobangų diapazone su metalų druskomis.

EPR metodas pagrįstas elektromagnetinės spinduliuotės sugertimi radijo diapazone nesuporuotų elektronų magnetiniame lauke.

EPR metodas leidžia tirti paramagnetinių centrų savybes, registruojant šių dalelių elektromagnetinės spinduliuotės sugerties spektrus. Žinant spektrų charakteristikas, galima spręsti apie paramagnetinių dalelių savybes.

Pagrindinės spektrų charakteristikos yra amplitudė, linijos plotis, g faktorius ir hipersmulki spektrų struktūra.

Sukimo etikečių taikymas

Sukimo etiketės yra chemiškai stabilios paramagnetinės molekulės, naudojamos kaip molekuliniai zondai įvairių fizikinių, cheminių ir biologinių sistemų struktūrai ir molekuliniam mobilumui tirti. Sukimo etiketės metodo esmė yra tokia. Paramagnetinės molekulės įvedamos į tiriamą sistemą kaip sukimosi zondai, duodantys būdingus elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) signalus. Sukimo etikečių EPR signalai priklauso nuo jų molekulinio mobilumo ir artimiausios aplinkos fizikinių ir cheminių savybių. Todėl stebint molekulinių zondų EPR signalus galima ištirti tiriamos sistemos struktūrines charakteristikas ir joje vykstančių molekulinių procesų dinamiką. Terminas „sukimo etiketės“ ​​kilęs iš Angliškas žodis„sukimas“ (verpstas, viršus), kuris vadinamas vidiniu mechaniniu elektrono momentu. Elektrono, kaip žinoma iš kvantinės mechanikos, mechaninis momentas lygus "/2, o jo paties magnetinis momentas, kur" yra Planko konstanta, e ir m yra elektrono krūvis ir masė, c yra šviesos greitis. . Molekulinių zondų paramagnetines savybes lemia tai, kad juose yra nesuporuotas elektronas, kuris turi sukinį ir yra EPR signalo šaltinis. Stabilūs nitroksido radikalai paprastai naudojami kaip sukimosi etiketės. Visose sukimosi etiketės molekulėse, nepaisant jų cheminės struktūros įvairovės, paprastai yra tas pats paramagnetinis fragmentas, chemiškai stabilus nitroksido radikalas (>N-OJ). Nesuporuotas elektronas yra lokalizuotas ant šio radikalo ir tarnauja kaip EPR signalo šaltinis. Konkretų sukimo etikečių pasirinkimą lemia tyrimo problema. Taigi, pavyzdžiui, norint sekti baltymų konformacinius persitvarkymus su sukimosi etikečių pagalba, žymenų molekulės dažniausiai „prisijungiamos“ prie tam tikrų baltymo sričių. Tokiu atveju sukimosi etiketėje turi būti speciali reaktyvi grupė, galinti sudaryti kovalentinį cheminį ryšį su baltymo molekulės aminorūgščių liekanomis. Dirbtinių ir biologinių membranų savybėms tirti dažniausiai naudojamos riebaluose tirpios sukimosi etiketės, kurios gali būti įterptos į lipidinį membranos sluoksnį.

Elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) reiškinys susideda iš rezonansinės elektromagnetinės spinduliuotės sugerties radijo dažnių diapazone medžiagų, esančių nuolatiniame magnetiniame lauke, ir dėl kvantinių perėjimų tarp energijos sublygių, susijusių su magnetinio momento y buvimu. elektronines sistemas. EPR taip pat vadinamas elektronų sukimosi rezonansu (ESR), magnetiniu sukimosi rezonansu (MSR) ir, tarp specialistų, dirbančių su magnetiškai sutvarkytomis sistemomis, feromagnetiniu rezonansu (FMR).

