Електронний парамагнітний резонанс і його медико-біологічне застосування

У атома, міститься в магнітне поле, спонтанні переходи між підрівнів одного й того ж рівня малоймовірні. Проте такі переходи здійснюються індукувати під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Необхідною умовою є збіг частоти електромагнітного поля з частотою фотонів, відповідного різниці енергій між розщеплюванні підрівнів. При цьому можна спостерігати поглинання енергії електромагнітного поля, яке називають магнітним резонансом.

В залежності від типу частинок - носіїв магнітного моменту - розрізняють електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і ядерний магнітний резонанс (ЯМР).

ЕПР відбувається в речовинах, що містять парамагнітні частинки: молекули, атоми, іони, радикали, що володіють магнітним моментом, зумовленим електронах. Що виникає при цьому явище Зеемана пояснюють розщеплення електронних рівнів (звідси назва резонансу - «електронний»). Найбільш поширений ЕПР на часток з чисто спіновим магнітним моментом (у закордонній літературі таку різновид ЕПР іноді називають електронним спіновим резонансом).

ЕПР був відкритий Е. К. Завойским в 1944р. У перших дослідах спостерігалося резонансне поглинання в солях іонів групи заліза. Завойскому вдалося вивчити ряд закономірностей цього явища.

із hυ=E_i-E_k і (16.З) отримуємо наступне умову резонансного поглинання енергії:

hυ=gμ _Б B _рез. (16.1.9)

Магнітний резонанс спостерігається, якщо на частинку одночасно діють постійне поле індукції B _рез і електромагнітне поле з частотою υ. З умови (16.9) зрозуміло, що виявити резонансне поглинання можна двома шляхами: або при незмінній частоті плавно змінювати магнітну індукцію, або при незмінній магнітної індукції плавно змінювати частоту. Технічно більш зручним виявляється перший варіант.

На рис. 16.6 показані розщеплення енергетичного рівня електрона (а) і зміна потужності Р електромагнітної хвилі, що пройшла зразок, в залежності від індукції магнітного поля (б). При виконанні умови (16.9) виникає ЕПР.

Форма і інтенсивність спектральних ліній, що спостерігаються у ЕПР, визначаються взаємодією магнітних моментів електронів, зокрема спінових, один з одним, з решітками твердого тіла і т.п. З'ясуємо, як ці фактори впливають на характер спектрів.

Припустимо, що умова (16.9) виконується. Для поглинання енергії необхідно, щоб у атомів речовини була більше населення нижніх підрівнів, ніж верхніх. В іншому випадку буде переважати індукованих випромінювання енергії.

При електронному парамагнітному резонансі поряд з поглинання енергії і збільшенням населеності верхніх підрівнів відбувається і зворотний процес - безвипромінювальні переходи на нижні підрівнів, енергія частинки передається решітці. Процес передачі енергії частинок решітці називають спін-решітковою релаксацією, він характеризується часом τ. По співвідношенню Гейзенберга це призводить до розширенню рівня.

Таким чином, резонансне поглинання викликається не точно при одному значенні В, а в деякому інтервалі Δ В (рис. 16.7). Замість нескінченно вузької лінії поглинання буде лінія кінцевої ширини: чим менший час спін-решіткової релаксації, тим більше ширина лінії (τ₁ <τ₂, відповідно криві 1 і 2 на рис. 16.7).

Розширення ліній ЕПР залежить також від взаємодії спінових електронів (спін-спінова взаємодія) і від інших взаємодій парамагнітних частинок. Різні типи взаємодії впливають не тільки на ширину лінії поглинання, але і на її форму.

Поглинання при ЕПР енергія, тобто інтегральна (сумарна) інтенсивність лінії, при певних умовах пропорційна числу парамагнітних частинок. Звідси випливає, що по вимірюванню інтегральної інтенсивності можна судити про концентрацію цих частинок.

Важливими параметрами, характеризують синглетову (одиноку) лінію поглинання, є υ, B _рез, g (положення точки резонансу), що відповідають умовою (16.9). При постійній частоті υ значення B _рез залежить від g -фактора. У простому випадку g -фактор дозволяє визначити характер магнетизму системи (спіновий або орбітальної). Якщо ж елек пов'язаний з атомом, що входять до складу твердої кристалічної решітки або який-небудь молекулярної системи, то на нього будуть впливати сильні внутрішні поля. Вимірюючи g -фактор, можна отримати інформацію про полях і внутрішньомолекулярних зв'язки.

