Elektronu paramagnētiskā rezonanse plazmā. Elektronu paramagnētiskā rezonanse (EPR)

AS "ASTĀNAS MEDICĪNAS UNIVERSITĀTE"

Informātikas un matemātikas katedra ar medicīniskās biofizikas kursu

abstrakts

Saskaņā ar medicīnisko biofiziku

Tēma "Kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) un elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) izmantošana medicīniskajos pētījumos"

Studenta paveiktais darbs:

Vispārējās medicīnas, zobārstniecības un farmācijas fakultāte

Darbs pārbaudīts:

I Ievads.

II galvenā daļa. EPR un KMR: fizikālā būtība un procesi, kas ir šo parādību pamatā, pielietojums biomedicīnas pētījumos.

1) Elektronu paramagnētiskā rezonanse.

a) EPR fiziskā būtība.

b) Enerģijas līmeņu sadalīšana. Zēmana efekts.

c) Elektroniskā sadalīšana. Supersmalka sadalīšana.

d) EPR spektrometri: ierīce un darbības princips.

e) Spin zondes metode.

f) EPR spektru pielietojums biomedicīnas pētījumos.

2) Kodolmagnētiskā rezonanse.

a) KMR fiziskā būtība.

b) KMR spektri.

c) KMR izmantošana biomedicīnas pētījumos: KMR introskopija (magnētiskās rezonanses attēlveidošana).

III Secinājums. Medicīnisko pētījumu metožu vērtība, pamatojoties uz EPR un KMR.

es . Ievads.

Magnētiskajā laukā novietotam atomam spontānas pārejas starp viena līmeņa apakšlīmeņiem ir maz ticamas. Tomēr šādas pārejas tiek izraisītas ārējas elektriskās strāvas ietekmē magnētiskais lauks. Nepieciešams nosacījums ir elektromagnētiskā lauka frekvences sakritība ar fotona frekvenci, kas atbilst enerģijas starpībai starp sadalītajiem apakšlīmeņiem. Šajā gadījumā var novērot elektromagnētiskā lauka enerģijas absorbciju, ko sauc par magnētisko rezonansi. Atkarībā no daļiņu veida - magnētiskā momenta nesēji - ir elektronu paramagnētiskā rezonanse (EPR) un kodolmagnētiskā rezonanse (KMR).

II. Galvenā daļa. EPR un KMR: fizikālā būtība un procesi, kas ir šo parādību pamatā, pielietojums biomedicīnas pētījumos.

1. Elektronu paramagnētiskā rezonanse. Elektronu paramagnētiskā rezonanse (EPR) ir elektromagnētiskās enerģijas rezonanses absorbcija centimetru vai milimetru viļņu garuma diapazonā ar vielām, kas satur paramagnētiskas daļiņas. EPR ir viena no radiospektroskopijas metodēm. Vielu sauc par paramagnētisku, ja tai nav makroskopiska magnētiskā momenta, ja nav ārēja magnētiskā lauka, bet tā iegūst pēc lauka pielietošanas, savukārt momenta lielums ir atkarīgs no lauka, un pats moments ir vērsts. tajā pašā virzienā kā lauks. No mikroskopiskā viedokļa vielas paramagnētisms ir saistīts ar faktu, ka atomiem, joniem vai molekulām, kas veido šo vielu, ir pastāvīgi magnētiskie momenti, kas ir nejauši orientēti viens pret otru, ja nav ārēja magnētiskā lauka. Pastāvīga magnētiskā lauka pielietošana noved pie virzītas to orientācijas maiņas, izraisot kopējā (makroskopiskā) magnētiskā momenta parādīšanos.

EPR atklāja E. K. Zavoiskis 1944. gadā. Sākot ar 1922. gadu, vairākos rakstos tika izteikti apsvērumi par EPR pastāvēšanas iespējamību. Mēģinājumu eksperimentāli noteikt EPR 20. gadsimta 30. gadu vidū veica holandiešu fiziķis K. Gorters. Tomēr EPR tika novērots, tikai pateicoties Zavoiski izstrādātajām radiospektroskopiskajām metodēm. EPR ir īpašs magnētiskās rezonanses gadījums.

EPR fiziskā būtība. Elektronu paramagnētiskās rezonanses fenomena būtība ir šāda. Ja brīvo radikāli ar radušos leņķisko impulsu J ievietojam magnētiskajā laukā ar stiprumu B 0, tad J, kas atšķiras no nulles, magnētiskajā laukā tiek noņemta deģenerācija un mijiedarbības ar magnētisko lauku rezultātā 2J + 1. rodas līmeņi, kuru atrašanās vietu raksturo izteiksme: W = gβB 0 M, (kur М=+J, +J-1, …-J) un nosaka magnētiskā lauka Zēmana mijiedarbība ar magnētisko momentu. Dž.

Ja tagad paramagnētiskajam centram tiek pielietots elektromagnētiskais lauks ar frekvenci ν, kas polarizēts plaknē, kas ir perpendikulāra magnētiskā lauka vektoram B 0 , tad tas izraisīs magnētiskā dipola pārejas, kas pakļaujas atlases noteikumam ΔM=1. Kad elektroniskās pārejas enerģija sakrīt ar elektromagnētiskā viļņa fotona enerģiju, notiks mikroviļņu starojuma rezonanses absorbcija. Tādējādi rezonanses nosacījumu nosaka fundamentālā magnētiskās rezonanses sakarība hν = gβB 0 .

Enerģijas līmeņu sadalīšana. Zēmana efekts. Ja nav ārēja magnētiskā lauka, elektronu magnētiskie momenti ir nejauši orientēti, un to enerģija praktiski neatšķiras viens no otra (E 0). Kad tiek pielietots ārējs magnētiskais lauks, elektronu magnētiskie momenti tiek orientēti laukā atkarībā no griešanās magnētiskā momenta lieluma, un to enerģijas līmenis tiek sadalīts divās daļās. Elektrona magnētiskā momenta mijiedarbības enerģiju ar magnētisko lauku izsaka ar vienādojumu:

, ir elektrona magnētiskais moments, H ir magnētiskā lauka stiprums. No proporcionalitātes vienādojuma izriet, ka ,

un elektrona mijiedarbības enerģija ar ārējo magnētisko lauku būs

.

Šis vienādojums apraksta Zēmana efektu, ko var izteikt ar šādiem vārdiem: magnētiskajā laukā novietoto elektronu enerģijas līmeņi šajā laukā sadalās atkarībā no spina magnētiskā momenta lieluma un magnētiskā lauka intensitātes.

Elektroniskā sadalīšana. Supersmalka sadalīšana. Lielākā daļa lietojumu, tostarp biomedicīnas, ir balstīti uz līniju grupas (ne tikai singlu) analīzi EPR absorbcijas spektrā. Tuvu līniju grupas klātbūtni EPR spektrā nosacīti sauc par sadalīšanu. Ir divi raksturīgi EPR spektra sadalīšanas veidi. Pirmā – elektroniskā šķelšanās – notiek, ja molekulā vai atomā ir nevis viens, bet vairāki elektroni, kas izraisa EPR. Otrā, hipersmalkā šķelšanās, tiek novērota elektronu mijiedarbībā ar kodola magnētisko momentu. Saskaņā ar klasiskajiem jēdzieniem elektronam, kas cirkulē ap kodolu, tāpat kā jebkurai lādētai daļiņai, kas pārvietojas pa apļveida orbītu, ir dipola magnētiskais moments. Tāpat kvantu mehānikā elektrona orbitālais leņķiskais impulss rada noteiktu magnētisko momentu. Šī magnētiskā momenta mijiedarbība ar kodola magnētisko momentu (sakarā ar kodola spinu) noved pie hipersmalkas šķelšanās (t.i., izveido hipersmalku struktūru). Tomēr elektronam ir arī spins, kas veicina tā magnētisko momentu. Tāpēc pat terminiem ar nulles orbitālo leņķisko impulsu pastāv īpaši smalka dalīšana. Attālums starp hipersīkās struktūras apakšlīmeņiem ir 1000 reižu mazāks pēc lieluma nekā starp smalkās struktūras līmeņiem (šī lieluma secība būtībā ir saistīta ar elektrona masas attiecību pret kodola masu).

