JSC "มหาวิทยาลัยการแพทย์อัสตานา"
ภาควิชาสารสนเทศและคณิตศาสตร์กับหลักสูตรชีวฟิสิกส์ทางการแพทย์
บทคัดย่อ
ตามชีวฟิสิกส์ทางการแพทย์
หัวข้อ "การใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ (NMR) และอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) ในการวิจัยทางการแพทย์"
งานที่ทำโดยนักเรียน:
คณะแพทยศาสตร์ทั่วไป ทันตแพทยศาสตร์และเภสัช
ตรวจสอบงาน:
ฉัน บทนำ.
II ส่วนหลัก EPR และ NMR: ลักษณะทางกายภาพและกระบวนการที่อยู่ภายใต้ปรากฏการณ์เหล่านี้ การประยุกต์ใช้ในการวิจัยทางชีวการแพทย์
1) อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์
ก) สาระสำคัญทางกายภาพของ EPR
b) การแยกระดับพลังงาน ซีแมนเอฟเฟค
c) การแยกทางอิเล็กทรอนิกส์ การแยกชั้นที่ยอดเยี่ยม
d) สเปกโตรมิเตอร์ EPR: อุปกรณ์และหลักการทำงาน
จ) วิธีการหมุนโพรบ
f) การประยุกต์ใช้สเปกตรัม EPR ในการวิจัยทางชีวการแพทย์
2) เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์
ก) สาระสำคัญทางกายภาพของ NMR
ข) สเปกตรัม NMR
c) การใช้ NMR ในการวิจัยทางชีวการแพทย์: NMR introscopy (การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก)
บทสรุปที่สาม คุณค่าของวิธีการวิจัยทางการแพทย์ตาม EPR และ NMR
ฉัน . บทนำ.
สำหรับอะตอมที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองระหว่างระดับย่อยในระดับเดียวกันนั้นไม่น่าเป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของไฟฟ้าภายนอก สนามแม่เหล็ก. เงื่อนไขที่จำเป็นคือความบังเอิญของความถี่ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของโฟตอนที่สอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับย่อยแยก ในกรณีนี้ เราสามารถสังเกตการดูดกลืนพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าเรโซแนนซ์แม่เหล็ก ขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาค - พาหะของโมเมนต์แม่เหล็ก - มีอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) และเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR)
II. ส่วนสำคัญ. EPR และ NMR: ลักษณะทางกายภาพและกระบวนการที่อยู่ภายใต้ปรากฏการณ์เหล่านี้ การประยุกต์ใช้ในการวิจัยทางชีวการแพทย์
1. อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์อิเลคตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) คือการดูดซับเรโซแนนซ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นเซนติเมตรหรือมิลลิเมตรโดยสารที่มีอนุภาคพาราแมกเนติก EPR เป็นหนึ่งในวิธีการของเรดิโอสเปกโทรสโกปี สารหนึ่งเรียกว่าพาราแมกเนติก (paramagnetic) หากไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กแบบมหภาคในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก แต่ได้มาหลังจากการใช้สนาม ในขณะที่ขนาดของโมเมนต์นั้นขึ้นอยู่กับสนามและโมเมนต์นั้นถูกชี้นำ ไปในทิศทางเดียวกับสนาม จากมุมมองด้วยกล้องจุลทรรศน์ พาราแมกเนติกของสสารเกิดจากการที่อะตอม ไอออน หรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นสสารนี้มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรที่สุ่มสัมพันธ์กันโดยไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก การใช้สนามแม่เหล็กคงที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางโดยตรง ทำให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมด (มหภาค)
EPR ถูกค้นพบโดย E.K. Zavoisky ในปี 1944 เริ่มต้นในปี 1922 เอกสารจำนวนหนึ่งได้แสดงการพิจารณาเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของ EPR ความพยายามที่จะตรวจหา EPR ในการทดลองเกิดขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1930 โดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ K. Gorter อย่างไรก็ตาม EPR ได้รับการสังเกตด้วยวิธีการทางรังสีวิทยาที่พัฒนาโดย Zavoisky เท่านั้น EPR เป็นกรณีพิเศษของการสะท้อนด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก
สาระสำคัญทางกายภาพของ EPRสาระสำคัญของปรากฏการณ์อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์มีดังนี้ หากเราวางอนุมูลอิสระด้วยโมเมนตัมเชิงมุมที่เป็นผลลัพธ์ J ในสนามแม่เหล็กที่มีความแรง B 0 ดังนั้นสำหรับ J ที่แตกต่างจากศูนย์ ความเสื่อมจะถูกลบออกในสนามแม่เหล็ก และเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก 2J + 1 ระดับเกิดขึ้นตำแหน่งที่อธิบายโดยนิพจน์: W = gβB 0 M, (โดยที่ М=+J, +J-1, …-J) และถูกกำหนดโดยปฏิกิริยา Zeeman ของสนามแม่เหล็กกับโมเมนต์แม่เหล็ก เจ
หากตอนนี้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ ν โพลาไรซ์ในระนาบตั้งฉากกับเวกเตอร์สนามแม่เหล็ก B 0 ถูกนำไปใช้กับศูนย์พาราแมกเนติก จากนั้นจะทำให้เกิดการเปลี่ยนไดโพลแม่เหล็กที่เป็นไปตามกฎการเลือก ΔM=1 เมื่อพลังงานของการเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นพร้อมกับพลังงานของโฟตอนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟแบบเรโซแนนซ์จะเกิดขึ้น ดังนั้น สภาวะเรโซแนนซ์จึงถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กพื้นฐาน hν = gβB 0 .
การแยกระดับพลังงาน ซีแมนเอฟเฟคในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนจะถูกจัดวางแบบสุ่ม และพลังงานของพวกมันแทบไม่ต่างกันเลย (E 0) เมื่อใช้สนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนจะถูกจัดวางในสนามโดยขึ้นอยู่กับขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กของการหมุน และระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจะถูกแบ่งออกเป็นสองระดับ พลังงานของปฏิกิริยาของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนกับสนามแม่เหล็กแสดงโดยสมการ:
, คือโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน, H คือความแรงของสนามแม่เหล็ก จากสมการสัดส่วน จะได้ว่า
,
และพลังงานปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับสนามแม่เหล็กภายนอกจะเป็น
.
สมการนี้อธิบายผลกระทบของ Zeeman ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยคำต่อไปนี้: ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กจะแยกออกในสนามนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กของการหมุนและความเข้มของสนามแม่เหล็ก
การแยกทางอิเล็กทรอนิกส์ การแยกชั้นที่ยอดเยี่ยมการใช้งานส่วนใหญ่ รวมถึงชีวการแพทย์นั้นอิงจากการวิเคราะห์กลุ่มของเส้น (ไม่ใช่แค่เสื้อกล้าม) ในสเปกตรัมการดูดกลืน EPR การมีอยู่ของสเปกตรัม EPR ของกลุ่มเส้นปิดเรียกว่าการแยกส่วน การแยกสเปกตรัม EPR มีลักษณะเฉพาะสองประเภท ครั้งแรก - การแยกทางอิเล็กทรอนิกส์ - เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลหรืออะตอมไม่มีหนึ่ง แต่มีอิเล็กตรอนหลายตัวที่ทำให้เกิด EPR ประการที่สองคือการแยกไฮเปอร์ไฟน์ในปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนกับโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส ตามแนวคิดคลาสสิก อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส เช่นเดียวกับอนุภาคที่มีประจุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม มีโมเมนต์แม่เหล็กไดโพล ในกลศาสตร์ควอนตัม โมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนจะสร้างโมเมนต์แม่เหล็ก ปฏิกิริยาของโมเมนต์แม่เหล็กนี้กับโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส (เนื่องจากการหมุนของนิวเคลียส) นำไปสู่การแยกส่วนไฮเปอร์ไฟน์ (กล่าวคือ สร้างโครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์) อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนยังมีสปินที่ทำให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็ก ดังนั้นจึงมีการแยกไฮเปอร์ไฟน์แม้สำหรับเงื่อนไขที่มีโมเมนตัมเชิงมุมโคจรเป็นศูนย์ ระยะห่างระหว่างระดับย่อยของโครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์นั้นเล็กกว่า 1,000 เท่าเมื่อเทียบกับระดับของโครงสร้างแบบละเอียด (ลำดับความสำคัญนี้เนื่องมาจากอัตราส่วนของมวลอิเล็กตรอนต่อมวลของนิวเคลียส)
