Az elektronparamágneses rezonancia módszerének alkalmazása olajok és szórt szerves anyagok vizsgálatában. Elektronikus paramágneses rezonancia. EPR módszer. Alkalmazások Elektronikus rezonancia
HAJTÓMŰ NYOMÁSVISZONYA
Az EPR módszer elve
Az EPR módszer felfedezésének története
EPR módszer a biológiai rendszerekben jelenlévő paramágneses részecskék tanulmányozásának fő módszere. A nagy biológiai jelentőségű paramágneses részecskék két fő típusú vegyületet foglalnak magukban - ezekszabad radikálisok és változó vegyértékű fémek (úgymint Fe, Cu, Co, Ni, Mn) vagy komplexumaik. Az EPR módszerrel a szabad gyökös állapotok mellett a fotobiológiai folyamatok során keletkező triplett állapotok vizsgálatára is sor kerül.
Az elektronparamágneses rezonancia módszerét viszonylag nemrég fedezték fel - ben 1944 . A Kazany Egyetemen Jevgenyij Konsztantyinovics ZAVOJSZKIJ az elektromágneses energia paramágneses fémsók általi elnyelésének tanulmányozásában. Észrevette, hogy egy kristály CuCl 2 40 Gauss (4 mT) állandó mágneses térbe helyezve elkezdi elnyelni a körülbelül 133 MHz frekvenciájú mikrohullámú sugárzást.
Az EPR biológiai kutatásban való alkalmazásának úttörői a Szovjetunióban L.A. Blumenfeld és A.E. Kalmanson, aki 1958-ban publikált egy cikket a Biophysics folyóiratban a fehérjékre gyakorolt ionizáló sugárzás hatására keletkező szabad gyökök vizsgálatáról.
Az elektron mechanikai és mágneses momentumai
Az elektronok keringési és spinmozgása alapozza meg keringési és spinmechanikai momentumaikat. Elektron keringési szögimpulzusa R sugarú pálya mentén R egyenlő:
Ahol én az áramkörben lévő áram, és S - a kontúr területe (ebben az esetben a körpálya egyenlő pR2 ). A (2) képletben behelyettesítve a terület kifejezését, és figyelembe véve, hogy:
Összehasonlítva az (1) és (4) elektron mechanikai és mágneses momentumainak kifejezéseit, azt írhatjuk, hogy:
Ahol n - orbitális kvantumszám, amely az értékeket veszi fel 0, 1, 2 és m Ebben az esetben (6) figyelembe véve a mágneses keringési nyomaték kifejezése így néz ki:
Az elektron spin-mágneses momentuma az elektron spin-mozgásához kapcsolódik, amely a saját tengelye körüli mozgásként ábrázolható. Egy elektron spin mechanikai momentuma egyenlő:
|
|
Ahol S - spin kvantumszám egyenlő 1/2 .
A mágneses és a mechanikai spinmomentumok a következő összefüggéssel függnek össze:
|
| (10) |
Ahol KISASSZONY
- mágneses kvantumszám, egyenlő +1/2
. A mágneses momentum és a mechanikai nyomaték arányát giromágneses aránynak nevezzük. g
). Látható, hogy orbitális mozgás esetén: 
, és a pörgetéshez: 
A különböző orbitális és spinmozgási hozzájárulásokkal rendelkező elektronok giromágneses arányára bevezetik az arányossági együtthatót g
, oly módon, hogy:
|
| (11) |
Ezt az arányossági tényezőt ún g -tényező. g =1, at S =0, azaz amikor az elektronnak nincs spinmozgása és csak keringési mozgás létezik, és g =2, ha nincs orbitális mozgás, és csak spinmozgás létezik (például szabad elektron esetén).
Az elektronok mágneses momentuma általában a következőkből állspin és orbitálismágneses momentumok. A legtöbb esetben azonban a keringési mágneses momentum nulla. Ezért az ýïr módszer elvének tárgyalásakor csakspin mágneses momentum.
Zeeman hatás
Az elektron mágneses momentumának mágneses térrel való kölcsönhatási energiáját a következő egyenlet fejezi ki:
| (12) |
Ahol m H - mágneses térerősség, cos( mH ) az közötti szög koszinusza m és H .
Zeeman-effektus (1. ábra) ( ES =+1/2 és ES =-1/2 )
A (11) egyenletből az következik, hogy:
Ebben az esetben a két szint közötti energiakülönbség a következő lesz:
|
| (15) |
A (14) egyenlet leírja a Zeeman-effektust, amely a következő szavakkal fejezhető ki:a mágneses térbe helyezett elektronok energiaszintjei ebben a mezőben kettéválnak a spin mágneses momentum nagyságától és a mágneses tér intenzitásától függően.
Alapvető rezonanciaegyenlet
Az adott energiájú elektronok számát a Boltzmann-eloszlásnak megfelelően határozzuk meg, nevezetesen:
Ha most elektromágneses energiát alkalmaznak egy mágneses térben lévő elektronrendszerre, akkor a beeső kvantum energiájának bizonyos értékeinél az elektronok átmenetei a szintek között mennek végbe. Az átmenetek szükséges feltétele a beeső kvantum energiájának egyenlősége ( hn ) energiakülönbség a különböző spinű elektronok szintjei között ( gbH ).
|
| (17) |
A (17) egyenlet az energia elektronok általi elnyelésének fő feltételét fejezi ki. A sugárzás hatására a magasabb energiaszinten lévő elektronok energiát bocsátanak ki és alacsonyabb szintre térnek vissza, ezt a jelenséget ún.indukált emisszió.
Az alacsonyabb szinten lévő elektronok energiát nyelnek el és magasabb energiaszintre mozognak, ezt a jelenséget nevezikrezonáns abszorpció. Mivel az energiaszintek közötti egyszeri átmenetek valószínűsége egyenlő, és a teljes átmenet valószínűsége arányos az adott energiaszinten lévő elektronok számával, akkoraz energia elnyelése felülmúlja annak kibocsátását . Ez annak köszönhető, hogy a (16) egyenletből következően az alsó szint népessége magasabb, mint a felső energiaszint népessége.
Ezen a ponton meg kell jegyezni a szabad gyökök speciális helyzetét, pl. a külső elektronpályán párosítatlan elektronokat tartalmazó molekulák az elektronok energiaszintek szerinti eloszlásában. Ha a pályán van egy elektronpár, akkor természetesen az energiaszintek populációja azonos lesz, és az elektronok által elnyelt energia mennyisége megegyezik a kibocsátott energia mennyiségével.
A mágneses térbe helyezett anyag energiaelnyelése csak akkor lesz észrevehető, ha csak egy elektron van a pályán, akkor lehet beszélniBoltzmann-eloszláselektronok az energiaszintek között.
Az EPR spektrumok jellemzői
Jel amplitúdója
A koncentráció meghatározásához meg kell mérni az abszorpciós görbe alatti területeket a mért mintában ismert paramágneses centrumkoncentrációjú és ismeretlen koncentrációjú standard esetében; az arányból adódik, feltéve, hogy mindkét minta alakja és térfogata azonos:
|
| (18) |
Ahol C fordulat. és C ez. - koncentráció mért minta és standard, ill S fordulat. és S ez. - terület a mért jel és a szabvány abszorpciós vonalai alatt.
Az ismeretlen jel abszorpciós vonala alatti terület meghatározásához használhatja a numerikus integrációs módszert:
Ahol f(H) - első származékaabszorpciós vonalak (EPR spektrum), F(H) - funkció abszorpciós vonalak, és H - feszültség mágneses mező.