EPR spektrometri: ierīce un darbības princips. EPR radiospektrometra ierīce daudzējādā ziņā atgādina spektrofotometra ierīci optiskās absorbcijas mērīšanai spektra redzamajā un ultravioletajā daļā. Radiospektrometra starojuma avots ir klistrons, kas ir radiolampa, kas rada monohromatisku starojumu centimetru viļņu diapazonā. Spektrofotometra apertūra radiospektrometrā atbilst vājinātājam, kas ļauj dozēt paraugam krītošo jaudu. Kivete ar paraugu radiospektrometrā atrodas īpašā vienībā, ko sauc par rezonatoru. Rezonators ir paralēlskaldnis ar cilindrisku vai taisnstūrveida dobumu, kurā atrodas absorbējošais paraugs. Rezonatora izmēri ir tādi, ka tajā veidojas stāvvilnis. Trūkstošais elements optiskajā spektrometrā ir elektromagnēts, kas rada pastāvīgu magnētisko lauku, kas nepieciešams elektronu enerģijas līmeņu sadalīšanai. Starojums, kas izgājis cauri izmērītajam paraugam, radiospektrometrā un spektrofotometrā, nonāk detektorā, pēc tam detektora signāls tiek pastiprināts un ierakstīts ierakstītājā vai datorā. Jāatzīmē vēl viena radiospektrometra atšķirība. Tas ir saistīts ar faktu, ka radio diapazona starojums tiek pārraidīts no avota uz paraugu un pēc tam uz detektoru, izmantojot īpašas taisnstūrveida caurules, ko sauc par viļņvadiem. Viļņvadu šķērsgriezuma izmērus nosaka pārraidītā starojuma viļņa garums. Šī radio emisijas pārraides pa viļņvadiem iezīme nosaka to, ka EPR spektra ierakstīšanai radiospektrometrā tiek izmantota nemainīga starojuma frekvence, un rezonanses stāvoklis tiek panākts, mainot magnētiskā lauka lielumu. Vēl viena svarīga radiospektrometra iezīme ir signāla pastiprināšana, modulējot to ar augstfrekvences mainīgu lauku. Signāla modulācijas rezultātā tas tiek diferencēts un absorbcijas līnija tiek pārveidota par tās pirmo atvasinājumu, kas ir EPR signāls.

Spin zondes metode. Spin zondes ir atsevišķas paramagnētiskas ķīmiskas vielas, ko izmanto dažādu molekulāro sistēmu pētīšanai, izmantojot EPR spektroskopiju. Šo savienojumu EPR spektra izmaiņu raksturs ļauj iegūt unikālu informāciju par makromolekulu mijiedarbību un dinamiku un par dažādu molekulāro sistēmu īpašībām. Šī ir metode molekulu mobilitātes un dažādu strukturālo transformāciju izpētei kondensētā vidē, izmantojot pētāmajai vielai pievienoto stabilo radikāļu (zondes) elektronu paramagnētiskās rezonanses spektrus. Ja stabili radikāļi ir ķīmiski saistīti ar pētāmās vides daļiņām, tos sauc par etiķetēm un runā par spin (vai paramagnētisko) etiķešu metodi. Kā zondes un etiķetes galvenokārt tiek izmantoti nitroksīdu radikāļi, kas ir stabili plašā temperatūras diapazonā (līdz 100-200○C), spēj iesaistīties ķīmiskās reakcijās, nezaudējot paramagnētiskās īpašības, labi šķīst ūdenī un organiskā vidē. plašsaziņas līdzekļi. EPR metodes augstā jutība ļauj ievadīt zondes (šķidruma vai tvaika stāvoklī) nelielos daudzumos - no 0,001 līdz 0,01% no svara, kas neizraisa pētāmo objektu īpašību izmaiņas. Spin zondes un etiķešu metodi īpaši plaši izmanto sintētisko polimēru un bioloģisko objektu pētījumos. Šajā gadījumā ir iespējams pētīt polimēru mazmolekulāro daļiņu dinamikas vispārējās likumsakarības, kad spinzondes modelē dažādu piedevu (plastifikatoru, krāsvielu, stabilizatoru, iniciatoru) uzvedību; saņemt informāciju par molekulārās mobilitātes izmaiņām ķīmiskās modifikācijas un strukturālo un fizisko transformāciju (novecošanās, strukturēšanās, plastifikācijas, deformācijas) laikā; izpētīt binārās un daudzkomponentu sistēmas (kopolimēri, pildīti un plastificēti polimēri, kompozītmateriāli); pētīt polimēru šķīdumus, jo īpaši šķīdinātāja un temperatūras ietekmi uz to uzvedību; noteikt enzīmu, struktūras un telpu rotācijas mobilitāti. grupu izvietojums enzīma aktīvajā centrā, olbaltumvielu konformācija dažādās ietekmēs, fermentatīvās katalīzes ātrums; pētīt membrānas preparātus (piemēram, noteikt mikroviskozitāti un lipīdu sakārtotības pakāpi membrānā, pētīt lipīdu-olbaltumvielu mijiedarbību, membrānas saplūšanu); pētīt šķidro kristālu sistēmas (kārtības pakāpi molekulu izkārtojumā, fāzu pārejas), DNS, RNS, polinukleotīdus (strukturālās transformācijas temperatūras un vides ietekmē, DNS mijiedarbību ar ligandiem un interkalācijas savienojumiem). Metode tiek izmantota arī dažādās medicīnas jomās, lai pētītu darbības mehānismu. zāles, dažādu slimību šūnu un audu izmaiņu analīze, toksisko un bioloģiski aktīvo vielu zemas koncentrācijas noteikšana organismā, vīrusu darbības mehānismu izpēte.

EPR metode ir ieguvusi lielu nozīmi ķīmijā, fizikā, bioloģijā un medicīnā, jo tā ļauj noteikt organisko un neorganisko brīvo radikāļu struktūras un koncentrācijas. Var izveidoties brīvie radikāļi ķīmiskā metode, fotoķīmiski vai ar augstas enerģijas starojumu.

EPR spektru dod brīvie radikāļi, molekulas ar nepāra elektronu skaitu, organisko molekulu tripleta stāvokļi, paramagnētiskie pārejas metālu joni un to kompleksi.

EPR metodi bioloģiskajos pētījumos sāka izmantot pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados. Pateicoties tās diezgan augstajai jutībai un spējai noteikt paramagnētisko daļiņu raksturu, šī metode ir atklājusi plašs pielietojums izpētīt dažādus bioloģiskos procesus.

Papildus brīvo radikāļu signāliem audos tiek novēroti vairāki metālu signāli (Fe, Cu, Mn, Ni, Co). Šie metāli ir daļa no metaloproteīniem, kas iesaistīti vairākos fermentatīvos procesos. Dzelzi saturoši proteīni (citohromi, ferredoksīni) ir elektronu transporta ķēžu sastāvdaļas mitohondrijās un hloroplastos.

Ar EPR metodi ir pētītas vairākas fermentatīvās sistēmas un atrasti substrātu brīvo radikāļu produkti. Vairākos gadījumos izrādījās iespējams novērot enzīma aktīvajā centrā iekļauto metālu jonu redokstransformācijas.

EPR spektroskopija tiek plaši izmantota fotosintēzes pētījumos: tiek pētīts primāro lādiņu atdalīšanas posmu mehānisms reakcijas centros un elektrona tālākā pārnese pa elektronu transporta ķēdi.

Papildus to reakciju mehānismu izpētei, kas notiek ar paramagnētisko daļiņu piedalīšanos, EPR metodi plaši izmanto arī makromolekulu un biomembrānu strukturālo un dinamisko īpašību pētīšanai.

Pēdējā laikā bioloģisko un polimēru sistēmu pētīšanai bieži tiek izmantotas "paramagnētiskās zondes", "griešanās etiķešu" un "griešanās slazdu" metodes. Visi no tiem ir balstīti uz dažādu struktūru stabilu slāpekļskābes radikāļu izmantošanu, pareizāk sakot, uz EPR spektru līnijas platuma izmaiņu analīzi, ko izraisa šo radikāļu rotācijas un translācijas difūzija.

Centrifugēšanas etiķetes un zondes metodes galvenā ideja ir piestiprināt pie viena vai otra funkcionālā grupa brīvo radikāļu proteīnu un pētot tā EPR signālu īpašības. Visērtākie šajā ziņā ir nitroksila radikāļi, kas satur brīvo radikāļu grupu:

kur R1 un R2 ir dažādas ķīmiskās grupas.

