Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса

Расщепленные линии должны обнаруживать линейную поляризацию: крайние —перпендикулярную к полю; средняя — по полю. При наблюдении же вдоль поля средняя линия должна отсутствовать, а крайние — обнаруживать круговую поляризацию с противоположным направлением вращения {рис, 121,а).Все эти предсказания теории во многих случаях подтвердились с поразительной точностью. Вместе с тем оказалось, что имеется большое число случаев, когда картина расщепления значительно сложнее: число компонент больше трех, и величина смещения не совпадает с вычисленной.Расщепление, следующее теории Лоренца, называется нормальным или простым эффектом Зеемана ,во всех остальных случаях наблюдаемая картина называется аномальным или сложным эффектом Зеемана.

 Электронное расщепление. Сверхтонкое расщепление. Большинство приложений, в том числе и медико-биологических, базируются на анализе группы линий (а не только синглентых) в спектре поглощения ЭПР. Наличие в спектре ЭПР группы близких линий условно называют расщеплением. Имеется два характерных типа расщепления для спектра ЭПР. Первое – электронное расщепление – возникает в тех случаях, когда молекула или атом обладают не одним, а несколькими электронами, вызывающими ЭПР. Второе – сверхтонкое расщепление – наблюдается при взаимодействии электронов с магнитным моментом ядра. Согласно классическим представлениям, электрон, обращающийся вокруг ядра, как и любая движущаяся по круговой орбите заряженная частица, имеет дипольный магнитный момент. Аналогично и в квантовой механике, орбитальный угловой момент электрона создаёт определённый магнитный момент. Взаимодействие этого магнитного момента с магнитным моментом ядра (обусловленным ядерным спином) приводит к сверхтонкому расщеплению (т. е. создаёт сверхтонкую структуру). Однако электрон также обладает спином, дающим вклад в его магнитный момент. Поэтому сверхтонкое расщепление имеется даже для термов с нулевым орбитальным моментом. Расстояние между подуровнями сверхтонкой структуры по порядку величины в 1000 раз меньше, чем между уровнями тонкой структуры (такой порядок величины по существу обусловлен отношением массы электрона к массе ядра).

Устройство и принцип работы спектрометров ЭПР. Устройство  радиоспектрометра  ЭПР  во  многом  напоминает  устройство спектрофотометра  для измерения  оптического поглощения в  видимой  и ультрафиолетовой частях спектра. Источником  излучения  в радиоспектрометре  является  клистрон, представляющий  из  себя  радиолампу, дающую  монохроматическое  излучение  в диапазоне  сантиметровых  волн.  Диафрагме спектрофотометра  в  радиоспектрометре соответствует  аттенюатор,  позволяющий дозировать силу, падающую на образец. Кювета  с  образцом  в  радиоспектрометре находится в специальном блоке, называемом резонатором.  Резонатор  представляет  собой параллелепипед,  имеющий  цилиндрическую или  прямоугольную  полость  в  которой находится  поглощающий  образец.  Размеры резонатора  таковы,  что  в  нем  образуется стоячая  волна.  Элементом  отсутствующем  в оптическом  спектрометре  является электромагнит,  создающий  постоянное магнитное  поле,  необходимое  для расщепления  энергетических  уровней электронов. Излучение,  прошедшее  измеряемый  образец,  в  радиоспектрометре  и  в спектрофотометре,  попадает  на  детектор,  затем  сигнал  детектора  усиливается  и регистрируется  на  самописце  или  компьютере.  Следует  отметить  еще  одно  отличие радиоспектрометра.  Оно  заключается  в  том,  что  излучение  радиодиапазона  передается  от источника к  образцу  и  далее к  детектору с  помощью специальных трубок  прямоугольного сечения,  называемых  волноводами.  Размеры  сечения  волноводов  определяются  длиной волны передаваемого излучения. Эта особенность  передачи радиоизлучения  по волноводам и определяет тот факт, что для регистрации спектра ЭПР в радиоспектрометре используется постоянная  частота  излучения,  а  условие  резонанса  достигается  изменением  величины магнитного поля. Еще  одной  важной  особенностью  радиоспектрометра  является  усиление  сигнала посредством  его модуляции высокочастотным переменным полем.  В результате  модуляции сигнала  происходит  его  дифференцирование  и  превращение  линии  поглощения  в  свою первую производную, являющуюся сигналом ЭПР.

