Принцип метода электронного парамагнитного резонанса.

Cодержание

Cодержание. 2

Введение. 3

I. Сущность метода электронного парамагнитного резонанса. 4

1.1. Принцип метода электронного парамагнитного резонанса. 4

1.2 Устройство ЭПР-спектрометра. 9

II. Использование электронного парамагнитного резонанса. 16

2.1. Использование электронного парамагнитного резонанса в биологии. 16

2.2. Использование электронного парамагнитного резонанса в медицине. 28

2.2.1. Применение электронного парамагнитного резонанса при установлении давности наступления смерти. 39

2.3. Использование электронного парамагнитного резонанса в химии. 45

Заключение. 51

Список использованной литературы.. 52

 

Введение

Электронный парамагнитный резонанс (далее ЭПР) – явление резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле, обусловленное квантовыми переходами между магнитными подуровнями парамагнитных атомов и ионов. Открыт Завойским Евгением Константиновичем в Казанском государственном университете в 1944 г. В отсутствие постоянного магнитного поля магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается, т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E₀. Так как на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей). Для непрерывного наблюдения поглощения энергии условия резонанса недостаточно, т.к. при воздействии электромагнитного излучения произойдет выравнивание заселенностей подуровней (эффект насыщения). Для поддержания больцмановского распределения заселенностей подуровней необходимы релаксационные процессы [4].

Актуальность: Метод ЭПР используется во многих научных областях, с каждым годом физики, химики, биологи находят все новые способы применения ЭПР.

Цель: изучить метод ЭПР и его применение, ознакомиться с литературой по данной теме.

Задачи: изучить принцип метода ЭПР, устройство ЭПР-спектрометра, применение ЭПР в областях науки.

Объект: ЭПР-спектроскопия свободных радикалов.

Предмет исследования: ЭПР-спектроскопия.

 I. Сущность метода электронного парамагнитного резонанса

II. Использование электронного парамагнитного резонанса

Заключение

В ходе проведенной работы изучен метод электронного парамагнитного резонанса. Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на взаимодействии вещества с магнитным полем. Как следует из названия метода, он применяется для исследования парамагнитных частиц. Примерами парамагнитных частиц, представляющих интерес, служат свободные радикалы, являющиеся промежуточными продуктами биохимических реакций, ионы металлов переменной валентности, таких как железо, медь, марганец и др.  Также рассмотрено применение метода ЭПР в различных областях. Электронный парамагнитный резонанс нашел свое применение в большом спектре научных областей, таких как биология, химия, медицина. Метод ЭПР действительно обладает совершенно исключительными возможностями для обнаружения и исследования строения парамагнитных активных частиц типа свободных радикалов и комплексов, а также для установления электронного строения парамагнитных ионов в самых различных соединениях. При этом в отличие от всех других методов исследования ЭПР позволяет не только обнаружить, измерить концентрации, идентифицировать свободные радикалы и установить их структуру, но и дает возможность решить такие ранее не доступные прямому эксперименту вопросы, как вопрос о степени и характере делокализации неспаренного электрона по парамагнитной частице, о силе его взаимодействия с различными ядрами в молекуле и с другими неспаренными электронами системы.

Список использованной литературы

1. М. Д. Ингрэм Электронный парамагнитный резонанс в биологии. М.: Мир, 1972.

2. Дж. Вертц и Дж. Болтон Свободные радикалы в биологических системах. т.1. М.: Мир, 1979. 

3. Теория и практические приложения метода ЭПР, Москва: Мир, 1975.

4. Чародей эксперимента: Сборник статей об академике Е.К. Завойском. – М.: Наука, 1993.

5. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.

6. Блюменфелд Л.А., Воеводский В.В., Семенов А.Г. Применение электронного парамагнитного резонанса. Новосибирск: СО АН СССР, 1962.

7.  Керрингтон А., Маклечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии. М.: Мир, 1970.