Ahol f"(H) az abszorpciós vonal első deriváltja, ill EPR spektrum . Ennek ismeretében könnyű áttérni az integrálról az interkaláris összegre H=n*DH , kapunk:
|
| (21) |
Ahol D.H. a mágneses tér megváltoztatásának lépése, és n i - lépésszám.
Így az abszorpciós görbe alatti terület egyenlő lesz a mágneses tér lépésének négyzetének, valamint az EPR spektrum amplitúdója és a lépésszám szorzatának szorzatával. A (21) kifejezésből könnyen belátható, hogy nagy n (azaz távol a jel középpontjától) a spektrum távoli részeinek hozzájárulása még kis jelamplitúdó esetén is meglehetősen nagy lehet.
Vonal alakja
Bár az alaprezonanciaegyenlet szerint abszorpció csak akkor következik be, ha a beeső kvantum energiája egyenlő a párosítatlan elektronok szintjei közötti energiakülönbséggel, az EPR spektrum nem egyenes, hanem folyamatos a rezonanciapont valamely szomszédságában. Az EPR jelet leíró függvényt hívjukvonal alakú funkció . Híg oldatokban, amikor a paramágneses részecskék közötti kölcsönhatás elhanyagolható, az abszorpciós görbét a Lorentz-függvény írja le:
A Gauss-függvény az boríték EPR spektrum, ha kölcsönhatás van a paramágneses részecskék között. Az abszorpciós görbe alatti terület meghatározásakor különösen fontos figyelembe venni a vonal alakját. A (22) és (23) képletekből látható, hogy a Lorentz-függvény lassabb csökkenéssel és ennek megfelelően szélesebb szárnyakkal rendelkezik, ami jelentős hibát adhat a spektrum integrálásakor.
Vonalvastagság
Az EPR spektrum szélessége az elektron mágneses momentumának és a környező atommagok mágneses momentumainak kölcsönhatásától függ(rács) és elektronok.
Tekintsük részletesebben a párosítatlan elektronok energiaelnyelésének mechanizmusát. Ha alacsony energiájú állapotban van N 1 elektron, és nagy energiájú N 2 és N Még 1 N 2, akkor amikor elektromágneses energiát alkalmazunk a mintára, a szintpopulációk különbsége addig csökken, amíg az egyenlővé nem válik nullával.
Ennek az az oka, hogy egyetlen átmenet valószínűsége a sugárzás hatására alacsony energiájú állapotból nagy energiájú állapotba és fordítva. W 12 és W 21) egyenlőek egymással, és az alacsonyabb szintű népesség magasabb. Vezessünk be egy változót n =N 1 -N 2. Ekkor a szintpopulációk különbségének időbeli változása felírható:
és 
; ahol
| (24) |
A kísérletben azonban nem figyelhető meg változás a populáció szintkülönbségében, mivel vannak olyan relaxációs folyamatok, amelyek ezt a különbséget állandóan tartják. A relaxációs mechanizmus abból áll, hogy egy kvantum elektromágneses energiát adunk át a rácsnak vagy a környező elektronoknak, és visszaállítjuk az elektront alacsony energiájú szintre.
Ha a rácsindukált átmenetek valószínűségét úgy jelöljük P 12 és P 21 és P 12-vel kevesebb P 21 , akkor a népesség szintkülönbségének változása a következő lesz:
Stacionárius állapotban, amikor a populációkülönbség változása nulla, a szintpopulációk kezdeti különbsége ( n 0) állandó marad és egyenlő:
Vagy csere P 12 +P 21-én 1/T 1, megkapjuk
|
| (29) |
Érték T 1 hívottspin-rács relaxációs időés a spinállapot átlagos élettartamát jellemzi. Ennek eredményeként az elektromágneses sugárzás hatása alatt álló és a ráccsal kölcsönhatásba lépő párosítatlan elektronok rendszerének szintjei közötti populációs különbség változását a következő egyenlet határozza meg:
És at 2WT 1 sokkal kevesebb 1 , n = n 0 , azaz viszonylag alacsony teljesítményeknél gyakorlatilag megmarad a népességszint-különbségállandó . A Heisenberg-féle bizonytalansági relációból az következik, hogy:
|
| (32) |
Ha ezt elfogadjuk Dt egyenlő T 1, és DE megfelel gbDH , akkor a (32) egyenlet átírható a következőképpen:
|
| (33) |
Azok. a vonalszélesség bizonytalansága fordítottan arányos a spin-rács relaxációs idejével.
A párosítatlan elektron mágneses momentumának a ráccsal való kölcsönhatása mellett lehetséges a kölcsönhatása más elektronok mágneses momentumaival is. Ez a kölcsönhatás a relaxációs idő csökkenéséhez és ezáltal az EPR spektrum vonalának kiszélesedéséhez vezet. Ebben az esetben bevezetik a spin-spin relaxációs idő fogalmát ( T 2). A megfigyelt relaxációs időt a spin-rács és a spin-spin relaxációs idők összegének tekintjük.
Az oldatokban lévő szabad gyökökért T 1 sokkal kevesebb T 2, így a vonal szélességét a T 2. A vonalbővítés mechanizmusai közül a következőket kell megemlíteni:dipól-dipól kölcsönhatás; g-faktor anizotrópia; dinamikus vonalszélesítés és spincsere .
A dipól-dipól kölcsönhatás egy párosítatlan elektron mágneses momentumának a szomszédos elektronok és atommagok által létrehozott lokális mágneses térrel való kölcsönhatásán alapul. A mágneses tér erőssége bármely ponton függ az ettől a ponttól való távolságtól, valamint egy párosítatlan elektron és egy másik kölcsönható elektron vagy atommag mágneses momentumainak kölcsönös orientációjától. A párosítatlan elektron energiájának változását a következők határozzák meg:
| (34) |
Ahol m az elektron mágneses momentuma, R - távolság a helyi mágneses tér forrásától, q a kölcsönható mágneses momentumok közötti szög.
Az anizotrópia hozzájárulása g -faktor az EPR vonal kiszélesedésében annak a ténynek köszönhető, hogy az elektron keringési mozgása váltakozó mágneses teret hoz létre, amellyel a spin mágneses momentum kölcsönhatásba lép. Ez a kölcsönhatás eltéréshez vezet g - értéktényező 2,0023 megfelelőszabad elektron.
Kristályos minták esetén az értékek g A kristály orientációjának megfelelő -tényező jelöli g xx, g yy és g zz ill. Amikor a molekulák gyorsan mozognak, például oldatokban, anizotrópia g -faktor átlagolható.
Az EPR-jel kiszélesedése a gyök két formájának kölcsönös átalakulásának köszönhető. Tehát, ha a gyök mindegyik formájának megvan a maga EPR spektruma, akkor ezeknek a formáknak a kölcsönös átalakulásának sebességének növekedése a vonal kiszélesedéséhez vezet, mivel ebben az esetben a gyök élettartama az egyes állapotokban csökken. Ezt a jelszélesség-változást úna jel dinamikus kiszélesítése. A spincsere egy másik módja az EPR-jel kiterjesztésének. A spincsere során a jel kiszélesedésének mechanizmusa abban áll, hogy egy elektron spin mágneses momentumának irányát az ellenkezőjére változtatja, amikor egy másik párosítatlan elektronnal vagy egy másik paramágnessel ütközik.
Mivel egy ilyen ütközés csökkenti az elektron élettartamát egy adott állapotban, az EPR jel kiszélesedik. A spincsere mechanizmus általi EPR-vonal kiszélesedésének leggyakoribb esete a jelszélesedés oxigén vagy paramágneses fémionok jelenlétében.
