Материал: kompendium_po_fizike
226
Большая
часть
молекул
(
ионов
)
при
этом
будет
находиться
в
нижнем
энергетическом
состоянии
1
E
,
как
энергетически
более
выгодном
.
Если
теперь
облучить
такую
систему
электромагнитным
полем
резонансной
частоты
(
энергия
кванта
равна
энергии
перехода
)
2
1
1
рез
Б
E
E
g
B
h
h
,
то
будут
наблюдаться
как
переходы
снизу
вверх
(
с
уровня
1
E
на
уровень
2
E
),
соответствующие
поглощению
кванта
электромагнитного
поля
,
так
и
переходы
сверху
вниз
(
с
уровня
2
E
на
уровень
1
E
),
соответствующие
испусканию
такого
же
кванта
.
И
те
и
другие
переходы
сопровождаются
переориентацией
спина
электрона
и
,
соответственно
,
магнитного
момента
электрона
.
Поскольку
на
нижнем
энергетическом
уровне
1
E
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
E
E
E
B=0 B
≠
0
Рисунок
91.
Расщепление
электронного
уровня
парамагнитной
молекулы
в
магнитном
поле
227
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).
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
dK
dB
от
В
(
см
.
рисунок
93).
2
1
3
N
S
4
5
hv
Рисунок
92.
Схема
установки
для
наблюдения
ЭПР
228
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
В
рез
.
).
Поскольку
частота
электромагнитного
излучения
известна
и
строго
фиксирована
,
то
,
зная
из
спектра
ЭПР
значение
В
рез
.
,
можно
вычислить
фактор
Ланде
исследуемого
радикала
:
.
Б
рез
hv
g
B
,
и
определить
,
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
dK/dB
B
B
рез
Рисунок
93.
Спектр
ЭПР
229
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
и
других
биологических
молекул
–
белков
,
нуклеиновых
кислот
,
предварительно
превратив
их
в
парамагнитные
зонды
,
поскольку
сами
они
обычно
не
парамагнитны
.
Парамагнитный
зонд
представляет
собой
соответствующий
белок
или
липид
,
в
котором
одна
из
групп
замещена
на
устойчивый
свободный
радикал
,
называемый
парамагнитной
(
спиновой
)
меткой
.
Основу
многих
меток
составляет
иминоксильный
радикал
,
парамагнитные
свойства
которого
определяются
неспаренным
электроном
,
локализованным
в
группе
N-O
(
рисунок
94).
Форма
сигнала
ЭПР
от
такого
зонда
зависит
от
вращательной
R
1
C
C
R
2
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
N
O
Рисунок
94.
Структурная
формула
иминоксильного
радикала
230
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
.