4.5.4. Электронный парамагнитный резонанс

С помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) было доказано наличие микровязкости в клеточных мембранах, которая играет огромную роль в диагностике некоторых заболеваний.

Остановимся более подробно на данных методах. Метод ЭПР в медико-биологических исследованиях применяется для обнаружения свободных радикалов, например, при облучении белков. Это дает возможность проследить изменения первичных предметов радиационного поражения. Свободные радикалы образуются при перикисном окислении липидов в мембранах клеток, что приводит к патологии, в частности к лучевой болезни. В биологических мембранах липиды находятся преимущественно в жидкокристаллическом состоянии, и жидкокислотные цепи фосфолипидов обладают значительной подвижностью. Изучение биомембран стало возможным благодаря развитию методов ЭПР и ЯМР. Применение этих методов для изучения свойств липидного слоя мембран основано на том, что форма наблюдаемых сигналов зависит от свойств свободного радикала и протонов ядер водорода, а также от микровязкости окружающей среды. Рассмотрим более подробно теорию ЭПР-метода.

Пусть вращается электрон вокруг ядра атома элемента (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Модель атома водорода

Неспаренный электрон в атоме, при движении по орбите, обладает собственным орбитальным механическим моментом

,

где m_e – масса электрона, кг;

- линейная скорость, м/с;

r - радиус, м,

и орбитальным магнитным моментом P=JS, где J - величина кругового тока.

где - частота, Гн;

е – заряд электрона, Кл.

. (4.16)

; .

Отношение

P_м/L=e/(2m_е)=G (4.17)

называется магнитомеханическим отношением для орбитального движения электрона. Кроме орбитального момента, электрон обладает собственным моментом количества движения - спином. Связь между собственным моментом электрона (спином) и G выражается соотношением

P_ms/G = gs, (4.18)

где s - собственный момент количества движения;

Р_ms - собственный магнитный момент;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Так как , то магнитный момент для спинов

; . (4.19)

Соотношение (4.19) показывает, что между магнитным и механическим моментами импульса существует жесткая связь.

Таким образом,

. (4.20)

При наложении на одноэлектронный атом постоянного магнитного поля (см. рис. 4.19) орбитальный (Р_m) и спиновой (P_ms) магнитные моменты электрона будут взаимодействовать, и энергия взаимодействия будет

Рис.4.19. Атом водорода в однородном магнитном поле

E=PBcosα, (4.21)

где В - индукция магнитного поля, Тл;

Р - векторная сумма орбитального и спинового магнитных моментов электрона;

α - угол между направлениями В и Р,

или

. (4.22)

обозначим , тогда

, (4.23)

где - магнетон Бора - единица измерения магнитных моментов атома.

При наложении внешнего магнитного поля не спаренные электроны разбиваются на две группы:

1) электроны, магнитный момент которых ориентируется в направлении магнитного поля. В данном случае энергия уменьшается на величину

(4.24)

по сравнению с их энергией в отсутствие магнитного поля;

2) электроны с противоположной ориентацией магнитного момента. Энергия увеличивается на величину

. (4.25)

таким образом, происходит расщепление энергии не спаренных электронов во внешнем постоянном магнитном поле. Такое расщепление называется Зеемановским (рис. 4.20).

Если на образец, содержащий не спаренные электроны, находящиеся в постоянном магнитном поле, направить электромагнитное излучение с частотой ν при некотором значении энергии кванта излучения hν, будет выполняться условие:

(4.26)

Рис. 4.20. Энергетические уровни атома

При этом не спаренные электроны, находящиеся на более низком энергетическом уровне, переходят на верхний уровень (с одновременным изменением направления вращения спинов) и поглощают энергию электромагнитного излучения. Это поглощение может быть зарегистрировано в виде спектрограмм (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Схема линий поглощения: а - сегментной; б - ее производной

В спектрологии используют электромагнитное излучение с ν=9000 МГц. Длина волны такого излучения равна 3 см; В=1000 мТл. Таким образом, поглощение энергии при совпадении частот электромагнитного поля с частотой фотона, которая соответствует разности энергии между подуровнями, называется магнитным резонансом. Магнитный резонанс выполняется при условии (4.26).

На основании этого выражения можно определить значение g-фактора. Зная его величину, можно определить характер магнетизма системы (спиновой или орбитальный), получить исчерпывающую информацию о полях и внутримолекулярных связях. Прибор, используемый для измерения какого-либо параметра колебательной системы, называется спектрометром (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Схема ЭПР-спектрометра

ЭПР-спектрометр состоит из следующих частей: электромагнита 1, создающего сильное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться; генератора СВЧ 2; специальной "поглощающей линейки" 3, которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на отрезке и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор); электронной схемы 4, обеспечивающей наблюдение или запись спектров ЭПР; образца 5; осциллографа 6; блока питания.

Основными параметрами, характеризующими спектральную (одиночную) линию поглощения ЭПР, являются:

1) интегральная интенсивность (суммарная, поглощенная при ЭПР, энергия) - пропорциональна числу не спаренных электронов в образце, что позволяет наблюдать за изменением концентрации свободных радикалов;

2) ширина спектральной линии - определяется разбросом энергетических уровней, занимаемых не спаренными электронами;

3) g-фактор - дает возможность судить о внутримолекулярных связях.

Метод ЭПР в биологии используется для:

1) обнаружения и исследования свободных радикалов. Так, в спектрах ЭПР облученных белков обнаружены свободные радикалы. Это позволило проследить образование свободных радикалов и изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения;

2) изучения фотохимических процессов;

3) определения концентрации радикалов в воздушной среде.

Использование метода ЭПР при различных исследованиях, в том числе и медико-биологических, основано на том, что при получении спектра обнаруживается не одна линия поглощения, а целая группа линий, которые называются расщеплением. Существует как электронное расщепление (оно возникает, когда молекула или атом обладают вызывающим ЭПР), так и сверхатомные расщепления. По спектрам ЭПР можно найти положение спин-метки в биомолекуле. Вводя метки в различные участки молекул, можно установить расположение различных групп атомов, их взаимодействие, изучить переходы и ориентацию химических связей и т.д., что было сделано при изучении клеточных мембран.