Однак, якщо б при дослідженні виходила тільки сінглетная лінія поглинання, то багато хто додатки магнітних резонансних методів були б неможливі. Більшість програм, у тому числі і медико-біологічних, базується на аналізі групи ліній. Наявність в спектрі ЕПР групи близьких ліній умовно називають розщепленням. Є два характерних типу розщеплення для спектру ЕПР.

Перше - електронне розщеплення - виникає в тих випадках, коли молекула або атом володіють не одним, а кількома електронах, які викликають ЕПР. Друге - надтонкі розщеплення - спостерігається при взаємодії електронів з магнітним моментом ядра.

Сучасна методика вимірювання ЕПР ґрунтується на визначенні зміни будь-якого параметра коливальні системи, що відбувається при поглинанні електромагнітної енергії.

Прилад, який використовується для цієї мети, називають спектрометром ЕПР. Він складається з наступних основних частин (рис. 16.8): 1 - електромагніт, що створює сильне однорідне магнітне поле, індукція якого може плавно змінюватися; 2 - генератор НВЧ-випромінювання електромагнітного поля; 3 - спеціальна «поглинаючих комірка», яка концентрує випадаюче НВЧ-випромінювання на зразку і дозволяє виявити поглинання енергії зразком (об'ємний резонатор); 4 - електронна схема, що забезпечує спостереження або запис спектрів ЕПР; 5 - зразок; 6 - осцилограф.

На сучасному вітчизняному ЕПР-спектрометр «Рубін» (рис. 16.9) використовують частоту близько 10ГГц (довжина хвилі 0,03м). Це означає у відповідності з (16.9), що максимум ЕПР поглинання для g =2 спостерігається при В =0,3Тл.

Практично на ЕПР-спектрометрі реєструють не кривий поглинання енергії (рис. 16.10, а), а її похідну (рис. 16.10, б).

Одне з медико-біологічних застосувань методу ЕПР полягає у виявленні і дослідженні вільних радикалів. Так, наприклад, спектри ЕПР опромінених білків дозволили пояснити механізм утворення вільних радикалів і в зв'язку з цим простежити зміни первинних і вторинних продуктів радіаційного ураження.

ЕПР широко використовують для вивчення фотохімічних процесів, зокрема фотосинтезу. Досліджують канцерогенних активність деяких речовин.

З санітарно-гігієнічної метою метод ЕПР використовують для визначення концентрації радикалів в повітряному середовищі.

Порівняно недавно спеціально для вивчення біологічних молекул був запропонований метод спін-міток, суть якого полягає в тому, що з молекулою досліджуваного об'єкту зв'язується парамагнітне з'єднання з добре відомою структурою. За спектром ЕПР знаходять положення такої спін-позначки в молекулі. Вводячи позначки в різні частини молекул, можна встановити розміщення різних груп атомів, їх взаємодії, вивчати природу і орієнтацію хімічних зв'язків і виявляти молекулярне рух. Приєднання до молекулі не однієї, а декількох спін-міток, наприклад тих двох, що дозволяє отримати інформацію про відстанях мічених груп та їх взаємної орієнтації.

Використовуються також і спінові зонди - парамагнітні частинки, які нековалентно пов'язані з молекулами. Зміна ЕПР-спектру спінових зондів дає інформацію про стан оточуючих його молекул. На рис. 16.11 показані ЕПР-спектри нітроксільного радикала, який у якості спінового зонда поміщений в гліцерин. Зі збільшенням температури зменшується в'язкість гліцерину, і це змінює вигляд спектру ЕПР. Таким чином, за формою спектру ЕПР можна визначити мікров’язкість - в'язкість найближчого оточення спінового зонду. Так, зокрема, вдається визначити мікров’язкість ліпідного шару мембран.

У нашій країні проводяться великі дослідження біологічних об'єктів методом ЕПР.

Дата добавления: 2014-01-04