สเปกโตรมิเตอร์ EPR: อุปกรณ์และหลักการทำงานอุปกรณ์ของสเปกโตรมิเตอร์วิทยุ EPR ในหลาย ๆ ด้านคล้ายกับอุปกรณ์ของสเปกโตรโฟโตมิเตอร์สำหรับวัดการดูดกลืนแสงในส่วนที่มองเห็นและรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม แหล่งที่มาของรังสีในเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์คือ klystron ซึ่งเป็นหลอดวิทยุที่ให้รังสีเอกรงค์ในช่วงคลื่นเซนติเมตร รูรับแสงของสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ในเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์สอดคล้องกับตัวลดทอนที่ช่วยให้คุณกำหนดปริมาณไฟฟ้าที่ตกกระทบบนตัวอย่างได้ คิวเวตต์ที่มีตัวอย่างในเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์ตั้งอยู่ในหน่วยพิเศษที่เรียกว่าเรโซเนเตอร์ รีโซเนเตอร์เป็นแบบขนานที่มีโพรงทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยมซึ่งมีตัวอย่างดูดซับอยู่ ขนาดของเรโซเนเตอร์นั้นทำให้เกิดคลื่นนิ่ง องค์ประกอบที่ขาดหายไปในออปติคัลสเปกโตรมิเตอร์คือแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กคงที่ซึ่งจำเป็นสำหรับการแยกระดับพลังงานของอิเล็กตรอน การแผ่รังสีที่ผ่านตัวอย่างที่วัดได้ ในเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์และในสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ กระทบกับเครื่องตรวจจับ จากนั้นสัญญาณของเครื่องตรวจจับจะถูกขยายและบันทึกลงในเครื่องบันทึกหรือคอมพิวเตอร์ ควรสังเกตความแตกต่างอีกอย่างหนึ่งของเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์ มันอยู่ในความจริงที่ว่าการแผ่รังสีของช่วงวิทยุถูกส่งจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวอย่างและจากนั้นไปยังเครื่องตรวจจับโดยใช้ท่อสี่เหลี่ยมพิเศษที่เรียกว่าท่อนำคลื่น ขนาดตัดขวางของท่อนำคลื่นถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของรังสีที่ส่งผ่าน คุณลักษณะของการส่งคลื่นวิทยุผ่านท่อนำคลื่นนี้กำหนดความจริงที่ว่าความถี่คงที่ของรังสีถูกใช้เพื่อบันทึกสเปกตรัม EPR ในสเปกโตรมิเตอร์วิทยุ และสภาวะเรโซแนนซ์ทำได้โดยการเปลี่ยนขนาดของสนามแม่เหล็ก คุณลักษณะที่สำคัญอีกประการหนึ่งของเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์คือการขยายสัญญาณโดยวิธีการมอดูเลตโดยใช้สนามสลับความถี่สูง อันเป็นผลมาจากการปรับสัญญาณ มันมีความแตกต่างและสายการดูดกลืนจะถูกแปลงเป็นอนุพันธ์อันดับแรก ซึ่งก็คือสัญญาณ EPR
วิธีการโพรบหมุน หัววัดการหมุนเป็นสารเคมีพาราแมกเนติกแต่ละตัวที่ใช้ในการศึกษาระบบโมเลกุลต่างๆ โดยใช้สเปกโทรสโกปี EPR ธรรมชาติของการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัม EPR ของสารประกอบเหล่านี้ทำให้สามารถรับข้อมูลเฉพาะเกี่ยวกับปฏิกิริยาและพลวัตของโมเลกุลขนาดใหญ่และคุณสมบัติของระบบโมเลกุลต่างๆ นี่เป็นวิธีการศึกษาการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างต่างๆ ในตัวกลางควบแน่นโดยใช้สเปกตรัมของอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ของอนุมูลเสถียร (โพรบ) ที่เติมลงในสารที่กำลังศึกษา หากอนุมูลที่เสถียรถูกผูกมัดทางเคมีกับอนุภาคของตัวกลางภายใต้การศึกษา พวกมันจะถูกเรียกว่าฉลาก และพูดถึงวิธีการทำฉลากแบบหมุน (หรือพาราแมกเนติก) ในฐานะที่เป็นโพรบและฉลาก ส่วนใหญ่ใช้อนุมูลไนตรอกไซด์ ซึ่งมีความเสถียรในช่วงอุณหภูมิกว้าง (สูงถึง 100-200○C) สามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีโดยไม่สูญเสียคุณสมบัติพาราแมกเนติก และละลายได้ดีในน้ำและสารอินทรีย์ สื่อ ความไวสูงของวิธี EPR ทำให้สามารถนำโพรบ (ในสถานะของเหลวหรือไอระเหย) มาใช้ในปริมาณเล็กน้อยได้ตั้งแต่ 0.001 ถึง 0.01% โดยน้ำหนัก ซึ่งไม่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติของวัตถุที่กำลังศึกษา วิธีการของโพรบหมุนและฉลากใช้กันอย่างแพร่หลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาโพลีเมอร์สังเคราะห์และวัตถุทางชีววิทยา ในกรณีนี้ เป็นไปได้ที่จะศึกษาความสม่ำเสมอทั่วไปของพลวัตของอนุภาคน้ำหนักโมเลกุลต่ำในโพลีเมอร์ เมื่อโพรบหมุนจำลองพฤติกรรมของสารเติมแต่งต่างๆ (พลาสติไซเซอร์ สีย้อม สารทำให้คงตัว สารริเริ่ม) รับข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลระหว่างการดัดแปลงทางเคมีและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและทางกายภาพ (อายุ, โครงสร้าง, การทำให้เป็นพลาสติก, การเสียรูป); สำรวจระบบเลขฐานสองและหลายองค์ประกอบ (โคพอลิเมอร์ โพลีเมอร์ที่เติมและพลาสติก คอมโพสิต) ศึกษาสารละลายโพลีเมอร์ โดยเฉพาะผลกระทบของตัวทำละลายและอุณหภูมิต่อพฤติกรรมของพวกมัน กำหนดการเคลื่อนที่แบบหมุนของเอ็นไซม์ โครงสร้าง และช่องว่าง ที่ตั้งของกลุ่มในศูนย์กลางการทำงานของเอนไซม์, โครงสร้างของโปรตีนภายใต้อิทธิพลต่างๆ, อัตราการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์; เพื่อศึกษาการเตรียมเมมเบรน (เช่น เพื่อตรวจสอบความหนืดของไมโครและระดับของการจัดลำดับของลิพิดในเมมเบรน เพื่อตรวจสอบปฏิกิริยาระหว่างไขมันกับโปรตีน การหลอมรวมของเมมเบรน) เพื่อศึกษาระบบผลึกเหลว (ระดับของลำดับในการจัดเรียงโมเลกุล, การเปลี่ยนเฟส), DNA, RNA, โพลีนิวคลีโอไทด์ (การแปลงโครงสร้างภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิและสิ่งแวดล้อม, ปฏิสัมพันธ์ของ DNA กับลิแกนด์และสารประกอบอินเทอร์คาเลต) วิธีการนี้ยังใช้ในด้านการแพทย์ต่างๆ เพื่อศึกษากลไกการออกฤทธิ์ ยาการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของเซลล์และเนื้อเยื่อในโรคต่างๆ การกำหนดความเข้มข้นต่ำของสารพิษและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพในร่างกาย การศึกษากลไกการออกฤทธิ์ของไวรัส
วิธี EPR ได้รับความสำคัญอย่างมากในด้านเคมี ฟิสิกส์ ชีววิทยา และการแพทย์ เนื่องจากช่วยให้สามารถกำหนดโครงสร้างและความเข้มข้นของอนุมูลอิสระอินทรีย์และอนินทรีย์ได้ สามารถสร้างอนุมูลอิสระได้ วิธีทางเคมี, photochemically หรือโดยการแผ่รังสีพลังงานสูง
สเปกตรัม EPR ถูกกำหนดโดยอนุมูลอิสระ โมเลกุลที่มีจำนวนอิเล็กตรอนคี่ สถานะสามเท่าของโมเลกุลอินทรีย์ ไอออนของโลหะทรานสิชันที่เป็นพาราแมกเนติก และสารเชิงซ้อนของพวกมัน
วิธีการ EPR เริ่มใช้ในการวิจัยทางชีววิทยาในปี 1950 เนื่องจากมีความไวค่อนข้างสูงและความสามารถในการกำหนดลักษณะของอนุภาคพาราแมกเนติก วิธีนี้จึงพบ ประยุกต์กว้างเพื่อศึกษากระบวนการทางชีววิทยาต่างๆ
นอกจากสัญญาณอนุมูลอิสระแล้ว ยังมีสัญญาณโลหะจำนวนหนึ่ง (Fe, Cu, Mn, Ni, Co) ในเนื้อเยื่อ โลหะเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของ metalloproteins ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเอนไซม์จำนวนหนึ่ง โปรตีนที่มีธาตุเหล็ก (cytochromes, ferredoxins) เป็นส่วนประกอบของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์
มีการศึกษาระบบเอนไซม์จำนวนหนึ่งโดยวิธี EPR และพบผลิตภัณฑ์อนุมูลอิสระของพื้นผิว ในหลายกรณี เป็นไปได้ที่สังเกตการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ของไอออนของโลหะที่รวมอยู่ในศูนย์กลางของเอนไซม์ที่ทำงานอยู่
EPR spectroscopy ใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสง: ศึกษากลไกของขั้นตอนหลักของการแยกประจุในศูนย์ปฏิกิริยาและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนต่อไปตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
นอกจากการศึกษากลไกของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของอนุภาคพาราแมกเนติกแล้ว วิธี EPR ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาคุณสมบัติเชิงโครงสร้างและไดนามิกของโมเลกุลขนาดใหญ่และไบโอแมมเบรน
เมื่อเร็วๆ นี้ วิธีการของ "โพรบพาราแมกเนติก" "ฉลากหมุน" และ "อุปกรณ์ดักจับการหมุน" มักถูกใช้เพื่อศึกษาระบบชีวภาพและพอลิเมอร์ ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับการใช้อนุมูลของกรดไนตริกที่เสถียรของโครงสร้างต่างๆ หรือมากกว่า การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงใน linewidth ของสเปกตรัม EPR ที่เกิดจากการแพร่กระจายแบบหมุนและการแปลของอนุมูลเหล่านี้
แนวคิดหลักของฉลากหมุนและวิธีโพรบคือการติดอย่างใดอย่างหนึ่ง กลุ่มงานโปรตีนจากอนุมูลอิสระและศึกษาลักษณะของสัญญาณ EPR สะดวกที่สุดในเรื่องนี้คือ nitroxyl radicals ที่มีกลุ่มอนุมูลอิสระ:
โดยที่ R 1 และ R 2 เป็นกลุ่มเคมีต่างกัน
วิธีการติดฉลากหมุน ประกอบด้วยความจริงที่ว่าเรดิคัลที่เสถียรถูกยึดติดกับโมเลกุลที่ไม่ใช่พาราแมกเนติกโดยโควาเลนต์หรือพันธะอื่น ๆ เพื่อให้เวเลนซ์อิสระไม่ได้รับผลกระทบ ลักษณะของการเคลื่อนที่นั้นแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในรูปแบบของสเปกตรัมและทำหน้าที่เป็นแหล่งข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับโมเลกุลดั้งเดิม
หากโมเลกุลถูกฝังอยู่ใน โมเลกุลโปรตีนและถูกกักไว้ที่นั่นด้วยแรงไฟฟ้าสถิตหรือปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ โมเลกุลดังกล่าวจึงเรียกว่า โพรบหมุน วิธีการนี้มีพื้นฐานมาจากการศึกษาการเคลื่อนที่แบบหมุนและแบบแปลนของโพรบเรดิคัลในตัวกลางที่เป็นน้ำหรือสารอินทรีย์หรือในเมทริกซ์พอลิเมอร์ การเคลื่อนที่ของอนุมูลขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม ดังนั้น แรดิคัลจึงเป็นตัวตรวจจับระดับโมเลกุลของข้อมูลโครงสร้างและไดนามิกเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมในท้องถิ่น