Hiperfinom szerkezet
Az EPR vonal több részre osztása a hiperfinom kölcsönhatás jelenségén, azaz a párosítatlan elektronok mágneses momentumainak kölcsönhatásán alapul ( M S) az atommagok mágneses momentumaival ( M N).
|
| Mivel az atommag mágneses momentumának jelenlétében a teljes mágneses momentum egyenlő M S+ M N , hol M S az elektron mágneses momentuma, és M N az atommag mágneses momentuma, majd a teljes mágneses tér Hösszegeket. = H 0 ± H lok. , ahol H lok. - az atommag mágneses momentuma által létrehozott lokális mágneses tér. |
A hiperfinom interakció fontos jellemzője a szintek közötti átmenetek kiválasztási szabályai. A megengedett átmenetek olyan átmenetek, amelyekben egy párosítatlan elektron spin mágneses momentumának változása ( DM S) egyenlő 1 és az atommag spin mágneses momentuma ( DM N) egyenlő 0 .
Az általunk vizsgált példában a párosítatlan elektronnal kölcsönhatásba lépő mag spinje fél egész szám volt, és egyenlő ± 1/2, ami végül két sorra osztott minket. Ez a pörgés jellemző a protonok . A nitrogénatomok magjainál ( N 14) integer spin. Értékeket vehet fel ±1és 0 . Ebben az esetben, amikor a párosítatlan elektron kölcsönhatásba lép a nitrogénatom magjával, a spin értékének megfelelően három egyforma vonalra szakadás figyelhető meg. +1 , -1 és 0 . Általános esetben az EPR spektrum vonalainak száma egyenlő 2M N+ 1 .
Természetesen a párosítatlan elektronok száma és ennek megfelelően az EPR abszorpciós görbe alatti területe nem függ a magspin nagyságától, és állandó érték. Ezért ha egyetlen EPR jelet ketté vagy háromra osztunk, az egyes komponensek intenzitása a 2 vagy 3 alkalommal alacsonyabb.
Nagyon hasonló kép alakul ki, ha egy párosítatlan elektron nem egy, hanem több ekvivalens (ugyanolyan hiperfinom kölcsönhatási állandóval rendelkező) atommaggal lép kölcsönhatásba, amelyeknek nullától eltérő mágneses momentuma van, például két protonnal. Ebben az esetben három állapot jön létre a proton spinek orientációjának megfelelően:
1. mind a pályán,
2. mind a mezőny ellen
3. egy a pályán és egy a pálya ellen.
választási lehetőség 3 kétszer olyan valószínű, mint 1 vagy 2 , mert kétféleképpen lehet megtenni. A párosítatlan elektronok ilyen eloszlása következtében egyetlen vonal három vonalra hasad az intenzitásaránnyal. 1:2:1 . Általában azért n ekvivalens magok spinnel M N számú sor van 2 nM N+ 1 .
EPR rádióspektrométer készülék
Az EPR rádióspektrométer készüléke sok tekintetben hasonlít egy spektrofotométer készülékére, amely a spektrum látható és ultraibolya részében optikai abszorpciót mér.
A rádióspektrométerben a sugárzás forrása a klisztron, amely egy centiméteres hullámtartományban monokromatikus sugárzást adó rádiólámpa. A radiospektrométerben lévő spektrofotométer apertúrája egy csillapítónak felel meg, amely lehetővé teszi a mintán beeső teljesítmény adagolását. A rádióspektrométerben lévő mintával ellátott küvetta egy speciális egységben, az úgynevezett rezonátorban található. A rezonátor egy hengeres vagy téglalap alakú üregű paralelepipedon, amelyben egy elnyelő minta található. A rezonátor méretei olyanok, hogy állóhullám képződik benne. Az optikai spektrométer hiányzó eleme egy elektromágnes, amely az elektronok energiaszintjének felosztásához szükséges állandó mágneses teret hoz létre.
A mért mintán, a rádióspektrométerben és a spektrofotométerben áthaladó sugárzás a detektort éri, majd a detektor jelét felerősítik és rögzítik egy felvevőn vagy számítógépen. Meg kell jegyezni még egy különbséget a radiospektrométer között. Ez abban rejlik, hogy a rádiótartomány sugárzását a forrásból a mintába, majd a detektorba továbbítják speciális téglalap alakú csövek, úgynevezett hullámvezetők segítségével. A hullámvezetők keresztmetszeti méreteit az átvitt sugárzás hullámhossza határozza meg. A rádiósugárzás hullámvezetőkön keresztüli továbbításának ez a tulajdonsága meghatározza azt a tényt, hogy az EPR spektrum rádióspektrométerben történő rögzítéséhez állandó sugárzási frekvenciát használnak, és a rezonancia feltételt a mágneses mező nagyságának megváltoztatásával érik el.
A rádióspektrométer másik fontos jellemzője a jelerősítés egy nagyfrekvenciás váltakozó mező általi modulációval. A jelmoduláció eredményeként differenciálódik, és az abszorpciós vonal az első deriváltjává alakul, amely az EPR jel.
Biológiai rendszerekben megfigyelt EPR jelek
Az EPR módszer alkalmazása a biológiai kutatásokban a paramágneses központok két fő típusának - a szabad gyökök és a változó vegyértékű fémionok - vizsgálatához kapcsolódik. A biológiai rendszerekben előforduló szabad gyökök vizsgálata nehézséggel jár, amely a sejtek élettevékenysége során keletkező szabad gyökök alacsony koncentrációjában áll. A normálisan metabolizálódó sejtekben a gyökök koncentrációja különböző források szerint kb 10 -8 - 10 -10 M , míg a modern radiospektrométerek lehetővé teszik a gyökök koncentrációjának mérését 10 -6 - 10 -7 M .
Növelheti a szabad gyökök koncentrációját pusztulásuk lassításával és képződésük sebességének növelésével. Ez megtehető biológiai tárgyak alacsony hőmérsékleten történő besugárzásával (UV vagy ionizáló sugárzás).
A többé-kevésbé összetett, biológiailag fontos molekulák gyökök szerkezetének vizsgálata volt az EPR módszer egyik első alkalmazási területe a biológiai kutatásokban.
Az UV-sugárzással besugárzott cisztein EPR spektrumai
Patkánymáj EPR spektruma
Az EPR módszer másik fontos alkalmazási területe a biológiai kutatásokban a változó vegyértékű fémek és/vagy létező komplexeik vizsgálata volt.in vivo.
Ha megnézi például egy patkánymáj EPR spektrumát, láthatja a citokróm jeleit. R-450 amelynek g -tényező 1,94 és 2,25 , methemoglobin jellel g -tényező 4,3 valamint az aszkorbinsav és a flavinok szemikinon gyököihez tartozó szabad gyök jel g -tényező 2,00 .
A rövid relaxációs idők miatt a metalloproteinek EPR jelei csak alacsony hőmérsékleten, például folyékony nitrogénnél figyelhetők meg.
Egyes gyökök EPR jelei azonban szobahőmérsékleten is megfigyelhetők. Ezek a jelek sok szemikinon vagy fenoxi gyök EPR jeleit foglalják magukban, például az ubikinon szemikinon gyökét, az a-tokoferol (vitamin) fenoxi- és szemikinon gyökét. E), A-vitamin D, és sokan mások.
ELEKTRONIKUS PARAMÁGNESES RESONANCIA (EPR)- elektromágneses hullámok rezonáns elnyelése paramágneses részecskéket tartalmazó anyagok által. Az EPR-alapú módszerek széleskörű alkalmazásra találtak a laboratóriumi gyakorlatban. Segítségükkel tanulmányozzák a kémiai és biokémiai reakciók kinetikáját (lásd Biológiai folyamatok kinetikája, Kémiai kinetika), a szabad gyökök szerepét a szervezet létfontosságú folyamataiban normál és kóros állapotokban (lásd Szabad gyökök), fotobiológiai folyamatok előfordulása és lefolyása (lásd Fotobiológia) stb.
