Elektronide paramagnetresonantsi meetodi rakendamine õlide ja hajutatud orgaanilise aine uurimisel. Elektrooniline paramagnetresonants. EPR meetod. Rakendused Elektrooniline resonants
EPR
EPR meetodi põhimõte
EPR-meetodi avastamise ajalugu
EPR meetod on peamine meetod bioloogilistes süsteemides esinevate paramagnetiliste osakeste uurimiseks. Suure bioloogilise tähtsusega paramagnetilised osakesed hõlmavad kahte peamist tüüpi ühendeid - need onvabad radikaalid ja muutuva valentsusega metallid (nagu Fe, Cu, Co, Ni, Mn) või nende kompleksid. Lisaks vabade radikaalide seisunditele uuritakse EPR meetodil fotobioloogiliste protsesside käigus tekkivaid triplettseisundeid.
Elektronide paramagnetilise resonantsi meetod avastati suhteliselt hiljuti - aastal 1944. aasta . Kaasani ülikoolis Jevgeni Konstantinovitš ZAVOYSKY, uurides elektromagnetilise energia neeldumist paramagnetiliste metallisoolade poolt. Ta märkas, et monokristall CuCl2 40 Gaussi (4 mT) konstantsesse magnetvälja asetatud hakkab neelama mikrolainekiirgust sagedusega umbes 133 MHz.
EPR-i kasutamise pioneerid bioloogilistes uuringutes NSV Liidus olid L.A. Blumenfeld ja A.E. Kalmanson, kes avaldas 1958. aastal ajakirjas Biophysics artikli ioniseeriva kiirguse toimel valkudele tekkivate vabade radikaalide uurimisest.
Elektroni mehaanilised ja magnetilised momendid
Elektronide orbitaalne ja spin-liikumine on nende orbitaal- ja spin-mehaaniliste momentide aluseks. Elektroni orbitaalne nurkimpulss R piki raadiusega orbiiti R võrdub:
Kus ma on voolutugevus ahelas ja S - kontuuri pindala (sel juhul on ringorbiit võrdne pR2 ). Asendades valemis (2) ala avaldise ja võttes arvesse, et:
Võrreldes elektronide (1) ja (4) mehaaniliste ja magnetiliste momentide avaldisi, võime kirjutada, et:
Kus n - orbitaalkvantarv, mis võtab väärtused 0, 1, 2 ja m Sel juhul, võttes arvesse (6), näeb magnetilise orbitaalmomendi avaldis välja järgmine:
Elektroni spin-magnetmoment on seotud elektroni spin-liikumisega, mida saab kujutada liikumisena ümber oma telje. Elektroni pöörlemismehaaniline moment on võrdne:
|
|
Kus S - spin-kvantarv võrdub 1/2 .
Magnetilised ja mehaanilised pöörlemismomendid on seotud seosega:
|
| (10) |
Kus PRL
- magnetiline kvantarv, võrdne +1/2
. Magnetmomendi ja mehaanilise momendi suhet nimetatakse güromagnetiliseks suhteks ( g
). On näha, et orbitaalse liikumise korral: 
ja keerutamiseks: 
Erinevate orbitaal- ja spinniliikumise panustega elektronide güromagnetilise suhte jaoks võetakse kasutusele proportsionaalsuskoefitsient g
, selline, et:
|
| (11) |
Seda proportsionaalsustegurit nimetatakse g -faktor. g =1, kell S =0, st. kui elektronil puudub spin-liikumine ja eksisteerib ainult orbitaalne liikumine, ja g =2, kui orbitaalliikumist ei toimu ja eksisteerib ainult spin-liikumine (näiteks vaba elektroni puhul).
Elektroni magnetmoment koosneb üldiseltspin ja orbitaalmagnetmomendid. Enamasti on orbiidi magnetmoment aga null. Seetõttu ýïr meetodi põhimõtet käsitledes ainultspin magnetmoment.
Zeemani efekt
Elektroni magnetmomendi ja magnetvälja vastasmõju energiat väljendatakse võrrandiga:
| (12) |
Kus m H - magnetvälja tugevus, cos( mH ) on vahelise nurga koosinus m ja H .
Zeemani efekt (joonis 1) ( ES =+1/2 ja ES =-1/2 )
Võrrandist (11) järeldub, et:
Sel juhul on kahe taseme energia erinevus järgmine:
|
| (15) |
Võrrand (14) kirjeldab Zeemani efekti, mida saab väljendada järgmiste sõnadega:magnetvälja paigutatud elektronide energiatasemed jagunevad selles väljas sõltuvalt spinni magnetmomendi suurusest ja magnetvälja intensiivsusest.
Põhiline resonantsvõrrand
Konkreetse energiaga elektronide arv määratakse vastavalt Boltzmanni jaotusele, nimelt:
Kui nüüd rakendatakse magnetväljas elektronide süsteemile elektromagnetilist energiat, siis langeva kvanti energia teatud väärtuste korral toimuvad elektronide üleminekud tasemete vahel. Üleminekute vajalik tingimus on langeva kvanti energia võrdsus ( hn ) erineva spinniga elektronide tasemete energia erinevus ( gbH ).
|
| (17) |
Võrrand (17) väljendab peamist tingimust energia neeldumiseks elektronide poolt. Kiirguse mõjul kiirgavad kõrgemal energiatasemel elektronid energiat ja naasevad madalamale tasemele, seda nähtust nimetatakseindutseeritud emissioon.
Madalamal tasemel elektronid neelavad energiat ja liiguvad kõrgemale energiatasemele, seda nähtust nimetatakseresonantsne neeldumine. Kuna üksikute üleminekute tõenäosused energiatasemete vahel on võrdsed ja üleminekute kogutõenäosus on võrdeline elektronide arvuga antud energiatasemel, siisenergia neeldumine on ülimuslik selle emissiooni üle . See on tingitud asjaolust, et nagu järeldub võrrandist (16), on madalama tasandi populatsioon kõrgem kui ülemise energiataseme populatsioon.
Siinkohal tuleb ära märkida vabade radikaalide eriline asend, s.t. välisel elektronorbitaalil paaritute elektronidega molekulid elektronide jaotuses energiatasemete vahel. Kui orbitaalil on elektronide paar, siis loomulikult on energiatasemete populatsioon sama ja elektronide neeldunud energia hulk on võrdne emiteeritud energia hulgaga.
Magnetvälja asetatud aine energia neeldumine on märgatav ainult siis, kui orbiidil on ainult üks elektron, siis saab rääkidaBoltzmanni jaotuselektronid energiatasemete vahel.
EPR spektrite karakteristikud
Signaali amplituud
Kontsentratsiooni määramiseks mõõdetakse neeldumiskõvera all olevaid pindalasid standardi puhul, mille paramagnetiliste tsentrite kontsentratsioon on mõõdetud proovis teada ja kontsentratsioon on teadmata; leitakse proportsioonist, tingimusel et mõlemal proovil on sama kuju ja maht:
|
| (18) |
Kus C rev. ja C see. - kontsentratsioon mõõdetud proov ja standard vastavalt ning S rev. ja S see. - ala mõõdetud signaali ja standardi neeldumisjoonte all.
Tundmatu signaali neeldumisjoone all oleva pindala määramiseks võite kasutada numbrilise integreerimise meetodit:
Kus f(H) - esimene tuletisneeldumisjooned (EPR-spekter), F(H) - funktsiooni neeldumisjooned ja H - pinget magnetväli.
Kus f"(H) on neeldumisjoone esimene tuletis või EPR spekter . Seda arvestades on lihtne integraalilt vahesummale üle minna H=n*DH , saame:
|
| (21) |
Kus D.H. on magnetvälja muutmise samm ja n i - sammu number.