รูปร่างของสัญญาณ EPR ที่ผลิตโดยฉลากหมุนหรือหัววัดขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมจุลภาคของอนุมูลไนตรอกซี และประการแรกคือ การเคลื่อนที่แบบหมุนของกลุ่มที่รวมสัญญาณไว้
ข้อเสียเปรียบหลักของฉลากและหัววัดการหมุนคือ แม้ว่าโมเลกุลเหล่านี้จะมีขนาดเล็ก แต่เมื่อรวมอยู่ใน lipid bilayer พวกมันก็เปลี่ยนคุณสมบัติของมันบ้าง
หัวใจของวิธีการ "กับดักหมุน" เป็นปฏิกิริยาของโมเลกุลที่ไม่ใช่พาราแมกเนติก (กับดัก) ที่นำเข้ามาเป็นพิเศษในระบบภายใต้การศึกษาด้วยอนุมูลอิสระที่มีอายุสั้น ซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของอนุมูลที่เสถียร พฤติกรรมจลนศาสตร์ของอนุมูลที่เสถียรที่ได้ผลลัพธ์และโครงสร้างของมันให้ข้อมูลเกี่ยวกับจลนศาสตร์และกลไกของกระบวนการในระบบที่กำลังศึกษา
วัตถุประสงค์ของการวิจัยทางเคมีโดยใช้ EPR spectroscopy คือ 1) อนุมูลอิสระในผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของปฏิกิริยาอินทรีย์ 2) จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา 3) เคมีของปรากฏการณ์พื้นผิว 4) การทำลายที่เกิดจากการฉายรังสี 5) การเกิดพอลิเมอไรเซชันเนื่องจากอนุมูลอิสระ 6) อนุมูลอิสระแช่แข็งที่อุณหภูมิต่ำ 7) โลหะของวาเลนซีผันแปรและสารเชิงซ้อนของพวกมัน
วิธี EPR มีส่วนช่วยในการศึกษาจลนศาสตร์และกลไกของปฏิกิริยาเคมี ประการแรก การวัดความกว้างของเส้นในสเปกตรัม EPR สามารถใช้เพื่อกำหนดอัตราคงที่ของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคพาราแมกเนติกซึ่งมีอายุการใช้งานที่มีลักษณะเฉพาะอยู่ในช่วง 10 -5 -10 -10 วินาที ประการที่สอง วิธี EPR ทำให้สามารถบันทึกด้วยความไวสูงใน เงื่อนไขต่างๆอนุภาคพาราแมกเนติกซึ่งให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยา ประการที่สาม สเปกโตรมิเตอร์ EPR สามารถใช้เป็นอุปกรณ์วิเคราะห์ในการตรวจจับความเข้มข้นของการทำปฏิกิริยาของโมเลกุลพาราแมกเนติกในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา จำนวนศูนย์พาราแมกเนติกในตัวอย่างเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ภายใต้สเปกตรัมการดูดกลืน
วิธี EPR ใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษากระบวนการที่รวดเร็วซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของอนุมูล กระบวนการเหล่านี้รวมถึงการขัดขวางการหมุนและการเปลี่ยนโครงสร้าง
สำหรับอนุมูลที่มีอายุสั้น ความไวของวิธีการสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยใช้ระบบการไหลหรือการฉายรังสีอย่างต่อเนื่อง สเปกตรัม EPR ของอนุมูลที่ไม่เสถียรสามารถหาได้จากการตรึงพวกมันในแก้ว เมทริกซ์ของก๊าซมีตระกูลที่แช่แข็ง หรือคริสตัล
คำถามสัมภาษณ์
1. พื้นฐานทางทฤษฎีของวิธีการ
2. พารามิเตอร์การวิเคราะห์ของสเปกตรัม EPR
3. สเปกโตรมิเตอร์ EPR
4. การประยุกต์ใช้ EPR
1. สภาวะเรโซแนนซ์ในวิธี EPR:
ก) 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. จะเกิดอะไรขึ้นในขณะที่กำทอนในวิธี EPR:
ก) ควอนตัมการแผ่รังสีถูกดูดซับ ไม่มีการปรับทิศทางการหมุนใหม่
b) ควอนตัมการแผ่รังสีจะถูกดูดกลืนและการหมุนจะปรับทิศทางใหม่ กล่าวคือ เปลี่ยนจากสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าไปเป็นระดับบนและในทางกลับกัน จำนวนการเปลี่ยนจากล่างขึ้นบนมากกว่าจำนวนการเปลี่ยนจากบนลงล่าง
c) ควอนตัมการแผ่รังสีจะถูกดูดกลืนและหมุนปรับทิศทาง กล่าวคือ เปลี่ยนจากสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าไปเป็นระดับบนและในทางกลับกัน จำนวนการเปลี่ยนจากบนลงล่างมากกว่าจำนวนการเปลี่ยนจากล่างขึ้นบน
3. พารามิเตอร์ของสเปกตรัม EPR:
ก) g-factor, ความกว้างของแถบดูดกลืน, ความเข้มของเส้นดูดกลืน;
b) จำนวนสัญญาณทั้งหมด ความเข้มของสัญญาณ การเปลี่ยนแปลงทางเคมี หลายหลากของสัญญาณ
c) g-factor, ความกว้างของแถบดูดกลืน, ความเข้มของเส้นดูดกลืน, สเปกตรัม HFS EPR
มวลสาร
วิธีนี้แตกต่างจากวิธีสเปกโทรสโกปีโดยพื้นฐาน วิธีการแมสสเปกโตรเมทรีขึ้นอยู่กับการแตกตัวเป็นไอออนของสาร การแยกไอออนตามอัตราส่วน ( m/z) และการลงทะเบียนมวลของชิ้นส่วนที่เกิด
รากฐานทางทฤษฎีและการทดลองของแมสสเปกโตรเมทรีถูกวางโดย D.D. ทอมสันซึ่งเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2455 ได้สร้างอุปกรณ์สำหรับรับสเปกตรัมมวลของไอออนบวก อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ของเขามีความละเอียดต่ำ นักเรียน F. Aston ของเขาในปี 1918 เพิ่มความละเอียดได้อย่างมาก และเป็นครั้งแรกที่ค้นพบไอโซโทปขององค์ประกอบบนอุปกรณ์ของเขา เกือบจะพร้อมกันกับ F. Aston ในชิคาโก A. Dempster ได้สร้างแมสสเปกโตรมิเตอร์เครื่องแรกซึ่งสนามแม่เหล็กตามขวางทำหน้าที่เป็นเครื่องวิเคราะห์และวัดกระแสไอออน วิธีการทางไฟฟ้า. รูปแบบของมันยังใช้ในอุปกรณ์ที่ทันสมัย
การแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลควรกระทำภายใต้สภาวะที่ไอออนที่ก่อตัวขึ้น โดยไม่คำนึงถึงวิธีการแตกตัวเป็นไอออน จะไม่เกิดการชนกับโมเลกุลหรือไอออนอื่นๆ นี่เป็นสิ่งจำเป็นในการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของไอออนและโมเลกุล
วิธีการแตกตัวเป็นไอออน
การแตกตัวเป็นไอออนสามารถทำได้หลายวิธี
1. วิธีการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอน (EI)
นี่เป็นวิธีการทั่วไปในการรับไอออนเนื่องจากความเรียบง่ายและความพร้อมใช้งานของแหล่งกำเนิดไอออนและประสิทธิภาพสูง สมมุติว่ากระแสของอิเล็กตรอนไหลผ่านไอของสาร พลังงานของมันจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น หากพลังงานนี้ถึงระดับหนึ่ง เมื่ออิเล็กตรอนชนกับโมเลกุล อิเล็กตรอนสามารถ "ถูกกระแทก" ออกจากมันด้วยการก่อตัวของโมเลกุลไอออน:
polyatomic โมเลกุล โมเลกุล ไอออน (radical cation)
พลังงานต่ำสุดของอิเล็กตรอนระเบิดซึ่งเรียกว่าการก่อตัวของไอออนจากโมเลกุลที่กำหนด พลังงานไอออไนเซชันของสสาร พลังงานไอออไนเซชันเป็นตัววัดความแรงของโมเลกุลที่ยึดอิเล็กตรอนไว้กับมันน้อยที่สุด สำหรับโมเลกุลอินทรีย์ พลังงานไอออไนซ์คือ 9 ÷ 12 eV
หากพลังงานอิเล็กตรอนมีมากเกินกว่าพลังงานไอออไนเซชัน ไอออนของโมเลกุลที่ได้ก็จะได้รับพลังงานส่วนเกิน ซึ่งอาจเพียงพอที่จะทำลายพันธะในตัวมัน โมเลกุลไอออนสลายตัวเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยกว่า (เศษ) กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า การกระจายตัว . ในทางปฏิบัติของแมสสเปกโตรเมตรี จะใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 30 ÷ 100 eV ซึ่งช่วยให้แน่ใจถึงการกระจายตัวของโมเลกุลไอออน
โมเลกุลไอออนเหล่านี้คือไอออนที่มีมวลเท่ากับมวลของโมเลกุลที่แตกตัวเป็นไอออน น่าเสียดายที่ไม่มีวิธีการโดยตรงในการกำหนดโครงสร้างของไอออน ดังนั้นจึงมักใช้สมมติฐานเกี่ยวกับเอกลักษณ์ของโครงสร้างของโมเลกุลไอออน (M +) และโมเลกุลที่เป็นกลาง (M) ความน่าจะเป็นของการเกิดโมเลกุลไอออนนั้นมากกว่าสำหรับโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียบง่าย ด้วยการเพิ่มจำนวนอะตอมในโมเลกุล ความน่าจะเป็นของการกระจายตัวของโมเลกุลไอออนเพิ่มขึ้น
การกระจายตัวของโมเลกุลไอออนมีสองประเภทหลัก - การแยกตัวและการจัดเรียงใหม่
ความแตกแยก- การสลายตัวของโมเลกุลไอออนด้วยการรักษาลำดับพันธะ อันเป็นผลมาจากกระบวนการทำให้เกิดไอออนบวกและอนุมูล:
การแตกตัวของไฮโดรคาร์บอนทำให้เกิดเศษส่วนที่มีอัตราส่วน m/z คี่
การจัดกลุ่มใหม่ตามมาด้วยการเปลี่ยนแปลงในลำดับของพันธะ ส่งผลให้เกิดประจุบวกใหม่ที่มีมวลน้อยกว่าและโมเลกุลเสถียรที่เป็นกลาง (H 2 O, CO, CO 2 เป็นต้น):
การจัดเรียงใหม่ของไฮโดรคาร์บอนและสารประกอบที่มีออกซิเจนทำให้เกิดชิ้นส่วนที่มีอัตราส่วน m/z เท่ากัน การวัดมวลของเศษที่เกิดขึ้นและปริมาณสัมพัทธ์ให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์
ให้เราพิจารณาอุปกรณ์ของแมสสเปกโตรมิเตอร์ (รูปที่ 1) แมสสเปกโตรมิเตอร์ต้องมีส่วนประกอบเพื่อทำหน้าที่ดังต่อไปนี้: 1) การทำให้แตกตัวเป็นไอออนของตัวอย่าง 2) การเร่งด้วยไอออน สนามไฟฟ้า, 3) การกระจายของไอออนตามอัตราส่วน m/z, 4) การตรวจจับไอออนโดยสัญญาณไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน
รูปที่ 1 อุปกรณ์แมสสเปกโตรมิเตอร์
1 - แหล่งที่มาของอิเล็กตรอน; 2 - ห้องไอออไนซ์; 3 - แผ่นเร่ง (ศักยภาพเชิงลบ); 4 - แม่เหล็ก; 5 - สล็อต;
6 - ตัวเก็บไอออน (ตัวตรวจจับไอออน)
เพื่อให้ได้มวลสเปกตรัม ไอของสารจะถูกนำเข้าสู่ห้องไอออไนเซชันในปริมาณเล็กน้อยโดยใช้ระบบพองตัวแบบพิเศษ (2) ที่ซึ่งรักษาสุญญากาศลึก (ความดัน 10 -6 มม. ปรอท) โมเลกุลของสารถูกกระแสของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดร้อน (1). ไอออนที่เกิดขึ้นจะถูกผลักออกจากห้องไอออไนเซชันโดยความต่างศักย์เล็กน้อย (3). การไหลของไอออนที่เกิดขึ้นจะถูกเร่งโดยเน้นที่สนามไฟฟ้าแรงสูงและเข้าสู่สนามแม่เหล็ก (4).