EPR reiškinį galima stebėti:

  • * atomai ir molekulės, kurių orbitose yra nelyginis elektronų skaičius – H, N, NO2 ir kt.;
  • * cheminiai elementaiįvairiose įkrovos būsenose, kuriose ne visi išorinėse orbitose esantys elektronai dalyvauja formuojant cheminį ryšį - pirmiausia tai yra d ir f elementai;
  • * laisvieji radikalai – metilo radikalai, nitroksilo radikalai ir kt.;
  • * medžiagų - O-, O2-, CO2-, CO23-, CO3-, CO33- ir daugelio kitų - matricoje stabilizuojantys elektronikos ir skylių defektai;
  • * molekulės su lyginiu elektronų skaičiumi, kurių paramagnetizmas atsiranda dėl elektronų pasiskirstymo molekulinėse orbitose kvantinių reiškinių – O2;
  • * Superparamagnetinės nanodalelės, susidarančios tirpstant arba lydiniuose su kolektyviniu magnetiniu momentu, kurios elgiasi kaip elektronų dujos.

EPR spektrų struktūra ir savybės

Magnetinių momentų elgesys magnetiniame lauke priklauso nuo įvairios nesuporuotų elektronų sąveikos tiek tarpusavyje, tiek su artimiausia aplinka. Svarbiausios iš jų yra sukinio-sukinio ir sukinio-orbitos sąveika, sąveika tarp nesuporuotų elektronų ir branduolių, kuriuose jie yra lokalizuoti (hipersmulkioji sąveika), sąveika su elektrostatiniu potencialu, kurį sukuria artimiausios aplinkos jonai nesuporuotų elektronų vietoje, ir kiti. Dauguma išvardytų sąveikų lemia reguliarų linijų skaidymą. Bendru atveju paramagnetinio centro EPR spektras yra daugiakomponentis. Pagrindinių skilimų hierarchijos idėją galima gauti iš šios diagramos (naudoto žymėjimo apibrėžimai pateikti žemiau):

Pagrindinės paramagnetinio centro (PC) EPR spektro charakteristikos yra šios:

  • * linijų skaičius konkretaus kompiuterio EPR spektre ir jų santykinis intensyvumas.
  • * Puiki struktūra (TS). TS linijų skaičius nustatomas pagal kompiuterio sukimąsi S ir vietinę simetriją elektrostatinis laukas artimiausia aplinka, o santykinius integruotus intensyvumus lemia kvantinis skaičius mS (sukinio projekcijos į magnetinio lauko kryptį reikšmė). Kristaluose atstumas tarp TS linijų priklauso nuo kristalo lauko potencialo dydžio ir jo simetrijos.
  • * Hipersmulki struktūra (HTS). Tam tikro izotopo HFS linijos turi maždaug tokį patį integruotą intensyvumą ir yra praktiškai vienodu atstumu. Jei kompiuterio šerdyje yra keli izotopai, kiekvienas izotopas suteikia savo HFS linijų rinkinį. Jų skaičių lemia izotopų branduolio sukinys I, šalia kurio yra lokalizuotas nesuporuotas elektronas. Įvairių PC izotopų HFS linijų santykinis intensyvumas yra proporcingas natūraliam šių izotopų gausumui mėginyje, o atstumas tarp HFS linijų priklauso nuo konkretaus izotopo branduolio magnetinio momento, hipersmulkiosios sąveikos konstantos ir nesuporuotų elektronų delokalizacijos laipsnis šiame branduolyje.
  • * Super-hipersmulki struktūra (SHTS). SHFS linijų skaičius priklauso nuo lygiaverčių ligandų, su kuriais sąveikauja nesuporuotas sukinio tankis, ir jų izotopų branduolinio sukinio Il skaičiaus. Būdingas tokių linijų bruožas yra ir jų integralų intensyvumo pasiskirstymas, kuris, esant Il = 1/2, atitinka dėsnį binominis skirstinys su eksponentu nl. Atstumas tarp SHFS linijų priklauso nuo branduolių magnetinio momento dydžio, hipersmulkiosios sąveikos konstantos ir nesuporuotų elektronų lokalizacijos laipsnio šiuose branduoliuose.
  • * spektroskopinės linijos charakteristikos.

EPR spektrų ypatybė yra jų įrašymo forma. Dėl daugelio priežasčių EPR spektras rašomas ne sugerties linijų forma, o kaip šių linijų išvestinė. Todėl EPR spektroskopijoje linijos parametrams žymėti naudojama šiek tiek kitokia, nuo visuotinai priimtos terminologijos.

EPR absorbcijos linija ir pirmasis jos vedinys: 1 - Gauso forma; 2- Lorentzo forma.