Az EPR jelenséget B. K. Zavoisky szovjet tudós fedezte fel 1944-ben. Az elektron-paramágneses rezonancia csak a paramágneses részecskékre jellemző, vagyis azokra a részecskékre, amelyek mágnesezhetőek, amikor mágneses mezőt alkalmaznak rájuk) kompenzálatlan elektronikus mágneses nyomatékkal, ami viszont az elektron saját mechanikai nyomatékának - spinnek köszönhető. Az elektronok sajátos belső mozgással rendelkeznek, amely összehasonlítható a csúcs tengelye körüli forgásával. A kapcsolódó impulzusmomentumot spinnek nevezzük. A spinnek köszönhetően az elektronnak a spinnel ellentétes irányú állandó mágneses momentuma van. A legtöbb molekulában az elektronok úgy helyezkednek el pályákon, hogy spinjeik ellentétes irányúak, a mágneses momentumok kompenzálódnak, és a belőlük érkező EPR jel nem figyelhető meg. Ha egy elektron mágneses terét nem kompenzálja egy másik elektron spinje (vagyis a molekula párosítatlan elektronokat tartalmaz), akkor EPR jel kerül rögzítésre. A párosítatlan elektronokkal rendelkező részecskék szabad gyökök, számos fém (vas, réz, mangán, kobalt, nikkel stb.) ionjai, számos szabad atom (hidrogén, nitrogén, alkálifém stb.).
Külső mágneses tér hiányában az elektron mágneses momentumának iránya (tájolása) a térben tetszőleges lehet; egy ilyen elektron energiája nem függ mágneses momentumának irányától. A kvantummechanika törvényeinek megfelelően külső mágneses térben az elektron mágneses momentumának orientációja nem lehet tetszőleges - irányulhat akár a mágneses tér irányába, akár azzal ellentétes irányba.
Az elektron mágneses momentumának irányultságával összhangban az elektron energiája a mágneses térben is csak két értéket vehet fel: a minimális E1 - amikor a mágneses momentum "a mező mentén" van orientálva, és a maximális E2 - amikor orientált. "a térrel szemben" és ezen állapotok energiáinak különbsége (delta E ) a következő képlettel számítható ki: ΔE = gβH, ahol β a Bohr-magneton (az elektron mágneses momentumának mértékegysége), H a mágneses térerősség, g a paramágneses részecske elektronszerkezetétől függő állandó. Ha egy külső mágneses térben párosítatlan elektronrendszerre olyan elektromágneses sugárzás hat, amelynek kvantumenergiája egyenlő ΔE-vel, akkor a sugárzás hatására az elektronok egy alacsonyabb energiájú állapotból egy olyan állapotba kezdenek áthaladni. magasabb energia, amely az anyag általi sugárzás elnyelésével jár együtt.
Az EPR-t rádióspektroszkópiai módszereknek nevezik, mivel az elektromágneses hullámok rádiófrekvenciás tartományába eső sugárzást használják az elektronparamágneses rezonancia megfigyelésére.
Az EPR-t speciális eszközökkel - rádióspektrométerekkel - rögzítik. Ezek közé tartozik: elektromágnes, rádiófrekvenciás sugárzás forrása, a forrástól a mintához vezető sugárzás átviteli vezeték (hullámvezető), egy rezonátor, amelyben a vizsgált minta található, a jel észlelésére, erősítésére és rögzítésére szolgáló rendszerek. A leggyakoribb rádióspektrométerek, amelyek 3,2 cm vagy 8 mm hullámhosszú elektromágneses sugárzást használnak.
Az EPR jel regisztrálása a következőképpen történik. Az elektromágnes által létrehozott mágneses tér intenzitása bizonyos határok között lineárisan változik. A rezonanciaállapotnak megfelelő feszültségértékeknél a minta elnyeli az elektromágneses sugárzás energiáját. Az abszorpciós vonal (EPR jel) a minta által elnyelt sugárzási teljesítmény függése a mágneses térerősségtől. A meglévő rádióspektrométerekben az EPR jelet az abszorpciós vonal első deriváltjaként rögzítik.
Az EPR spektrumok leírásához és elemzéséhez számos, a vonal intenzitását, szélességét, alakját és a mágneses térben elfoglalt helyzetét jellemző paramétert használnak. Az EPR-vonalak intenzitása – egyéb tényezők azonossága mellett – arányos a paramágneses részecskék koncentrációjával, ami lehetővé teszi a kvantitatív elemzés elvégzését.
Az EPR jelenség mérlegelésekor figyelembe kell venni, hogy a párosítatlan elektron mágneses momentuma nemcsak az elektromágnes mágneses terével lép kölcsönhatásba, hanem az elektron környezete által létrehozott mágneses mezőkkel is: más párosítatlan elektronokkal, mágneses magokkal (ld. Nukleáris mágneses rezonancia). A párosítatlan elektronok atommagokkal való kölcsönhatása gyakran az EPR spektrum több vonalra való felosztásához vezet. Az ilyen spektrumok elemzése lehetővé teszi a paramágneses részecskék természetének azonosítását, valamint egymás közötti kölcsönhatásuk jellegének és mértékének értékelését.
A paramágneses részecskék részvétele a kémiai reakciókban, a molekulamozgásban és más kinetikai hatásokban is befolyásolja az EPR spektrum alakját. Ezért az EPR-t paramágneses részecskék kimutatására, mennyiségi meghatározására és azonosítására, a kémiai és biokémiai reakciók kinetikájának, valamint a molekuláris dinamika tanulmányozására használják.
Sokoldalúságának köszönhetően az EPR-t széles körben alkalmazzák a tudomány különböző területein. Az EPR biológiában és gyógyászatban való felhasználása a sejtekben, szövetekben és biol. különböző paramágneses központú folyadékok a természetben. Az EPR segítségével szinte minden állati és növényi szövetben kimutatták a szabad gyökök jelenlétét. A szabad gyökök forrásai olyan vegyületek, mint a flavinok, a Q koenzim és más anyagok, amelyek elektronhordozóként működnek a növényi és állati sejtekben zajló energiametabolizmus reakcióiban; az izolált szövetekben található paramágneses centrumok főként a mitokondriumok, mikroszómák, kloroplasztiszok elektrontranszport láncaihoz tartoznak (lásd Légzés). Azt találták, hogy a szövetekben lévő szabad gyökök mennyisége korrelál a metabolikus aktivitásukkal. Számos munka mutatja a szabad gyökök számának változását különféle kóros állapotokban, például onkogenezis során (lásd), sugárkárosodás kialakulását (lásd), toxikózist (lásd Mérgezés), amelyet az energia-anyagcsere megsértésével magyaráznak. patológia (lásd Bioenergetika).
Az EPR segítségével az állatok és növények szöveteiben paramágneses ionok (vas, réz, mangán, kobalt stb.) határozhatók meg, amelyek az elektrontranszport láncok mentén zajló elektrontranszfer reakciókban és enzimatikus katalízisben részt vevő metalloproteinek részei. mint az oxigénszállító pigmentekben (hemoglobin). Az EPR segítségével lehetőség nyílik a fémionok redox átalakulásának és az ionok környezetükkel való kölcsönhatásának természetének vizsgálatára, ami lehetővé teszi a fémtartalmú komplexek finomszerkezetének megállapítását.