8. Блюменфелд Л.А., Тихонов А.Н. Электронный парамагнитный резонанс. МГУ им. М.В. Ломоносова: Физика. Выпуск №2, 1997.

9. С. Е. Бреслер, Э. Н. Казбеков Применение электронного парамагнитного резонанса в полимерной химии. М.: Успехи химии, т. XXXVI, выпуск №4, 1967.

10.  Я.С. Лебедев Применение электронного парамагнитного резонанса в химической кинетике. М.: Успехи химии, т. XXXVII, выпуск №5, 1967.

11. Птушенко В. От открытия — к производству. Драма магнитного резонанса М.: Наука и жизнь. Выпуск № 12, 2016.

 

 

Cодержание

Cодержание. 2

Введение. 3

I. Сущность метода электронного парамагнитного резонанса. 4

1.1. Принцип метода электронного парамагнитного резонанса. 4

1.2 Устройство ЭПР-спектрометра. 9

II. Использование электронного парамагнитного резонанса. 16

2.1. Использование электронного парамагнитного резонанса в биологии. 16

2.2. Использование электронного парамагнитного резонанса в медицине. 28

2.2.1. Применение электронного парамагнитного резонанса при установлении давности наступления смерти. 39

2.3. Использование электронного парамагнитного резонанса в химии. 45

Заключение. 51

Список использованной литературы.. 52

 

Введение

Электронный парамагнитный резонанс (далее ЭПР) – явление резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле, обусловленное квантовыми переходами между магнитными подуровнями парамагнитных атомов и ионов. Открыт Завойским Евгением Константиновичем в Казанском государственном университете в 1944 г. В отсутствие постоянного магнитного поля магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается, т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E₀. Так как на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей). Для непрерывного наблюдения поглощения энергии условия резонанса недостаточно, т.к. при воздействии электромагнитного излучения произойдет выравнивание заселенностей подуровней (эффект насыщения). Для поддержания больцмановского распределения заселенностей подуровней необходимы релаксационные процессы [4].

Актуальность: Метод ЭПР используется во многих научных областях, с каждым годом физики, химики, биологи находят все новые способы применения ЭПР.

Цель: изучить метод ЭПР и его применение, ознакомиться с литературой по данной теме.

Задачи: изучить принцип метода ЭПР, устройство ЭПР-спектрометра, применение ЭПР в областях науки.

Объект: ЭПР-спектроскопия свободных радикалов.

Предмет исследования: ЭПР-спектроскопия.

 I. Сущность метода электронного парамагнитного резонанса

Принцип метода электронного парамагнитного резонанса.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на взаимодействии вещества с магнитным полем. Как следует из названия метода, он применяется для исследования парамагнитных частиц. Известно, что при помещении парамагнетиков в магнитное поле, парамагнетик втягивается в это поле. Это связано с наличием у парамагнетиков магнитных моментов. Магнитные моменты создаются неспаренными электронами. Примерами парамагнитных частиц служат свободные радикалы, являющиеся промежуточными продуктами биохимических реакций, ионы металлов переменной валентности, таких как железо, медь, марганец и др. Проявление магнитного момента у электрона связано с тем, что электрон является заряженной частицей, и при вращении электрона вокруг своей оси (спиновое движение) возникает магнитное поле, направленное вдоль оси вращения. При помещении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты неспаренных электронов ориентируются в этом поле, подобно тому, как это происходит с магнитными стрелками. Магнитный момент неспаренного электрона во внешнем магнитном поле может ориентироваться двумя способами - по полю и против поля. Таким образом, если в исследуемой системе имеются неспаренные электроны, наложение внешнего магнитного поля приводит к разделению электронов по группам: магнитные моменты одних электронов ориентированы по полю, других - против (рис.1.).  