เป็นผลมาจากการทิ้งระเบิดของโมเลกุลของสสารโดยอิเล็กตรอน อนุภาคจะก่อตัวขึ้นที่มีประจุบวกหรือลบ เช่นเดียวกับอนุภาคที่เป็นกลาง เมื่อกระแสของอนุภาคผ่านสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่เป็นกลางจะไม่เปลี่ยนทิศทาง ในขณะที่อนุภาคบวกและลบจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางที่ต่างกัน การโก่งตัวของไอออนเป็นสัดส่วนกับประจุและแปรผกผันกับมวลของไอออน
ไอออนแต่ละตัวซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยค่า m/z จะเคลื่อนที่ไปตามวิถีของมันเองเพื่อความแรงของสนามแม่เหล็กที่กำหนด ช่วงการสแกนมวลสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กหรือศักย์สนามไฟฟ้า
ในแมสสเปกโตรเมทรีทั่วไป เป็นเรื่องปกติที่จะลงทะเบียนเฉพาะอนุภาคที่มีประจุบวกเพราะ เมื่อโมเลกุลถูกทิ้งระเบิดด้วยอิเล็กตรอน มักจะมีไอออนที่มีประจุบวกมากกว่าประจุลบ หากจำเป็นต้องศึกษาไอออนที่มีประจุลบ ควรเปลี่ยนเครื่องหมายของศักย์เร่ง (แผ่นเร่ง)
หากมีการติดตั้งอุปกรณ์บันทึกที่ทางออกของไอออนจากสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีค่า m/z ต่างกันจะให้สัญญาณแยกกัน ความเข้มของสัญญาณจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนของอนุภาคที่มีค่า m/z ที่กำหนด ความเข้มของสัญญาณถูกกำหนดเป็นความสูงที่แสดงเป็นมม. ความสูงของพีคที่มีความเข้มข้นสูงสุดจะถูกนำมาเป็น 100% (พีคฐาน) ความเข้มของพีคที่เหลือจะถูกคำนวณใหม่ตามสัดส่วนและแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์
เมื่ออัตราส่วน m/z เพิ่มขึ้น ความแตกต่างในการโก่งตัวโดยสนามแม่เหล็กของอนุภาคที่แตกต่างกันตามหน่วยมวลอะตอมหนึ่งหน่วยจะลดลง ในเรื่องนี้ ลักษณะสำคัญของแมสสเปกโตรมิเตอร์คือ ความละเอียด (R) ซึ่งกำหนดมวลสูงสุดของไอออนที่แตกต่างกันโดยหน่วยมวลอะตอมหนึ่งหน่วย (ซึ่งเครื่องมือแยกยอดอย่างน้อย 90%):
โดยที่ M คือมวลสูงสุดที่ยอดทับซ้อนกันน้อยกว่า 10% ΔM เป็นหน่วยมวลอะตอมหนึ่งหน่วย
อุปกรณ์มาตรฐานมี R ≈ 5000/1 และสำหรับอุปกรณ์ที่มีการโฟกัสสองครั้งของไอออนฟลักซ์ R ≈ 10000/1 และอีกมากมาย อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถจับความแตกต่างในน้ำหนักโมเลกุลของไอออนได้ถึง 0.0001 แมสสเปกโตรมิเตอร์แบบโฟกัสคู่สามารถแยกพีคของไอออนออกได้อย่างง่ายดายด้วยน้ำหนักโมเลกุลเล็กน้อยที่เท่ากัน แต่มีองค์ประกอบองค์ประกอบต่างกัน ตัวอย่างเช่น สามารถแยกความแตกต่างระหว่าง N 2 (28.0061), CO (27.9949) และ C 2 H 4 (28.0313)
การสร้างสูตรเชิงประจักษ์จากข้อมูลสเปกตรัมมวลไม่ใช่เรื่องง่าย แต่สามารถแก้ไขได้โดยใช้อัลกอริธึมที่เหมาะสม เพื่อให้ได้สเปกตรัมมวล ต้องใช้สารในปริมาณเล็กน้อย - ประมาณ 1 ไมโครกรัม
2. เคมีไอออไนซ์ (CI)
ในวิธีนี้ ตัวอย่างจะถูกเจือจางด้วย "ก๊าซรีเอเจนต์" ที่มากเกินไปก่อนที่จะฉายรังสีด้วยลำอิเล็กตรอน ความน่าจะเป็นของการชนกันของไอออไนซ์ปฐมภูมิระหว่างอิเล็กตรอนและโมเลกุลของตัวอย่างนั้นมีขนาดเล็กมากจนไอออนปฐมภูมิจะก่อตัวขึ้นจากโมเลกุลของสารตั้งต้นเกือบทั้งหมด ก๊าซที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำเช่น CH 4 , ISO-C 4 H 10 , NH 3 และก๊าซเฉื่อย (Ar, He) มักถูกใช้เป็นสารตั้งต้น ไอออนทุติยภูมิเกิดขึ้นจากการถ่ายโอนอะตอมไฮโดรเจนหรืออิเล็กตรอน
ถ้าก๊าซมีเทนเป็นแก๊สสารตั้งต้น ปฏิกิริยาจะดำเนินไปตามลำดับต่อไปนี้:
CH 4 + ē → CH 4 + + 2ē
CH4 + + ē → CH 3 + + โฮ + + 2ē
CH4 + + CH 4 → CH 5 + +CH3
CH3 + + CH 4 → C 2 H 5 + +H2
R-CH 3 + CH 5 + → R-CH 4 + +CH4
โดยที่ R-CH 3 เป็นโมเลกุลของสารทดสอบ
จากการศึกษาพบว่า CH 5 อนุภาค + และ C 2 H 5 + พวกเขารวมกันเป็นประมาณ 90% ของไอออนที่มีอยู่ในระบบนี้ สเปกตรัมมวลที่ได้รับหลังจากการแตกตัวเป็นไอออนทางเคมีนั้นง่ายกว่ามาก มีพีคน้อยกว่า ดังนั้นจึงมักจะตีความได้ง่ายกว่า
วิธีอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์เป็นวิธีหลักในการศึกษาอนุภาคพาราแมกเนติก ถึงอนุภาคพาราแมกเนติกที่มีความสำคัญ ความสำคัญทางชีวภาพสองประเภทหลักคืออนุมูลอิสระและเชิงซ้อนของโลหะที่มีความจุแปรผันได้ (เช่น Fe, Cu, Co, Ni, Mn)
วิธีการของอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ถูกค้นพบในปี 1944 โดย E. K. Zavoisky ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงไมโครเวฟกับเกลือของโลหะ
วิธี EPR ขึ้นอยู่กับการดูดกลืนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงวิทยุโดยอิเล็กตรอนที่ไม่คู่กันในสนามแม่เหล็ก
วิธี EPR ช่วยให้เราสามารถศึกษาคุณสมบัติของศูนย์พาราแมกเนติกโดยการบันทึกสเปกตรัมการดูดกลืนของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยอนุภาคเหล่านี้ เมื่อทราบคุณสมบัติของสเปกตรัมแล้ว เราสามารถตัดสินคุณสมบัติของอนุภาคพาราแมกเนติกได้
ลักษณะสำคัญของสเปกตรัมคือแอมพลิจูด ความกว้างของเส้น ปัจจัย g และโครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์ของสเปกตรัม
การประยุกต์ใช้ฉลากหมุน
ฉลากสปินเป็นโมเลกุลพาราแมกเนติกที่มีความเสถียรทางเคมี ซึ่งใช้เป็นโพรบโมเลกุลเพื่อศึกษาโครงสร้างและการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของระบบกายภาพเคมีและชีวภาพต่างๆ สาระสำคัญของวิธีการฉลากสปินมีดังนี้ โมเลกุลพาราแมกเนติกถูกนำเข้าสู่ระบบภายใต้การศึกษาในฐานะโพรบหมุน ซึ่งให้สัญญาณลักษณะเฉพาะของอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) สัญญาณ EPR ของฉลากสปินขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและคุณสมบัติทางเคมีกายภาพในสภาพแวดล้อมที่ใกล้ที่สุด ดังนั้น โดยการสังเกตสัญญาณ EPR ของโพรบโมเลกุล เราสามารถศึกษาลักษณะโครงสร้างของระบบภายใต้การศึกษาและพลวัตของกระบวนการระดับโมเลกุลที่เกิดขึ้นในนั้น คำว่า "สปินเลเบล" มาจาก คำภาษาอังกฤษ"สปิน" (สปินเดิล, ด้านบน) ซึ่งเรียกว่าโมเมนต์เชิงกลที่แท้จริงของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเป็นที่รู้จักกันในกลศาสตร์ควอนตัมมีโมเมนต์เชิงกลเท่ากับ "/2 และมีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเอง โดยที่" เป็นค่าคงที่ของพลังค์ e และ m คือประจุและมวลของอิเล็กตรอน c คือความเร็วของแสง . คุณสมบัติของพาราแมกเนติกของโพรบระดับโมเลกุลนั้นพิจารณาจากการมีอิเลคตรอนแบบ unpaired อยู่ในนั้น ซึ่งมีสปินและเป็นแหล่งสัญญาณ EPR อนุมูลไนตรอกไซด์ที่เสถียรมักใช้เป็นฉลากปั่น โมเลกุลฉลากหมุนทั้งหมด ตามกฎแล้วแม้จะมีโครงสร้างทางเคมีที่หลากหลาย แต่ก็มีแฟรกเมนต์ที่เป็นพาราแมกเนติกเหมือนกัน นั่นคือ ไนตรอกไซด์เรดิคัลที่มีความเสถียรทางเคมี (>N-OJ) อิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่จะถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นบนอนุมูลนี้และทำหน้าที่เป็นแหล่งสัญญาณ EPR การเลือกฉลากสปินที่เฉพาะเจาะจงนั้นพิจารณาจากปัญหาการวิจัย ดังนั้น ตัวอย่างเช่น เพื่อติดตามการจัดเรียงใหม่ของโปรตีนด้วยความช่วยเหลือของฉลากหมุน โมเลกุลฉลากมักจะ "ยึดติด" กับบางภูมิภาคของโปรตีน ในกรณีนี้ ฉลากสปินต้องมีกลุ่มปฏิกิริยาพิเศษที่สามารถสร้างพันธะเคมีโควาเลนต์กับส่วนที่เหลือของกรดอะมิโนของโมเลกุลโปรตีน เพื่อศึกษาคุณสมบัติของเยื่อเทียมและชีวภาพ มักใช้ฉลากสปินที่ละลายในไขมัน ซึ่งสามารถรวมเข้ากับชั้นไขมันของเมมเบรนได้
