Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

. 

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211