A szövetekben bekövetkező kóros elváltozások a metalloproteinek EPR-jeleinek megváltozásához vezetnek, ami a paramágneses fémkomplexek bomlásával, a paramágneses ionok környezetének megváltozásával és az ionok más komplexekké való átalakulásával jár. A szövetek, különösen a szabad gyökök paramágneses központjainak természetének vizsgálata azonban bizonyos nehézségekkel jár az EPR spektrumok megfejtésének bonyolultsága miatt.
Az EPR segítségével lehetőség nyílt az enzimreakciók mechanizmusainak vizsgálatára (lásd Enzimek). Különösen lehetőség nyílik egyidejűleg tanulmányozni a szabad gyökök enzimreakciók során történő képződésének és fogyasztásának kinetikáját, valamint az enzimek részét képező fémek redox átalakulásának kinetikáját, ami lehetővé teszi az enzimatikus folyamatok szakaszainak sorrendjének megállapítását. reakció.
Az EPR alkalmazása a sugársérülések vizsgálatában a biol. Az objektumok lehetővé teszik a biopolimerekben képződő gyökök természetéről, a besugárzott tárgyakban kialakuló, biológiai hatáshoz vezető gyökreakciók mechanizmusáról és kinetikájáról való tájékozódást. Az EPR módszer használható vészhelyzeti dozimetriában, például emberek véletlen expozíciója esetén az expozíciós dózis értékelésére, ehhez a kitettségi zónából származó tárgyakat használva.
Fontos helyet foglal el az EPR a szabad gyököket érintő fotobiológiai folyamatok vizsgálatában (lásd Molekula, Szabad gyökök, Fotobiológia, Fotoszenzitizáció). Az EPR segítségével részletesen tanulmányozzák a fehérjékben, nukleinsavakban és komponenseikben ultraibolya sugárzás hatására keletkező szabad gyökök képződését, valamint e gyökök szerepét a biopolimerek fotodegradációjában (lásd Fény). Az EPR alkalmazása fontos információkat adott a fotoszintézis elsődleges mechanizmusairól (lásd). Kimutatták, hogy a fotoszintézis elsődleges reakciója a fény által gerjesztett klorofillmolekuláról egy elektron átvitele és egy klorofill gyökkation képződése. A gerjesztett klorofill molekula által adományozott elektront befogadó molekulák természetét is azonosították.
Az EPR-t biológiailag fontos makromolekulák és biomembránok szerkezetének tanulmányozására is használják. Például a hem tartalmú fehérjékben a hem részét képező vasionok lehetnek magas spinű állapotban (a külső pályákon az elektronok nincsenek párosítva, a teljes spin maximális) és alacsony spinű (a külső elektronok teljesen vagy részben párosodnak). , pörgés minimális). A hemoglobinban és származékaiban található vasionok magas és alacsony spinű állapotaira vonatkozó EPR-jelek jellemzőinek vizsgálata hozzájárult a hemoglobinmolekula térszerkezetének megértéséhez.
Jelentős előrelépések történtek a biomembránok és biopolimerek szerkezetének vizsgálatában a spin-próba és jelölési módszerek megjelenése után (lásd Biológiai membránok). Spin-címkékként és szondákként főleg stabil nitroxid-gyököket használnak (lásd Szabad gyökök). A nitroxil gyök kovalensen kötődhet a molekulákhoz (spin-címke), vagy fizikai kölcsönhatások következtében megmaradhat a vizsgált rendszerben (spin-próba). A lényeg abban rejlik, hogy a nitroxid gyökök EPR spektrumának alakja a mikrokörnyezet tulajdonságaitól függ: viszkozitástól, természettől és molekulamozgástól, lokális mágneses mezőktől stb. A különböző biopolimercsoportokhoz kovalensen kötődő spin-nyomok indikátorként szolgálnak. a biopolimer szerkezetének állapotáról. Spin címkék segítségével vizsgálják a biopolimerek térszerkezetét, a fehérjék szerkezeti változásait a denaturáció során, enzim-szubsztrát komplexek, antigén-antitest képződését stb.
A spin próbák módszerével vizsgálják a lipidek biomembránokban való pakolódásának és mobilitásának módjait, a lipid-fehérje kölcsönhatásokat, a membránokban a különböző anyagok hatására bekövetkező szerkezeti átmeneteket stb. Spin címkék és próbák vizsgálata alapján gyógyszerek meghatározására szolgáló módszerek biol. folyadékok, valamint a kábítószer irányított szállításának kérdései stb.
Így az EPR segítségével a szervezetben az elektronikus folyamatok széles eloszlása látható a normában és bármilyen patológia esetén. Az EPR-módszer elméletének megalkotása és technológiájának továbbfejlesztése a kvantumelektronika mint tudományág alapját képezte, ami a rádióhullámok (maserek) és a fény-lézerek (lásd) molekuláris generátorainak és erősítőinek létrehozásához vezetett. széles körben alkalmazzák a nemzetgazdaság számos területén.
Blumenfeld L. A., Voevodsky V. V. és Semenov A. G. Az elektronparamágneses rezonancia alkalmazása a kémiában, Novoszibirszk, 1962, bibliogr.; Wertz J. és Bolton J. Az EPR módszer elmélete és gyakorlati alkalmazásai, ford. angolból M., 1975, bibliogr.; Ingram D. Elektronparamágneses rezonancia a biológiában, ford. angolból M., 1972; Kalmanson A. E. Az elektronparamágneses rezonancia módszerének alkalmazása a biokémiában, a könyvben: Usp. biol. chem., szerk. B. N. Sztyepanenko, 5. kötet, p. 289, M., 1963; Kuznetsov A. N. Spin szonda módszer. M., 1976; Liechtenstein G. I. Method of spin labels in molecular Biology, M., 1974; The Spin Label Method, szerk. L. Berliner, ford. angolból, M., 1979; Szabad gyökök a biológiában, szerk. W. Pryor, ford. angol nyelvből, 1. kötet, p. 88, 178, M., 1979.
K. N. Timofejev.
Az EPR spektrumok segítségével meghatározható egy paramágneses ion vegyértéke és környezete szimmetriája, ami a röntgenszerkezeti elemzési adatokkal kombinálva lehetővé teszi a paramágneses ion kristályrácsban elfoglalt helyzetének meghatározását. A paramágneses ion energiaszintjének értéke lehetővé teszi az EPR eredményeinek összehasonlítását az optikai spektrumok adataival, valamint a paramágnesek mágneses szuszceptibilitásának kiszámítását.
Az EPR módszer lehetővé teszi a rácshibák, például a színközpontok természetének és lokalizációjának meghatározását. Fémekben és félvezetőkben az EPR is lehetséges, ami a vezetési elektron spinek orientációjának megváltozásával jár. Az EPR módszert széles körben alkalmazzák a kémiában és a biológiában, ahol kémiai reakciók során vagy ionizáló sugárzás hatására képződhetnek kitöltetlen kémiai kötéssel rendelkező molekulák, szabad gyökök. G-tényezőjük általában közel van , és az EPR vonalszélességhez 
kicsi. Ezen tulajdonságok miatt az egyik legstabilabb szabad gyököt (), amelynek g = 2,0036, az ESR mérések standardjaként használják. Az EPR biológiában a biológiai rendszerekben található enzimeket és szabad gyököket, valamint a fémorganikus vegyületeket vizsgálják.