ปรากฏการณ์ของอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) ประกอบด้วยการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่วิทยุโดยสสารที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กคงที่และเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของควอนตัมระหว่างระดับย่อยของพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของโมเมนต์แม่เหล็ก y ระบบอิเล็กทรอนิกส์. EPR เรียกอีกอย่างว่าอิเล็กตรอนสปินเรโซแนนซ์ (ESR), เรโซแนนซ์สปินแม่เหล็ก (MSR) และในหมู่ผู้เชี่ยวชาญที่ทำงานกับระบบสั่งแม่เหล็ก, เรโซแนนซ์แม่เหล็ก (FMR)
สามารถสังเกตปรากฏการณ์ EPR ได้ที่:
- * อะตอมและโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนเป็นจำนวนคี่ในออร์บิทัล - H, N, NO2, ฯลฯ ;
- * องค์ประกอบทางเคมีในสถานะประจุต่าง ๆ ซึ่งไม่ใช่อิเล็กตรอนทั้งหมดในออร์บิทัลชั้นนอกมีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะเคมี - อย่างแรกคือสิ่งเหล่านี้คือองค์ประกอบ d- และ f
- * อนุมูลอิสระ - เมทิลเรดิคัล, ไนทรอกซิลอนุมูล ฯลฯ ;
- * ข้อบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์และรูที่เสถียรในเมทริกซ์ของสาร - O-, O2-, CO2-, CO23-, CO3-, CO33- และอื่น ๆ อีกมากมาย
- * โมเลกุลที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันซึ่งเป็นพาราแมกเนติกที่เกิดจากปรากฏการณ์ควอนตัมของการกระจายอิเล็กตรอนในออร์บิทัลโมเลกุล - O2;
- * อนุภาคนาโนซูเปอร์พาราแมกเนติกที่เกิดขึ้นจากการละลายหรือในโลหะผสมที่มีโมเมนต์แม่เหล็กร่วมซึ่งทำตัวเหมือนแก๊สอิเล็กตรอน
โครงสร้างและคุณสมบัติของสเปกตรัม EPR
พฤติกรรมของโมเมนต์แม่เหล็กในสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ต่างๆ ของอิเล็กตรอนที่ไม่คู่กัน ทั้งต่อกันและกันและกับสภาพแวดล้อมที่ใกล้ที่สุด สิ่งที่สำคัญที่สุดคือปฏิสัมพันธ์แบบสปินสปินและสปินออร์บิท, ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่ไม่มีการจับคู่ซึ่งมีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่น (ปฏิกิริยาไฮเปอร์ไฟน์), ปฏิสัมพันธ์กับศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากไอออนของสภาพแวดล้อมที่ใกล้ที่สุด ณ ตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ และคนอื่น ๆ. การโต้ตอบที่ระบุไว้ส่วนใหญ่นำไปสู่การแยกบรรทัดเป็นประจำ ในกรณีทั่วไป สเปกตรัม EPR ของศูนย์พาราแมกเนติกจะมีหลายองค์ประกอบ แนวคิดเกี่ยวกับลำดับชั้นของการแยกหลักสามารถหาได้จากไดอะแกรมต่อไปนี้ (คำจำกัดความของสัญกรณ์ที่ใช้แสดงไว้ด้านล่าง):
ลักษณะสำคัญของสเปกตรัม EPR ของศูนย์พาราแมกเนติก (PC) คือ:
- * จำนวนบรรทัดในสเปกตรัม EPR ของพีซีเครื่องใดเครื่องหนึ่งและความเข้มสัมพัทธ์
- * โครงสร้างละเอียด (TS) จำนวนเส้น TS ถูกกำหนดโดยการหมุน S ของพีซีและสมมาตรในพื้นที่ สนามไฟฟ้าสถิตสภาพแวดล้อมที่ใกล้ที่สุดและความเข้มรวมแบบสัมพัทธ์จะถูกกำหนดโดยหมายเลขควอนตัม mS (ค่าของการฉายภาพของการหมุนตามทิศทางของสนามแม่เหล็ก) ในผลึก ระยะห่างระหว่างเส้น TS ขึ้นอยู่กับขนาดของศักยภาพของสนามคริสตัลและความสมมาตร
- * โครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์ (HTS) เส้น HFS จากไอโซโทปเฉพาะมีความเข้มข้นใกล้เคียงกันและใกล้เคียงกันในทางปฏิบัติ หากแกนกลางของพีซีมีไอโซโทปหลายไอโซโทป ไอโซโทปแต่ละตัวจะให้ชุดสาย HFS ของตัวเอง จำนวนของพวกเขาถูกกำหนดโดยการหมุน I ของนิวเคลียสไอโซโทปใกล้กับตำแหน่งที่อิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่น ความเข้มสัมพัทธ์ของเส้น HFS จากไอโซโทป PC ต่างๆ เป็นสัดส่วนกับความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติของไอโซโทปเหล่านี้ในตัวอย่าง และระยะห่างระหว่างเส้น HFS จะขึ้นอยู่กับโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสของไอโซโทปเฉพาะ ค่าคงที่การโต้ตอบแบบไฮเปอร์ไฟน์ และ ระดับ delocalization ของอิเล็กตรอน unpaired บนนิวเคลียสนี้
- * โครงสร้างซุปเปอร์ไฮเปอร์ไฟน์ (SHTS) จำนวนของเส้น SHFS ขึ้นอยู่กับจำนวน nl ของลิแกนด์ที่เทียบเท่าซึ่งความหนาแน่นของสปินที่ไม่ได้จับคู่โต้ตอบและสปินนิวเคลียร์ Il ของไอโซโทปของพวกมัน ลักษณะเฉพาะของเส้นดังกล่าวก็คือการกระจายตัวของความเข้มเชิงปริพันธ์ ซึ่งในกรณีของ Il = 1/2 จะเป็นไปตามกฎหมาย การกระจายทวินามด้วยเลขชี้กำลัง nl ระยะห่างระหว่างเส้น SHFS ขึ้นอยู่กับขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส ค่าคงที่การโต้ตอบแบบไฮเปอร์ไฟน์ และระดับการแปลของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่บนนิวเคลียสเหล่านี้
- * ลักษณะทางสเปกโตรสโกปีของเส้น
คุณสมบัติของสเปกตรัม EPR คือรูปแบบของการบันทึก ด้วยเหตุผลหลายประการ สเปกตรัม EPR ไม่ได้เขียนในรูปแบบของเส้นดูดกลืน แต่เป็นอนุพันธ์ของเส้นเหล่านี้ ดังนั้นในสเปกโทรสโกปี EPR จึงมีการใช้คำศัพท์ที่แตกต่างกันบ้าง ซึ่งแตกต่างจากที่ยอมรับกันทั่วไปในการกำหนดพารามิเตอร์ของเส้น
สายการดูดกลืน EPR และอนุพันธ์อันดับแรก: 1 - รูปแบบเกาส์เซียน; 2- แบบฟอร์มลอเรนซ์
- * เส้นที่แท้จริงคือฟังก์ชัน q แต่เมื่อพิจารณาถึงกระบวนการผ่อนคลายแล้ว มันมีรูปแบบลอเรนซ์
- * เส้น - สะท้อนความน่าจะเป็นของกระบวนการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของพีซีและถูกกำหนดโดยกระบวนการที่สปินเข้าร่วม