Метод спинового зонда. Спиновые зонды - индивидуальные парамагнитные химические вещества, применяемые для изучения различных молекулярных систем с помощью спектроскопии ЭПР. Характер изменения спектра ЭПР этих соединений позволяет получать уникальную информацию о взаимодействиях и динамике макромолекул и о свойствах различных молекулярных систем. Это метод исследования молекулярной подвижности и различных структурных превращений в конденсированных средах по спектрам электронного парамагнитного резонанса  стабильных радикалов (зондов), добавленных к исследуемому веществу. Если стабильные радикалы химически связаны с частицами исследуемой среды, их называют метками и говорят о методе спиновых (или парамагнитных) меток. В качестве зондов и меток используют главным образом нитроксильные радикалы, которые устойчивы в широком интервале температур (до 100-200○С), способны вступать в химические реакции без потери парамагнитных свойств, хорошо растворимы в водных и органических средах. Высокая чувствительность метода ЭПР позволяет вводить зонды (в жидком или парообразном состоянии) в малых количествах - от 0,001 до 0,01% по массе, что не вызывает изменения свойств исследуемых объектов. Метод спиновых зондов и меток применяется особенно широко для исследования синтетичических полимеров и биологических объектов. При этом можно изучать общие закономерности динамики низкомолекулярных частиц в полимерах, когда спиновые зонды моделируют поведение различных добавок (пластификаторы, красители, стабилизаторы, инициаторы); получать информацию об изменении мол. подвижности при хим. модификации и структурно-физических превращениях (старение, структурирование, пластификация, деформация); исследовать бинарные и многокомпонентные системы (сополимеры, наполненные и пластифицир. полимеры, композиты); изучать растворы полимеров, в частности влияние растворителя на их поведение; определять вращатательную подвижность ферментов, структуру и пространственное расположение групп в активном центре фермента, конформацию белка при различных воздействиях, скорость ферментативного катализа; изучать мембранные препараты (напр., определять микровязкость и степень упорядоченности липидов в мембране, исследовать липид-белковые взаимодействия, слияние мембран); изучать жидкокристаллической системы (степень упорядоченности в расположении молекул, фазовые переходы), ДНК, РНК, поли-нуклеотиды (структурные превращения под влиянием среды, взаимодействия ДНК с лигандами и интеркалирующими соединениями). Метод используют также в различных областях медицины для исследования механизма действия лек. препаратов, анализа изменений в клетках и тканях при различных заболеваниях, определении низких концентраций токсичных и биологически активных в-в в организме, изучения механизмов действия вирусов.

Применение спектров ЭПР в медико-биологических исследованиях. Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, сколько и в какие структурные положения электронов входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой. С помощью метода ЭПР впервые были исследованы механизмы действия ионизирующих (радиоактивных) излучений на живые организмы. Изучая магнитное поле, мы выяснили, что живые организмы состоят в основном, из диамагнетиков. Т.е. эти вещества не будут поглощать электромагнитное излучение радиодиапазона, используемого в ЭПР. Под действие радиации происходит образование возбуждённых молекул, ионов и свободных радикалов, которые обладают парамагнитными свойствами. В результате для их качественного и количественного изучения возможно применение метода ЭПР. ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ.

III. Заключение.

История науки учит нас, что каждое новое физическое явление или новый метод проходит трудный путь, начинающийся в момент открытия данного явления и проходящий через несколько фаз. Сначала почти никому не приходит мысль о возможности, даже весьма отдаленной, применения этого явления в повседневной жизни, в науке или технике. Затем наступает фаза развития, во время которой данные экспериментов убеждают всех в большой практической значимости данного явления. Наконец, следует фаза стремительного взлета. Новые инструменты входят в моду , становятся высокопродуктивными, приносят большую прибыль и превращаются в решающий фактор научно- технического прогресса. Приборы, основанные на когда-то давно открытом явлении , заполняют физику, химию, промышленность и медицину.  ЭПР нашёл широкое применение в различных областях физики, химии, геологии, биологии, медицине. Интенсивно используется для изучения поверхности твёрдых тел, фазовых переходов, неупорядоченных систем. В физике полупроводников с помощью ЭПР исследуются мелкие и глубокие точечные примесные центры, свободные носители заряда, носитель-примесные пары и комплексы, радиационные дефекты, дислокации, структурные дефекты, дефекты аморфизации, межслойные образования (типа границ Si - SiO2), изучаются носитель, примесное взаимодействие, процессы рекомбинации, фотопроводимость и др. явления. Можно отметить следующие преимущества миллиметровой ЭПР спектроскопии:

1. Основным преимуществом ЭПР спектроскопии миллиметрового диапазона является высокое спектральное разрешение по g фактору, пропорциональное частоте регистрации ν или напряженности внешнего магнитного поля B0 .

При ν > 35 ГГц насыщение парамагнитных центров достигается при меньшем значении СВЧ поляризующего поля изза экспоненциальной зависимости числа возбужденных спинов от частоты регистрации. Этот эффектуспешно используется при исследовании релаксации и динамики парамагнитных центров.

2. В высоких магнитных полях существенно уменьшается кросс-релаксация парамагнитных центров, чтопозволяет получать более полную и точную информацию об исследуемой системе.
3. В миллиметровых диапазонах ЭПР увеличивается чувствительность метода к ориентации разупорядоченныхсистем в магнитном поле.
4. Благодаря большей энергии СВЧ квантов в этих диапазонах появляется возможность исследования спиновыхсистем с большим расщеплением в нулевом поле.
5. При регистрации спектров ЭПР в высоких магнитных полях они становятся более простыми из-за уменьшения эффектов второго порядка.

Список использованной литературы и источников.

1. Антонов В. Ф., Коржуев А. В. Физика и биофизика: курс лекций для студентов медицинских вузов. – Москва: ГЭОТАР-МЕД, 2004.
2. Кузнецов А.Н. Метод спинового зонда. – Москва: Наука, 1976.
3. Материалы сайта www.wikipedia.org;
4. Материалы сайта www.humuk.ru;
5. С. А. Альтшулер, Б. М. Козырев, Электронный парамагнитный резонанс. М.: Физматиз, 1961.
6. С. А. Альтшулер, Б. М. Козырев, Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп. М.: Наука, 1972.
7. А. С. Марфунин, Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. М.:Недра,1975.