EPR erős mágneses mezőben
A paramágneses rezonanciával kapcsolatos kísérleti vizsgálatok túlnyomó többségét olyan mágneses térben végezték, amelynek intenzitása kisebb, mint 20 ke. Mindeközben az erősebb statikus mezők és a magasabb frekvenciájú váltakozó mezők alkalmazása jelentősen bővítené az EPR módszer lehetőségeit és növelné az általa szolgáltatott információkat. A közeljövőben akár 250 állandó mágneses mező keés impulzív mezők tízmillió oerstedben mérve. Ez azt jelenti, hogy a Zeeman-hasadások állandó mezőkben megközelítőleg elérik a 25-öt 
, pulzáló mezőben pedig két nagyságrenddel nagyobbak az értékek. Alacsony, szupravezető mágneses spektrométerrel, mezőben mérte az EPR-t H0
65
ke. Prohorov és munkatársai egy hullámhosszon figyelték meg az EPR-jeleket 
=1,21mm.
Az erős mágneses mezők nagy hasznot hoznak a ritkaföldfém-ionok kibocsátásához kristályokban, amelyek Stark-alszintjei közötti intervallumok 10-100 nagyságrendűek. 
. Az EPR-effektus a közönséges mezőkön gyakran hiányzik, mert a földi Stark-szint szingulettnek bizonyul, vagy mert a földi Kramers dublett Zeeman-alszintjei közötti átmenet tilos. A különböző Stark-alszintek közötti átmenetek hatása általában véve lehetséges. Továbbá a ritkaföldfém kristályok kristálymezőjét nagyszámú paraméter jellemzi, amelyek meghatározásához ismeretek g- a fő Kramers dublett tenzora nem elég.
Erős mágneses terek is használhatók a vascsoport ionjainak vizsgálatára, különösen, mint pl 
amelyek 10-es rendű felosztással rendelkeznek 
100
.
Cserecsatolt párokra alkalmazva az erős mágneses mezők lehetővé teszik, hogy megfigyeljük a szintek közötti átmenetek hatását a kapott spin különböző értékeivel. S spektroszkópiai pontosságú párok mérik a cserekölcsönhatás paraméterét J.
Az erős mágneses mezők paramágneses rezonanciájának számos jellemzője lesz. A mágnesezési telítési hatások viszonylag magas hőmérsékleten jelentkeznek. Nem túl alacsony hőmérsékleten az ionos mágneses momentumok polarizációja olyan erős lesz, hogy a külső mágneses tér mellett belső mezőt is be kell vezetni a rezonanciaviszonyokba. Megjelenik a rezonanciafeltételek függése a minta alakjától.
Az EPR módszer nagy jelentőséget kapott a kémiában, fizikában, biológiában és az orvostudományban, mivel lehetővé teszi a szerves és szervetlen szabad gyökök szerkezetének és koncentrációjának meghatározását. A szabad gyökök létrejöhetnek kémiai úton, fotokémiai úton vagy nagy energiájú sugárzással.
Az EPR spektrumot szabad gyökök, páratlan elektronszámú molekulák, szerves molekulák triplett állapotai, paramágneses átmenetifém-ionok és ezek komplexei adják.
Az EPR módszert az 1950-es években kezdték alkalmazni a biológiai kutatásokban. Meglehetősen nagy érzékenysége és a paramágneses részecskék természetének meghatározásának lehetősége miatt ez a módszer széleskörű alkalmazásra talált számos biológiai folyamat tanulmányozásában.
A szövetekben a szabad gyökös jelek mellett számos fémjel (Fe, Cu, Mn, Ni, Co) figyelhető meg. Ezek a fémek számos enzimatikus folyamatban részt vevő metalloproteinek részét képezik. A vastartalmú fehérjék (citokrómok, ferredoxinok) a mitokondriumokban és a kloroplasztiszokban az elektrontranszport láncok alkotóelemei.
Számos enzimrendszert tanulmányoztak EPR módszerrel, és találtak szubsztrátok szabadgyökös termékeit. Számos esetben sikerült megfigyelni az enzim aktív centrumában lévő fémionok redox átalakulását.
Az EPR spektroszkópiát széles körben alkalmazzák a fotoszintézis vizsgálataiban: tanulmányozzák a reakcióközpontokban a töltésleválasztás elsődleges szakaszainak mechanizmusát és az elektron további átvitelét az elektrontranszport lánc mentén.
A paramágneses részecskék részvételével lejátszódó reakciók mechanizmusainak vizsgálata mellett az EPR módszert széles körben alkalmazzák a makromolekulák és biomembránok szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak vizsgálatára is.
A közelmúltban a "paramágneses szonda", a "pörgő címkék" és a "spincsapdák" módszereit gyakran használják biológiai és polimer rendszerek tanulmányozására. Mindegyik különböző szerkezetű stabil salétromsav gyökök felhasználásán, pontosabban az EPR spektrumok vonalszélességében bekövetkezett változások elemzésén alapul, amelyeket ezen gyökök rotációs és transzlációs diffúziója okoz.
A spin címke és szonda módszerének fő gondolata az, hogy egy szabad gyököt kapcsoljon egy fehérje egyik vagy másik funkcionális csoportjához, és tanulmányozza az EPR-jelek jellemzőit. Ebben a tekintetben a legkényelmesebbek a szabad gyökcsoportot tartalmazó nitroxil-gyökök:
ahol R1 és R2 különböző kémiai csoportok.
Spin címke módszer abban áll, hogy egy stabil gyök egy nem paramágneses molekulához kovalens vagy más kötéssel kapcsolódik úgy, hogy a szabad vegyértéket nem érinti. A mozgás természete egyértelműen megnyilvánul a spektrum formájában, és fontos információforrásként szolgál az eredeti molekuláról.
Ha egy molekula egy fehérjemolekulába integrálódik, és elektrosztatikus erők vagy hidrofób kölcsönhatások tartják ott, akkor egy ilyen molekulát ún. spin szonda. A módszer a próba gyök rotációs és transzlációs mobilitásának vizsgálatán alapul vizes vagy szerves közegben vagy a polimer mátrixban. A gyök mobilitása a környezet molekuláinak mobilitásától függ, ezért a gyök egyfajta molekuláris szenzor a lokális környezetre vonatkozó szerkezeti és dinamikus információkhoz.
A spin-címke vagy szonda által keltett EPR-jel alakja a nitroxigyök mikrokörnyezetétől, és mindenekelőtt annak a csoportnak a rotációs mobilitásától függ, amelyben szerepel.
A spin címkék és próbák fő hátránya, hogy bár ezek a molekulák kicsik, ha a lipid kettősrétegbe kerülnek, némileg megváltoztatják annak tulajdonságait.
A módszer középpontjában "pörgő csapdák" a vizsgált rendszerbe speciálisan bevitt nem paramágneses molekula (csapda) reakciója egy rövid élettartamú gyökkel, melynek eredményeként egy stabil gyök keletkezik. Az így létrejövő stabil gyök kinetikai viselkedése és szerkezete információt ad a vizsgált rendszerben zajló folyamatok kinetikájáról és mechanizmusáról.
Az EPR spektroszkópiával végzett kémiai kutatások tárgyai: 1) a szerves reakciók közbenső termékeiben lévő szabad gyökök; 2) reakciókinetika; 3) felületi jelenségek kémiája; 4) besugárzásból eredő pusztulás; 5) polimerizáció a szabad gyökök miatt; 6) alacsony hőmérsékleten fagyott szabad gyökök; 7) változó vegyértékű fémek és komplexeik.
Az EPR módszer értékes hozzájárulást jelent a kémiai reakciók kinetikájának és mechanizmusainak vizsgálatához. Először is, az EPR spektrumokban végzett vonalszélesség-mérésekkel meg lehet határozni a 10 -5 -10 -10 s tartományban lévő paramágneses részecskéket érintő folyamatok sebességi állandóit. Másodszor, az EPR módszer lehetővé teszi a nagy érzékenységű paramágneses részecskék detektálását különböző körülmények között, ami értékes információkat szolgáltat a reakciómechanizmusokról. Harmadszor, az EPR spektrométer analitikai eszközként használható a reakció során reagáló paramágneses molekulák koncentrációjának kimutatására. A mintában lévő paramágneses centrumok száma arányos az abszorpciós spektrum alatti területtel.
