Электронно парамагнитный резонанс (ЭПР). Основы ЭПР метода.

Основы ЭПР-метода

ЭПР спектрометр
Спектрометр ЭПР

Коротко о главном

Какую информацию я могу получить от EPR?

Только метод электронного парамагнитного резонанса или ЭПР однозначно обнаруживает неспаренные электроны. Другие методы, такие как флуоресценция, могут служить косвенным свидетельством наличия свободных радикалов, но только один ЭПР дает неопровержимые доказательства их присутствия. Кроме того, ЭПР обладает уникальной способностью идентифицировать обнаруженные парамагнитные центры. Образцы EPR очень чувствительны к окружающей их среде, поэтому техника проливает свет на молекулярную структуру вблизи неспаренного электрона. Иногда спектры ЭПР демонстрируют сильные изменения формы линий, дающие представление о динамических процессах, таких как движение молукул или текучесть.

Метод ЭПР спин улавливания, который обнаруживает кратковременные реактивные свободные радикалы, очень хорошо иллюстрирует, как можно использовать обнаружение и идентификацию радикалов. Этот метод жизненно важен в биомедицинской области для выяснения роли свободных радикалов во многих патологиях, при определении токсичности.

ЭПР спин мечение — это метод, используемый биохимиками, при котором парамагнитная молекула (спиновая метка) используется для «метки» макромолекул в определенных областях. Из спектров ЭПР, сообщаемых спиновой меткой, можно определить тип среды (ее гидрофобность, рН, текучесть и прочие параметры), в которой расположена спиновая метка.

ESEEM и ENDOR — это два метода ЭПР, которые измеряют взаимодействие электрона с окружающими ядрами. Они являются чрезвычайно мощными методами исследования структуры «активных сайтов» в металлопротеинах. Другими важным приложением для количественного ЭПР является радиационная дозиметрия, измерения дозы для стерилизации медицинских товаров и продуктов питания, обнаружение облученных продуктов и датировки ранних человеческих артефактов. Полный перечень применений можно посмотреть на этой странице.

Как работает ЭПР?

ЭПР — метод магнитного резонанса, очень похожий на ЯМР (ядерный магнитный резонанс). Однако вместо измерения ядерных переходов в нашем образце мы обнаруживаем переходы неспаренных электронов в приложенном магнитном поле. Как и протон, электрон имеет «спин», что дает ему магнитное свойство, известное как магнитный момент. Магнитный момент заставляет электрон вести себя как крошечный магнит на стержне, подобный тому, который вы можете надеть на свой холодильник. Когда мы подаем внешнее магнитное поле, парамагнитные электроны могут либо ориентироваться в направлении, параллельном, либо антипараллельном направлению магнитного поля. Это создает два разных уровня энергии для неспаренных электронов и позволяет измерять их, поскольку они движутся между двумя уровнями.

Вначале на более низком энергетическом уровне (т.е. параллельно полю) будет больше электронов, чем на верхнем уровне (антипараллельный). Мы используем фиксированную частоту СВЧ-излучения для возбуждения и перехода некоторых электронов на нижнем энергетическом уровне на верхний энергетический уровень. Для того чтобы этот переход произошел, мы должны также приложить внешнее магнитное поле с определенной силой (индукцией), так что разделение энергетического уровня между нижним и верхним состоянием точно соответствует нашей частоте СВЧ. На самом деле, чтобы достичь этого условия, мы «протягиваем» поле внешнего магнита, расположив исследуемый образец внутри спектрометра при фиксированной частоте СВЧ излучения. Условие, когда магнитное поле и частота СВЧ согласованы для  создания резонанса (или поглощения энергии СВЧ излучения), известны как условие резонанса.

Для «продвинутых»

Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами. Наличие спинового момента у отрицательно заряженного электрона приводит к возникновению электронного магнитного момента µe, который пропорционален спину S и определяется выражением:

µe = gβS, (1)

где g – безразмерная постоянная (так называемый g-фактор электрона) – отношение магнитного момента электрона к его механическому моменту, равное для свободного электрона 2,002, β — электронный магнетон Бора, β =9,27400915(26)·10-24 Дж/Тл.