Seega on neeldumiskõvera alune pindala võrdne magnetvälja astme ruudu korrutisega ning EPR spektri amplituudi ja sammu numbri korrutistega. Väljendist (21) on lihtne näha, et suurte puhul n (st kaugel signaali keskpunktist) võib spektri kaugemate osade panus olla üsna suur isegi signaali amplituudi väikeste väärtuste korral.
Joone kuju
Kuigi põhiresonantsvõrrandi järgi toimub neeldumine ainult siis, kui langeva kvanti energia on võrdne paaritute elektronide tasemete energiavahega, ei ole EPR spekter sirge, vaid pidev mõnes resonantspunkti naabruses. Kutsutakse välja EPR-signaali kirjeldav funktsioonjoone kuju funktsioon . Lahjendatud lahustes, kui paramagnetiliste osakeste vahelist interaktsiooni saab tähelepanuta jätta, kirjeldatakse neeldumiskõverat Lorentzi funktsiooniga:
Gaussi funktsioon onümbrik EPR-spekter, kui paramagnetiliste osakeste vahel on interaktsioon. Eriti oluline on neeldumiskõvera aluse pindala määramisel arvestada joone kuju. Nagu valemitest (22) ja (23) näha, on Lorentzi funktsioonil aeglasem langus ja vastavalt ka laiemad tiivad, mis võib spektri integreerimisel anda olulise vea.
Joone laius
EPR spektri laius sõltub elektroni magnetmomendi vastasmõjust ümbritsevate tuumade magnetmomentidega(võre) ja elektronid.
Vaatleme üksikasjalikumalt paaritute elektronide energia neeldumise mehhanismi. Kui madala energiaga olekus on N 1 elektroni ja suure energiaga N 2 ja N 1 veel N 2, siis kui proovile rakendatakse elektromagnetilist energiat, väheneb tasemepopulatsioonide erinevus, kuni see võrdub nulliga.
Selle põhjuseks on asjaolu, et kiirguse toimel toimuva ühe ülemineku tõenäosus madala energiaga olekust kõrge energiaga olekusse ja vastupidi ( W 12 ja W 21) on üksteisega võrdsed ja madalama taseme rahvaarv on suurem. Tutvustame muutujat n =N 1 -N 2. Siis saab kirjutada tasemepopulatsioonide erinevuse muutuse ajas:
ja 
; kus
| (24) |
Kuid katses ei täheldatud populatsiooni taseme erinevuse muutust, kuna on olemas lõõgastusprotsessid, mis hoiavad selle erinevuse konstantsena. Lõõgastusmehhanism seisneb elektromagnetilise energia kvanti ülekandmises võrele või ümbritsevatele elektronidele ja elektroni tagasi viimises madala energiatasemele.
Kui tähistame võre poolt indutseeritud üleminekute tõenäosusi kui P 12 ja P 21 ja P 12 vähem P 21 , siis on elanikkonna taseme erinevuse muutus:
Statsionaarses olekus, kui populatsiooni erinevuse muutus on null, on tasemepopulatsioonide esialgne erinevus ( n 0) jääb konstantseks ja võrdub:
Või asendades P 12 +P 21 edasi 1/T 1, saame
|
| (29) |
Väärtus T 1 helistasspin-võre lõõgastusaegja iseloomustab tsentrifuugimise keskmist eluiga. Selle tulemusel määratakse elektromagnetkiirguse mõju all oleva ja võrega interakteeruva paaritute elektronide süsteemi tasemete populatsiooni erinevuse muutus võrrandiga:
Ja kell 2WT 1 palju vähem 1 , n = n 0 ehk suhteliselt madalatel võimsustel püsib tasemevahe praktiliselt konstantne . Heisenbergi määramatuse seosest järeldub, et:
|
| (32) |
Kui me sellega nõustume Dt võrdub T 1 ja DE vastab gbDH , siis saab võrrandi (32) ümber kirjutada järgmiselt:
|
| (33) |
Need. joonelaiuse määramatus on pöördvõrdeline spin-võre relaksatsiooniajaga.
Lisaks paaritu elektroni magnetmomendi interaktsioonile võrega on võimalik ka selle interaktsioon teiste elektronide magnetmomentidega. See interaktsioon viib lõõgastusaja vähenemiseni ja seega EPR spektri joone laienemiseni. Sel juhul võetakse kasutusele spin-spin-relaksatsiooniaja mõiste ( T 2). Vaadeldud relaksatsiooniaega loetakse spin-võre ja spin-spin-relaksatsiooni aegade summaks.
Vabade radikaalide jaoks lahustes T 1 palju vähem T 2, nii et joone laiuse määrab T 2. Joone laiendamise mehhanismidest tuleks mainida järgmist:dipool-dipool interaktsioon; g-faktori anisotroopia; dünaamiline joone laiendamine ja spinvahetus .
Dipool-dipool interaktsioon põhineb paaritu elektroni magnetmomendi vastasmõjul naaberelektronide ja tuumade tekitatud lokaalse magnetväljaga. Magnetvälja tugevus mis tahes punktis sõltub kaugusest selle punktini ning paaritu elektroni ja teise interakteeruva elektroni või tuuma magnetmomentide vastastikusest orientatsioonist. Paaritu elektroni energia muutuse määrab:
| (34) |
Kus m on elektroni magnetmoment, R - kaugus kohaliku magnetvälja allikast, q on nurk interakteeruvate magnetmomentide vahel.
Anisotroopia panus g -EPR joone laienemise tegur on tingitud sellest, et elektroni orbitaalliikumine tekitab vahelduva magnetvälja, millega spin-magnetmoment interakteerub. See interaktsioon põhjustab kõrvalekaldeid g - väärtustegur 2,0023 vastavvaba elektron.
Kristalliliste proovide puhul väärtused g -tegur, mis vastab kristalli orientatsioonile g xx, g yy ja g zz vastavalt. Kui molekulid liiguvad kiiresti, näiteks lahustes, tekib anisotroopia g -tegurit saab keskmistada.
EPR-signaali laienemine võib olla tingitud radikaali kahe vormi vastastikusest transformatsioonist. Seega, kui radikaali igal vormil on oma EPR-spekter, siis nende vormide üksteiseks muutumise kiiruse suurenemine toob kaasa joone laienemise, kuna sel juhul lüheneb radikaali eluiga igas olekus. Seda signaali laiuse muutust nimetataksesignaali dünaamiline laiendamine. Pöörlemisvahetus on veel üks viis EPR-signaali laiendamiseks. Signaali laienemise mehhanism spinnivahetuse ajal seisneb elektroni pöörlemismagnetmomendi suuna muutmises vastupidiseks, kui see põrkub kokku mõne teise paaritu elektroni või mõne muu paramagnetiga.
Kuna selline kokkupõrge vähendab elektroni eluiga antud olekus, siis EPR signaal laieneb. Kõige sagedasem EPR liini laienemise juhtum spin-vahetusmehhanismi poolt on signaali laienemine hapniku või paramagnetiliste metalliioonide juuresolekul.
Hüperpeen struktuur
EPR joone jagamine mitmeks põhineb ülipeen interaktsiooni nähtusel, st paaritute elektronide magnetmomentide vastasmõjul ( M S) tuumade magnetmomentidega ( M N).
|
| Kuna tuuma magnetmomendi olemasolul on kogu magnetmoment võrdne M S+ M N , kus M S on elektroni magnetmoment ja M N on tuuma magnetmoment, seejärel kogu magnetväli H summad. = H 0 ± H lok. , kus H lok. - tuuma magnetmomendi poolt tekitatud lokaalne magnetväli. |
Hüperpeen interaktsiooni oluline tunnus on tasemetevaheliste üleminekute valikureeglid. Lubatud üleminekud on üleminekud, mille korral muutub paaritu elektroni spinni magnetmoment ( DM S) võrdub 1 ja tuuma spinni magnetmoment ( DM N) võrdub 0 .