Az EPR módszert széles körben alkalmazzák a gyökök molekulaszerkezetének változásaihoz kapcsolódó gyors folyamatok vizsgálatára. Ezek a folyamatok magukban foglalják az akadályozott forgást és a konformációs átmeneteket.
A rövid élettartamú gyökök esetében a módszer érzékenysége áramlásos rendszerrel vagy folyamatos besugárzással növelhető. Az instabil gyökök EPR spektrumát üvegben, fagyott nemesgáz mátrixban vagy kristályban rögzítve kaphatjuk meg.
Interjú kérdések
1. A módszer elméleti alapjai.
2. Az EPR spektrum analitikai paraméterei.
3. EPR spektrométerek.
4. Az EPR alkalmazása.
Tesztfeladatok
1. Rezonancia feltétel az EPR módszerben:
a) n = gH 0 (1-s)/2p; b) δ \u003d (ΔH/H 0) c) hn \u003d gβH 0; d) δ = (Δν/ν 0)/(ΔН/Н 0).
2. Mi történik a rezonancia pillanatában az EPR módszerben:
a) a sugárzási kvantumok elnyelődnek, spin-újraorientáció nem következik be;
b) a sugárzási kvantumok elnyelődnek és a spinek átirányulnak, azaz. átmenet az alacsonyabb energiájú állapotból a felsőbe és fordítva. Az alulról felfelé történő átmenetek száma nagyobb, mint a felülről lefelé történő átmenetek száma.
c) a sugárzáskvantumok elnyelődnek és a spinek átirányulnak, azaz. átmenet az alacsonyabb energiájú állapotból a felsőbe és fordítva. A felülről lefelé történő átmenetek száma nagyobb, mint az alulról felfelé történő átmenetek száma.
3. Az EPR spektrumok paraméterei:
a) g-tényező, abszorpciós sávszélesség, abszorpciós vonal intenzitása;
b) a jelek összesített száma, jelintenzitás, kémiai eltolódás, jel multiplicitása;
c) g-faktor, abszorpciós sávszélesség, abszorpciós vonal intenzitása, HFS EPR spektrumok.
TÖMEGSPEKROMETRIA
Ez a módszer alapvetően különbözik a spektroszkópiai módszerektől. A tömegspektrometriás módszerek egy anyag ionizálásán, az ionok elválasztásán alapulnak, arány szerint ( m/z), és a keletkező töredékek tömegének regisztrálása.
A tömegspektrometria elméleti és kísérleti alapjait D.D. Thomson, aki 1912-ben először készített egy eszközt a pozitív ionok tömegspektrumának meghatározására. A készüléke azonban alacsony felbontású volt. Tanítványa, F. Aston 1918-ban jelentősen megnövelte a felbontást, és először fedezte fel az elemek izotópjait a készülékén. A chicagói F. Astonnal szinte egyidőben A. Dempster megszerkesztette az első tömegspektrométert, amelyben a keresztirányú mágneses tér elemzőként szolgált, és elektromos módszerekkel mérték az ionáramokat. Sémáját a modern eszközökben is használják.
A molekulák ionizálását olyan körülmények között kell végrehajtani, amelyek mellett a képződött ion az ionizáció módjától függetlenül nem ütközhet más molekulákkal vagy ionokkal. Ez szükséges az ion és a molekula tulajdonságai közötti kapcsolat megállapításához.
Ionizációs módszerek
Az ionizálást különféle módszerekkel lehet végrehajtani.
1. Elektronütéses ionizációs (EI) módszer.
Ez a legelterjedtebb módszer az ionok előállítására az ionforrások egyszerűsége és elérhetősége, valamint nagy hatékonysága miatt. Tegyük fel, hogy az anyag gőzein egy elektronáram halad át, melynek energiája fokozatosan növelhető. Ha ez az energia elér egy bizonyos szintet, akkor amikor egy elektron ütközik egy molekulával, egy elektron „kiüthető” belőle molekulaion képződésével:
többatomos molekula molekulaion (gyökkation)
A bombázó elektronok azon legkisebb energiája, amelynél egy adott molekulából ion keletkezik, ún. az anyag ionizációs energiája. Az ionizációs energia annak az erősségnek a mértéke, amellyel egy molekula a legkevésbé kötődik az elektronhoz. Szerves molekulák esetében az ionizációs energia 9 ÷ 12 eV.
Ha az elektron energiája jelentősen meghaladja az ionizációs energiát, akkor a keletkező molekulaion többletenergiát kap, ami elegendő lehet a benne lévő kötések felbomlásához. A molekulaion kisebb tömegű részecskékre (töredékekre) bomlik. Az ilyen folyamatot ún töredezettség . A tömegspektrometria gyakorlatában 30÷100 eV energiájú elektronokat használnak, ami biztosítja a molekulaion fragmentációját.
Molekuláris ionok Ezek olyan ionok, amelyek tömege megegyezik az ionizált molekula tömegével. Sajnos nincs közvetlen módszer az ionok szerkezetének meghatározására. Ezért gyakran alkalmazzák a molekulaion (M+) és a semleges molekula (M) szerkezetének azonosságára vonatkozó feltételezést. A molekulaion képződésének valószínűsége egyszerű, kis molekulák esetén nagyobb. A molekulában lévő atomok számának növekedésével a molekulaion fragmentációjának valószínűsége nő.
A molekuláris ionok fragmentációjának két fő típusa van: disszociáció és átrendeződés.
Disszociáció- molekuláris ion bomlása a kötések sorrendjének megőrzésével. A folyamat eredményeként kation és gyök képződik:
A szénhidrogének disszociációja páratlan m/z arányú fragmentumokhoz vezet.
átcsoportosítás a kötések sorrendjének megváltozásával jár együtt, ami egy új, kisebb tömegű gyökkation és egy semleges stabil molekula (H 2 O, CO, CO 2 stb.) képződését eredményezi:
A szénhidrogének és oxigéntartalmú vegyületek átrendeződése egyenletes m/z arányú fragmentumhoz vezet. A keletkező töredékek tömegének és relatív mennyiségének mérése értékes információkkal szolgál a szerves vegyületek szerkezetéről.
Tekintsük a tömegspektrométer készülékét (1. ábra). A tömegspektrométernek tartalmaznia kell a következő funkciókat végző egységeket: 1) minta ionizálása, 2) ionok gyorsítása elektromos térrel, 3) ionok m/z arány szerinti eloszlása, 4) ionok detektálása a megfelelő elektromos jellel. .
1. ábra. Tömegspektrométer készülék
1 - az elektronok forrása; 2 - ionizációs kamra; 3 - gyorsító lemezek (negatív potenciál); 4 - mágnes; 5 - rés;
6 - iongyűjtő (iondetektor)
A tömegspektrum eléréséhez az anyagok gőzeit kis mennyiségben vezetik be az ionizációs kamrába egy speciális puffasztó rendszer segítségével. (2) , ahol mélyvákuumot tartanak fenn (nyomás 10 -6 Hgmm). Az anyag molekuláit forró katód által kibocsátott elektronáram bombázza (1). A keletkező ionok kis potenciálkülönbség hatására kiszorulnak az ionizációs kamrából (3). Az így létrejövő ionáramlás felgyorsul, erős elektromos mező fókuszál, és mágneses térbe kerül. (4).