Энергия взаимодействия между электронным магнитным моментом и внешним магнитным полем описывается следующим выражением:

Eвз =-µeB =gβBSB, (2)

где SB – проекция спина на направление магнитного поля.
Рассмотрим случай с одним неспаренным электроном. При наложении постоянного внешнего магнитного поля в соответствии с эффектом Зеемана возникнут два уровня с магнитными квантовыми числами ms=±½ с расщеплением ∆E=gβH между ними. Величина расщепления прямо пропорциональна напряженности приложенного магнитного поля и по абсолютной величине в 100-1000 раз меньше, чем энергия теплового движения kT. Математически отношение заселенностей уровней с ms=+½ и ms=-½, согласно распределению Больцмана, выражается следующей формулой:

N=1/2/N-1/2 = e-∆E/kT = e-gβH/kT (3)

Если на электрон, помещенный в постоянное магнитное поле воздействовать электромагнитным излучением СВЧ диапазона с плоскостью поляризации магнитного поля B1 перпендикулярной плоскости постоянного поля, то при выполнении условия:

hν = gβH (4)

индуцируются резонансные переходы между двумя уровнями, при которых электрон меняет свое спиновое состояние (иначе говоря, спин переворачивается).
Поскольку уровни отличаются заселенностью, то суммарно этот эффект будет выражаться в виде поглощения энергии электромагнитного поля системой.
Основной задачей опыта при наблюдении явления ЭПР является точная регистрация поглощаемой электромагнитной энергии.
Рисунок 3 — Зеемановское расщепление энергетических уровней электрона в постоянном магнитном поле.

Основные параметры спектров ЭПР

Интенсивность, форма и ширина резонансной линии, g-фактор, константы тонкой и сверхтонкой (СТС) структуры.

Положение сигнала ЭПР и g-фактор

В качестве параметра, определяющего положение линии резонансного поглощения в спектре ЭПР, принято рассматривать спектроскопический фактор расщепления Ланде или g-фактор. Для неспаренных электронов, обладающих отличным от нуля орбитальным моментом количества движения (p-, d-, f-электроны), магнитный момент, связанный с орбитальным моментом, будет складываться со спиновым. В этом случае фактор спектроскопического расщепления Ланде равен:

2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) 1 + + + + − + = + J J J J S S L L g (5)

где S, L; J — квантовые числа спинового, орбитального и полного момента количества движения.

Как можно видеть из формулы для чисто спинового значения g-фактор равен 2, а для чисто орбитального — 1. Однако следует учитывать, что отклонение g-фактора ∆g от чисто спинового значения, обусловленное спин- орбитальной связью, может быть как отрицательным, так и положительным. Оно тем больше по абсолютной величине, чем сильнее спин-орбитальное взаимодействие (например, возрастает с увеличением порядкового номера элемента), и чем меньше ∆E уровней, между которыми происходит переход. Приложенное внешнее магнитное поле Hо индуцирует дополнительный магнитный орбитальный момент количества движения, а орбитальное движение электрона создает, в свою очередь, наведенное магнитное поле Hнавед, направленное противоположно приложенному полю.

Электронный спин находится, таким образом, в локальном магнитном поле Hлок = Hо + Hнавед, и в этом заключается спин-орбитальная связь. Чем больше наведенное поле, тем меньше локальное поле на спиновой системе и меньше g фактор, а напряженность внешнего поля Hо для достижения условия резонанса должна быть выше – это соответствует отрицательному отклонению (-∆g) от чисто спинового значения. Возможна и другая ситуация, например, такого распределения неспаренных электронов по разным орбиталям, что локальное поле оказывается на спиновой системе увеличенным, и резонанс происходит при более низком значении Hо, что соответствует положительному отклонению (+∆g). При свободном движении парамагнитных частиц в газе или растворе все ориентации равновероятны и происходит усреднение, так что тензор становится сферически симметричным, то есть характеризуется единственным параметром g. То же относится и к другим изотропным системам. На практике, однако, часто исследуют спектры ЭПР анизотропных систем, таких, как замороженные растворы, парамагнитные центры в монокристаллах, объекты в матрицах, различные твердые образцы и др.

При исследовании анизотропных образцов спектр ЭПР зависит от их ориентации относительно поля. Измеряя, например, спектр монокристалла при различных углах, принципиально возможно определить главные оси тензора g-фактора. Если при осевой симметрии тензора θ – угол, образуемый осью z c направлением поля, то эффективный g-фактор определяется из выражения:

θ θ 2 2 2 2 2 g эфф = g II cos + g ⊥ sin (6)

а условие резонанса запишется в виде:

B g эфф h H 2 1 µ ν = (7)

т. е. для разных ν сигналы ЭПР регистрируются при разных значениях H

Вас интересую еще больше что такое ЭПР, его возможности и применения? Напишите нам по форме ниже и мы с удовольствием поделимся с Вами этой информацией!