  • * Tikroji linija yra q funkcija, tačiau atsižvelgiant į atsipalaidavimo procesus, ji turi Lorenco formą;
  • * Linija - atspindi kompiuterio elektromagnetinės spinduliuotės rezonansinės sugerties tikimybę ir yra nulemta procesų, kuriuose dalyvauja sukiniai;
  • * Linijos forma – atspindi rezonansinių perėjimų tikimybės pasiskirstymo dėsnį. Kadangi pirmuoju aproksimavimu nukrypimai nuo rezonanso sąlygų yra atsitiktiniai, linijų forma magnetiškai praskiestose matricose turi Gauso formą. Papildomų mainų sukimosi ir sukimosi sąveikų buvimas lemia Lorentzio linijos formą. Apskritai linijos forma apibūdinama mišriu dėsniu;
  • * Linijos plotis – DVmax – atitinka atstumą išilgai lauko tarp kraštutinumų lenktoje linijoje;
  • * Linijos amplitudė – Imax – signalo amplitudės skalėje atitinka atstumą tarp ekstremalių lenktoje linijoje;
  • * Intensyvumas – I0 – tikimybės vertė MAX taške absorbcijos kreivėje, apskaičiuota integruojant išilgai įrašymo linijos kontūro;
  • * Integruotas intensyvumas – plotas po sugerties kreive, proporcingas paramagnetinių centrų skaičiui mėginyje ir apskaičiuojamas dvigubai integruojant įrašymo liniją, pirmiausia išilgai kontūro, paskui išilgai lauko;
  • * Linijos padėtis - B0 - atitinka dI/dB išvestinės kontūro sankirtą su nuline linija (tendencijos linija);
  • * EPR linijų padėtis spektre.

Pagal išraišką hн = gвB, kuri nustato rezonansinės sugerties sąlygas asmeniniams kompiuteriams, kurių sukinys S = 1/2, elektronų paramagnetinio rezonanso linijos padėtį galima apibūdinti g faktoriaus reikšme (analogiškai spektroskopiniam Lande skilimui veiksnys). G faktoriaus reikšmė apibrėžiama kaip dažnio n, kuriuo buvo išmatuotas spektras, santykis su magnetinės indukcijos B0 reikšme, kuriai esant buvo pastebėtas didžiausias efektas. Reikėtų pažymėti, kad paramagnetiniams centrams g faktorius apibūdina asmeninį kompiuterį kaip visumą; ne viena linija EPR spektre, o visas linijų rinkinys dėl tirto PL.

EPR eksperimentuose elektromagnetinio kvanto energija yra fiksuota, tai yra dažnis n, o magnetinis laukas B gali kisti plačiame diapazone. Yra keletas gana siaurų mikrobangų dažnių diapazonų, kuriuose veikia spektrometrai.

ELEKTRONINIS PARAMAGNETINIS RESONANSAS (EPR)- rezonansinė elektromagnetinių bangų absorbcija medžiagomis, kuriose yra paramagnetinių dalelių. EPR pagrįsti metodai buvo plačiai pritaikyti laboratorinėje praktikoje. Su jų pagalba jie tiria cheminių ir biocheminių reakcijų kinetiką (žr. Biologinių procesų kinetika, Cheminė kinetika), laisvųjų radikalų vaidmenį gyvybiniuose organizmo procesuose normaliomis ir patologinėmis sąlygomis (žr. fotobiologinių procesų atsiradimas ir eiga (žr. Fotobiologija) ir kt.

EPR fenomeną atrado sovietų mokslininkas B. K. Zavoiskis 1944 m. Elektronų paramagnetinis rezonansas būdingas tik paramagnetinėms dalelėms, tai yra dalelėms, kurios gali būti įmagnetintos, kai jas veikia magnetinis laukas) su nekompensuotu elektroniniu magnetiniu momentu, kuris, savo ruožtu, yra dėl paties elektrono mechaninio momento - sukimosi. Elektronai turi ypatingą vidinį judėjimą, kurį galima palyginti su viršūnės sukimu aplink savo ašį. Susijęs kampinis momentas vadinamas sukimu. Dėl sukinio elektronas turi nuolatinį magnetinį momentą, nukreiptą priešais sukinį. Daugumoje molekulių elektronai išsidėstę orbitose taip, kad jų sukiniai būtų nukreipti priešingai, magnetiniai momentai kompensuojami, o EPR signalo iš jų stebėti negalima. Jei elektrono magnetinio lauko nekompensuoja kito elektrono sukimasis (tai yra, molekulėje yra nesuporuotų elektronų), tada įrašomas EPR signalas. Dalelės su neporiniais elektronais yra laisvieji radikalai, daugelio metalų (geležies, vario, mangano, kobalto, nikelio ir kt.) jonai, nemažai laisvųjų atomų (vandenilio, azoto, šarminių metalų ir kt.).