Spin etiķetes metode sastāv no tā, ka stabils radikālis ir piesaistīts neparamagnētiskai molekulai ar kovalentu vai kādu citu saiti tā, ka brīvā valence netiek ietekmēta. Kustības raksturs skaidri izpaužas spektra formā un kalpo kā svarīgs informācijas avots par sākotnējo molekulu.

Ja molekula ir iestrādāta proteīna molekula un to tur notur elektrostatiskie spēki vai hidrofobā mijiedarbība, tad šādu molekulu sauc spin zonde. Metode ir balstīta uz zondes radikāļu rotācijas un translācijas mobilitātes izpēti ūdens vai organiskā vidē vai polimēra matricā. Radikāla mobilitāte ir atkarīga no apkārtējās vides molekulu mobilitātes, tāpēc radikāls ir sava veida molekulārais sensors strukturālai un dinamiskai informācijai par vietējo vidi.

Centrifugēšanas etiķetes vai zondes radītā EPR signāla forma ir atkarīga no nitroksi radikāļa mikrovides un, pirmkārt, no grupas, kurā tas ir iekļauts, rotācijas mobilitātes.

Galvenais vērpšanas etiķešu un zondu trūkums ir tāds, ka, lai gan šīs molekulas ir mazas, kad tās ir iekļautas lipīdu divslānī, tās nedaudz maina tā īpašības.

Metodes pamatā "griešanās slazdi" ir pētāmajā sistēmā speciāli ievadītas neparamagnētiskas molekulas (slazda) reakcija ar īslaicīgu radikāli, kā rezultātā veidojas stabils radikālis. Iegūtā stabilā radikāļa kinētiskā uzvedība un tā struktūra sniedz informāciju par procesu kinētiku un mehānismu pētāmajā sistēmā.

Pētījumu objekti ķīmijā, izmantojot EPR spektroskopiju, ir: 1) brīvie radikāļi organisko reakciju starpproduktos; 2) reakcijas kinētika; 3) virsmas parādību ķīmija; 4) iznīcināšana apstarošanas rezultātā; 5) polimerizācija brīvo radikāļu ietekmē; 6) zemā temperatūrā sasaluši brīvie radikāļi; 7) mainīgas valences metāli un to kompleksi.

EPR metode sniedz vērtīgu ieguldījumu ķīmisko reakciju kinētikas un mehānismu izpētē. Pirmkārt, līnijas platuma mērījumus EPR spektros var izmantot, lai noteiktu ātruma konstantes procesiem, kuros iesaistītas paramagnētiskās daļiņas, kuru raksturīgais kalpošanas laiks ir diapazonā no 10 -5 -10 -10 s. Otrkārt, EPR metode ļauj ierakstīt ar augstu jutību dažādi apstākļi paramagnētiskās daļiņas, kas sniedz vērtīgu informāciju par reakcijas mehānismiem. Treškārt, EPR spektrometru var izmantot kā analītisku ierīci reaģējošo paramagnētisko molekulu koncentrācijas noteikšanai reakciju gaitā. Paramagnētisko centru skaits paraugā ir proporcionāls laukumam zem absorbcijas spektra.

EPR metodi plaši izmanto, lai pētītu ātrus procesus, kas saistīti ar izmaiņām radikāļu molekulārajā struktūrā. Šie procesi ietver traucētu rotāciju un konformācijas pārejas.

Īslaicīgiem radikāļiem metodes jutīgumu var palielināt, izmantojot plūsmas sistēmu vai nepārtrauktu apstarošanu. Nestabilu radikāļu EPR spektrus var iegūt, fiksējot tos glāzēs, sasalušu cēlgāzu matricās vai kristālos.

Intervijas jautājumi

1. Metodes teorētiskie pamati.

2. EPR spektra analītiskie parametri.

3. EPR spektrometri.

4. EPR piemērošana.

Pārbaudes uzdevumi

1. Rezonanses nosacījums EPR metodē:

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 notiek rezonanses brīdī EPR metodē:

a) starojuma kvanti tiek absorbēti, spina pārorientācija nenotiek;

b) tiek absorbēti starojuma kvanti un tiek pārorientēti spini, t.i. pāreja no zemākas enerģijas stāvokļa uz augšējo un otrādi. Pāreju skaits no apakšas uz augšu ir lielāks nekā pāreju skaits no augšas uz leju.

c) tiek absorbēti starojuma kvanti un tiek pārorientēti spini, t.i. pāreja no zemākas enerģijas stāvokļa uz augšējo un otrādi. Pāreju skaits no augšas uz leju ir lielāks nekā pāreju skaits no apakšas uz augšu.

3. EPR spektru parametri:

a) g koeficients, absorbcijas joslas platums, absorbcijas līnijas intensitāte;

b) kopējais signālu skaits, signāla intensitāte, ķīmiskā nobīde, signāla daudzveidība;

c) g-faktors, absorbcijas joslas platums, absorbcijas līnijas intensitāte, HFS EPR spektri.

MASU SPEKROMETRIJA

Šī metode būtiski atšķiras no spektroskopiskajām metodēm. Masu spektrometrijas metodes ir balstītas uz vielas jonizāciju, jonu atdalīšanu atbilstoši attiecībai ( m/z), un iegūto fragmentu masas reģistrāciju.

Masu spektrometrijas teorētiskos un eksperimentālos pamatus lika D.D. Tomsons, kurš pirmo reizi 1912. gadā radīja ierīci pozitīvo jonu masas spektra iegūšanai. Tomēr viņa ierīcei bija zema izšķirtspēja. Viņa skolnieks F. Astons 1918. gadā ievērojami palielināja izšķirtspēju un pirmo reizi savā ierīcē atklāja elementu izotopus. Gandrīz vienlaikus ar F. Astonu Čikāgā A. Dempsters uzbūvēja pirmo masas spektrometru, kurā kā analizators kalpoja šķērsvirziena magnētiskais lauks un tika mērītas jonu strāvas. elektriskās metodes. Tās shēma tiek izmantota arī mūsdienu ierīcēs.

Molekulu jonizācija jāveic tādos apstākļos, kādos izveidotais jons neatkarīgi no jonizācijas metodes netiktu pakļauts sadursmei ar citām molekulām vai joniem. Tas ir nepieciešams, lai noteiktu saistību starp jona un molekulas īpašībām.

Jonizācijas metodes

Jonizāciju var veikt ar dažādām metodēm.

1. Elektronu triecienjonizācijas (EI) metode.

Šī ir visizplatītākā jonu iegūšanas metode jonu avotu vienkāršības un pieejamības un augstās efektivitātes dēļ. Pieņemsim, ka caur vielas tvaikiem iet elektronu plūsma, kuras enerģiju var pakāpeniski palielināt. Ja šī enerģija sasniedz noteiktu līmeni, tad, elektronam saduroties ar molekulu, elektronu no tās var “izsist”, veidojot molekulāro jonu:

poliatomu molekulas molekulārais jons (radikāla katjons)

Zemākā bombardējošo elektronu enerģija, pie kuras tiek saukta jona veidošanās no dotās molekulas matērijas jonizācijas enerģija. Jonizācijas enerģija ir stipruma mērs, ar kādu molekula vismazāk tur ar to saistīto elektronu. Organiskajām molekulām jonizācijas enerģija ir 9 ÷ 12 eV.

Ja elektronu enerģija ievērojami pārsniedz jonizācijas enerģiju, tad iegūtais molekulārais jons saņem lieko enerģiju, kas var būt pietiekama, lai tajā sarautu saites. Molekulārais jons sadalās mazākas masas daļiņās (fragmentos). Tādu procesu sauc sadrumstalotība . Masu spektrometrijas praksē tiek izmantoti elektroni ar enerģiju 30÷100 eV, kas nodrošina molekulārā jona fragmentāciju.

Molekulārie joni Tie ir joni, kuru masa ir vienāda ar jonizētās molekulas masu. Diemžēl nav tiešu metožu jonu struktūras noteikšanai. Tāpēc bieži tiek izmantots pieņēmums par molekulārā jona (M +) un neitrālās molekulas (M) struktūras identitāti. Molekulāro jonu veidošanās varbūtība ir lielāka vienkāršām, mazām molekulām. Palielinoties atomu skaitam molekulā, palielinās molekulāro jonu sadrumstalotības varbūtība.

