Материал: Компендиум

E

E

E

Рисунок 91. Расщепление электронного уровня парамагнитной молекулы в магнитном поле

Большая часть молекул (ионов) при этом будет находиться в нижнем энергетическом состоянии E1 , как энергетически более

выгодном.

Если теперь облучить такую систему электромагнитным полем резонансной частоты (энергия кванта равна энергии перехода)

электромагнитного поля, так и переходы сверху вниз (с уровня E2 на уровень E1 ), соответствующие испусканию такого же кванта. И

те и другие переходы сопровождаются переориентацией спина электрона и, соответственно, магнитного момента электрона.

Поскольку на нижнем энергетическом уровне E1 всегда

находится больше молекул, чем на верхнем, то поглощение будет преобладать над испусканием, и в целом будет наблюдаться явление резонансного поглощения электромагнитного излучения частоты рез .

Явление резонансного поглощения электромагнитного излучения атомными или молекулярными парамагнитными системами, находящимися в магнитном поле, и сопровождающееся переориентацией спина электрона

226

называют электронным парамагнитным резонансном (ЭПР).

Электромагниты 1 создают постоянное магнитное поле индукцией В, величина которого может изменяться по желанию экспериментатора (за счет изменения тока в обмотках электромагнита) (рисунок 92).

1

N

5

hv

3 2 4

S

Рисунок 92. Схема установки для наблюдения ЭПР

В это поле помещается исследуемый образец 2. Источник 3 облучает образец электромагнитным полем фиксированной частоты (обычно СВЧ диапазона), приемник 4 определяет интенсивность прошедшего излучения, система регистрации 5 записывает ЭПР-спектр.

Поскольку частота используемого в установке электромагнитного излучения строго фиксирована, то выполнения резонансного поглощения добиваются изменением индукции магнитного поля: увеличивая ток в обмотках электромагнитов, увеличивают величину налагаемого на образец магнитного поля В, а, следовательно, и величину энергетического расщепления E в молекулах. Когда величина этого расщепления становится равной энергии электромагнитного кванта hv , наблюдается резкое возрастание коэффициента поглощения образца К, что и фиксируется приемником излучения.

Но по техническим причинам удобнее регистрировать не зависимость К от В, а зависимость от В (см. рисунок 93).

227

dK/dB

B

Bрез

Рисунок 93. Спектр ЭПР

Спектр ЭПР позволяет получить следующую информацию:

Каждый свободный радикал характеризуется своим значением фактора Ланде, что позволяет уверенно идентифицировать свободные радикалы по положению линий в ЭПР-спектре (по значению Врез.). Поскольку частота электромагнитного излучения известна и строго фиксирована, то, зная из спектра ЭПР значение Врез., можно вычислить фактор Ланде исследуемого радикала:

g hv

Б Bрез. ,

иопределить, тем самым, вид этого свободного радикала.

Площадь S под линией ЭПР позволяет судить о количестве N свободных радикалов (парамагнитных молекул) в образце:

N S ,

где S – площадь под кривой поглощения, − коэффициент пропорциональности.

Форма ЭПР-линий несет информацию о физических свойствах среды, в которой находится исследуемый радикал: чем шире линия, тем более вязкая среда, и наоборот. Таким образом, определяется вязкость липидного бислоя и других

228

клеточных структур.

Воздействие электронов между собой и с магнитным полем ядра проявляется в виде расщепления линий ЭПР на несколько близких компонент.

В спектрах ЭПР имеется 2 типа таких расщепления:

1)электронное расщепление обусловлено наличием у атома или молекулы не одного, а двух и более неспаренных электронов;

2)сверхтонкое расщепление вызвано взаимодействием магнитного момента электрона не только с внешним магнитным полем, но и магнитным полем ядра атома.

Парамагнитные метки и зонды. В последнее время с помощью ЭПР изучают поведение в биологических системах не только свободных радикалов, но

Форма сигнала ЭПР от такого зонда зависит от вращательной

229

подвижности той химической группы или макромолекулы в целом, в состав которой он входит. Чем сильнее заторможено такое вращение, тем шире сигнал ЭПР. На интенсивность сигнала также влияет полярность окружающей среды (растворителя).

Метод ЭПР обладает чувствительностью и избирательностью для непосредственного наблюдения свободных радикалов, возникающих при протекании многих биологически важных реакций: окислительно-восстановительных, радиационного поражения, фотосинтеза и др.

230