Nesant išorinio magnetinio lauko, elektrono magnetinio momento kryptis (orientacija) erdvėje gali būti bet kokia; tokio elektrono energija nepriklauso nuo jo magnetinio momento orientacijos. Remiantis kvantinės mechanikos dėsniais, išoriniame magnetiniame lauke elektrono magnetinio momento orientacija negali būti savavališka - ji gali būti nukreipta arba magnetinio lauko kryptimi, arba priešinga jam.

Pagal elektrono magnetinio momento orientaciją, jo energija magnetiniame lauke taip pat gali turėti tik dvi reikšmes: mažiausia E1 – kai magnetinis momentas orientuotas „išilgai lauko“ ir didžiausias E2 – kai jis orientuotas. "prieš lauką" ir šių būsenų energijų skirtumas (delta E ) apskaičiuojamas pagal formulę: ΔE = gβH, kur β yra Boro magnetonas (elektrono magnetinio momento matavimo vienetas), H yra magnetinio lauko stipris, g yra konstanta, priklausanti nuo paramagnetinės dalelės elektroninės struktūros. Jei nesuporuotų elektronų sistemą išoriniame magnetiniame lauke veikia elektromagnetinė spinduliuotė, kurios kvantinė energija lygi ΔE, tada, veikiant spinduliuotei, elektronai pradės pereiti iš mažesnės energijos būsenos į būseną su didesnė energija, kurią lydės medžiagos spinduliuotės sugertis.

EPR vadinamas radijo spektroskopijos metodais, nes elektromagnetinių bangų radijo dažnių diapazone esanti spinduliuotė naudojama elektronų paramagnetiniam rezonansui stebėti.

EPR registruojamas naudojant specialius instrumentus – radijo spektrometrus. Jie apima: elektromagnetą, radijo dažnio spinduliuotės šaltinį, spinduliuotės perdavimo liniją nuo šaltinio iki mėginio (bangų laidą), rezonatorių, kuriame yra tiriamas mėginys, signalo aptikimo, stiprinimo ir įrašymo sistemas. Labiausiai paplitę radijo spektrometrai, kuriuose naudojama elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 3,2 cm arba 8 mm.

EPR signalo registracija atliekama taip. Elektromagneto sukuriamo magnetinio lauko intensyvumas tam tikrose ribose kinta tiesiškai. Esant įtempimo vertėms, atitinkančioms rezonanso būklę, mėginys sugeria elektromagnetinės spinduliuotės energiją. Sugerties linija (EPR signalas) yra mėginio sugertos spinduliuotės galios priklausomybė nuo magnetinio lauko stiprumo. Esamuose radijo spektrometruose EPR signalas įrašomas kaip pirmoji sugerties linijos išvestinė.

EPR spektrams apibūdinti ir analizuoti naudojami keli parametrai, apibūdinantys linijos intensyvumą, jų plotį, formą ir padėtį magnetiniame lauke. EPR linijų intensyvumas, kai kiti dalykai yra vienodi, yra proporcingi paramagnetinių dalelių koncentracijai, todėl galima atlikti kiekybinę analizę.

Svarstant EPR reiškinį, reikia atsižvelgti į tai, kad nesuporuoto elektrono magnetinis momentas sąveikauja ne tik su elektromagneto magnetiniu lauku, bet ir su elektrono aplinkos sukurtais magnetiniais laukais: kitais nesuporuotais elektronais, magnetiniais branduoliais (žr. Branduolinis magnetinis rezonansas). Nesuporuotų elektronų sąveika su branduoliais dažnai sukelia EPR spektro padalijimą į keletą linijų. Tokių spektrų analizė leidžia nustatyti paramagnetinių dalelių prigimtį ir įvertinti jų tarpusavio sąveikos pobūdį ir laipsnį.