Ir divi galvenie molekulāro jonu fragmentācijas veidi - disociācija un pārkārtošanās.

Disociācija- molekulārā jona sabrukšana, saglabājot saišu secību. Procesa rezultātā veidojas katjons un radikālis:

Ogļūdeņražu disociācijas rezultātā veidojas fragmenti ar nepāra m/z attiecību.

pārgrupēšana kopā ar saišu secības izmaiņām, kā rezultātā veidojas jauns mazākas masas radikāļu katjons un neitrāla, stabila molekula (H 2 O, CO, CO 2 utt.):

Ogļūdeņražu un skābekli saturošu savienojumu pārkārtošanās rezultātā veidojas fragments ar vienmērīgu m/z attiecību. Iegūto fragmentu masas un to relatīvā daudzuma mērīšana sniedz vērtīgu informāciju par organisko savienojumu struktūru.

Apskatīsim masas spektrometra ierīci (1. att.). Masas spektrometram jāsatur sastāvdaļas, lai veiktu šādas funkcijas: 1) parauga jonizācija, 2) jonu paātrināšana. elektriskais lauks, 3) jonu sadalījums pēc attiecības m/z, 4) jonu noteikšana ar atbilstošo elektrisko signālu.

1. att. Masas spektrometra ierīce

1 - elektronu avots; 2 - jonizācijas kamera; 3 - paātrinājuma plāksnes (negatīvs potenciāls); 4 - magnēts; 5 - sprauga;

6 - jonu savācējs (jonu detektors)

Lai iegūtu masu spektru, vielu tvaiki tiek ievadīti jonizācijas kamerā nelielos daudzumos, izmantojot īpašu uzpūšanās sistēmu. (2) , kur tiek uzturēts dziļš vakuums (spiediens 10 -6 mm Hg). Vielas molekulas bombardē elektronu plūsma, ko izstaro karstais katods (1). Iegūtie joni ar nelielu potenciālu starpību tiek izspiesti no jonizācijas kameras (3). Iegūtā jonu plūsma tiek paātrināta, fokusēta ar spēcīgu elektrisko lauku un nonāk magnētiskajā laukā. (4).

Vielas molekulu bombardēšanas ar elektroniem rezultātā veidojas daļiņas, kurām ir pozitīvs vai negatīvs lādiņš, kā arī neitrālas daļiņas. Kad daļiņu plūsma iet cauri magnētiskajam laukam, neitrālās daļiņas nemaina virzienu, bet pozitīvās un negatīvās daļiņas tiek novirzītas dažādos virzienos. Jonu novirze ir proporcionāla to lādiņam un apgriezti proporcionāla to masai.

Katrs atsevišķais jons, ko raksturo noteikta m/z vērtība, pārvietojas pa savu trajektoriju noteiktā magnētiskā lauka intensitātē. Masas skenēšanas intervālu var mainīt, mainot magnētiskā lauka stiprumu vai elektriskā lauka potenciālu.

Parastajā masas spektrometrijā ir pieņemts reģistrēt tikai daļiņas, kurām ir pozitīvs lādiņš, jo. kad molekulas tiek bombardētas ar elektroniem, parasti ir vairāk pozitīvi lādētu jonu nekā negatīvi lādētu. Ja nepieciešams pētīt negatīvi lādētus jonus, jāmaina paātrinājuma potenciāla zīme (paātrinājuma plāksnes).

Ja pie jonu izejas no magnētiskā lauka ir uzstādīta ierakstīšanas ierīce, tad daļiņas, kas atšķiras pēc m/z vērtībām, dos atsevišķus signālus. Signāla intensitāte būs proporcionāla daļiņu skaitam ar noteiktu m/z vērtību. Signālu intensitāti definē kā to augstumu, kas izteikts mm. Pīķa augstums ar maksimālo intensitāti tiek ņemts par 100% (bāzes maksimums), atlikušo pīķu intensitāti pārrēķina proporcionāli un izsaka procentos.

Palielinoties m/z attiecībai, daļiņu, kas atšķiras par vienu atommasas vienību, novirzes starpība ar magnētisko lauku samazinās. Šajā sakarā svarīga masas spektrometru īpašība ir to izšķirtspēja (R) , kas nosaka maksimālo to jonu masu, kas atšķiras par vienu atommasas vienību (kuriem instruments maksimumus atdala vismaz par 90%):

kur M ir maksimālā masa, kurai pīķu pārklāšanās ir mazāka par 10 %; ΔM ir viena atomu masas vienība.

Standarta ierīcēm ir R ≈ 5000/1, bet ierīcēm ar dubultu jonu plūsmas fokusēšanu R ≈ 10000/1 un pat vairāk. Šādas ierīces spēj uztvert jonu molekulmasas atšķirību līdz 0,0001. Divkāršā fokusa masas spektrometrs var viegli atdalīt jonu virsotnes ar vienādām nominālajām molekulmasām, bet atšķirīgu elementu sastāvu. Piemēram, tas var atšķirt N 2 (28,0061), CO (27,9949) un C 2 H 4 (28,0313).

Empīriskas formulas izveidošana no masu spektra datiem nav viegls uzdevums, taču to var atrisināt, izmantojot piemērotu algoritmu. Lai iegūtu masu spektru, nepieciešams niecīgs vielas daudzums - apmēram 1 μg.

2. Ķīmiskā jonizācija (CI).

Izmantojot šo metodi, paraugu pirms apstarošanas ar elektronu staru atšķaida ar lielu "reaģenta gāzes" pārpalikumu. Primārās jonizējošās sadursmes starp elektroniem un parauga molekulām varbūtība tad ir tik maza, ka primārie joni veidojas gandrīz tikai no reaģentu molekulām. Kā reaģentus parasti izmanto zemas molekulmasas gāzes, piemēram, CH 4 , ISO-C 4 H 10 , NH 3 un inertās gāzes (Ar, He). Sekundārie joni veidojas ūdeņraža atoma vai elektrona pārneses rezultātā.

Ja reaģenta gāze ir metāns, tad reakcijas notiek šādā secībā:

CH 4 + ē → CH 4 + + 2ē

CH 4 + + ē → CH 3 + + H + + 2ē

CH 4 + + CH4 → CH5 + +CH3

CH 3 + + CH4 → C2H5 + +H2

R-CH3 + CH5 + → R-CH4 + +CH4

kur R-CH3 ir testējamās vielas molekula.

Pētījumi ir parādījuši, ka CH 5 daļiņas + un C2H5 + kopā tie veido aptuveni 90% no šajā sistēmā esošajiem joniem. Masas spektri, kas iegūti pēc ķīmiskās jonizācijas, ir daudz vienkāršāki, satur mazāk pīķu un tāpēc bieži vien ir vieglāk interpretējami.

Elektronu paramagnētiskās rezonanses metode ir galvenā paramagnētisko daļiņu izpētes metode. Paramagnētiskajām daļiņām, kurām ir svarīga bioloģiskā nozīme, divi galvenie veidi ir brīvie radikāļi un mainīgas valences metālu kompleksi (piemēram, Fe, Cu, Co, Ni, Mn).

Elektronu paramagnētiskās rezonanses metodi 1944. gadā atklāja E. K. Zavoiskis, pētot elektromagnētiskā starojuma mijiedarbību mikroviļņu diapazonā ar metālu sāļiem.

EPR metodes pamatā ir elektromagnētiskā starojuma absorbcija radio diapazonā ar nepāra elektroniem magnētiskajā laukā.

EPR metode ļauj pētīt paramagnētisko centru īpašības, reģistrējot šo daļiņu elektromagnētiskā starojuma absorbcijas spektrus. Zinot spektru īpašības, var spriest par paramagnētisko daļiņu īpašībām.

Spektru galvenie raksturlielumi ir spektru amplitūda, līnijas platums, g koeficients un hipersīkā struktūra.

Izgriešanas etiķešu pielietošana

Spin etiķetes ir ķīmiski stabilas paramagnētiskas molekulas, kuras izmanto kā molekulārās zondes, lai pētītu dažādu fizikāli ķīmisko un bioloģisko sistēmu struktūru un molekulāro mobilitāti. Spin etiķetes metodes būtība ir šāda. Paramagnētiskās molekulas tiek ievadītas pētāmajā sistēmā kā spinzondes, kas dod raksturīgus elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) signālus. Centrifugēšanas etiķešu EPR signāli ir atkarīgi no to molekulārās mobilitātes un tuvākās vides fizikāli ķīmiskajām īpašībām. Līdz ar to, novērojot molekulāro zondu EPR signālus, var pētīt pētāmās sistēmas strukturālās īpašības un tajā notiekošo molekulāro procesu dinamiku. Termins "spin etiķetes" nāk no Angļu vārds"spin" (vārpsta, augšdaļa), ko sauc par elektrona iekšējo mehānisko momentu. Elektronam, kā zināms no kvantu mehānikas, mehāniskais moments ir vienāds ar "/2, un savs magnētiskais moments, kur" ir Planka konstante, e un m ir elektrona lādiņš un masa, c ir gaismas ātrums. . Molekulāro zondu paramagnētiskās īpašības nosaka tajās nepāra elektrona klātbūtne, kam ir spins un kas ir EPR signāla avots. Stabilos nitroksīda radikāļus parasti izmanto kā vērpšanas etiķetes. Visas spin etiķetes molekulas, neskatoties uz to ķīmiskās struktūras dažādību, parasti satur vienu un to pašu paramagnētisko fragmentu, ķīmiski stabilo nitroksīda radikāli (>N-OJ). Nepāra elektrons ir lokalizēts uz šī radikāļa un kalpo kā EPR signāla avots. Konkrēto spin etiķešu izvēli nosaka pētījuma problēma. Tā, piemēram, lai ar spin etiķešu palīdzību sekotu līdzi proteīnu konformācijas pārkārtojumiem, marķējuma molekulas parasti tiek "piestiprinātas" noteiktiem proteīna reģioniem. Šajā gadījumā griešanās etiķetē ir jābūt īpašai reaktīvai grupai, kas var veidot kovalentu ķīmisko saiti ar proteīna molekulas aminoskābju atlikumiem. Mākslīgo un bioloģisko membrānu īpašību pētīšanai parasti izmanto taukos šķīstošās spin etiķetes, kuras var iestrādāt membrānas lipīdu slānī.

Elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) fenomens sastāv no elektromagnētiskā starojuma rezonanses absorbcijas radiofrekvenču diapazonā ar vielām, kas atrodas pastāvīgā magnētiskajā laukā, un kvantu pāreju dēļ starp enerģijas apakšlīmeņiem, kas saistīti ar magnētiskā momenta y klātbūtni. elektroniskās sistēmas. EPR sauc arī par elektronu griešanās rezonansi (ESR), magnētisko griešanās rezonansi (MSR) un speciālistu vidū, kas strādā ar magnētiski sakārtotām sistēmām, par feromagnētisko rezonansi (FMR).

EPR fenomenu var novērot uz:

• * atomi un molekulas, kuru orbitālēs ir nepāra elektronu skaits - H, N, NO2 utt.;
• * ķīmiskie elementi dažādos lādiņa stāvokļos, kuros ne visi elektroni ārējās orbitālēs piedalās ķīmiskās saites veidošanā - pirmkārt, tie ir d- un f-elementi;
• * brīvie radikāļi - metilradikāļi, nitroksilradikāļi u.c.;
• * elektroniskie un caurumu defekti, kas stabilizējas vielu matricā - O-, O2-, CO2-, CO23-, CO3-, CO33- un daudzi citi;
• * molekulas ar pāra elektronu skaitu, kuru paramagnētisms ir saistīts ar elektronu sadalījuma kvantu parādībām molekulārajās orbitālēs - O2;
• * superparamagnētiskas nanodaļiņas, kas veidojas šķīdināšanas rezultātā vai sakausējumos ar kolektīvu magnētisko momentu, kas uzvedas kā elektronu gāze.

EPR spektru struktūra un īpašības

Magnētisko momentu uzvedība magnētiskajā laukā ir atkarīga no dažādām nepāra elektronu mijiedarbībām gan savā starpā, gan ar tuvāko vidi. Nozīmīgākās no tām ir spin-spin un spin-orbīta mijiedarbība, mijiedarbība starp nepāra elektroniem un kodoliem, uz kuriem tie atrodas (hipersīkā mijiedarbība), mijiedarbība ar elektrostatisko potenciālu, ko rada tuvākās vides joni nepāra elektronu atrašanās vietā, un citi. Lielākā daļa no uzskaitītajām mijiedarbībām noved pie regulāras līniju sadalīšanas. Vispārīgā gadījumā paramagnētiskā centra EPR spektrs ir daudzkomponents. Priekšstatu par galveno sadalījumu hierarhiju var iegūt no šādas diagrammas (izmantotā apzīmējuma definīcijas ir norādītas zemāk):

Paramagnētiskā centra (PC) EPR spektra galvenie raksturlielumi ir:

• * līniju skaits konkrēta datora EPR spektrā un to relatīvā intensitāte.
• * Smalka struktūra (TS). TS līniju skaitu nosaka datora spin S un vietējā simetrija elektrostatiskais lauks tuvākajā vidē, un relatīvās integrētās intensitātes nosaka kvantu skaitlis mS (spina projekcijas vērtība uz magnētiskā lauka virzienu). Kristālos attālums starp TS līnijām ir atkarīgs no kristāla lauka potenciāla lieluma un tā simetrijas.
• * Hipersmalka struktūra (HTS). HFS līnijām no konkrēta izotopa ir aptuveni tāda pati integrētā intensitāte, un tās atrodas praktiski vienādā attālumā. Ja datora kodolam ir vairāki izotopi, tad katrs izotops dod savu HFS līniju kopu. To skaitu nosaka izotopa kodola spins I, kura tuvumā atrodas nepāra elektrons. HFS līniju relatīvās intensitātes no dažādiem PC izotopiem ir proporcionālas šo izotopu dabiskajam daudzumam paraugā, un attālums starp HFS līnijām ir atkarīgs no konkrētā izotopa kodola magnētiskā momenta, hipersmalkas mijiedarbības konstantes un nepāra elektronu delokalizācijas pakāpe šajā kodolā.
• * Super-hipersmalkā struktūra (SHTS). SHFS līniju skaits ir atkarīgs no ekvivalento ligandu skaita nl, ar kuriem mijiedarbojas nesapārotais spin blīvums, un to izotopu kodola spina Il. Šādu līniju raksturīga iezīme ir arī to integrālo intensitātes sadalījums, kas Il = 1/2 gadījumā atbilst likumam. binomiālais sadalījums ar eksponentu nl. Attālums starp SHFS līnijām ir atkarīgs no kodolu magnētiskā momenta lieluma, hipersmalkas mijiedarbības konstantes un nepāra elektronu lokalizācijas pakāpes uz šiem kodoliem.
• * līnijas spektroskopiskās īpašības.

EPR spektru iezīme ir to ierakstīšanas forma. Daudzu iemeslu dēļ EPR spektrs tiek rakstīts nevis absorbcijas līniju veidā, bet gan kā šo līniju atvasinājums. Tāpēc EPR spektroskopijā līnijas parametru apzīmēšanai tiek pieņemta nedaudz atšķirīga, no vispārpieņemtā terminoloģija.

EPR absorbcijas līnija un tās pirmais atvasinājums: 1 - Gausa forma; 2- Lorenca forma.

• * Patiesā līnija ir q-funkcija, bet, ņemot vērā relaksācijas procesus, tai ir Lorenca forma;
• * Līnija - atspoguļo datora elektromagnētiskā starojuma rezonanses absorbcijas procesa varbūtību un nosaka procesi, kuros piedalās spini;
• * Līnijas forma - atspoguļo rezonanses pāreju varbūtības sadalījuma likumu. Tā kā pirmajā tuvinājumā novirzes no rezonanses apstākļiem ir nejaušas, līniju formai magnētiski atšķaidītās matricās ir Gausa forma. Papildu apmaiņas spin-spin mijiedarbības klātbūtne noved pie Lorencia līnijas formas. Kopumā līnijas formu apraksta jaukts likums;
• * Līnijas platums - DVmax - atbilst attālumam pa lauku starp ekstremitātēm izliektajā līnijā;
• * Līnijas amplitūda - Imax - atbilst signāla amplitūdas skalā attālumam starp ekstremitātēm uz liektās līnijas;
• * Intensitāte - I0 - varbūtības vērtība absorbcijas līknes punktā MAX, kas aprēķināta, integrējot gar ierakstīšanas līnijas kontūru;
• * Integrētā intensitāte - laukums zem absorbcijas līknes, proporcionāls paramagnētisko centru skaitam paraugā un tiek aprēķināts, dubultā integrējot ierakstīšanas līniju, vispirms pa kontūru, pēc tam pa lauku;
• * Līnijas pozīcija - B0 - atbilst dI/dB atvasinātās kontūras krustpunktam ar nulles līniju (tendences līniju);
• * EPR līniju atrašanās vieta spektrā.