- * รูปร่างเส้น - สะท้อนถึงกฎการกระจายของความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนจังหวะ เนื่องจากในการประมาณค่าแรก ความเบี่ยงเบนจากสภาวะการสั่นพ้องเป็นแบบสุ่ม รูปร่างของเส้นในเมทริกซ์เจือจางด้วยสนามแม่เหล็กจึงมีรูปร่างแบบเกาส์เซียน การมีอยู่ของการโต้ตอบแบบสปิน-สปินของการแลกเปลี่ยนเพิ่มเติมนำไปสู่รูปร่างของเส้นลอเรนเซียน โดยทั่วไป รูปร่างของเส้นจะอธิบายโดยกฎผสม
- * ความกว้างของเส้น - DVmax - สอดคล้องกับระยะทางตามแนวสนามระหว่างส่วนปลายสุดของเส้นโค้ง
- * แอมพลิจูดของเส้น - Imax - สอดคล้องกับมาตราส่วนของแอมพลิจูดของสัญญาณกับระยะห่างระหว่างสุดขั้วบนเส้นโค้ง
- * ความเข้ม - I0 - ค่าของความน่าจะเป็นที่จุด MAX บนเส้นโค้งการดูดกลืน ซึ่งคำนวณโดยการรวมตามแนวเส้นบันทึก
- * ความเข้มแบบบูรณาการ - พื้นที่ใต้เส้นโค้งการดูดกลืน สัดส่วนกับจำนวนศูนย์พาราแมกเนติกในตัวอย่าง และคำนวณโดยการรวมเส้นการบันทึกสองครั้ง อันดับแรกตามแนวเส้นขอบ ตามด้วยสนาม
- * ตำแหน่งของเส้น - B0 - สอดคล้องกับจุดตัดของเส้นชั้นอนุพันธ์ dI/dB กับเส้นศูนย์ (เส้นแนวโน้ม)
- * ตำแหน่งของเส้น EPR ในสเปกตรัม
ตามนิพจน์ hн = gвB ซึ่งกำหนดเงื่อนไขสำหรับการดูดกลืนเรโซแนนซ์สำหรับพีซีที่มีการหมุน S = 1/2 ตำแหน่งของเส้นอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์สามารถระบุได้ด้วยค่าของปัจจัย g (คล้ายกับการแยก Lande Spectroscopic ปัจจัย). ค่าของปัจจัย g ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความถี่ n ที่สเปกตรัมถูกวัดกับค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B0 ซึ่งสังเกตผลกระทบสูงสุด ควรสังเกตว่าสำหรับศูนย์พาราแมกเนติก ปัจจัย g จะเป็นตัวกำหนดลักษณะของพีซีโดยรวม ไม่ใช่บรรทัดเดียวในสเปกตรัม EPR แต่เป็นชุดของเส้นทั้งหมดเนื่องจาก PL ที่ศึกษา
ในการทดลอง EPR พลังงานของควอนตัมแม่เหล็กไฟฟ้าจะคงที่ กล่าวคือ ความถี่ n และสนามแม่เหล็ก B สามารถแปรผันได้ในช่วงกว้าง มีช่วงความถี่ไมโครเวฟที่ค่อนข้างแคบซึ่งเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ทำงาน
อิเล็กทรอนิกส์พาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR)- การดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยสารที่มีอนุภาคพาราแมกเนติก วิธีการที่ใช้ EPR พบว่ามีการประยุกต์ใช้ในห้องปฏิบัติการอย่างกว้างขวาง ด้วยความช่วยเหลือ พวกเขาศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีและชีวเคมี (ดู จลนพลศาสตร์ของกระบวนการทางชีววิทยา จลนพลศาสตร์ทางเคมี) บทบาทของอนุมูลอิสระในกระบวนการสำคัญของร่างกายในสภาวะปกติและพยาธิสภาพ (ดู อนุมูลอิสระ) กลไกของ การเกิดและการไหลของกระบวนการ photobiological (ดู Photobiology) เป็นต้น
ปรากฏการณ์ EPR ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียต B.K. Zavoisky ในปี 1944 อิเลคตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์เป็นลักษณะเฉพาะสำหรับอนุภาคพาราแมกเนติก นั่นคือ อนุภาคที่สามารถถูกทำให้เป็นแม่เหล็กได้เมื่อใช้สนามแม่เหล็กกับพวกมัน) ด้วยโมเมนต์แม่เหล็กอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ได้รับการชดเชย ซึ่งในทางกลับกันก็เนื่องมาจากโมเมนต์เชิงกลของอิเล็กตรอนเอง - สปิน อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ภายในชนิดพิเศษ ซึ่งสามารถเทียบได้กับการหมุนรอบแกนด้านบน โมเมนตัมเชิงมุมที่เกี่ยวข้องเรียกว่าสปิน เนื่องจากการหมุน อิเล็กตรอนจึงมีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรตรงข้ามกับสปิน ในโมเลกุลส่วนใหญ่ อิเล็กตรอนจะถูกจัดเรียงเป็นออร์บิทัลในลักษณะที่การหมุนของพวกมันไปในทิศทางตรงกันข้าม โมเมนต์แม่เหล็กจะได้รับการชดเชย และไม่สามารถสังเกตสัญญาณ EPR จากพวกมันได้ หากสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนไม่ได้รับการชดเชยโดยการหมุนของอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่ง (นั่นคือ โมเลกุลประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่) สัญญาณ EPR จะถูกบันทึก อนุภาคที่มีอิเลคตรอนที่ไม่คู่กันคืออนุมูลอิสระ ไอออนของโลหะหลายชนิด (เหล็ก ทองแดง แมงกานีส โคบอลต์ นิกเกิล ฯลฯ) อะตอมอิสระจำนวนหนึ่ง (ไฮโดรเจน ไนโตรเจน โลหะอัลคาไล ฯลฯ)
ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก ทิศทาง (การวางแนว) ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนในอวกาศสามารถเป็นอะไรก็ได้ พลังงานของอิเล็กตรอนดังกล่าวไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็ก ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ในสนามแม่เหล็กภายนอก การวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนไม่สามารถกำหนดได้โดยพลการ - มันสามารถถูกนำไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กหรือตรงข้ามกับมัน
ตามการวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน พลังงานในสนามแม่เหล็กสามารถรับได้เพียงสองค่าเท่านั้น: E1 ขั้นต่ำ - เมื่อโมเมนต์แม่เหล็กถูกวางแนว "ตามสนาม" และ E2 สูงสุด - เมื่อถูกวางแนว "เทียบกับสนาม" และความแตกต่างในพลังงานของสถานะเหล่านี้ (เดลต้า E ) คำนวณโดยสูตร: ΔE = gβH โดยที่ β คือแมกนีตอนบอร์ (หน่วยวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน) H คือ ความแรงของสนามแม่เหล็ก g เป็นค่าคงที่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอนุภาคพาราแมกเนติก หากระบบของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ในสนามแม่เหล็กภายนอกได้รับผลกระทบจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานควอนตัมมีค่าเท่ากับ ΔE จากนั้นภายใต้อิทธิพลของรังสี อิเล็กตรอนจะเริ่มส่งผ่านจากสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าไปยังสถานะด้วย พลังงานที่สูงขึ้นซึ่งจะมาพร้อมกับการดูดซึมของรังสีโดยสาร
EPR เรียกว่าวิธีการวิทยุสเปกโตรสโคปี เนื่องจากการแผ่รังสีในช่วงความถี่วิทยุของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้เพื่อสังเกตการสะท้อนของอิเล็กตรอนแบบพาราแมกเนติก
EPR ถูกบันทึกโดยใช้เครื่องมือพิเศษ - เรดิโอสเปกโตรมิเตอร์ ซึ่งรวมถึง: แม่เหล็กไฟฟ้า แหล่งกำเนิดรังสีคลื่นความถี่วิทยุ สายส่งรังสีจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวอย่าง (ท่อนำคลื่น) เครื่องสะท้อนเสียงซึ่งตัวอย่างที่อยู่ในการศึกษาตั้งอยู่ ระบบตรวจจับ ขยาย และบันทึกสัญญาณ เรดิโอสเปกโตรมิเตอร์ที่พบบ่อยที่สุดที่ใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 3.2 ซม. หรือ 8 มม.