Paramagnetinių dalelių dalyvavimas cheminės reakcijos, molekulinis judėjimas ir kiti kinetiniai efektai taip pat turi įtakos EPR spektro formai. Todėl EPR naudojamas aptikti, kiekybiškai įvertinti ir identifikuoti paramagnetines daleles, tirti cheminių ir biocheminių reakcijų kinetiką bei molekulinę dinamiką.

Dėl savo universalumo EPR plačiai naudojamas įvairiose mokslo srityse. EPR naudojamas biologijoje ir medicinoje dėl jo buvimo ląstelėse, audiniuose ir biol. įvairių gamtoje esančių paramagnetinių centrų skysčiai. Naudojant EPR, laisvųjų radikalų buvimas buvo nustatytas beveik visuose gyvūnų ir augalų audiniuose. Laisvųjų radikalų šaltinis yra tokie junginiai kaip flavinai, kofermentas Q ir kitos medžiagos, kurios veikia kaip elektronų nešėjai energijos apykaitos reakcijose augalų ir gyvūnų ląstelėse; izoliuotuose audiniuose randami paramagnetiniai centrai daugiausia priklauso mitochondrijų, mikrosomų, chloroplastų elektronų pernešimo grandinėms (žr. Kvėpavimas). Nustatyta, kad laisvųjų radikalų kiekis audiniuose koreliuoja su jų metaboliniu aktyvumu. Daugybė darbų parodė laisvųjų radikalų skaičiaus pokyčius įvairiuose patologinės būklės, pavyzdžiui, su onkogeneze (žr.), radiacinės žalos išsivystymu (žr.), toksikoze (žr. Intoksikacija), kuri paaiškinama energijos apykaitos pažeidimu patologijoje (žr. „Bioenergetika“).

EPR pagalba gyvūnų ir augalų audiniuose nustatomi paramagnetiniai jonai (geležis, varis, manganas, kobaltas ir kt.), kurie yra dalis metaloproteinų, dalyvaujančių elektronų perdavimo reakcijose išilgai elektronų pernešimo grandinių ir fermentinėje katalizėje. kaip ir deguonį pernešančius pigmentus (hemoglobiną). Naudojant EPR, galima ištirti metalų jonų redoksinius virsmus ir jonų sąveikos su aplinka pobūdį, kas leidžia nustatyti smulkiąją metalų turinčių kompleksų struktūrą.

Dėl patologinių audinių pakitimų keičiasi metaloproteinų EPR signalai, kurie yra susiję su paramagnetinių metalų kompleksų irimu, paramagnetinių jonų aplinkos pokyčiais, jonų perėjimu į kitus kompleksus. Tačiau audinių paramagnetinių centrų, ypač laisvųjų radikalų, prigimties tyrimas yra susijęs su tam tikrais sunkumais dėl EPR spektrų iššifravimo sudėtingumo.

EPR pagalba pavyko ištirti fermentinių reakcijų mechanizmus (žr. Fermentai). Visų pirma, vienu metu galima ištirti tiek laisvųjų radikalų susidarymo ir vartojimo kinetiką fermentinių reakcijų metu, tiek metalų, kurie yra fermentų dalis, redokso virsmų kinetiką, o tai leidžia nustatyti fermento etapų seką. reakcija.

EPR naudojimas tiriant radiacinę žalą biol. objektai leidžia gauti informacijos apie biopolimeruose susidarančių radikalų prigimtį, apie radikalų reakcijų, kurios vystosi apšvitintuose objektuose ir sukelia biologinį poveikį, mechanizmus ir kinetiką. EPR metodas gali būti naudojamas avarinėje dozimetrijoje, pavyzdžiui, atsitiktinai apšvitinus žmones apšvitos dozei įvertinti, tam panaudojant objektus iš apšvitos zonos.

Svarbią vietą EPR užima tiriant fotobiologinius procesus, kuriuose dalyvauja laisvieji radikalai (žr. Molekulė, Laisvieji radikalai, Fotobiologija, Fotosensibilizacija). EPR naudojamas detaliai ištirti laisvųjų radikalų susidarymą baltymuose, nukleorūgštyse ir jų komponentuose veikiant ultravioletinei spinduliuotei bei šių radikalų vaidmeniui fotodegraduojant biopolimerus (žr. Šviesa). EPR naudojimas suteikė svarbios informacijos apie pirminius fotosintezės mechanizmus (žr. Įrodyta, kad pirminė fotosintezės reakcija yra elektrono perkėlimas iš šviesos sužadintos chlorofilo molekulės ir chlorofilo radikalo katijono susidarymas. Taip pat buvo nustatyta molekulių, kurios priima sužadintos chlorofilo molekulės padovanotą elektroną, prigimtis.

EPR taip pat naudojamas tiriant biologiškai svarbių makromolekulių ir biomembranų struktūrą. Pavyzdžiui, geležies jonai, kurie yra hemo dalis baltymuose, kuriuose yra hemo , sukimasis minimalus). Geležies jonų didelio sukimosi ir žemo sukimosi būsenų EPR signalų ypatybių hemoglobine ir jo dariniuose tyrimai padėjo suprasti hemoglobino molekulės erdvinę struktūrą.

Didelė pažanga tiriant biomembranų ir biopolimerų struktūrą buvo pasiekta po to, kai atsirado sukimosi zondo ir žymėjimo metodai (žr. Biologinės membranos). Kaip sukimosi etiketės ir zondai dažniausiai naudojami stabilūs nitroksido radikalai (žr. Laisvieji radikalai). Nitroksilo radikalas gali būti kovalentiškai susietas su molekulėmis (sukimosi etiketė) arba išlikti tiriamoje sistemoje dėl fizinės sąveikos (sukimosi zondas). Esmė slypi tame, kad nitroksido radikalų EPR spektro forma priklauso nuo mikroaplinkos savybių: klampumo, prigimties ir molekulinio judėjimo, vietinių magnetinių laukų ir kt. Sukimo žymės, kovalentiškai surištos su įvairiomis biopolimerų grupėmis, yra indikatorius. biopolimero struktūros būklės. Sukinių etikečių pagalba tiriama biopolimerų erdvinė struktūra, baltymų struktūriniai pokyčiai denatūruojant, formuojasi fermentų-substratų kompleksai, antigenas-antikūnas ir kt.

Sukimo zondų metodas taikomas tiriant lipidų pakavimo ir judrumo biomembranose būdus, lipidų ir baltymų sąveiką, struktūrinius perėjimus membranose, kuriuos sukelia įvairių medžiagų veikimas ir kt. Remiantis sukimosi etikečių ir zondų tyrimu, nustatymo metodai vaistai biol. skysčių, taip pat kryptingo narkotikų gabenimo klausimai ir kt.

Taigi, naudojant EPR, rodomas platus elektroninių procesų pasiskirstymas organizme normoje ir bet kokios patologijos atveju. EPR metodo teorijos sukūrimas ir technologijos tobulinimas sudarė kvantinės elektronikos, kaip mokslo šakos, pagrindą, paskatino sukurti molekulinius radijo bangų generatorius ir stiprintuvus (mazerius) bei šviesos lazerius (žr.), yra plačiai naudojami daugelyje šalies ekonomikos sričių.

Blumenfeldas L. A., Voevodskis V. V. ir Semenovas A. G. Elektronų paramagnetinio rezonanso taikymas chemijoje, Novosibirskas, 1962, bibliogr.; Wertz J. ir Bolton J. EPR metodo teorija ir praktiniai pritaikymai, vert. iš anglų kalbos M., 1975, bibliogr.; Ingram D. Elektronų paramagnetinis rezonansas biologijoje, trans. iš anglų kalbos M., 1972; Kalmansonas A. E. Elektronų paramagnetinio rezonanso metodo taikymas biochemijoje, knygoje: Usp. biol. chem., red. B. N. Stepanenko, t. 5, p. 289, M., 1963; Kuznecovas A. N. Sukimo zondo metodas. M., 1976; Lichtenšteinas G. I. Sukimo etikečių metodas molekulinėje biologijoje, M., 1974; „The Spin Label Method“, red. L. Berlineris, vert. iš anglų k., M., 1979; Laisvieji radikalai biologijoje, red. W. Pryoras, vert. iš anglų kalbos, 1 t., p. 88, 178, M., 1979 m.