      

Каждой из ориентаций магнитных моментов электронов соответствует свободная энергия. Разница в энергии электронов определяется выражением 

∆ E₁ = Е₂ - Е₁ = g× β × H (1), где: β - константа, называемая магнетоном Бора и равная 9.27× 10^-21 эрг/Гс, а g - константа, называемая g - фактором и равная 2, когда магнитный момент электрона является спиновым магнитным моментом, H - напряженность магнитного поля. Изложенная ситуация иллюстрирует рис. 1, где маленькими стрелками указаны ориентации магнитных моментов неспаренных электронов, соответствующие каждому из уровней Е₁ и Е₂.

Как следует из выражения (1) величина ∆ Е зависит от напряженности внешнего магнитного поля. При величине H = 3000 Гс, ∆ Е = 4× 10^-5 эВ или 1.кал/моль, что при комнатной температуре существенно меньше средней энергии теплового движения молекул. В соответствии с законом Больцмана заселенность нижнего и верхнего уровня описывается выражением (2) 

где: n₁ и n₂ - заселенности верхнего и нижнего уровней. В соответствии с выражением (2) заселенность нижнего уровня выше, чем заселенность верхнего уровня. Величина ∆ Е может быть выражена и другим способом, а именно ∆ Е=hν, где h ν - величина кванта энергии, необходимого для перевода электрона из одного состояния в другое. Объединяя оба выражения для ∆ Е, можно записать:

hν = g× β × H  (3).

Из этого выражения, носящего название условия резонанса, можно понять и смысл явления электронного парамагнитного резонанса. Действительно, если к находящейся в магнитном поле системе, содержащей неспаренные электроны, подвести высокочастотное излучение с частотой ν, определяемой условием (3), то в исследуемой системе возникнут вынужденные электронные переходы между соседними уровнями Е₁ и Е₂. Переходы с одинаковой вероятностью будут происходить как из состояния Е₁ в состояние Е₂, так и наоборот. Однако, число переходов снизу вверх больше числа переходов сверху вниз, поскольку в соответствии с законом Больцмана заселенность нижнего уровня выше. Переходы из верхнего состояния в нижнее происходят с испусканием энергии, а переходы из нижнего в верхнее - с поглощением. Но поскольку число переходов снизу вверх больше, то в целом при выполнении условия резонанса (3) в образце будет наблюдаться поглощение высокочастотного излучения. Частота, при которой наблюдается резонансное поглощение высокочастотного излучения образцом, связана с напряженностью магнитного поля, что следует из (3), а именно:  

Из этого выражения видно, что резонансное поглощение можно наблюдать: а) при изменении частоты ν электромагнитного излучения при постоянстве H

б) при изменении H при постоянстве ν. 

Из технических соображений применяется второй способ регистрации. В этом случае линия парамагнитного резонанса выглядит как показано на рис.2.

По оси ординат откладывается величина поглощенного образцом высокочастотного излучения, а по оси абсцисс - напряженность поля. Величина магнитного поля H, применяющегося при исследовании ЭПР и, следовательно, значение частоты высокочастотного излучения во многом определяется техническими возможностями создания. Для исследований применяются спектрометры, где напряженность магнитного поля, при которой наблюдается резонанс, равна 3500 Гс. Частота излучения ν при этом будет равна 104 мГц. Длина волны такого излучения λ равна приблизительно 3 см. такие излучения относятся к радиодиапазону. Поэтому метод ЭПР относится к методам радиоспектроскопии (спектроскопии в области радиочастот) [5]. Изложенный выше принцип метода ЭПР позволяет представить себе структурную схему прибора, служащего для регистрации ЭПР - радиоспектрометра ЭПР. Основными частями любого спектрометра ЭПР являются: а) магнит, создающий поле H, б) источник радиочастотного излучения, в) система позволяющая подвести радиочастотное излучение к образцу и сконцентрировать это излучение на образце, г) схема, позволяющая зарегистрировать поглощение радиочастотного излучения. 

