Вопрос 10. 5 минут. Электронный парамагнитный резонанс (эпр). Применение эпр-спектроскопии в биологии и медицине

Основу магниторезонансных методов составляет поглощение энергии электромагнитных волн микроволнового и радиочастотного диапазонов в присутствии внешнего постоянного магнитного поля. Первые эксперименты на конденсированных образцах были ыполнены в СССР Завойским Е.К. в 1944 году. Дальнейшее быстрое развитие эти методы получили благодаря успехам, достигнутым в микроволновой технике (Блох и Парселл).

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней. Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

Ядра, как и электроны, характеризуются собственным моментом количества движения (спином), который квантуется (то есть принимает не все, а лишь определенные значения), а также обладают и магнитным моментом.

В зависимости от типа частиц-носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЭПР наблюдается в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами.

Поглощение (или резонанс) происходит, когда величина E = h, энергия поставляемая осциллирующим полем, становится равной величине h = g_БB_рез, т.е.

h = g_Б B_рез

где g - множитель Ланде (g-фактор), для заданного уровня энергии

атома он зависит от квантовых чисел L, j, S;

_Б = - магнетон Бора;

B - вектор магнитной индукции.

Магнитный резонанс наблюдается, если на частицу одновременно действует постоянное магнитное поле индукции B_рез. и электромагнитное поле с частотой .

Из условия (1) видно, что обнаружить резонансное поглощение можно двумя путями: или при неизменной частоте плавно изменять магнитную индукцию, или при неизменной магнитной индукции плавно изменять частоту. Технически более удобным оказывается первый вариант.

Форма и интенсивность спектральных линий, наблюдаемых в ЭПР, определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, друг с другом, с решеткой твердого тела и т.п.

Современная методика измерения ЭПР основывается на определении изменения какого-либо параметра колебательной системы, происходящего при поглощении электромагнитной энергии.

Прибор, используемый для этой цели, называют спектрометром

ЭПР. Он состоит из:

1 - электромагнит, создающий сильное однородное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться;

2 - генератор СВЧ-излучения электромагнитного поля;

3 - специальная "поглощающая ячейка", которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на образце и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор);

4 - электронная схема, обеспечивающая наблюдение или запись ЭПР;

5 - образец;

6 - осциллограф.

N

1

3

2

4

ЭО

6

S

1

S

Практически на ЭПР-спектрометрах регистрируют не кривую поглощения энергии (E_погл (B)), а ее производную (то есть ).

При помощи ЭПР можно изучать лишь объекты, обладающие неспаренными электронами; таковыми являются свободные радикалы и соединения, включающие ионы переходных металлов.

В зависимости от изучаемого объекта можно выделить три основных типа исследований:

- анализ свободных радикалов, в норме присутствующих в живом организме;

- исследования металлопротеидов (белков, содержащих ионы металлов, главным образом железа, меди и реже - марганца);

- исследования парамагнитных меток, искусственно вводимых в изучаемую систему, с тем чтобы установить механизм реакции или место связывания определенного соединения (например, выявить природу активного центра).

Метод спиновых меток - соединений, которые обычно представляют собой различные нитроксильные радикалы, является своего рода способом зондирования крупных молекул.