K. N. Timofejevas.

Elektronų paramagnetinio rezonanso reiškinys

Jei paramagnetinis atomas yra įdėtas į magnetinį lauką, tada kiekvienas jo energijos lygis bus padalintas į sublygių skaičių, lygų $2J+1$ (galimų $m_J)$ skaičius. Intervalas tarp gretimų lygių yra lygus:

Jei tokios būsenos atomas patenka į elektromagnetinę bangą, kurios dažnis yra $\omega $, o tai tenkina sąlygą:

tada, veikiant bangos magnetiniam komponentui, pagal atrankos taisyklę įvyks atomo perėjimai tarp gretimų polygių, viename lygyje. Šis reiškinys vadinamas elektronų paramagnetiniu rezonansu (EPR). Pirmasis jį pastebėjo E. K.. Zavoisky 1944. Kadangi EPR yra susijęs su rezonansu, perėjimai atsiranda tik tam tikru krintančios bangos dažniu. Šį dažnį galima lengvai įvertinti naudojant (2) išraišką:

Su $g\approx 1$ ir tipine magnetinio lauko indukcija, naudojama laboratorijoje, gaunama $B\approx 1\T$, $\nu =(10)^(10)Hz$. Tai reiškia, kad dažniai yra lokalizuoti radijo diapazone (UHF).

Kai atsiranda rezonansas, energija iš lauko perduodama atomui. Be to, kai atomas pereina iš aukštų Zeemano sublygių į žemesnius, energija iš atomo perkeliama į lauką. Reikėtų pažymėti, kad šiluminės pusiausvyros atveju mažesnės energijos atomų skaičius yra didesnis nei didesnės energijos atomų skaičius. Tai reiškia, kad perėjimai, didinantys atomų energiją, vyrauja prieš perėjimus į mažesnės energijos pusę. Pasirodo, paramagnetas sugeria lauko energiją radijo diapazone ir tuo pačiu padidina jo temperatūrą.

Eksperimentai su elektronų paramagnetinio rezonanso reiškiniu leido, naudojant (2) išraišką, rasti vieną iš parametrų: $g,B\ arba\ (\omega )_(rez)$ iš likusių dydžių. Taigi, dideliu tikslumu išmatavus $B$ ir $(\omega )_(rez)$ rezonanso būsenoje, randamas Lande faktorius ir atomo magnetinis momentas būsenoje su J.

skysčiuose ir kietosios medžiagos atomai negali būti laikomi izoliuotais. Negalima nepaisyti jų sąveikos. Tai lemia tai, kad intervalai tarp gretimų polygių Zeeman skaidyme yra skirtingi, EPR linijos turi baigtinį plotį.

EPR

Taigi, elektronų paramagnetinio rezonanso reiškinys susideda iš mikrobangų radijo spinduliuotės sugerties paramagnetu dėl perėjimų tarp Zeeman skilimo sublygių. Šiuo atveju energijos lygių skilimą sukelia pastovaus magnetinio lauko poveikis medžiagos atomų magnetiniams momentams. Atomų magnetiniai momentai tokiame lauke yra orientuoti išilgai lauko. Tuo pačiu metu vyksta Zeeman energijos lygių padalijimas ir perskirstymas pagal pateiktus atomų lygius. Pasirodo, kad polygių užimtumas atomais yra skirtingas.

Termodinaminės pusiausvyros būsenoje vidutinį atomų skaičių ($\left\langle N\right\rangle $), gyvenančių tam tikrame polygyje, galima apskaičiuoti naudojant Boltzmanno formulę:

kur $\trikampis E_(mag)\sim mH$. Žemesnio magnetinio kvantinio skaičiaus ($m$) sublygiai turi daugiau atomų kaip mažesnės potencialios energijos būsenos. Tai reiškia, kad išilgai magnetinio lauko yra vyraujanti atomų magnetinių momentų orientacija, kuri atitinka paramagneto įmagnetintą būseną. Kai paramagnetui taikomas kintamasis magnetinis laukas, kurio dažnis lygus perėjimo tarp Zeeman skilimo polygių dažniui (kartui), atsiranda elektromagnetinių bangų rezonansinė sugertis. Tai sukelia perteklinis perėjimų skaičius, susijęs su magnetinio kvantinio skaičiaus padidėjimu vienu:

per daug perėjimų, tokių kaip:

Taigi, dėl kintamo magnetinio lauko energijos rezonansinės absorbcijos atomai pereis iš žemesnių, labiau užpildytų lygių į viršutinius lygius. Absorbcija yra proporcinga sugeriančių atomų skaičiui tūrio vienete.

Jei medžiaga sudaryta iš atomų, kurių vienas valentinis elektronas yra s būsenoje, kurių bendras magnetinis momentas lygus s-elektrono sukinio magnetiniam momentui, tada EPR yra efektyviausias.

Elektromagnetinių bangų rezonansinė absorbcija laidumo elektronais metaluose yra laikoma ypatingu paramagnetiniu rezonansu. Jis susijęs su elektronų sukimu ir elektronų dujų sukimosi paramagnetizmu tokioje medžiagoje. Feromagnetuose feromagnetinis rezonansas yra izoliuotas, kuris yra susijęs su elektroninių momentų perorientavimu domenuose arba tarp jų.

Radiospektroskopai naudojami elektronų paramagnetiniam rezonansui tirti. Tokiuose įrenginiuose dažnis ($\omega $) išlieka nepakitęs. Pakeiskite magnetinio lauko (B) indukciją, kuri sukuria elektromagnetą (1 pav.).

1 pav. Elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR). Autorius24 – internetinis keitimasis studentų darbais

Mažas mėginys A dedamas į ertminį rezonatorių R, ​​kuris sureguliuotas iki maždaug 3 cm bangos ilgio. Tokio bangos ilgio radijo bangas generuoja generatorius G. Šios bangos per bangolaidį V tiekiamos į rezonatorių. Dalį bangų sugeria mėginys A, dalis per bangolaidį patenka į detektorių D. Eksperimento metu atliekamas sklandus magnetinio lauko indukcijos (B) pokytis, kurį sukuria elektromagnetas. Kai indukcijos dydis tenkina rezonanso atsiradimo sąlygą (2), mėginys pradeda intensyviai sugerti bangą.

1 pastaba

EPR yra vienas iš paprasčiausių radiospektroskopijos metodų.

Pavyzdžiai

1 pavyzdys

Pratimas: Koks yra $Ni$ atomo magnetinis momentas esant $(()^3F)_4$ būsenai, jei energijos rezonansinė absorbcija vyksta veikiant pastoviam laukui su magnetine indukcija $B_0$ ir kintamam magnetiniam laukui su indukcija $B_0$ statmenai pastoviam laukui. Kintamojo lauko dažnis yra $\nu$.

Sprendimas:

Kaip žinoma, rezonanso būsenoje įvykdoma lygybė:

\[\hbar \omega =h\nu =\delta E=(\mu )_bgB\left(1.1\right).\]

Iš (1.1) formulės randame Lande koeficientą:

Tam tikrai būsenai ($(()^3F)_4$) turime: $L=3$, $S=1$, $J=4$. Magnetinis momentas nustatomas pagal išraišką:

\[\mu =(\mu )_bg\sqrt(J(J+1))=\frac(h\nu )(B_0,\ )\sqrt(20).\]

Atsakymas: $\mu =\frac(h\nu )(B_0,\ )\sqrt(20).$

2 pavyzdys

Pratimas: Kokios naudingos informacijos galima gauti tiriant elektronų paramagnetinį rezonansą?

Sprendimas:

Empiriškai gavus rezonansą iš rezonanso sąlygų, galima rasti vieną iš dydžių: Lande faktorius ($g$), magnetinio lauko indukcija rezonansinės energijos sugerties atomo sąlygomis (B), rezonansinis dažnis ( $(\omega )_(rez)$). Be to, B ir $(\omega )_(rez)$ galima išmatuoti labai tiksliai. Vadinasi, EPR leidžia dideliu tikslumu gauti $g\$ reikšmę ir atitinkamai atomo magnetinį momentą būsenai, kurios kvantinis skaičius $J$. Kvantinio skaičiaus S reikšmė nustatoma iš spektrų daugybos. Jei žinomi $g,\J,\S$, tai nesunku apskaičiuoti $L$. Pasirodo, visi atomo kvantiniai skaičiai ir atomo sukimosi orbitos bei bendrieji magnetiniai momentai tampa žinomi.