การลงทะเบียนสัญญาณ EPR ดำเนินการดังนี้ ความเข้มของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นเส้นตรงภายในขอบเขตที่กำหนด ที่ค่าความตึงที่สัมพันธ์กับสภาวะเรโซแนนซ์ ตัวอย่างจะดูดซับพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เส้นดูดกลืน (สัญญาณ EPR) คือการพึ่งพาพลังงานรังสีที่ตัวอย่างดูดกลืนจากความแรงของสนามแม่เหล็ก ในเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์ที่มีอยู่ สัญญาณ EPR จะถูกบันทึกเป็นอนุพันธ์อันดับแรกของสายดูดกลืนแสง
ในการอธิบายและวิเคราะห์สเปกตรัม EPR จะใช้พารามิเตอร์จำนวนหนึ่งที่ระบุลักษณะความเข้มของเส้น ความกว้าง รูปร่าง และตำแหน่งในสนามแม่เหล็ก ความเข้มของเส้น EPR หรือสิ่งอื่นที่เท่ากันนั้นเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของอนุภาคพาราแมกเนติก ซึ่งทำให้สามารถทำการวิเคราะห์เชิงปริมาณได้
เมื่อพิจารณาปรากฏการณ์ EPR ควรพิจารณาด้วยว่าโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนแบบไม่มีคู่มีปฏิสัมพันธ์ไม่เฉพาะกับสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสนามแม่เหล็กที่เกิดจากสภาพแวดล้อมของอิเล็กตรอนด้วย เช่น อิเล็กตรอนคู่อื่นๆ นิวเคลียสแม่เหล็ก (ดู เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์). ปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่กับนิวเคลียสมักจะนำไปสู่การแยกสเปกตรัม EPR ออกเป็นหลายเส้น การวิเคราะห์สเปกตรัมดังกล่าวทำให้สามารถระบุธรรมชาติของอนุภาคพาราแมกเนติกและประเมินธรรมชาติและระดับของการมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันได้
การมีส่วนร่วมของอนุภาคพาราแมกเนติกใน ปฏิกริยาเคมีการเคลื่อนที่ของโมเลกุล และเอฟเฟกต์จลนศาสตร์อื่นๆ ยังส่งผลต่อรูปร่างของสเปกตรัม EPR ดังนั้น EPR จึงถูกใช้เพื่อตรวจจับ หาปริมาณ และระบุอนุภาคพาราแมกเนติก ศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีและชีวเคมี และพลศาสตร์ของโมเลกุล
เนื่องจากความเก่งกาจ EPR จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิทยาศาสตร์ต่างๆ การใช้ EPR ในทางชีววิทยาและการแพทย์ เกิดจากการมีอยู่ในเซลล์ เนื้อเยื่อ และสารชีวภาพ ของเหลวของศูนย์พาราแมกเนติกต่างๆ ในธรรมชาติ ด้วยความช่วยเหลือของ EPR พบอนุมูลอิสระในเนื้อเยื่อของสัตว์และพืชเกือบทั้งหมด แหล่งที่มาของอนุมูลอิสระคือสารประกอบ เช่น ฟลาวิน โคเอ็นไซม์ Q และสารอื่นๆ ที่ทำหน้าที่เป็นตัวพาอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมของพลังงานในเซลล์พืชและสัตว์ ศูนย์พาราแมกเนติกที่พบในเนื้อเยื่อที่แยกได้ส่วนใหญ่เป็นสายโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนของไมโทคอนเดรีย ไมโครโซม คลอโรพลาสต์ (ดูการหายใจ) พบว่าเนื้อหาของอนุมูลอิสระในเนื้อเยื่อสัมพันธ์กับกิจกรรมการเผาผลาญ ผลงานมากมายแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของจำนวนอนุมูลอิสระต่างๆ สภาพทางพยาธิวิทยาตัวอย่างเช่นด้วย oncogenesis (ดู) การพัฒนาของความเสียหายจากรังสี (ดู) toxicosis (ดู Intoxication) ซึ่งอธิบายได้จากการละเมิดการเผาผลาญพลังงานในพยาธิวิทยา (ดู Bioenergetics)
ด้วยความช่วยเหลือของ EPR ในเนื้อเยื่อของสัตว์และพืชจะมีการกำหนดไอออนพาราแมกเนติก (เหล็ก ทองแดง แมงกานีส โคบอลต์ ฯลฯ ) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเมทัลโลโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์เช่นกัน เช่นเดียวกับในเม็ดสีที่มีออกซิเจน ( เฮโมโกลบิน). การใช้ EPR ทำให้สามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ของไอออนโลหะและธรรมชาติของปฏิกิริยาของไอออนกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งทำให้สามารถสร้างโครงสร้างที่ดีของสารเชิงซ้อนที่ประกอบด้วยโลหะได้
การเปลี่ยนแปลงทางพยาธิวิทยาในเนื้อเยื่อนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในสัญญาณ EPR ของเมทัลโลโปรตีน ซึ่งสัมพันธ์กับการสลายตัวของสารเชิงซ้อนของโลหะที่เป็นพาราแมกเนติก การเปลี่ยนแปลงในสิ่งแวดล้อมของไอออนพาราแมกเนติก และการเปลี่ยนไอออนไปสู่สารเชิงซ้อนอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การศึกษาธรรมชาติของศูนย์กลางพาราแมกเนติกของเนื้อเยื่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุมูลอิสระ มีความเกี่ยวข้องกับปัญหาบางประการเนื่องจากความซับซ้อนของการถอดรหัสสเปกตรัม EPR
ด้วยความช่วยเหลือของ EPR เป็นไปได้ที่จะตรวจสอบกลไกของปฏิกิริยาของเอนไซม์ (ดู เอนไซม์) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เป็นไปได้ที่จะศึกษาทั้งจลนพลศาสตร์ของการก่อตัวและการบริโภคของอนุมูลอิสระระหว่างปฏิกิริยาของเอนไซม์และจลนศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ของโลหะที่เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ ซึ่งทำให้สามารถกำหนดลำดับของขั้นตอนของเอนไซม์ได้ ปฏิกิริยา.
การใช้ EPR ในการศึกษาการบาดเจ็บจากรังสีในสารชีวภาพ วัตถุทำให้สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติของอนุมูลที่เกิดขึ้นในพอลิเมอร์ชีวภาพ เกี่ยวกับกลไกและจลนศาสตร์ของปฏิกิริยารุนแรงที่พัฒนาในวัตถุที่ฉายรังสีและนำไปสู่ผลกระทบทางชีวภาพ วิธี EPR สามารถใช้ในการวัดปริมาณรังสีฉุกเฉินได้ ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่บุคคลได้รับสัมผัสโดยไม่ได้ตั้งใจเพื่อประเมินปริมาณการรับสัมผัส โดยใช้วัตถุจากเขตสัมผัสสำหรับสิ่งนี้
EPR เป็นสถานที่สำคัญในการศึกษากระบวนการ photobiological ที่เกี่ยวข้องกับอนุมูลอิสระ (ดูโมเลกุล อนุมูลอิสระ Photobiology ไวแสง) EPR ใช้เพื่อศึกษารายละเอียดการก่อตัวของอนุมูลอิสระในโปรตีน กรดนิวคลีอิก และส่วนประกอบภายใต้การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลต และบทบาทของอนุมูลเหล่านี้ในการย่อยสลายด้วยแสงของพอลิเมอร์ชีวภาพ (ดู แสง) การใช้ EPR ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับกลไกหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสง (ดู) แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาเบื้องต้นของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงและการเกิดไอออนบวกของคลอโรฟิลล์ ยังได้ระบุลักษณะของโมเลกุลที่รับอิเล็กตรอนที่บริจาคโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่ตื่นเต้นด้วย
EPR ยังใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่และไบโอแมมเบรนที่มีความสำคัญทางชีววิทยา ตัวอย่างเช่น ไอออนของเหล็กที่เป็นส่วนหนึ่งของ heme ในโปรตีนที่มี heme สามารถอยู่ในสถานะที่มีการหมุนรอบสูง (อิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนอกจะไม่ถูกจับคู่ การหมุนทั้งหมดจะสูงสุด) และการหมุนต่ำ (อิเล็กตรอนภายนอกจะถูกจับคู่ทั้งหมดหรือบางส่วน , สปินน้อยที่สุด) การศึกษาคุณลักษณะของสัญญาณ EPR ของสถานะการหมุนสูงและการหมุนต่ำของไอออนของเหล็กในเฮโมโกลบินและอนุพันธ์ของฮีโมโกลบินช่วยให้เข้าใจโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลเฮโมโกลบิน
ความก้าวหน้าที่สำคัญในการศึกษาโครงสร้างของไบโอแมมเบรนและไบโอโพลีเมอร์ได้เกิดขึ้นหลังจากการมาถึงของโพรบหมุนและวิธีติดฉลาก (ดู เยื่อชีวภาพ) ในฐานะที่เป็นฉลากหมุนและโพรบ ส่วนใหญ่จะใช้อนุมูลไนตรอกไซด์ที่เสถียร (ดู อนุมูลอิสระ) ไนตรอกซิลเรดิคัลสามารถจับกับโมเลกุลแบบโควาเลนต์ (ฉลากหมุน) หรือคงอยู่ในระบบภายใต้การศึกษาเนื่องจากอันตรกิริยาทางกายภาพ (โพรบหมุน) สาระสำคัญอยู่ที่ความจริงที่ว่ารูปร่างของสเปกตรัม EPR ของอนุมูลไนตรอกไซด์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสภาพแวดล้อมจุลภาค: ความหนืดธรรมชาติและการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น ฯลฯ เครื่องหมายการหมุนที่ผูกมัดโควาเลนต์กับกลุ่มไบโอโพลีเมอร์ต่างๆเป็นตัวบ่งชี้ สถานะของโครงสร้างพอลิเมอร์ชีวภาพ ด้วยความช่วยเหลือของฉลากสปิน โครงสร้างเชิงพื้นที่ของพอลิเมอร์ชีวภาพ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนในระหว่างการทำให้เสียสภาพ การก่อตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น แอนติเจน-แอนติบอดี ฯลฯ ได้รับการศึกษา
วิธีการของโพรบหมุนใช้เพื่อศึกษาวิธีการบรรจุและการเคลื่อนที่ของลิปิดในไบโอเมมเบรน ปฏิกิริยาระหว่างไขมันและโปรตีน การเปลี่ยนโครงสร้างในเยื่อหุ้มที่เกิดจากการกระทำของสารต่างๆ เป็นต้น จากการศึกษาฉลากและหัววัดการหมุน วิธีการกำหนด ยาในไบโอ ของเหลวตลอดจนปัญหาการขนส่งยาโดยตรง ฯลฯ
ดังนั้นด้วยความช่วยเหลือของ EPR การกระจายกระบวนการทางอิเล็กทรอนิกส์ในร่างกายอย่างกว้างขวางจึงแสดงให้เห็นในบรรทัดฐานและในกรณีที่มีพยาธิสภาพใด ๆ การสร้างทฤษฎีและการปรับปรุงเทคโนโลยีของวิธี EPR ทำให้เกิดพื้นฐานของควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์เป็นสาขาของวิทยาศาสตร์ นำไปสู่การสร้างเครื่องกำเนิดโมเลกุลและเครื่องขยายเสียงของคลื่นวิทยุ (masers) และแสง - เลเซอร์ (ดู) ซึ่ง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายพื้นที่ของเศรษฐกิจของประเทศ
Blumenfeld L. A. , Voevodsky V. V. และ Semenov A. G. การประยุกต์ใช้อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ในวิชาเคมี, Novosibirsk, 1962, bibliogr.; Wertz J. และ Bolton J. ทฤษฎีและการใช้งานจริงของวิธี EPR, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ M. , 1975, bibliogr.; Ingram D. Electron paramagnetic resonance ในชีววิทยา, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ M. , 1972; Kalmanson A. E. การประยุกต์ใช้วิธีการเรโซแนนซ์อิเล็กตรอนแบบพาราแมกเนติกในชีวเคมีในหนังสือ: Usp. ชีวประวัติ เคมี, ed. B. N. Stepanenko เล่มที่ 5 หน้า 289, ม., 2506; วิธีการสอบสวน Kuznetsov A. N. Spin ม., 1976; Liechtenstein G. I. วิธีการหมุนฉลากในอณูชีววิทยา, M. , 1974; The Spin Label Method, เอ็ด. แอล. เบอร์ลินเนอร์, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ, M. , 1979; อนุมูลอิสระทางชีววิทยา, ศ.บ. ว. ไพรเออร์, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ เล่ม 1 หน้า 88, 178, ม., 2522.