Saskaņā ar izteiksmi hн = gвB, kas nosaka rezonanses absorbcijas nosacījumus datoriem ar spin S = 1/2, elektronu paramagnētiskās rezonanses līnijas stāvokli var raksturot ar g faktora vērtību (analogi spektroskopiskajai Landes sadalīšanai faktors). Koeficienta g vērtība tiek definēta kā attiecība starp frekvenci n, pie kuras tika mērīts spektrs, pret magnētiskās indukcijas vērtību B0, pie kuras tika novērots maksimālais efekts. Jāņem vērā, ka paramagnētiskajiem centriem g faktors raksturo PC kopumā; nevis vienu līniju EPR spektrā, bet visu līniju kopumu, kas saistīts ar pētīto PL.

EPR eksperimentos elektromagnētiskā kvanta enerģija ir fiksēta, tas ir, frekvence n, un magnētiskais lauks B var mainīties plašā diapazonā. Ir daži diezgan šauri mikroviļņu frekvenču diapazoni, kuros darbojas spektrometri.

ELEKTRONISKĀ PARAMAGNĒTISKĀ RESONANSE (EPR)- elektromagnētisko viļņu rezonanses absorbcija ar vielām, kas satur paramagnētiskas daļiņas. Uz EPR balstītas metodes ir atradušas plašu pielietojumu laboratorijas praksē. Ar viņu palīdzību viņi pēta ķīmisko un bioķīmisko reakciju kinētiku (skat. Bioloģisko procesu kinētika, Ķīmiskā kinētika), brīvo radikāļu lomu organisma dzīvībai svarīgos procesos normālos un patoloģiskos apstākļos (sk. Brīvie radikāļi), bioloģisko procesu mehānismus. fotobioloģisko procesu rašanās un plūsma (sk. Fotobioloģija) u.c.

EPR fenomenu atklāja padomju zinātnieks B. K. Zavoiskis 1944. gadā. Elektronu paramagnētiskā rezonanse ir raksturīga tikai paramagnētiskām daļiņām, tas ir, daļiņām, kas spēj magnetizēties, ja tām tiek pielikts magnētiskais lauks) ar nekompensētu elektronisko magnētisko momentu, kas, savukārt, ir saistīts ar paša elektrona mehānisko momentu - spin. Elektroniem ir īpašs iekšējās kustības veids, ko var salīdzināt ar virsotnes rotāciju ap savu asi. Saistīto leņķisko impulsu sauc par griešanos. Sakarā ar spinu elektronam ir pastāvīgs magnētiskais moments, kas vērsts pretī spinam. Lielākajā daļā molekulu elektroni ir izkārtoti orbitālēs tā, ka to spini ir vērsti pretēji, magnētiskie momenti tiek kompensēti, un EPR signālu no tiem nevar novērot. Ja elektrona magnētisko lauku nekompensē cita elektrona spins (tas ir, molekula satur nepāra elektronus), tad tiek reģistrēts EPR signāls. Daļiņas ar nepāra elektroniem ir brīvie radikāļi, daudzu metālu (dzelzs, vara, mangāna, kobalta, niķeļa uc) joni, vairāki brīvie atomi (ūdeņradis, slāpeklis, sārmu metāli utt.).

Ja nav ārēja magnētiskā lauka, elektrona magnētiskā momenta virziens (orientācija) telpā var būt jebkurš; šāda elektrona enerģija nav atkarīga no tā magnētiskā momenta orientācijas. Saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem ārējā magnētiskajā laukā elektrona magnētiskā momenta orientācija nevar būt patvaļīga - tā var būt vērsta vai nu magnētiskā lauka virzienā, vai pretēji tam.

Atbilstoši elektrona magnētiskā momenta orientācijai arī tā enerģija magnētiskajā laukā var iegūt tikai divas vērtības: minimālais E1 - kad magnētiskais moments ir orientēts "gar lauku" un maksimālais E2 - kad tas ir orientēts. "pret lauku" un šo stāvokļu enerģiju starpību (delta E ) aprēķina pēc formulas: ΔE = gβH, kur β ir Bora magnetons (elektrona magnētiskā momenta mērvienība), H ir magnētiskā lauka stiprums, g ir konstante atkarībā no paramagnētiskās daļiņas elektroniskās struktūras. Ja nepāra elektronu sistēmu ārējā magnētiskajā laukā ietekmē elektromagnētiskais starojums, kura kvantu enerģija ir vienāda ar ΔE, tad starojuma ietekmē elektroni sāks pāriet no stāvokļa ar zemāku enerģiju stāvoklī ar augstāka enerģija, ko pavadīs vielas starojuma absorbcija.

EPR tiek saukta par radiospektroskopijas metodēm, jo ​​elektronu paramagnētiskās rezonanses novērošanai tiek izmantots starojums elektromagnētisko viļņu radiofrekvenču diapazonā.

EPR reģistrē, izmantojot īpašus instrumentus - radiospektrometrus. Tajos ietilpst: elektromagnēts, radiofrekvences starojuma avots, starojuma pārvades līnija no avota līdz paraugam (viļņvads), rezonators, kurā atrodas pētāmais paraugs, sistēmas signāla noteikšanai, pastiprināšanai un ierakstīšanai. Visizplatītākie radiospektrometri, kas izmanto elektromagnētisko starojumu ar viļņu garumu 3,2 cm vai 8 mm.

EPR signāla reģistrācija tiek veikta šādi. Elektromagnēta radītā magnētiskā lauka intensitāte noteiktās robežās lineāri mainās. Pie sprieguma vērtībām, kas atbilst rezonanses stāvoklim, paraugs absorbē elektromagnētiskā starojuma enerģiju. Absorbcijas līnija (EPR signāls) ir parauga absorbētās starojuma jaudas atkarība no magnētiskā lauka intensitātes. Esošajos radiospektometros EPR signāls tiek reģistrēts kā pirmais absorbcijas līnijas atvasinājums.

Lai aprakstītu un analizētu EPR spektrus, tiek izmantoti vairāki parametri, kas raksturo līnijas intensitāti, to platumu, formu un novietojumu magnētiskajā laukā. EPR līniju intensitāte, ja citas lietas ir vienādas, ir proporcionāla paramagnētisko daļiņu koncentrācijai, kas ļauj veikt kvantitatīvu analīzi.

Aplūkojot EPR fenomenu, jāņem vērā, ka nepāra elektrona magnētiskais moments mijiedarbojas ne tikai ar elektromagnēta magnētisko lauku, bet arī ar magnētiskajiem laukiem, ko rada elektrona vide: citi nepāra elektroni, magnētiskie kodoli (sk. Kodolmagnētiskā rezonanse). Nesapārotu elektronu mijiedarbība ar kodoliem bieži noved pie EPR spektra sadalīšanas vairākās līnijās. Šādu spektru analīze ļauj identificēt paramagnētisko daļiņu raksturu un novērtēt to savstarpējās mijiedarbības raksturu un pakāpi.

Paramagnētisko daļiņu līdzdalība ķīmiskās reakcijas, molekulārā kustība un citi kinētiski efekti ietekmē arī EPR spektra formu. Tāpēc EPR izmanto, lai atklātu, kvantitatīvi noteiktu un identificētu paramagnētiskās daļiņas, pētītu ķīmisko un bioķīmisko reakciju kinētiku un molekulāro dinamiku.