Vaatletud näites oli paaritu elektroniga interakteeruva tuuma spinn pooltäisarv ja võrdus ± 1/2, mis jagas meid lõpuks kaheks reaks. See spin on tüüpiline prootonid . Lämmastikuaatomite tuumades ( N 14) täisarvu spin. See võib võtta väärtusi ±1 ja 0 . Sel juhul, kui paaritu elektron interakteerub lämmastikuaatomi tuumaga, täheldatakse spinni väärtusele vastava jagunemist kolmeks identseks jooneks. +1 , -1 ja 0 . Üldjuhul on joonte arv EPR spektris võrdne 2M N+ 1 .
Loomulikult ei sõltu paaritute elektronide arv ja vastavalt ka EPR neeldumiskõvera alune pindala tuuma spinni suurusest ja on konstantsed väärtused. Seetõttu on ühe EPR-signaali kaheks või kolmeks jagamisel iga komponendi intensiivsus vastavalt 2 või 3 korda madalam.
Väga sarnane pilt tekib siis, kui paaritu elektron interakteerub mitte ühe, vaid mitme samaväärse (sama ülipeen interaktsioonikonstandiga) tuumaga, mille magnetmoment on nullist erinev, näiteks kaks prootonit. Sel juhul tekib kolm olekut, mis vastavad prootonite spinnide orientatsioonile:
1. mõlemad väljakul,
2. mõlemad väljaku vastu
3. üks väljakul ja üks väljaku vastu.
Võimalus 3 on kaks korda tõenäolisem kui 1 või 2 , sest saab teha kahel viisil. Sellise paaritute elektronide jaotuse tulemusena jaguneb üks joon intensiivsuse suhtega kolmeks reaks 1:2:1 . Üldiselt jaoks n spinniga ekvivalentsed tuumad M N ridade arv on 2 nM N+ 1 .
EPR raadiospektromeetri seade
EPR raadiospektromeetri seade meenutab paljuski spektrofotomeetri seadet optilise neeldumise mõõtmiseks spektri nähtavas ja ultraviolettkiirguses.
Raadiospektromeetri kiirgusallikaks on klüstron, mis on raadiolamp, mis annab monokromaatilist kiirgust sentimeetri lainevahemikus. Spektrofotomeetri ava raadiospektromeetris vastab atenuaatorile, mis võimaldab doseerida proovile langevat võimsust. Raadiospektromeetris oleva prooviga küvett asub spetsiaalses üksuses, mida nimetatakse resonaatoriks. Resonaator on silindrilise või ristkülikukujulise süvendiga rööptahukas, milles asub neelduv proov. Resonaatori mõõtmed on sellised, et selles tekib seisulaine. Puuduv element optilises spektromeetris on elektromagnet, mis loob elektronide energiatasemete jagamiseks vajaliku konstantse magnetvälja.
Mõõdetud proovi, raadiospektromeetris ja spektrofotomeetris läbinud kiirgus tabab detektorit, seejärel võimendatakse detektori signaal ja salvestatakse makisse või arvutisse. Tuleb märkida veel ühte erinevust raadiospektromeetril. See seisneb selles, et raadioulatuse kiirgus edastatakse allikast proovi ja seejärel detektorisse spetsiaalsete ristkülikukujuliste torude abil, mida nimetatakse lainejuhtideks. Lainejuhtide ristlõike mõõtmed määratakse läbiva kiirguse lainepikkuse järgi. See raadiokiirguse lainejuhtide kaudu edastamise omadus määrab asjaolu, et raadiospektromeetris kasutatakse EPR-spektri salvestamiseks konstantset kiirgussagedust ja resonantsi tingimus saavutatakse magnetvälja tugevuse muutmisega.
Raadiospektromeetri teine oluline omadus on signaali võimendamine selle moduleerimise teel kõrgsagedusliku vahelduvvälja abil. Signaali modulatsiooni tulemusena see diferentseerub ja neeldumisliin muundatakse selle esimeseks tuletiseks, milleks on EPR signaal.
Bioloogilistes süsteemides täheldatud EPR signaalid
EPR-meetodi kasutamine bioloogilistes uuringutes on seotud kahe peamise paramagnetiliste tsentrite tüübi - vabade radikaalide ja muutuva valentsiga metalliioonide - uurimisega. Vabade radikaalide uurimine bioloogilistes süsteemides on seotud raskusega, mis seisneb rakkude elutegevuse käigus tekkivate vabade radikaalide väheses kontsentratsioonis. Radikaalide kontsentratsioon normaalselt metaboliseeruvates rakkudes on erinevate allikate kohaselt ligikaudu 10 -8 - 10 -10 M , samas kui kaasaegsed radiospektromeetrid võimaldavad mõõta radikaalide kontsentratsioone 10 -6 - 10 -7 miljonit.
Saate suurendada vabade radikaalide kontsentratsiooni, aeglustades nende surma ja suurendades nende moodustumise kiirust. Seda saab teha bioloogiliste objektide (UV või ioniseeriv kiirgus) madalatel temperatuuridel kiiritamisega.
Rohkem või vähem keerukate bioloogiliselt oluliste molekulide radikaalide struktuuri uurimine oli üks esimesi EPR-meetodi rakendusvaldkondi bioloogilistes uuringutes.
UV-kiirgusega kiiritatud tsüsteiini EPR spektrid
Roti maksa EPR-spekter
Teine oluline EPR-meetodi rakendusvaldkond bioloogilistes uuringutes oli muutuva valentsiga metallide ja/või nende komplekside uurimine.in vivo.
Kui vaatate näiteks roti maksa EPR spektrit, näete tsütokroomi signaale R-450 millel g -faktor 1,94 ja 2,25 , methemoglobiini signaali koos g -faktor 4,3 ja vabade radikaalide signaal, mis kuulub askorbiinhappe ja flaviinide semikinooni radikaalide hulka. g -faktor 2,00 .
Lühikeste lõõgastusaegade tõttu saab metalloproteiinide EPR-signaale jälgida ainult madalatel temperatuuridel, näiteks vedelas lämmastikus.
Mõne radikaali EPR-signaale võib aga jälgida ka toatemperatuuril. Need signaalid hõlmavad paljude semikinooni- või fenoksüülradikaalide EPR-signaale, nagu ubikinooni semikinooniradikaal, a-tokoferooli (vitamiin) fenoksü- ja semikinooniradikaal E), A-vitamiin D, ja paljud teised.
ELECTRONIC PARAMAGNETIC RESONANCE (EPR)- elektromagnetlainete resonantsne neeldumine paramagnetilisi osakesi sisaldavate ainete poolt. EPR-põhised meetodid on leidnud laialdast rakendust laboripraktikas. Nende abiga uuritakse keemiliste ja biokeemiliste reaktsioonide kineetikat (vt Bioloogiliste protsesside kineetika, Keemiline kineetika), vabade radikaalide rolli organismi elutähtsates protsessides normaalsetes ja patoloogilistes tingimustes (vt Vabad radikaalid), keemiliste reaktsioonide mehhanisme. fotobioloogiliste protsesside esinemine ja kulgemine (vt Fotobioloogia) jne.