เค.เอ็น.ทิโมฟีฟ
ปรากฏการณ์อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์
หากอะตอมพาราแมกเนติกวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก ระดับพลังงานแต่ละระดับจะถูกแบ่งออกเป็นจำนวนระดับย่อยเท่ากับ $2J+1$(จำนวนที่เป็นไปได้ $m_J)$ ช่วงเวลาระหว่างระดับที่อยู่ติดกันเท่ากับ:
ในกรณีที่อะตอมอยู่ในสถานะนี้อยู่ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ $\omega $ ซึ่งเป็นไปตามเงื่อนไข:
จากนั้นภายใต้อิทธิพลขององค์ประกอบแม่เหล็กของคลื่นตามกฎการเลือกการเปลี่ยนแปลงของอะตอมระหว่างระดับย่อยที่อยู่ใกล้เคียงจะเกิดขึ้นภายในหนึ่งระดับ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) E.K. เป็นคนแรกที่สังเกตเห็นเขา Zavoisky ในปี 1944 เนื่องจาก EPR เกี่ยวข้องกับการสั่นพ้อง การเปลี่ยนภาพจึงปรากฏที่ความถี่ที่แน่นอนของคลื่นเหตุการณ์เท่านั้น ความถี่นี้สามารถประมาณได้อย่างง่ายดายโดยใช้นิพจน์ (2):
ด้วย $g\ประมาณ 1$ และการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กทั่วไปที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ จะได้ $B\ประมาณ 1\ T$, $\nu =(10)^(10)Hz$ ซึ่งหมายความว่าความถี่มีการแปลในช่วงคลื่นวิทยุ (UHF)
เมื่อเกิดการสั่นพ้อง พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากสนามไปยังอะตอม นอกจากนี้ เมื่ออะตอมผ่านจากระดับย่อยของ Zeeman ระดับสูงไปยังระดับย่อยที่ต่ำกว่า พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากอะตอมไปยังสนาม ควรสังเกตว่าในกรณีของสมดุลทางความร้อน จำนวนอะตอมที่มีพลังงานต่ำกว่าจะมากกว่าจำนวนอะตอมที่มีพลังงานสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มพลังงานของอะตอมจะมีผลเหนือการเปลี่ยนแปลงไปด้านข้างด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า ปรากฎว่าพาราแมกเนติกดูดซับพลังงานของสนามในช่วงวิทยุและในขณะเดียวกันก็เพิ่มอุณหภูมิ
การทดลองกับปรากฏการณ์อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ทำให้เป็นไปได้ โดยใช้นิพจน์ (2) เพื่อค้นหาพารามิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง: $g,B\ or\ (\omega )_(rez)$ จากปริมาณที่เหลือ ดังนั้น โดยการวัด $B$ และ $(\omega )_(rez)$ ด้วยความแม่นยำสูงในสถานะการสั่นพ้อง เราพบปัจจัย Lande และโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในสถานะด้วย J
ในของเหลวและ ของแข็งอะตอมไม่สามารถแยกได้ ปฏิสัมพันธ์ของพวกเขาไม่สามารถละเลยได้ มันนำไปสู่ความจริงที่ว่าช่วงเวลาระหว่างระดับย่อยที่อยู่ติดกันในการแยก Zeeman นั้นแตกต่างกัน เส้น EPR มีความกว้างจำกัด
EPR
ดังนั้น ปรากฏการณ์ของอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์จึงประกอบด้วยการดูดซับการปล่อยคลื่นวิทยุไมโครเวฟโดยพาราแมกเนติกอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับย่อยของการแยกซีมัน ในกรณีนี้ การแยกระดับพลังงานเกิดจากการกระทำของสนามแม่เหล็กคงที่บนโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมของสาร โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมในสนามดังกล่าวจะวางแนวตามแนวสนาม พร้อมกันนี้มีการแบ่งระดับพลังงาน Zeeman และการกระจายตามระดับของอะตอมที่กำหนด การครอบครองของระดับย่อยโดยอะตอมนั้นแตกต่างกัน
ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ จำนวนอะตอมเฉลี่ย ($\left\langle N\right\rangle $) ที่อาศัยอยู่ที่ระดับย่อยที่กำหนดสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรของ Boltzmann:
โดยที่ $\triangle E_(mag)\sim mH$ ระดับย่อยที่มีเลขควอนตัมแม่เหล็กต่ำกว่า ($m$) จะมีอะตอมมากกว่าเมื่อสถานะพลังงานศักย์ต่ำลง ซึ่งหมายความว่ามีการวางแนวโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมตามสนามแม่เหล็กซึ่งสอดคล้องกับสถานะแม่เหล็กของพาราแมกเนติก เมื่อใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับกับพาราแมกเนติกที่มีความถี่เท่ากับ (หลายเท่าของ) ความถี่ของการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับย่อยของ Zeeman ที่แยกย่อย การดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้น เกิดจากจำนวนการเปลี่ยนภาพที่มากเกินไป ซึ่งสัมพันธ์กับการเพิ่มจำนวนควอนตัมแม่เหล็กทีละหนึ่ง:
มากกว่าจำนวนช่วงการเปลี่ยนภาพเช่น:
ดังนั้นเนื่องจากการดูดกลืนพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับแบบเรโซแนนซ์ อะตอมจะทำให้การเปลี่ยนผ่านจากระดับล่างสุด เติมมากขึ้น ไปยังระดับบน การดูดกลืนเป็นสัดส่วนกับจำนวนอะตอมที่ดูดซับต่อหน่วยปริมาตร
หากสารประกอบด้วยอะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่งตัวในสถานะ s ซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดเท่ากับโมเมนต์แม่เหล็กหมุนของเอส-อิเล็กตรอน ดังนั้น EPR จะมีประสิทธิภาพสูงสุด
การดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยการนำอิเล็กตรอนในโลหะถือเป็นการสะท้อนแบบพาราแมกเนติกพิเศษ มันเกี่ยวข้องกับการหมุนของอิเล็กตรอนและพาราแมกเนติกของสปินของแก๊สอิเล็กตรอนในสารดังกล่าว ในเฟอร์โรแมกเนต์ เรโซแนนซ์ของเฟอร์โรแมกเนติกจะถูกแยกออก ซึ่งสัมพันธ์กับการปรับทิศทางของโมเมนต์อิเล็กทรอนิกส์ในโดเมนหรือระหว่างกัน
Radiospectroscopes ใช้เพื่อศึกษาอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ ในอุปกรณ์ดังกล่าว ความถี่ ($\omega $) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เปลี่ยนการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก (B) ซึ่งสร้างแม่เหล็กไฟฟ้า (รูปที่ 1)
รูปที่ 1 อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) Author24 - แลกเปลี่ยนเอกสารนักเรียนออนไลน์
ตัวอย่าง A ขนาดเล็กวางอยู่ในโพรงเรโซเนเตอร์ R ซึ่งปรับให้มีความยาวคลื่นประมาณ 3 ซม. คลื่นวิทยุของความยาวคลื่นนี้ถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องกำเนิด G คลื่นเหล่านี้ถูกป้อนผ่านท่อนำคลื่น V ไปยังตัวสะท้อน คลื่นบางส่วนถูกดูดซับโดยตัวอย่าง A และบางส่วนเข้าสู่ตัวตรวจจับ D ผ่านท่อนำคลื่น ในระหว่างการทดลอง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นในการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก (B) ซึ่งสร้างโดยแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อขนาดของการเหนี่ยวนำเป็นไปตามเงื่อนไขการเกิดเรโซแนนซ์ (2) ตัวอย่างจะเริ่มดูดซับคลื่นอย่างเข้มข้น
หมายเหตุ 1
EPR เป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดในการตรวจด้วยเรดิโอสเปกโทรสโกปี
ตัวอย่าง
ตัวอย่าง 1
ออกกำลังกาย: โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอม $Ni$ ในสถานะ $(()^3F)_4$ เป็นเท่าใด หากการดูดกลืนพลังงานด้วยจังหวะคลื่นเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กคงที่ที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก $B_0$ และสนามแม่เหล็กสลับกับการเหนี่ยวนำ $B_0$ ตั้งฉากกับฟิลด์คงที่ ความถี่ของฟิลด์ตัวแปรคือ $\nu$
วิธีการแก้:
ดังที่ทราบกันดีว่าในสภาวะของการกำทอนความเท่าเทียมกันนั้นเกิดขึ้นจริง:
\[\hbar \omega =h\nu =\delta E=(\mu )_bgB\left(1.1\right).\]
จากสูตร (1.1) เราพบปัจจัย Lande:
สำหรับสถานะที่กำหนด ($(()^3F)_4$) เรามี: $L=3$, $S=1$, $J=4$ โมเมนต์แม่เหล็กถูกกำหนดโดยนิพจน์:
\[\mu =(\mu )_bg\sqrt(J(J+1))=\frac(h\nu )(B_0,\ )\sqrt(20).\]
ตอบ: $\mu =\frac(h\nu )(B_0,\ )\sqrt(20).$
ตัวอย่าง 2
ออกกำลังกาย: ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ใดที่สามารถหาได้จากการศึกษาอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์?
วิธีการแก้:
เมื่อได้เรโซแนนซ์จากสภาวะเรโซแนนซ์โดยสังเกตแล้ว จะพบปริมาณหนึ่ง: ปัจจัยแลนด ($g$) การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กภายใต้เงื่อนไขของการดูดกลืนพลังงานโดยอะตอม (B) ความถี่เรโซแนนซ์ ( $(\omega )_(rez)$). นอกจากนี้ B และ $(\omega )_(rez)$ สามารถวัดได้ด้วยความแม่นยำสูง ดังนั้น EPR ทำให้สามารถรับค่า $g\$ ได้อย่างแม่นยำ และด้วยเหตุนี้ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมสำหรับสถานะที่มีเลขควอนตัม $J$ ค่าของจำนวนควอนตัม S ถูกกำหนดจากหลายหลากของสเปกตรัม ถ้าทราบ $g,\ J,\ S$ จะคำนวณ $L$ ได้ง่าย ปรากฎว่าตัวเลขควอนตัมทั้งหมดของอะตอมและการหมุนของวงโคจรและโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของอะตอมกลายเป็นที่รู้จัก