Pateicoties tās daudzpusībai, EPR tiek plaši izmantots dažādās zinātnes jomās. EPR izmantošana bioloģijā un medicīnā ir saistīta ar klātbūtni šūnās, audos un biol. dažādu paramagnētisko centru šķidrumi dabā. Ar EPR palīdzību brīvo radikāļu klātbūtne tika konstatēta gandrīz visos dzīvnieku un augu audos. Brīvo radikāļu avots ir tādi savienojumi kā flavīni, koenzīms Q un citas vielas, kas darbojas kā elektronu nesēji enerģijas vielmaiņas reakcijās augu un dzīvnieku šūnās; izolētos audos atrodamie paramagnētiskie centri galvenokārt pieder pie mitohondriju, mikrosomu, hloroplastu elektronu transporta ķēdēm (sk. Elpošana). Tika konstatēts, ka brīvo radikāļu saturs audos korelē ar to vielmaiņas aktivitāti. Daudzi darbi ir parādījuši izmaiņas brīvo radikāļu skaitā dažādos veidos patoloģiski apstākļi, piemēram, ar onkoģenēzi (sk.), radiācijas bojājumu attīstību (sk.), toksikozi (sk. Intoksikācija), kas izskaidrojama ar enerģijas metabolisma pārkāpumu patoloģijā (sk. Bioenerģētika).

Ar EPR palīdzību dzīvnieku un augu audos tiek noteikti paramagnētiskie joni (dzelzs, varš, mangāns, kobalts u.c.), kas ir daļa no metaloproteīniem, kas iesaistīti elektronu pārneses reakcijās pa elektronu transportēšanas ķēdēm un fermentatīvā katalīzē, kā arī. tāpat kā skābekli nesošajos pigmentos (hemoglobīnā). Izmantojot EPR, iespējams pētīt metālu jonu redokspārvērtības un jonu mijiedarbības raksturu ar to vidi, kas ļauj noteikt metālu saturošu kompleksu smalko struktūru.

Patoloģiskas izmaiņas audos izraisa izmaiņas metaloproteīnu EPR signālos, kas saistīts ar paramagnētisko metālu kompleksu sabrukšanu, paramagnētisko jonu vides izmaiņām un jonu pāreju uz citiem kompleksiem. Tomēr audu paramagnētisko centru, īpaši brīvo radikāļu, rakstura izpēte ir saistīta ar zināmām grūtībām EPR spektru atšifrēšanas sarežģītības dēļ.

Ar EPR palīdzību bija iespējams izpētīt fermentatīvo reakciju mehānismus (sk. Fermenti). Jo īpaši ir iespējams vienlaicīgi pētīt gan brīvo radikāļu veidošanās un patēriņa kinētiku fermentatīvo reakciju laikā, gan metālu, kas ir daļa no enzīmiem, redokstransformāciju kinētiku, kas ļauj noteikt fermentatīvā procesa posmu secību. reakcija.

EPR izmantošana radiācijas bojājumu pētījumos biol. objekti ļauj iegūt informāciju par biopolimēros veidojošo radikāļu dabu, par radikāļu reakciju mehānismiem un kinētiku, kas attīstās apstarotos objektos un rada bioloģisku efektu. EPR metodi var izmantot avārijas dozimetrijā, piemēram, nejaušas cilvēku apstarošanas gadījumā, lai novērtētu apstarošanas devu, šim nolūkam izmantojot objektus no ekspozīcijas zonas.

Nozīmīgu vietu EPR ieņem fotobioloģisko procesu pētījumos, kuros iesaistīti brīvie radikāļi (sk. Molekula, Brīvie radikāļi, Fotobioloģija, Fotosensibilizācija). EPR izmanto, lai detalizēti izpētītu brīvo radikāļu veidošanos olbaltumvielās, nukleīnskābēs un to komponentos ultravioletā starojuma ietekmē un šo radikāļu lomu biopolimēru fotodegradācijā (skat. Gaismu). EPR izmantošana sniedza svarīgu informāciju par primārajiem fotosintēzes mehānismiem (sk.). Ir pierādīts, ka primārā fotosintēzes reakcija ir elektronu pārnešana no hlorofila molekulas, ko ierosina gaisma, un hlorofila radikāļu katjona veidošanās. Ir identificēta arī to molekulu būtība, kas pieņem elektronu, ko ziedojusi ierosināta hlorofila molekula.

EPR izmanto arī bioloģiski svarīgu makromolekulu un biomembrānu struktūras pētīšanai. Piemēram, dzelzs joni, kas ir daļa no hēma hēmu saturošos proteīnos, var būt augsta spina stāvoklī (ārējās orbītās elektroni nav savienoti pārī, kopējais spins ir maksimāls) un zema spina (ārējie elektroni ir pilnībā vai daļēji savienoti pārī , spin ir minimāla). Hemoglobīna un tā atvasinājumu dzelzs jonu augsta un zema griešanās stāvokļu EPR signālu pazīmju pētījumi palīdzēja izprast hemoglobīna molekulas telpisko struktūru.

Ievērojami sasniegumi biomembrānu un biopolimēru struktūras izpētē ir sasniegti pēc spin zondes un etiķešu metožu parādīšanās (sk. Bioloģiskās membrānas). Kā griešanās etiķetes un zondes galvenokārt tiek izmantoti stabilie nitroksīda radikāļi (sk. Brīvie radikāļi). Nitroksila radikāli var kovalenti saistīt ar molekulām (spin etiķete) vai saglabāties pētāmajā sistēmā fiziskas mijiedarbības dēļ (spin zonde). Būtība slēpjas apstāklī, ka nitroksīdu radikāļu EPR spektra forma ir atkarīga no mikrovides īpašībām: viskozitātes, rakstura un molekulu kustības, lokāliem magnētiskajiem laukiem uc Spin-zīmes, kas kovalenti saistītas ar dažādām biopolimēru grupām, ir indikators. biopolimēra struktūras stāvokli. Ar spin etiķešu palīdzību tiek pētīta biopolimēru telpiskā struktūra, proteīnu strukturālās izmaiņas denaturācijas laikā, enzīmu-substrātu kompleksu veidošanās, antigēns-antiviela u.c.

Ar spinzondu metodi tiek pētīti lipīdu iesaiņošanās un mobilitātes veidi biomembrānās, lipīdu-olbaltumvielu mijiedarbības, dažādu vielu iedarbības izraisītas strukturālas pārejas membrānās u.c. Pamatojoties uz spin etiķešu un zondu izpēti, noteikšanas metodes zāles biol. šķidrumi, kā arī narkotiku virzītas transportēšanas jautājumi u.c.

Tādējādi ar EPR palīdzību tiek parādīts plašs elektronisko procesu sadalījums organismā normā un jebkuras patoloģijas gadījumā. EPR metodes teorijas izveide un tehnoloģijas pilnveidošana veidoja kvantu elektronikas kā zinātnes nozares pamatu, noveda pie radioviļņu molekulāro ģeneratoru un pastiprinātāju (mazeru) un gaismas lāzeru (sk.) radīšanas. tiek plaši izmantoti daudzās tautsaimniecības jomās.

Blūmenfelds L. A., Voevodskis V. V. un Semenovs A. G. Elektronu paramagnētiskās rezonanses pielietojums ķīmijā, Novosibirska, 1962, bibliogr.; Wertz J. and Bolton J. EPR metodes teorija un praktiskie pielietojumi, tulk. no angļu valodas M., 1975, bibliogr.; Ingram D. Elektronu paramagnētiskā rezonanse bioloģijā, trans. no angļu valodas M., 1972; Kalmansons A. E. Elektronu paramagnētiskās rezonanses metodes pielietojums bioķīmijā, grāmatā: Usp. biol. chem., ed. B. N. Stepaņenko, 5. sēj., lpp. 289, M., 1963; Kuzņecovs A. N. Spin zondes metode. M., 1976; Lihtenšteina G. I. Method of spin etiķetes molekulārajā bioloģijā, M., 1974; The Spin Label Method, ed. L. Berliners, tulk. no angļu val., M., 1979; Brīvie radikāļi bioloģijā, red. W. Pryor, tulk. no angļu valodas, 1. sēj., lpp. 88, 178, M., 1979. gads.

K. N. Timofejevs.

Elektronu paramagnētiskās rezonanses fenomens

Ja paramagnētisko atomu ievieto magnētiskajā laukā, tad katrs tā enerģijas līmenis tiks sadalīts apakšlīmeņu skaitā, kas vienāds ar $2J+1$ (iespējamo $m_J)$ skaits. Intervāls starp blakus esošajiem līmeņiem ir vienāds ar:

Gadījumā, ja atoms šajā stāvoklī atrodas elektromagnētiskā viļņā ar frekvenci $\omega $, kas atbilst nosacījumam:

tad viļņa magnētiskās komponentes ietekmē saskaņā ar atlases likumu notiks atoma pārejas starp blakus esošajiem apakšlīmeņiem, viena līmeņa ietvaros. Šo parādību sauc par elektronu paramagnētisko rezonansi (EPR). Pirmais viņu atzīmēja E.K. Zavoisky 1944. Tā kā EPR ir saistīta ar rezonansi, pārejas parādās tikai noteiktā krītošā viļņa frekvencē. Šo biežumu var viegli novērtēt, izmantojot izteiksmi (2):

Ar $g\apmēram 1$ un tipisku magnētiskā lauka indukciju, ko izmanto laboratorijā, iegūst $B\approx 1\T$, $\nu =(10)^(10)Hz$. Tas nozīmē, ka frekvences ir lokalizētas radio diapazonā (UHF).

Kad notiek rezonanse, enerģija tiek pārnesta no lauka uz atomu. Turklāt, kad atoms pāriet no augstiem Zēmana apakšlīmeņiem uz zemākiem apakšlīmeņiem, enerģija tiek pārnesta no atoma uz lauku. Jāņem vērā, ka termiskā līdzsvara gadījumā atomu skaits ar mazāku enerģiju ir lielāks nekā atomu skaits ar lielāku enerģiju. Tas nozīmē, ka pārejas, kas palielina atomu enerģiju, dominē pār pārejām uz pusi ar zemāku enerģiju. Izrādās, ka paramagnēts absorbē lauka enerģiju radio diapazonā un vienlaikus paaugstina tā temperatūru.

Eksperimenti ar elektronu paramagnētiskās rezonanses fenomenu ļāva, izmantojot izteiksmi (2), atrast vienu no parametriem: $g,B\ vai\ (\omega )_(rez)$ no pārējiem daudzumiem. Tādējādi, rezonanses stāvoklī ar augstu precizitāti izmērot $B$ un $(\omega )_(rez)$, tiek atrasts Landes koeficients un atoma magnētiskais moments stāvoklī ar J.

šķidrumos un cietvielas atomus nevar uzskatīt par izolētiem. To mijiedarbību nevar ignorēt. Tas noved pie tā, ka intervāli starp blakus esošajiem apakšlīmeņiem Zēmana sadalīšanā ir atšķirīgi, EPR līnijām ir ierobežots platums.

EPR

Tātad elektronu paramagnētiskās rezonanses fenomens sastāv no mikroviļņu radio emisijas absorbcijas ar paramagnētu, ko izraisa pārejas starp Zēmana dalīšanas apakšlīmeņiem. Šajā gadījumā enerģijas līmeņu šķelšanos izraisa pastāvīga magnētiskā lauka iedarbība uz vielas atomu magnētiskajiem momentiem. Atomu magnētiskie momenti šādā laukā ir orientēti gar lauku. Vienlaikus ar to notiek Zēmana enerģijas līmeņu sadalīšana un pārdale atbilstoši dotajiem atomu līmeņiem. Apakšlīmeņu noslogojums ar atomiem izrādās atšķirīgs.

Termodinamiskā līdzsvara stāvoklī vidējo atomu skaitu ($\left\langle N\right\rangle $), kas dzīvo noteiktā apakšlīmenī, var aprēķināt, izmantojot Bolcmaņa formulu:

kur $\trijstūris E_(mag)\sim mH$. Apakšlīmeņos ar zemāku magnētisko kvantu skaitli ($m$) ir vairāk atomu kā zemākas potenciālās enerģijas stāvokļi. Tas nozīmē, ka pa magnētisko lauku dominē atomu magnētisko momentu orientācija, kas atbilst paramagnēta magnetizētajam stāvoklim. Ja paramagnētam tiek pielietots mainīgs magnētiskais lauks ar frekvenci, kas vienāda ar pārejas frekvenci starp Zēmana sadalīšanas apakšlīmeņiem (vairākkārt), notiek elektromagnētisko viļņu rezonanses absorbcija. To izraisa pārmērīgs pāreju skaits, kas saistītas ar magnētiskā kvantu skaitļa palielināšanos par vienu:

vairāk nekā pāreju, piemēram:

Tātad mainīga magnētiskā lauka enerģijas rezonanses absorbcijas dēļ atomi veiks pārejas no zemākiem, piepildītākiem līmeņiem uz augšējiem līmeņiem. Absorbcija ir proporcionāla absorbējošo atomu skaitam tilpuma vienībā.

Ja viela sastāv no atomiem ar vienu valences elektronu stāvoklī s, kuru kopējais magnētiskais moments ir vienāds ar s-elektrona spina magnētisko momentu, tad EPR ir visefektīvākā.

Elektromagnētisko viļņu rezonanses absorbcija ar vadīšanas elektroniem metālos tiek uzskatīta par īpašu paramagnētisko rezonansi. Tas ir saistīts ar elektronu spinu un elektronu gāzes spin paramagnētismu šādā vielā. Feromagnētos feromagnētiskā rezonanse ir izolēta, kas saistīta ar elektronisko momentu pārorientāciju domēnos vai starp tiem.

Radiospektroskopus izmanto elektronu paramagnētiskās rezonanses pētīšanai. Šādās ierīcēs frekvence ($\omega $) paliek nemainīga. Mainiet magnētiskā lauka indukciju (B), kas rada elektromagnētu (1. att.).

1. attēls. Elektronu paramagnētiskā rezonanse (EPR). Autors24 - studentu darbu tiešsaistes apmaiņa

Nelielu paraugu A ievieto dobuma rezonatorā R, kas noregulēts uz aptuveni 3 cm viļņa garumu. Šāda viļņa garuma radioviļņus ģenerē ģenerators G. Šos viļņus caur viļņvadu V ievada rezonatorā. Daļu viļņu absorbē paraugs A, daļa caur viļņvadu nonāk detektorā D. Eksperimenta laikā tiek veikta vienmērīga magnētiskā lauka indukcijas (B) maiņa, ko rada elektromagnēts. Kad indukcijas lielums apmierina rezonanses rašanās nosacījumu (2), paraugs sāk intensīvi absorbēt vilni.

1. piezīme

EPR ir viena no vienkāršākajām radiospektroskopijas metodēm.

Piemēri

1. piemērs

Vingrinājums: Kāds ir $Ni$ atoma magnētiskais moments stāvoklī $(()^3F)_4$, ja enerģijas rezonanses absorbcija notiek pastāvīga lauka ar magnētisko indukciju $B_0$ un mainīga magnētiskā lauka ar indukciju ietekmē. $B_0$ perpendikulāri konstantam laukam. Mainīgā lauka biežums ir $\nu$.

Risinājums:

Kā zināms, rezonanses stāvoklī tiek izpildīta vienlīdzība:

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

No formulas (1.1) atrodam Landes koeficientu:

Noteiktam stāvoklim ($(()^3F)_4$) mums ir: $L=3$, $S=1$, $J=4$. Magnētisko momentu nosaka izteiksme:

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

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

2. piemērs

Vingrinājums: Kādu noderīgu informāciju var iegūt, pētot elektronu paramagnētisko rezonansi?

Risinājums:

Empīriski iegūstot rezonansi no rezonanses apstākļiem, var atrast vienu no lielumiem: Lande koeficientu ($g$), magnētiskā lauka indukciju atoma rezonanses enerģijas absorbcijas apstākļos (B), rezonanses frekvenci ( $(\omega )_(rez)$). Turklāt B un $(\omega )_(rez)$ var izmērīt ar augstu precizitāti. Līdz ar to EPR ļauj ar augstu precizitāti iegūt $g\$ vērtību un līdz ar to atoma magnētisko momentu stāvoklim ar kvantu skaitli $J$. Kvantu skaitļa S vērtību nosaka pēc spektru daudzveidības. Ja ir zināmi $g,\ J,\ S$, ir viegli aprēķināt $L$. Izrādās, ka kļūst zināmi visi atoma kvantu skaitļi un atoma spin orbitāles un kopējie magnētiskie momenti.