EPR fenomeni avastas Nõukogude teadlane B. K. Zavoisky 1944. aastal. Elektronide paramagnetiline resonants on iseloomulik ainult paramagnetilistele osakestele, st osakestele, mis on magnetvälja rakendamisel võimelised magnetiseeruma), millel on kompenseerimata elektrooniline magnetmoment, mis omakorda on tingitud elektroni enda mehaanilisest momendist - spinnist. Elektronidel on eriline sisemine liikumine, mida saab võrrelda tipu pöörlemisega ümber oma telje. Seotud nurkmomenti nimetatakse spinniks. Tänu spinnile on elektronil spinnile vastupidine püsimagnetmoment. Enamikus molekulides on elektronid paigutatud orbitaalidele nii, et nende spinnid on suunatud vastassuunas, magnetmomendid kompenseeritakse ja nendest saadavat EPR signaali pole võimalik jälgida. Kui elektroni magnetvälja ei kompenseerita teise elektroni spinniga (see tähendab, et molekul sisaldab paarituid elektrone), siis registreeritakse EPR-signaal. Paaritute elektronidega osakesed on vabad radikaalid, paljude metallide (raud, vask, mangaan, koobalt, nikkel jne) ioonid, hulk vabu aatomeid (vesinik, lämmastik, leelismetallid jne).
Välise magnetvälja puudumisel võib elektroni magnetmomendi suund (orientatsioon) ruumis olla mis tahes; sellise elektroni energia ei sõltu tema magnetmomendi orientatsioonist. Vastavalt kvantmehaanika seadustele ei saa välises magnetväljas elektroni magnetmomendi orientatsioon olla meelevaldne – see võib olla suunatud kas magnetvälja suunas või sellele vastupidiselt.
Vastavalt elektroni magnetmomendi orientatsioonile võib tema energia magnetväljas võtta ainult kahte väärtust: minimaalne E1 - kui magnetmoment on orienteeritud "piki välja" ja maksimaalne E2 - kui see on orienteeritud. "vastuvälja" ja nende olekute energiate erinevus (delta E ) arvutatakse valemiga: ΔE = gβH, kus β on Bohri magneton (elektroni magnetmomendi mõõtühik), H on magnetvälja tugevus g on konstant, mis sõltub paramagnetilise osakese elektronstruktuurist. Kui välises magnetväljas paaritute elektronide süsteemi mõjutab elektromagnetkiirgus, mille kvantenergia on võrdne ΔE, siis kiirguse mõjul hakkavad elektronid liikuma madalama energiaga olekust olekusse kõrgem energia, millega kaasneb kiirguse neeldumine aine poolt.
EPR-i nimetatakse raadiospektroskoopia meetoditeks, kuna elektronide paramagnetilise resonantsi vaatlemiseks kasutatakse elektromagnetlainete raadiosagedusalas olevat kiirgust.
EPR salvestatakse spetsiaalsete instrumentide - raadiospektromeetrite abil. Nende hulka kuuluvad: elektromagnet, raadiosagedusliku kiirguse allikas, kiirguse ülekandeliin allikast proovini (lainejuht), resonaator, milles uuritav proov asub, süsteemid signaali tuvastamiseks, võimendamiseks ja salvestamiseks. Levinuimad raadiospektromeetrid, mis kasutavad elektromagnetkiirgust lainepikkusega 3,2 cm või 8 mm.
EPR-signaali registreerimine toimub järgmiselt. Elektromagneti tekitatud magnetvälja intensiivsus muutub teatud piirides lineaarselt. Resonantsi seisundile vastavate pingeväärtuste korral neelab proov elektromagnetilise kiirguse energiat. Neeldumisjoon (EPR-signaal) on proovis neeldunud kiirgusvõimsuse sõltuvus magnetvälja tugevusest. Olemasolevates raadiospektromeetrites registreeritakse EPR-signaal neeldumisjoone esimese tuletisena.
EPR spektrite kirjeldamiseks ja analüüsimiseks kasutatakse mitmeid joone intensiivsust, nende laiust, kuju ja asendit magnetväljas iseloomustavaid parameetreid. EPR joonte intensiivsus, kui muud asjaolud on võrdsed, on proportsionaalne paramagnetiliste osakeste kontsentratsiooniga, mis võimaldab teostada kvantitatiivset analüüsi.
EPR fenomeni käsitlemisel tuleb arvestada, et paaritu elektroni magnetmoment interakteerub mitte ainult elektromagneti magnetväljaga, vaid ka elektroni keskkonna poolt tekitatud magnetväljadega: teiste paaritute elektronidega, magnettuumadega (vt. tuumamagnetresonants). Paaritute elektronide interaktsioon tuumadega põhjustab sageli EPR-spektri jagunemist mitmeks jooneks. Taoliste spektrite analüüs võimaldab tuvastada paramagnetiliste osakeste olemust ning hinnata nende omavahelist interaktsiooni olemust ja astet.
Paramagnetiliste osakeste osalemine keemilistes reaktsioonides, molekulide liikumises ja muudes kineetilistes mõjudes mõjutab ka EPR spektri kuju. Seetõttu kasutatakse EPR-i paramagnetiliste osakeste tuvastamiseks, kvantifitseerimiseks ja tuvastamiseks, keemiliste ja biokeemiliste reaktsioonide kineetika ning molekulaardünaamika uurimiseks.
Tänu oma mitmekülgsusele on EPR laialdaselt kasutusel erinevates teadusvaldkondades. EPR kasutamine bioloogias ja meditsiinis on tingitud selle olemasolust rakkudes, kudedes ja biol. erinevate paramagnetiliste tsentrite vedelikud looduses. EPR-i abil leiti vabade radikaalide olemasolu peaaegu kõigis loomsetes ja taimede kudedes. Vabade radikaalide allikaks on sellised ühendid nagu flaviinid, koensüüm Q ja muud ained, mis toimivad elektronide kandjatena energia metabolismi reaktsioonides taime- ja loomarakkudes; isoleeritud kudedes leiduvad paramagnetilised keskused kuuluvad peamiselt mitokondrite, mikrosoomide, kloroplastide elektronide transpordiahelatesse (vt Hingamine). Leiti, et vabade radikaalide sisaldus kudedes on korrelatsioonis nende metaboolse aktiivsusega. Paljud tööd näitavad vabade radikaalide arvu muutumist mitmesugustes patoloogilistes seisundites, näiteks onkogeneesi ajal (vt), kiirguskahjustuste (vt), toksikoos (vt Mürgistus), mis on seletatav energia metabolismi rikkumisega organismis. patoloogia (vt Bioenergeetika).
EPR abil määratakse loomade ja taimede kudedes paramagnetilised ioonid (raud, vask, mangaan, koobalt jne), mis on osa metalloproteiinidest, mis osalevad elektronide ülekandereaktsioonides mööda elektronide transpordiahelaid ja ensümaatilises katalüüsis. nagu hapnikku kandvates pigmentides (hemoglobiin). EPR-i abil on võimalik uurida metalliioonide redokstransformatsioone ja ioonide vastastikmõju olemust nende keskkonnaga, mis võimaldab tuvastada metalli sisaldavate komplekside peenstruktuuri.
Patoloogilised muutused kudedes toovad kaasa muutused metalloproteiinide EPR-signaalides, mis on seotud paramagnetiliste metallikomplekside lagunemisega, paramagnetiliste ioonide keskkonna muutumisega ja ioonide üleminekuga teistele kompleksidele. Kudede paramagnetiliste tsentrite, eriti vabade radikaalide olemuse uurimine on aga seotud teatud raskustega, mis on tingitud EPR spektrite dešifreerimise keerukusest.
EPR abil oli võimalik uurida ensümaatiliste reaktsioonide mehhanisme (vt Ensüümid). Eelkõige on võimalik üheaegselt uurida nii vabade radikaalide tekke ja tarbimise kineetikat ensümaatiliste reaktsioonide käigus kui ka ensüümide osaks olevate metallide redokstransformatsioonide kineetikat, mis võimaldab määrata ensümaatilise protsessi etappide järjestuse. reaktsioon.
EPR kasutamine kiirguskahjustuste uurimisel biol. objektid võimaldab saada teavet biopolümeerides tekkivate radikaalide olemuse, kiiritatud objektides arenevate ja bioloogilist efekti viivate radikaalsete reaktsioonide mehhanismide ja kineetika kohta. EPR-meetodit saab kasutada erakorralises dosimeetrias, näiteks inimeste juhuslikul kokkupuutel kiiritusdoosi hindamiseks, kasutades selleks kokkupuutetsoonist pärit objekte.
EPR-il on oluline koht vabade radikaalidega seotud fotobioloogiliste protsesside uurimisel (vt Molekul, Vabad radikaalid, Fotobioloogia, Fotosensibiliseerimine). EPR-i abil uuritakse üksikasjalikult vabade radikaalide teket valkudes, nukleiinhapetes ja nende komponentides ultraviolettkiirguse toimel ning nende radikaalide rolli biopolümeeride fotodegradatsioonis (vt Valgus). EPR kasutamine andis olulist teavet fotosünteesi esmaste mehhanismide kohta (vt.). On näidatud, et fotosünteesi esmaseks reaktsiooniks on valguse poolt ergastatud klorofülli molekulilt elektroni ülekandmine ja klorofülli radikaali katiooni moodustumine. Samuti on kindlaks tehtud nende molekulide olemus, mis võtavad vastu ergastatud klorofülli molekuli loovutatud elektroni.
EPR-i kasutatakse ka bioloogiliselt oluliste makromolekulide ja biomembraanide struktuuri uurimiseks. Näiteks heemi sisaldavates valkudes heemi osaks olevad raua ioonid võivad olla kõrge spiniga olekus (välisorbiitidel olevad elektronid ei ole paaritud, summaarne spin on maksimaalne) ja madala spinniga olekus (väliselektronid on täielikult või osaliselt paaris, spin on minimaalne). Hemoglobiini ja selle derivaatide raua ioonide kõrge ja madala spinni oleku EPR-signaalide omaduste uuringud aitasid kaasa hemoglobiini molekuli ruumilise struktuuri mõistmisele.
Märkimisväärseid edusamme on biomembraanide ja biopolümeeride struktuuri uurimisel saavutatud pärast spin-sondi ja märgistusmeetodite tulekut (vt Bioloogilised membraanid). Pöörlemissiltide ja sondidena kasutatakse peamiselt stabiilseid nitroksiidi radikaale (vt Vabad radikaalid). Nitroksüülradikaal võib olla kovalentselt seotud molekulidega (spin-märgis) või jääda uuritavasse süsteemi füüsikaliste interaktsioonide tõttu (spin-sond). Põhiolemus seisneb selles, et nitroksiidi radikaalide EPR spektri kuju sõltub mikrokeskkonna omadustest: viskoossusest, olemusest ja molekulide liikumisest, lokaalsetest magnetväljadest jne. Erinevate biopolümeeride rühmadega kovalentselt seotud spin-märgised on indikaatoriks biopolümeeri struktuuri olek. Spin-märgiste abil uuritakse biopolümeeride ruumilist struktuuri, valkude struktuurimuutusi denatureerimisel, ensüümi-substraadi komplekside, antigeen-antikeha jm teket.
Spin-sondide meetodiga uuritakse lipiidide pakkimise ja liikuvuse viise biomembraanides, lipiidide-valkude vastastikmõjusid, erinevate ainete toimel tekkivaid struktuurseid üleminekuid membraanides jne. Põhineb spin-märgiste ja sondide uurimisel, ravimite määramise meetodid biol. vedelikud, samuti narkootikumide suunatud transpordi küsimused jne.
Seega näidatakse EPR-i abil elektroonikaprotsesside laialdast levikut kehas normis ja mis tahes patoloogia korral. EPR-meetodi teooria loomine ja tehnika täiustamine pani aluse kvantelektroonikale kui teadusharule, mille tulemusel loodi raadiolainete molekulaargeneraatorid ja -võimendid (maserid) ning valguse laserid (vt), mis kasutatakse laialdaselt paljudes rahvamajanduse valdkondades.
Blumenfeld L. A., Voevodsky V. V. ja Semenov A. G. Elektronide paramagnetilise resonantsi rakendamine keemias, Novosibirsk, 1962, bibliogr.; Wertz J. ja Bolton J. EPR meetodi teooria ja praktilised rakendused, tlk. inglise keelest M., 1975, bibliogr.; Ingram D. Elektronide paramagnetresonants bioloogias, trans. inglise keelest M., 1972; Kalmanson A. E. Elektronide paramagnetilise resonantsi meetodi rakendamine biokeemias, raamatus: Usp. biol. chem., toim. B. N. Stepanenko, 5. kd, lk. 289, M., 1963; Kuznetsov A. N. Spin sondi meetod. M., 1976; Liechtenstein G. I. Method of spin labels in molekulaarbioloogia, M., 1974; Spin Label Method, toim. L. Berliner, tlk. inglise keelest, M., 1979; Vabad radikaalid bioloogias, toim. W. Pryor, tlk. inglise keelest, 1. kd, lk. 88, 178, M., 1979.
K. N. Timofejev.
EPR spektrite abil saab määrata paramagnetilise iooni valentsi ja selle keskkonna sümmeetriat, mis koos röntgenstruktuurianalüüsi andmetega võimaldab määrata paramagnetilise iooni asukohta kristallvõres. Paramagnetilise iooni energiatasemete väärtus võimaldab võrrelda EPR tulemusi optiliste spektrite andmetega ning arvutada paramagnetite magnetilisi tundlikkusi.
EPR-meetod võimaldab määrata võre defektide, näiteks värvikeskuste olemust ja lokalisatsiooni. Metallides ja pooljuhtides on võimalik ka EPR, mis on seotud juhtivate elektronide spinnide orientatsiooni muutumisega. EPR-meetodit kasutatakse laialdaselt keemias ja bioloogias, kus keemiliste reaktsioonide käigus või ioniseeriva kiirguse toimel võivad tekkida täitmata keemilise sidemega molekulid, vabad radikaalid. Nende g-tegur on tavaliselt lähedal , ja EPR joonelaiusele 
väike. Nende omaduste tõttu kasutatakse ESR-i mõõtmisel standardina üht stabiilseimat vabu radikaale (), mille g = 2,0036. EPR bioloogias uuritakse ensüüme ja vabu radikaale bioloogilistes süsteemides ning metallorgaanilisi ühendeid.
EPR tugevates magnetväljades
Valdav enamus paramagnetresonantsi eksperimentaalseid uuringuid on läbi viidud magnetväljades, mille intensiivsus on alla 20 ke. Samal ajal avardaks tugevamate staatiliste väljade ja kõrgema sagedusega vahelduvate väljade kasutamine oluliselt EPR-meetodi võimalusi ja suurendaks selle poolt pakutavat informatsiooni. Lähitulevikus püsimagnetväljad kuni 250 ke ja impulsiivsed väljad, mõõdetuna kümnetes miljonites oerstedides. See tähendab, et Zeemani lõhenemised konstantsetel väljadel ulatuvad ligikaudu 25-ni 
ja impulssväljadel on väärtused kaks suurusjärku suuremad. Madal, kasutades ülijuhtiva magnetiga spektromeetrit, mõõtis EPR väljadel H0
65
ke. Prokhorov ja tema kolleegid jälgisid EPR-signaale lainepikkusel 
=1,21mm.
Tugevad magnetväljad peaksid olema väga kasulikud haruldaste muldmetallide ioonide emissioonil kristallides, mille Starki alamtasemete vahelised intervallid on suurusjärgus 10-100 
. EPR-efekt tavapõldudel sageli puudub, kuna maapealne Starki tasand osutub üksikuks või seetõttu, et üleminekud maapealse Kramersi dubleti Zeemani alamtasandite vahel on keelatud. Erinevate Starki alamtasandite vaheliste üleminekute mõju on üldiselt võimalik. Lisaks iseloomustab haruldaste muldmetallide kristallide kristallivälja suur hulk parameetreid, mille määramiseks on teadmine g- Kramersi põhidubleti tensorist ei piisa.
Tugevate magnetvälju saab kasutada ka rauarühma ioonide uurimiseks, eriti, nt 
millel on 10. järgu jaotus 
100
.
Vahetusega seotud paaridele rakendades võimaldavad tugevad magnetväljad seda võimalikuks, jälgides mõju, mis tuleneb üleminekust erinevate tasandite vahel, mille tulemuseks oleva spinni väärtus on erinev. S spektroskoopilise täpsusega paarid mõõdavad vahetuse interaktsiooni parameetrit J.
Tugevate magnetväljade paramagnetilisel resonantsil on mitmeid omadusi. Magnetiseerimise küllastusefektid ilmnevad suhteliselt kõrgetel temperatuuridel. Mitte väga madalatel temperatuuridel on ioonsete magnetmomentide polarisatsioon nii tugev, et lisaks välisele magnetväljale tuleb resonantstingimustesse sisse viia ka siseväli. Ilmneb resonantstingimuste sõltuvus proovi kujust.
EPR-meetod on omandanud suure tähtsuse keemias, füüsikas, bioloogias ja meditsiinis, kuna võimaldab määrata orgaaniliste ja anorgaaniliste vabade radikaalide struktuure ja kontsentratsioone. Vabad radikaalid võivad tekkida keemiliselt, fotokeemiliselt või suure energiaga kiirgusega.
EPR spektri annavad vabad radikaalid, paaritu arvu elektronidega molekulid, orgaaniliste molekulide kolmikolekud, paramagnetilised siirdemetalliioonid ja nende kompleksid.
Bioloogiauuringutes hakati EPR-meetodit kasutama 1950. aastatel. Tänu oma üsna kõrgele tundlikkusele ja võimalusele määrata paramagnetiliste osakeste olemust, on see meetod leidnud laialdast rakendust mitmete bioloogiliste protsesside uurimisel.
Lisaks vabade radikaalide signaalidele täheldatakse kudedes mitmeid metallisignaale (Fe, Cu, Mn, Ni, Co). Need metallid on osa metalloproteiinidest, mis osalevad mitmetes ensümaatilistes protsessides. Rauda sisaldavad valgud (tsütokroomid, ferredoksiinid) on mitokondrites ja kloroplastides elektronide transpordiahelate komponendid.
EPR meetodil on uuritud mitmeid ensümaatilisi süsteeme ja leitud substraatide vabade radikaalide saadusi. Paljudel juhtudel osutus võimalikuks jälgida ensüümi aktiivses tsentris sisalduvate metalliioonide redoksmuutusi.
EPR-spektroskoopiat kasutatakse laialdaselt fotosünteesi uuringutes: uuritakse laengu eraldamise esmaste etappide mehhanismi reaktsioonikeskustes ja elektroni edasist ülekandumist mööda elektronide transpordiahelat.
Lisaks paramagnetiliste osakeste osalusel toimuvate reaktsioonide mehhanismide uurimisele kasutatakse EPR meetodit laialdaselt ka makromolekulide ja biomembraanide struktuursete ja dünaamiliste omaduste uurimiseks.
Viimasel ajal kasutatakse bioloogiliste ja polümeersete süsteemide uurimiseks sageli "paramagnetilise sondi", "spin-siltide" ja "spinnilõksude" meetodeid. Kõik need põhinevad erineva struktuuriga stabiilsete lämmastikhapperadikaalide kasutamisel või õigemini nende radikaalide pöörlemisest ja translatsioonilisest difusioonist põhjustatud EPR spektrite joonelaiuse muutuste analüüsil.
Spinnimärgise ja sondi meetodi põhiidee on siduda vaba radikaal valgu ühe või teise funktsionaalrühma külge ja uurida selle EPR-signaalide omadusi. Sellega seoses on kõige mugavamad vabade radikaalide rühma sisaldavad nitroksüülradikaalid:
kus R1 ja R2 on erinevad keemilised rühmad.
Spin etiketi meetod seisneb selles, et stabiilne radikaal on seotud mitteparamagnetilise molekuliga kovalentse või mõne muu sidemega nii, et vaba valents ei muutu. Liikumise olemus avaldub selgelt spektri kujul ja on oluliseks teabeallikaks algse molekuli kohta.
Kui molekul on integreeritud valgu molekuli ja seda hoiavad seal elektrostaatilised jõud või hüdrofoobsed vastasmõjud, siis sellist molekuli nimetatakse pöörlemissond. Meetod põhineb sondi radikaali pöörlemise ja translatsioonilise liikuvuse uurimisel vesi- või orgaanilises keskkonnas või polümeermaatriksis. Radikaali liikuvus sõltub keskkonna molekulide liikuvusest, seetõttu on radikaal omamoodi molekulaarne andur, mis annab lokaalset keskkonda puudutava struktuurse ja dünaamilise informatsiooni.
Pöörlemismärgise või sondi tekitatud EPR-signaali kuju sõltub nitroksüradikaali mikrokeskkonnast ja ennekõike selle rühma pöörlevast liikuvusest, kuhu see kuulub.
Pöörlemismärgiste ja sondide peamine puudus on see, et kuigi need molekulid on väikesed, muudavad need lipiidide kaksikkihti kaasates mõnevõrra selle omadusi.
Meetodi keskmes "pöörlemislõksud" on spetsiaalselt uuritavasse süsteemi viidud mitteparamagnetilise molekuli (lõksu) reaktsioon lühiealise radikaaliga, mille tulemusena moodustub stabiilne radikaal. Saadud stabiilse radikaali kineetiline käitumine ja selle struktuur annavad teavet uuritava süsteemi protsesside kineetika ja mehhanismi kohta.
Keemia uurimisobjektid EPR-spektroskoopia abil on: 1) vabad radikaalid orgaaniliste reaktsioonide vaheproduktides; 2) reaktsiooni kineetika; 3) pinnanähtuste keemia; 4) kiiritamisest tulenev hävitamine; 5) polümerisatsioon vabade radikaalide toimel; 6) madalal temperatuuril külmunud vabad radikaalid; 7) muutuva valentsiga metallid ja nende kompleksid.
EPR-meetod annab väärtusliku panuse keemiliste reaktsioonide kineetika ja mehhanismide uurimisse. Esiteks saab joonelaiuse mõõtmist EPR spektrites kasutada selliste protsesside kiiruskonstantide määramiseks, mis hõlmavad paramagnetilisi osakesi, mille iseloomulik eluiga jääb vahemikku 10 -5 -10 -10 s. Teiseks võimaldab EPR-meetod tuvastada erinevates tingimustes kõrge tundlikkusega paramagnetilisi osakesi, mis annab väärtuslikku teavet reaktsioonimehhanismide kohta. Kolmandaks saab EPR-spektromeetrit kasutada analüütilise seadmena reageerivate paramagnetiliste molekulide kontsentratsiooni tuvastamiseks reaktsioonide käigus. Paramagnetiliste tsentrite arv proovis on võrdeline neeldumisspektri all oleva pindalaga.
EPR-meetodit kasutatakse laialdaselt radikaalide molekulaarstruktuuri muutustega seotud kiirete protsesside uurimiseks. Need protsessid hõlmavad takistatud pöörlemist ja konformatsioonilisi üleminekuid.
Lühiajaliste radikaalide puhul saab meetodi tundlikkust suurendada voolusüsteemi või pideva kiiritamise abil. Ebastabiilsete radikaalide EPR-spektreid saab saada fikseerides need klaasidesse, külmutatud väärisgaaside maatriksitesse või kristallidesse.
Intervjuu küsimused
1. Meetodi teoreetilised alused.
2. EPR spektri analüütilised parameetrid.
3. EPR spektromeetrid.
4. EPR rakendamine.
Testiülesanded
1. Resonantstingimus EPR meetodil:
a) n = gH0 (1-s)/2p; b) δ \u003d (ΔH / H 0) c) hn \u003d gβH 0; d) δ = (Δν/ν 0)/(ΔН/Н 0).
2. Mis toimub resonantsi hetkel EPR meetodil:
a) kiirguskvandid neelduvad, spinni ümberorienteerumist ei toimu;
b) kiirguskvandid neelduvad ja spinnid orienteeruvad ümber, s.t. üleminek madalamast energiaolekust ülemisse ja vastupidi. Üleminekute arv alt üles on suurem kui ülevalt alla üleminekute arv.
c) kiirguskvandid neelduvad ja spinnid orienteeruvad ümber, s.t. üleminek madalamast energiaolekust ülemisse ja vastupidi. Üleminekute arv ülevalt alla on suurem kui alt üles üleminekute arv.
3. EPR spektrite parameetrid:
a) g-tegur, neeldumisriba laius, neeldumisjoone intensiivsus;
b) signaalide koguarv, signaali intensiivsus, keemiline nihe, signaali kordsus;
c) g-tegur, neeldumisriba laius, neeldumisjoone intensiivsus, HFS EPR spektrid.
MASSISPEKROMEETRIA
See meetod erineb põhimõtteliselt spektroskoopilistest meetoditest. Massispektromeetria meetodid põhinevad aine ioniseerimisel, ioonide eraldamisel vastavalt suhtele ( m/z) ja saadud fragmentide massi registreerimine.
Massispektromeetria teoreetilised ja eksperimentaalsed alused pani paika D.D. Thomson, kes lõi 1912. aastal esimest korda seadme positiivsete ioonide massispektri saamiseks. Tema seadmel oli aga madal eraldusvõime. Tema õpilane F. Aston suurendas 1918. aastal oluliselt eraldusvõimet ja avastas esimest korda oma seadmest elementide isotoobid. Peaaegu samaaegselt F. Astoniga Chicagos konstrueeris A. Dempster esimese massispektromeetri, milles analüsaatorina toimis ristsuunaline magnetväli ja ioonivoolusid mõõdeti elektriliste meetoditega. Selle skeemi kasutatakse ka kaasaegsetes seadmetes.
Molekulide ioniseerimine tuleks läbi viia tingimustes, mille korral moodustunud ioon, olenemata ioniseerimismeetodist, ei põrkaks kokku teiste molekulide või ioonidega. See on vajalik iooni ja molekuli omaduste vahelise seose kindlakstegemiseks.
Ionisatsiooni meetodid
Ioniseerimist saab läbi viia erinevate meetoditega.
1. Elektroni löökionisatsiooni (EI) meetod.
See on iooniallikate lihtsuse ja kättesaadavuse ning kõrge efektiivsuse tõttu kõige levinum ioonide hankimise meetod. Oletame, et aine aurudest läbib elektronide voog, mille energiat saab järk-järgult suurendada. Kui see energia jõuab teatud tasemeni, siis kui elektron põrkab kokku molekuliga, saab elektroni sellest molekuliooni moodustumisega “välja lüüa”:
polüaatomiline molekul molekulioon (radikaalkatioon)
Pommitavate elektronide madalaimat energiat, mille juures antud molekulist iooni teket nimetatakse aine ionisatsioonienergia. Ionisatsioonienergia on tugevuse mõõt, millega molekul hoiab elektroni endaga kõige vähem seotud. Orgaaniliste molekulide puhul on ionisatsioonienergia 9 ÷ 12 eV.
Kui elektroni energia ületab oluliselt ionisatsioonienergiat, siis tekkiv molekuliioon saab üleliigset energiat, millest võib piisata selles olevate sidemete katkestamiseks. Molekuliioon laguneb väiksema massiga osakesteks (fragmentideks). Sellist protsessi nimetatakse killustatus . Massispektromeetria praktikas kasutatakse elektrone energiaga 30÷100 eV, mis tagab molekuliooni killustumise.
Molekulaarsed ioonid Need on ioonid, mille mass on võrdne ioniseeritud molekuli massiga. Kahjuks puuduvad otsesed meetodid ioonide struktuuri määramiseks. Seetõttu kasutatakse sageli eeldust molekulaarse iooni (M +) ja neutraalse molekuli (M) struktuuri identsuse kohta. Molekulaarse iooni moodustumise tõenäosus on suurem lihtsate väikeste molekulide puhul. Aatomite arvu suurenemisega molekulis suureneb molekuliooni killustumise tõenäosus.
Molekulaarsete ioonide killustumisel on kaks peamist tüüpi – dissotsiatsioon ja ümberkorraldamine.
Dissotsiatsioon- molekulaarse iooni lagunemine sidemete järjestuse säilimisega. Protsessi tulemusena moodustub katioon ja radikaal:
Süsivesinike dissotsiatsioon põhjustab paaritu m/z suhtega fragmente.
ümberrühmitamine millega kaasneb sidemete järjestuse muutumine, mille tulemusena moodustub uus väiksema massiga radikaali katioon ja neutraalne stabiilne molekul (H 2 O, CO, CO 2 jne):
Süsivesinike ja hapnikku sisaldavate ühendite ümberpaigutamine toob kaasa ühtlase m/z suhtega fragmendi. Saadud fragmentide massi ja nende suhtelise koguse mõõtmine annab väärtuslikku teavet orgaaniliste ühendite struktuuri kohta.
Vaatleme massispektromeetri seadet (joonis 1). Massispektromeetril peavad olema ühikud järgmiste funktsioonide täitmiseks: 1) proovi ioniseerimine, 2) ioonide kiirendamine elektrivälja toimel, 3) ioonide jaotus m/z suhte järgi, 4) ioonide tuvastamine vastava elektrisignaaliga. .
Joonis 1. Massispektromeetri seade
1 - elektronide allikas; 2 - ionisatsioonikamber; 3 - kiirendusplaadid (negatiivne potentsiaal); 4 - magnet; 5 - vahe;
6 - ioonikollektor (ioonidetektor)
Massispektri saamiseks juhitakse ionisatsioonikambrisse väikestes kogustes ainete aurud, kasutades spetsiaalset paisutussüsteemi. (2) , kus hoitakse sügavat vaakumit (rõhk 10 -6 mm Hg). Aine molekule pommitab kuuma katoodi poolt kiiratav elektronide voog (1). Saadud ioonid surutakse väikese potentsiaalide erinevusega ionisatsioonikambrist välja (3). Tekkiv ioonivoog kiirendatakse, fokusseeritakse tugeva elektrivälja toimel ja siseneb magnetvälja. (4).
Aine molekulide elektronidega pommitamise tulemusena tekivad nii positiivse või negatiivse laenguga osakesed kui ka neutraalsed osakesed. Kui osakeste voog läbib magnetvälja, siis neutraalsed osakesed suunda ei muuda, samas kui positiivsed ja negatiivsed osakesed kalduvad erinevatesse suundadesse. Ioonide läbipaine on võrdeline nende laenguga ja pöördvõrdeline nende massiga.
Iga üksik ioon, mida iseloomustab konkreetne väärtus m/z, liigub antud magnetvälja tugevuse korral mööda oma trajektoori. Massi skaneerimise intervalli saab muuta kas magnetvälja tugevuse või elektrivälja potentsiaali muutmisega.
Tavalises massispektromeetrias on tavaks registreerida ainult positiivse laenguga osakesi, sest. kui molekule pommitatakse elektronidega, on positiivselt laetud ioone tavaliselt rohkem kui negatiivselt laetud ioone. Kui on vaja uurida negatiivselt laetud ioone, tuleks muuta kiirenduspotentsiaali märki (kiirendusplaadid).
Kui ioonide väljumiskohta magnetväljast on paigaldatud salvestusseade, annavad m/z väärtustes erinevad osakesed eraldi signaali. Signaali intensiivsus on võrdeline antud m/z väärtusega osakeste arvuga. Signaalide intensiivsus on määratletud nende kõrgusena, väljendatuna millimeetrites. Maksimaalse intensiivsusega piigi kõrguseks võetakse 100% (baaspiik), ülejäänud piikide intensiivsus arvutatakse proportsionaalselt ümber ja väljendatakse protsentides.
M/z suhte suurenemisega väheneb ühe aatommassiühiku võrra erinevate osakeste läbipainde erinevus magnetvälja poolt. Sellega seoses on massispektromeetrite oluline omadus eraldusvõime (R) , mis määrab ühe aatommassiühiku võrra erinevate ioonide maksimaalse massi (mille puhul seade eraldab piigid vähemalt 90%):
kus M on maksimaalne mass, mille puhul piikide kattuvus on väiksem kui 10%; ΔM on üks aatommassiühik.
Standardseadmetel on R ≈ 5000/1 ja ioonivoo topeltfookusega seadmetel R ≈ 10000/1 ja isegi rohkem. Sellised seadmed suudavad tabada ioonide molekulmassi erinevust kuni 0,0001. Kahe fokuseerimisega massispektromeeter suudab hõlpsasti eraldada sama nimimolekulaarse, kuid erineva elemendi koostisega ioonide piigid. Näiteks suudab see eristada N2 (28,0061), CO (27,9949) ja C2H4 (28,0313).
Massispektri andmete põhjal empiirilise valemi loomine ei ole lihtne ülesanne, kuid seda saab sobiva algoritmi abil lahendada. Massispektri saamiseks on vaja tühine kogus ainet - umbes 1 μg.
2. Keemiline ionisatsioon (CI).
Selle meetodi puhul lahjendatakse proovi enne elektronkiirega kiiritamist suure liiaga "reaktiivgaasiga". Elektronide ja proovimolekulide primaarsete ioniseerivate kokkupõrgete tõenäosus on siis nii väike, et primaarsed ioonid tekivad peaaegu eranditult reaktiivmolekulidest. Tavaliselt kasutatakse reagentidena madala molekulmassiga gaase nagu CH 4, ISO-C 4 H 10, NH 3 ja inertgaase (Ar, He). Sekundaarsed ioonid tekivad vesinikuaatomi või elektroni ülekande tulemusena.
Kui reaktiivgaasiks on metaan, kulgevad reaktsioonid järgmises järjestuses:
CH 4 + ē → CH 4 + + 2°
CH 4 + + ē → CH 3 + + H + + 2°
CH 4 + + CH4 → CH5 + +CH3
CH 3 + + CH4 → C2H5 + +H2
R-CH3 + CH5 + → R-CH4 + +CH4
kus R-CH3 on uuritava aine molekul.
Uuringud on näidanud, et CH 5 osakesed + ja C2H5 + koos moodustavad nad umbes 90% selles süsteemis esinevatest ioonidest. Pärast keemilist ionisatsiooni saadud massispektrid on palju lihtsamad, sisaldavad vähem piike ja seetõttu on neid sageli lihtsam tõlgendada.
Elektronparamagnetiline resonants (EPR) on elektromagnetilise kiirguse resonantsne neeldumise nähtus konstantsesse magnetvälja asetatud paramagnetilise aine poolt. See on põhjustatud kvantüleminekutest paramagnetiliste aatomite ja ioonide magnetiliste alamtasandite vahel (Zeemani efekt). EPR spektreid vaadeldakse peamiselt mikrolaine sagedusalas.
Elektronide paramagnetresonantsi meetod võimaldab hinnata mõjusid, mis ilmnevad kohalike magnetväljade olemasolu tõttu EPR spektrites. Lokaalsed magnetväljad omakorda peegeldavad uuritava süsteemi magnetiliste interaktsioonide mustrit. Seega võimaldab EPR-spektroskoopia meetod uurida nii paramagnetiliste osakeste ehitust kui ka paramagnetiliste osakeste vastasmõju keskkonnaga.
EPR-spektromeeter on mõeldud spektrite salvestamiseks ja paramagnetiliste ainete proovide spektrite parameetrite mõõtmiseks vedelas, tahkes või pulbrilises faasis. Seda kasutatakse olemasolevate meetodite rakendamisel ja uute meetodite väljatöötamisel ainete uurimiseks EPR-meetodil erinevates teaduse, tehnoloogia ja tervishoiu valdkondades: näiteks bioloogiliste vedelike funktsionaalsete omaduste uurimiseks neisse sisestatud spin-sondide spektritest. meditsiinis; tuvastada radikaale ja määrata nende kontsentratsiooni; materjalide molekulisisese liikuvuse uurimisel; põllumajanduses; geoloogias.
Analüsaatori põhiseadmeks on spektromeetriline seade – elektronide (EPR spektromeeter).
Analüsaator võimaldab proove uurida:
- temperatuuriregulaatoritega - proovi temperatuuri reguleerimissüsteemid (sealhulgas need, mis on temperatuurivahemikus -188 kuni +50 ºС ja vedela lämmastiku temperatuuril);
- automaatsete proovivahetus- ja doseerimissüsteemide abil küvettides, ampullides, kapillaarides ja katsutites.
EPR-spektromeetri tööomadused
Spetsiaalses rakus (ampulli või kapillaari) olev paramagnetiline proov asetatakse spektromeetri elektromagneti pooluste vahel asuvasse tööresonaatorisse. Resonaatorisse siseneb konstantse sagedusega elektromagnetiline mikrolainekiirgus. Resonantsseisund saavutatakse magnetvälja tugevuse lineaarse muutusega. Analüsaatori tundlikkuse ja eraldusvõime suurendamiseks kasutatakse magnetvälja kõrgsagedusmodulatsiooni.
Kui magnetvälja induktsioon saavutab antud proovile iseloomuliku väärtuse, toimub nende võnkumiste energia resonantsne neeldumine. Teisendatud kiirgus läheb seejärel detektorisse. Pärast tuvastamist töödeldakse signaali ja suunatakse see salvestusseadmesse. Kõrgsagedusmodulatsioon ja faasitundlik tuvastamine muudavad EPR signaali neeldumiskõvera esimeseks tuletiseks, mille kujul toimub elektronide paramagnetresonantsspektrite registreerimine. Nendel tingimustel registreeritakse ka integreeritud EPR-i neeldumisjoon. Salvestatud resonantsneeldumisspektri näide on näidatud alloleval joonisel.