Az anyagmolekulák elektronok általi bombázása következtében pozitív vagy negatív töltésű részecskék, valamint semleges részecskék keletkeznek. Amikor a részecskék árama áthalad egy mágneses mezőn, a semleges részecskék nem változtatják meg az irányt, míg a pozitív és negatív részecskék eltérő irányban eltérülnek. Az ionok elhajlása arányos töltésükkel és fordítottan arányos tömegükkel.
Minden egyes ion, amelyet egy meghatározott m/z érték jellemez, a saját pályája mentén mozog egy adott mágneses térerősség mellett. A tömegpásztázó intervallum megváltoztatható a mágneses térerősség vagy az elektromos térpotenciál változtatásával.
A hagyományos tömegspektrometriában csak pozitív töltésű részecskéket szokás regisztrálni, mert. amikor a molekulákat elektronokkal bombázzák, általában több pozitív töltésű ion van, mint negatív töltésű. Ha szükséges a negatív töltésű ionok vizsgálata, a gyorsulási potenciál előjelét kell megváltoztatni (gyorsítólemezek).
Ha az ionok mágneses mezőből való kilépésére rögzítőeszközt szerelnek fel, akkor az m/z értékekben eltérő részecskék külön jeleket adnak. A jel intenzitása arányos lesz az adott m/z értékű részecskék számával. A jelek intenzitását a mm-ben kifejezett magasságuk határozza meg. A maximális intenzitású csúcs magasságát 100%-nak vesszük (alapcsúcs), a fennmaradó csúcsok intenzitását arányosan újraszámoljuk és százalékban fejezzük ki.
Az m/z arány növekedésével az atomtömeg-egységgel eltérő részecskék mágneses tér általi eltérítésének különbsége csökken. Ebből a szempontból a tömegspektrométerek egyik fontos jellemzője az felbontás (R) , amely meghatározza az egy atomtömeg-egységgel eltérő ionok maximális tömegét (amelynél a műszer legalább 90%-ban választja el a csúcsokat):
ahol M az a legnagyobb tömeg, amelynél a csúcsátfedés kisebb, mint 10 %; ΔM egy atomtömeg egység.
A szabványos eszközök R ≈ 5000/1, az ionfluxus kettős fókuszálású készülékeinél pedig R ≈ 10000/1 és még több. Az ilyen eszközök képesek megragadni az ionok molekulatömegének különbségét 0,0001-ig. A kettős fókuszálású tömegspektrométer könnyen szétválasztja az azonos névleges molekulatömegű, de eltérő elemösszetételű ionok csúcsait. Például különbséget tud tenni az N2 (28,0061), a CO (27,9949) és a C2H4 (28,0313) között.
A tömegspektrum adatokból empirikus képlet felállítása nem egyszerű feladat, de megfelelő algoritmussal megoldható. A tömegspektrum eléréséhez elhanyagolható mennyiségű anyag szükséges - körülbelül 1 μg.
2. Kémiai ionizáció (CI).
Ennél a módszernél a mintát nagy feleslegben lévő "reagensgázzal" hígítják az elektronsugárral történő besugárzás előtt. Ekkor az elektronok és a mintamolekulák közötti primer ionizáló ütközések valószínűsége olyan kicsi, hogy a primer ionok szinte kizárólag a reaktáns molekulákból képződnek. Reagensként általában kis molekulatömegű gázokat, mint például CH 4, ISO-C 4 H 10, NH 3 és inert gázokat (Ar, He) használnak. Másodlagos ionok keletkeznek egy hidrogénatom vagy egy elektron átvitele következtében.
Ha a reaktáns gáz metán, akkor a reakciók a következő sorrendben mennek végbe:
CH 4 + ē → CH 4 + + 2ē
CH 4 + + ē → CH 3 + + H + + 2ē
CH 4 + + CH 4 → CH 5 + +CH3
CH 3 + + CH 4 → C 2 H 5 + +H2
R-CH3+CH5 + → R-CH 4 + +CH4
ahol R-CH3 a vizsgált anyag molekulája.
Tanulmányok kimutatták, hogy a CH 5 részecskék + és C 2 H 5 + együttesen az ebben a rendszerben jelenlévő ionok mintegy 90%-át teszik ki. A kémiai ionizáció után kapott tömegspektrumok sokkal egyszerűbbek, kevesebb csúcsot tartalmaznak, ezért gyakran könnyebben értelmezhetők.
Az elektronparamágneses rezonancia (EPR) az elektromágneses sugárzás rezonanciaelnyelése egy állandó mágneses térbe helyezett paramágneses anyag által. Ezt a paramágneses atomok és ionok mágneses alszintjei közötti kvantumátmenetek okozzák (Zeeman-effektus). Az EPR spektrumok főleg a mikrohullámú frekvencia tartományban figyelhetők meg.
Az elektronparamágneses rezonancia módszer lehetővé teszi azoknak a hatásoknak a kiértékelését, amelyek a lokális mágneses terek jelenléte miatt megjelennek az EPR spektrumokban. A lokális mágneses mezők viszont a vizsgált rendszer mágneses kölcsönhatásainak mintázatát tükrözik. Így az EPR spektroszkópiai módszer lehetővé teszi mind a paramágneses részecskék szerkezetének, mind a paramágneses részecskék környezettel való kölcsönhatásának vizsgálatát.
Az EPR spektrométer a folyékony, szilárd vagy porfázisú paramágneses anyagok mintáinak spektrumainak rögzítésére és paramétereinek mérésére szolgál. A tudomány, a technológia és az egészségügy különböző területein az anyagok EPR módszerrel történő tanulmányozására szolgáló meglévő és új módszerek kidolgozására használják: például biológiai folyadékok funkcionális jellemzőinek tanulmányozására a beléjük bevitt spinszondák spektrumából. az orvostudományban; gyökök kimutatására és koncentrációjuk meghatározására; az anyagok intramolekuláris mobilitásának vizsgálatában; a mezőgazdaságban; a geológiában.
Az analizátor alapkészüléke egy spektrometriai egység - egy elektronparamágneses rezonancia spektrométer (EPR spektrométer).
Az analizátor lehetővé teszi a minták tanulmányozását:
- hőmérséklet-szabályozókkal - minta hőmérséklet-szabályozó rendszerek (beleértve a -188 és +50 ºС közötti hőmérsékleti tartományban lévőket és a folyékony nitrogén hőmérsékletét);
- küvettákban, ampullákban, kapillárisokban és csövekben automatikus mintacserélő és adagoló rendszerekkel.
Az EPR spektrométer működési jellemzői
Egy speciális cellában (ampullában vagy kapillárisban) lévő paramágneses mintát egy működő rezonátorba helyeznek, amely a spektrométer elektromágneses pólusai között helyezkedik el. Állandó frekvenciájú elektromágneses mikrohullámú sugárzás lép be a rezonátorba. A rezonancia feltétel a mágneses térerősség lineáris változásával érhető el. Az analizátor érzékenységének és felbontásának növelése érdekében a mágneses mező nagyfrekvenciás modulációját alkalmazzák.
Amikor a mágneses tér indukciója elér egy adott mintára jellemző értéket, ezeknek a rezgéseknek az energiája rezonáns elnyelése következik be. Az átalakított sugárzás ezután a detektorba kerül. Az észlelés után a jel feldolgozásra kerül, és a felvevő készülékbe kerül. A nagyfrekvenciás moduláció és a fázisérzékeny detektálás az EPR jelet az abszorpciós görbe első deriváltjává alakítja, melynek formájában az elektron paramágneses rezonancia spektrumának regisztrálása történik. Ilyen körülmények között az integrált EPR abszorpciós vonal is rögzítésre kerül. A felvett rezonancia abszorpciós spektrum példája az alábbi ábrán látható.