В качестве источников магнитного поля используются электромагниты, которые снабжены специальными электронными схемами, позволяющими плавно изменять напряженность магнитного поля в определенных пределах с определенной скоростью. Это так называемые системы развертки поля. Источниками высокочастотного излучения чаще всего служат специальные генераторные лампы - клистроны. Для передачи этого излучения к образцу применяются волноводы - металлические трубки определенного сечения, которые являются аналогами высокочастотных кабелей. Совокупность волноводов носит название волноводного тракта спектрометра. Помимо волноводов как таковых, в состав волноводного тракта входят и другие элементы. Один из таких элементов - резонатор находится между полюсами электромагнита. Именно в резонатор помещается образец. Назначение резонатора заключается в концентрации радиочастотного излучения в месте расположения образца. Поглощение радиочастотного излучения образцом в момент резонанса регистрируется с помощью специального кристаллического детектора. Сигнал ЭПР с этого детектора усиливается усилителем и далее поступает на регистрационное устройство (осциллограф или самописец). В современных спектрометрах ЭПР часто используются специальные комплексы обработки сигналов, созданные на базе ЭВМ, что позволяет значительно расширить возможности обработки сигналов ЭПР. Заканчивая краткое описание принципов построения спектрометров ЭПР, следует сказать, что в спектрометрах ЭПР сигнал регистрируется не в интегральном виде (рис.2.), а в виде первой производной (рис.3.).  

Максимуму сигнала (а) соответствует нулевая точка на кривой первой производной. Максимумы на кривой первой производной отвечают точкам перегиба (точкам максимального наклона) на кривой интегрального сигнала. Регистрация сигнала ЭПР в виде первой производной оказывается предпочтительной в связи с тем, что при таком способе регистрации удается поднять чувствительность спектрометра на несколько порядков по сравнению с регистрацией сигнала в интегральном виде. Для характеристики сигналов ЭПР употребляется набор параметров. Одним из таких параметров является амплитуда сигнала I (рис.3б), которая характеризует интенсивность сигнала. Величина I измеряется в подавляющем большинстве случаев в относительных единицах (например в мм). Ясно, что чем больше концентрация парамагнитных частиц в образце, тем больше будет величина (при неизменности ширины сигнала).

Величиной, характеризующей ширину сигнала, служит ∆ H_max - ширина линии между точками максимального наклона (рис.3б.). Эта величина измеряется в единицах магнитного поля - гауссах (Гс) или миллитеслах (мТл). Для того, чтобы измерить ∆ H_max в единицах магнитного поля, необходимо знать масштаб по оси абсцисс на ленте самописца (т.е. знать сколько гаусс приходится, например, на 1 см на ленте самописца). Для измерения ∆ H_max применяются специальные эталоны[6].

Как было сказано выше, метод ЭПР является одним из методов радиоспектроскопии, или спектроскопии в радиочастотном диапазоне. Этот метод служит тонким инструментом исследования парамагнитных частиц. При рассмотрении принципа ЭПР мы рассматривали взаимодействие магнитного момента электрона с полем, создаваемым лабораторным магнитом. В реальных ситуациях, однако, надо иметь в виду, что неспаренные электроны могут взаимодействовать не только с магнитным полем магнита, но и с магнитными полями, создаваемыми окружением неспаренных электронов. Источниками таких магнитных полей служат магнитные поля, создаваемые неспаренными электронами соседних парамагнитных частиц, т.е. магнитные моменты соседних парамагнитных частиц могут взаимодействовать друг с другом. Другим источником локальных магнитных полей являются ядра целого ряда элементов.

 ЭПР широко применяется в исследованиях фотосинтеза, где с помощью этого метода изучаются первичные стадии фотохимических реакций переноса электрона от хлорофилла к первичным акцепторам электрона и дальнейший перенос электрона по электрон - транспортной цепи хлоропластов. Таким образом, метод ЭПР может быть использован для исследования всех процессов, протекающих с участием парамагнитных частиц (свободных радикалов, атомов переходных металлов и т.д.) [8].

123456Следующая ⇒

Поделиться: