การประยุกต์วิธีอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ในการศึกษาน้ำมันและอินทรียวัตถุที่กระจัดกระจาย เรโซแนนซ์พาราแมกเนติกอิเล็กทรอนิกส์ วิธีอีพีอาร์ การประยุกต์ใช้งาน เสียงสะท้อนอิเล็กทรอนิกส์

อีพีอาร์

หลักการของวิธี EPR

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบวิธี EPR

วิธีอีพีอาร์ เป็นวิธีการหลักในการศึกษาอนุภาคพาราแมกเนติกที่มีอยู่ในระบบทางชีววิทยา เพื่อให้อนุภาคพาราแมกเนติกมีความสำคัญ ความสำคัญทางชีวภาพการเชื่อมต่อมีสองประเภทหลักๆ ได้แก่อนุมูลอิสระ และ โลหะวาเลนซ์แปรผัน (เช่น เฟ, Cu, Co, Ni, Mn) หรือสารเชิงซ้อน นอกจากสภาวะของอนุมูลอิสระแล้ว วิธี EPR ยังใช้เพื่อศึกษาสภาวะแฝดที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการทางชีวภาพทางแสง

วิธีการเรโซแนนซ์พาราแมกเนติกของอิเล็กตรอนถูกค้นพบเมื่อไม่นานมานี้พ.ศ. 2487 . ที่มหาวิทยาลัย Kazan โดย Evgeny Konstantinovich ZAVOYSKY ในการศึกษาการดูดซับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าโดยเกลือของโลหะพาราแมกเนติก เขาสังเกตเห็นว่ามีคริสตัลเพียงอันเดียว CuCl2วางอยู่ในสนามแม่เหล็กคงที่ 40 เกาส์ (4 mT) เริ่มดูดซับรังสีไมโครเวฟด้วยความถี่ประมาณ 133 MHz

ผู้บุกเบิกการใช้ EPR ในการวิจัยทางชีววิทยาในสหภาพโซเวียตคือ L.A. บลูเมนเฟลด์ และ A.E. Kalmanson ผู้ตีพิมพ์บทความในปี 1958 ในวารสาร Biophysics เกี่ยวกับการศึกษาอนุมูลอิสระที่เกิดจากการกระทำของรังสีไอออไนซ์บนโปรตีน

โมเมนต์เชิงกลและแม่เหล็กของอิเล็กตรอน

การเคลื่อนที่ของวงโคจรและการหมุนของอิเล็กตรอนรองรับโมเมนต์เชิงกลของวงโคจรและการหมุนของพวกมัน โมเมนตัมเชิงมุมของการโคจรของอิเล็กตรอน ร ตามวงโคจรรัศมี ร เท่ากับ:

ที่ไหน ฉัน คือกระแสในวงจร และ ส - พื้นที่ของรูปร่าง (ในกรณีนี้วงโคจรวงกลมจะเท่ากับ พีอาร์2 ). แทนที่นิพจน์สำหรับพื้นที่ในสูตร (2) และคำนึงถึงว่า:

เมื่อเปรียบเทียบการแสดงออกของโมเมนต์ทางกลและแม่เหล็กของอิเล็กตรอน (1) และ (4) เราสามารถเขียนได้ว่า:

ที่ไหน n - วงโคจร หมายเลขควอนตัมซึ่งรับค่าต่างๆ 0, 1, 2 และ m ในกรณีนี้ เมื่อคำนึงถึง (6) การแสดงออกของโมเมนต์การโคจรแม่เหล็กจะมีลักษณะดังนี้:

โมเมนต์แม่เหล็กหมุนของอิเล็กตรอนสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่แบบหมุนของอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถแสดงเป็นการเคลื่อนที่รอบแกนของมันเองได้ โมเมนต์เชิงกลของการหมุนของอิเล็กตรอนเท่ากับ:

ที่ไหน ส - หมุนเลขควอนตัมเท่ากับ 1/2 .

โมเมนต์การหมุนของแม่เหล็กและกลไกมีความสัมพันธ์กันตามความสัมพันธ์:

(10)

ที่ไหน นางสาว - เลขควอนตัมแม่เหล็ก เท่ากับ +1/2 . อัตราส่วนของโมเมนต์แม่เหล็กต่อโมเมนต์เชิงกลเรียกว่าอัตราส่วนไจโรแมกเนติก ( ก ). จะเห็นได้ว่าการเคลื่อนที่ของวงโคจร: และสำหรับการหมุน: สำหรับอัตราส่วนไจโรแมกเนติกของอิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมของการเคลื่อนที่ของวงโคจรและการหมุนที่แตกต่างกัน จะนำค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนมาใช้ ก , ดังนั้น:

(11)

ปัจจัยสัดส่วนนี้เรียกว่า ก -ปัจจัย. ก =1, ณ ส =0 เช่น เมื่อไม่มีการเคลื่อนที่แบบหมุนของอิเล็กตรอน และมีเพียงการเคลื่อนที่ในวงโคจรเท่านั้น และ ก =2 หากไม่มีการเคลื่อนที่ของวงโคจรและมีเพียงการเคลื่อนที่แบบหมุนเท่านั้น (เช่น สำหรับอิเล็กตรอนอิสระ)

โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนโดยทั่วไปประกอบด้วยหมุนและวงโคจรช่วงเวลาแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม ในกรณีส่วนใหญ่ โมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรจะเป็นศูนย์ ดังนั้นเมื่อจะพูดถึงหลักการของวิธี ýïr เท่านั้นหมุนช่วงเวลาแม่เหล็ก.

ซีแมนเอฟเฟ็กต์

พลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนกับสนามแม่เหล็กแสดงโดยสมการ:

(12)

ที่ไหน ม ชม - ความเครียด สนามแม่เหล็ก, cos( mH ) คือโคไซน์ของมุมระหว่าง ม และ ชม .

เอฟเฟกต์ Zeeman (รูปที่ 1) ( อีเอส =+1/2 และ อีเอส =-1/2 )

จากสมการ (11) จะได้ว่า:

ในกรณีนี้ พลังงานที่แตกต่างกันระหว่างสองระดับจะเป็นดังนี้:

(15)

สมการ (14) อธิบายเอฟเฟกต์ Zeeman ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยคำต่อไปนี้:ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ในสนามแม่เหล็กจะถูกแบ่งออกในสนามนี้ ขึ้นอยู่กับขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กหมุนและความเข้มของสนามแม่เหล็ก

สมการเรโซแนนซ์พื้นฐาน

จำนวนอิเล็กตรอนที่มีพลังงานเฉพาะจะถูกกำหนดตามการแจกแจงของ Boltzmann กล่าวคือ:

หากตอนนี้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับระบบอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กจากนั้นที่ค่าหนึ่งของพลังงานของควอนตัมที่ตกกระทบการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนระหว่างระดับจะเกิดขึ้น เงื่อนไขที่จำเป็นการเปลี่ยนผ่านคือความเท่าเทียมกันของพลังงานของควอนตัมที่ตกกระทบ ( ไง ) ความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับของอิเล็กตรอนที่มีการหมุนต่างกัน ( จีบีเอช ).

(17)

สมการ (17) เป็นการแสดงออกถึงเงื่อนไขหลักสำหรับการดูดซับพลังงานโดยอิเล็กตรอน ภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสี อิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงกว่าจะปล่อยพลังงานออกมาและกลับสู่ระดับที่ต่ำกว่า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการปล่อยก๊าซเรือนกระจก.

อิเล็กตรอนในระดับล่างจะดูดซับพลังงานและเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการดูดกลืนแสงสะท้อน. เนื่องจากความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงครั้งเดียวระหว่างระดับพลังงานจะเท่ากัน และความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่กำหนด ดังนั้นการดูดซับพลังงานจะมีชัยเหนือการปล่อยพลังงาน . นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่า จากสมการ (16) ต่อไปนี้ ประชากรในระดับล่างจะสูงกว่าประชากรในระดับพลังงานด้านบน

ณ จุดนี้ ควรสังเกตตำแหน่งพิเศษของอนุมูลอิสระ เช่น โมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่อยู่ในวงโคจรของอิเล็กตรอนชั้นนอกในการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเหนือระดับพลังงาน หากวงโคจรมีอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง ตามธรรมชาติแล้ว จำนวนประชากรในระดับพลังงานจะเท่ากัน และปริมาณพลังงานที่อิเล็กตรอนดูดซับจะเท่ากับปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมา

การดูดซับพลังงานโดยสารที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กจะสังเกตได้ก็ต่อเมื่อมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในวงโคจรจึงจะสามารถพูดถึงได้การกระจายของโบลต์ซมันน์อิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงาน

ลักษณะของสเปกตรัม EPR

ความกว้างของสัญญาณ

ในการกำหนดความเข้มข้น พื้นที่ใต้เส้นโค้งการดูดกลืนแสงจะถูกวัดสำหรับสารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นของศูนย์กลางพาราแมกเนติกในตัวอย่างที่วัดได้และไม่ทราบความเข้มข้น หาได้จากสัดส่วน โดยที่ทั้งสองตัวอย่างมีรูปร่างและปริมาตรเท่ากัน

(18)

ที่ไหน ค รายได้ และ ค นี้. - -ความเข้มข้น ตัวอย่างที่วัดและมาตรฐานตามลำดับและ ส รายได้ และ ส นี้. - -พื้นที่ ใต้เส้นดูดกลืนของสัญญาณที่วัดได้และมาตรฐาน

หากต้องการกำหนดพื้นที่ใต้เส้นดูดกลืนของสัญญาณที่ไม่รู้จัก คุณสามารถใช้วิธีการรวมตัวเลขได้:

ที่ไหน ฉ(เอช) - อนุพันธ์อันดับหนึ่งเส้นดูดกลืน (สเปกตรัม EPR) เอฟ(เอช) - การทำงาน เส้นการดูดซึม และ ชม - ความเครียด สนามแม่เหล็ก.

ที่ไหน ฉ"(ซ) เป็นอนุพันธ์อันดับหนึ่งของเส้นดูดกลืน หรือสเปกตรัม EPR . มันง่ายที่จะส่งผ่านจากอินทิกรัลไปยังผลรวมระหว่างแคล เมื่อคำนึงถึงสิ่งนั้นแล้ว H=n*DH , เราได้รับ:

(21)

ที่ไหน ดี.เอช. เป็นขั้นตอนของการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กและ n ฉัน - หมายเลขขั้นตอน

ดังนั้น พื้นที่ใต้เส้นโค้งการดูดกลืนแสงจะเท่ากับผลคูณของกำลังสองของขั้นสนามแม่เหล็กและผลรวมของผลคูณของแอมพลิจูดสเปกตรัม EPR และหมายเลขขั้น จากสำนวน (21) จะเห็นได้ง่ายสำหรับขนาดใหญ่ n (เช่น ห่างไกลจากศูนย์กลางของสัญญาณ) การมีส่วนร่วมของส่วนระยะไกลของสเปกตรัมอาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่แม้ที่ค่าแอมพลิจูดของสัญญาณเพียงเล็กน้อยก็ตาม

รูปทรงเส้น

แม้ว่าตามสมการเรโซแนนซ์พื้นฐาน การดูดกลืนแสงจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อพลังงานของควอนตัมตกกระทบเท่ากับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ แต่สเปกตรัม EPR ไม่ใช่เส้น แต่อย่างต่อเนื่อง ในย่านหนึ่งของจุดสะท้อน ฟังก์ชันที่อธิบายสัญญาณ EPR เรียกว่าฟังก์ชั่นรูปร่างเส้น . ในสารละลายเจือจาง เมื่อละเลยอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคพาราแมกเนติกได้ กราฟการดูดกลืนแสงจะอธิบายโดยฟังก์ชันลอเรนซ์:

ฟังก์ชันเกาส์เซียนคือซองจดหมาย สเปกตรัม EPR หากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคพาราแมกเนติก การพิจารณารูปร่างเส้นเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อกำหนดพื้นที่ใต้เส้นโค้งการดูดกลืนแสง ดังที่เห็นได้จากสูตร (22) และ (23) ฟังก์ชันลอเรนซ์มีการลดลงช้าลง และด้วยเหตุนี้ ปีกจึงกว้างขึ้น ซึ่งอาจก่อให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญเมื่อรวมสเปกตรัมเข้าด้วยกัน

ความกว้างของเส้น

ความกว้างของสเปกตรัม EPR ขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนกับโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสโดยรอบ(ขัดแตะ) และอิเล็กตรอน

ให้เราพิจารณากลไกการดูดซับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่โดยละเอียด หากอยู่ในสภาวะพลังงานต่ำก็มี เอ็น 1 อิเล็กตรอน และอยู่ในพลังงานสูง เอ็น 2 และ เอ็น อีก 1 อัน เอ็น 2 จากนั้นเมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับตัวอย่าง ความแตกต่างในระดับประชากรจะลดลงจนกระทั่งกลายเป็นศูนย์

เนื่องจากความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงครั้งเดียวภายใต้การกระทำของรังสีจากสถานะพลังงานต่ำไปเป็นสถานะพลังงานสูงและในทางกลับกัน ( ว 12 และ ว 21) มีค่าเท่ากัน และจำนวนประชากรชั้นล่างจะสูงกว่า เรามาแนะนำตัวแปรกัน n =เอ็น 1 -เอ็น 2. จากนั้นสามารถเขียนการเปลี่ยนแปลงความแตกต่างในระดับประชากรในช่วงเวลาหนึ่งได้:

และ ; ที่ไหน

(24)

อย่างไรก็ตาม ในการทดลอง ไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในระดับความแตกต่างของประชากรเนื่องจากมีกระบวนการผ่อนคลายที่รักษาความแตกต่างนี้ให้คงที่ กลไกการผ่อนคลายประกอบด้วยการถ่ายโอนควอนตัมของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังโครงตาข่ายหรืออิเล็กตรอนโดยรอบ และคืนอิเล็กตรอนให้อยู่ในระดับพลังงานต่ำ

หากเราแสดงถึงความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านที่เกิดจากขัดแตะเป็น ป 12 และ ป 21 และ ป น้อยกว่า 12 ป 21 จากนั้นการเปลี่ยนแปลงในระดับความแตกต่างของประชากรจะเป็น:

ในสภาวะนิ่ง เมื่อการเปลี่ยนแปลงของความแตกต่างของประชากรเป็นศูนย์ ความแตกต่างเริ่มต้นในระดับประชากร ( n 0) ยังคงคงที่และเท่ากับ:

หรือเปลี่ยน ป 12 +ป 21 บน 1/ต 1 เราได้รับ

(29)

ค่า ต 1 โทรมาเวลาผ่อนคลายแบบหมุนขัดแตะและแสดงลักษณะอายุการใช้งานเฉลี่ยของสถานะการหมุน เป็นผลให้การเปลี่ยนแปลงของความแตกต่างของประชากรระหว่างระดับของระบบของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ซึ่งอยู่ภายใต้อิทธิพลของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและมีปฏิสัมพันธ์กับโครงตาข่ายจะถูกกำหนดโดยสมการ:

และที่ 2WT 1 น้อยกว่ามาก 1 , n = n 0 เช่น ที่ระดับกำลังที่ค่อนข้างต่ำ ระดับความแตกต่างของประชากรยังคงอยู่ในทางปฏิบัติถาวร . จากความสัมพันธ์ความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก จะได้ดังนี้

(32)

หากเรายอมรับสิ่งนั้น ด เท่ากับ ต 1 และ เด สอดคล้องกัน จีบีดีเอช จากนั้นสมการ (32) สามารถเขียนใหม่ได้เป็น:

(33)

เหล่านั้น. ความไม่แน่นอนของความกว้างของเส้นจะแปรผกผันกับเวลาผ่อนคลายของสปินแลตทิซ

นอกเหนือจากปฏิสัมพันธ์ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่กับโครงตาข่ายแล้ว ปฏิกิริยาของมันกับโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนอื่นยังเป็นไปได้อีกด้วย ปฏิสัมพันธ์นี้ส่งผลให้เวลาผ่อนคลายลดลง และส่งผลให้เส้นสเปกตรัม EPR กว้างขึ้น ในกรณีนี้ จะมีการเสนอแนวคิดเรื่องเวลาผ่อนคลายแบบสปิน-สปิน ( ต 2). เวลาคลายตัวที่สังเกตได้ถือเป็นผลรวมของเวลาคลายตัวของสปินแลตทิซและสปินสปิน

สำหรับอนุมูลอิสระในสารละลาย ต 1 น้อยกว่ามาก ต 2 ดังนั้นความกว้างของเส้นจะถูกกำหนดโดย ต 2. ในบรรดากลไกของการขยายเส้นควรกล่าวถึงสิ่งต่อไปนี้:ปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพลและไดโพล แอนไอโซโทรปีของปัจจัย g; การขยายเส้นแบบไดนามิกและการแลกเปลี่ยนการหมุน .

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพล-ไดโพลนั้นขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่กับสนามแม่เหล็กเฉพาะที่ซึ่งสร้างโดยอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่อยู่ใกล้เคียง ความแรงของสนามแม่เหล็กที่จุดใดๆ ขึ้นอยู่กับระยะห่างถึงจุดนี้และการวางแนวร่วมกันของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่และอิเล็กตรอนหรือนิวเคลียสที่มีปฏิสัมพันธ์อีกตัวหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่จะถูกกำหนดโดย:

(34)

ที่ไหน ม คือโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน ร - ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดของสนามแม่เหล็กบริเวณนั้น ถาม คือมุมระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กที่มีปฏิสัมพันธ์กัน

ผลงาน Anisotropy ก -ปัจจัยในการขยายเส้น EPR เกิดจากการที่การเคลื่อนที่ในวงโคจรของอิเล็กตรอนสร้างสนามแม่เหล็กสลับซึ่งโมเมนต์แม่เหล็กหมุนมีปฏิกิริยากัน ปฏิสัมพันธ์นี้นำไปสู่การเบี่ยงเบน ก -ปัจจัยแห่งมูลค่า 2,0023 ที่สอดคล้องกันอิเล็กตรอนอิสระ.

สำหรับตัวอย่างผลึก ค่าต่างๆ ก -ปัจจัยที่สอดคล้องกับการวางแนวของคริสตัลแสดงถึง ก xx, ก ใช่และ ก zz ตามลำดับ เมื่อโมเลกุลเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว เช่น ในสารละลาย แอนไอโซโทรปี ก - ปัจจัยสามารถเฉลี่ยได้

การขยายสัญญาณ EPR อาจเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของทั้งสองรูปแบบที่รุนแรง ดังนั้นหากแต่ละรูปแบบของรากมีสเปกตรัม EPR ของตัวเองการเพิ่มขึ้นของอัตราการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของรูปแบบเหล่านี้เป็นซึ่งกันและกันจะนำไปสู่การขยายเส้นเนื่องจาก ในกรณีนี้ อายุขัยของอนุมูลในแต่ละสถานะจะลดลง การเปลี่ยนแปลงความกว้างของสัญญาณนี้เรียกว่าการขยายสัญญาณแบบไดนามิก การแลกเปลี่ยนสปินเป็นอีกวิธีหนึ่งในการขยายสัญญาณ EPR กลไกของการขยายสัญญาณระหว่างการแลกเปลี่ยนการหมุนประกอบด้วยการเปลี่ยนทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กหมุนของอิเล็กตรอนไปในทางตรงกันข้ามเมื่อชนกับอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่หรือพาราแมกเนติกอื่น

เนื่องจากการชนดังกล่าวทำให้อายุการใช้งานของอิเล็กตรอนในสถานะที่กำหนดลดลง สัญญาณ EPR จึงกว้างขึ้น กรณีที่พบบ่อยที่สุดของการขยายสาย EPR โดยกลไกการแลกเปลี่ยนการหมุนคือการขยายสัญญาณเมื่อมีออกซิเจนหรือไอออนของโลหะพาราแมกเนติก

โครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์

การแยกเส้น EPR ออกเป็นหลาย ๆ เส้นนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของปฏิสัมพันธ์แบบไฮเปอร์ไฟน์ กล่าวคือ ปฏิกิริยาของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ ( ม S) มีโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส ( มญ)

เนื่องจากเมื่อมีโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส โมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดจึงเท่ากับ มเอส+ มเอ็น ที่ไหน ม S คือโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน และ ม N คือโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส จากนั้นก็เป็นสนามแม่เหล็กทั้งหมด ชมจำนวนเงิน = ชม 0 ± ชมตกลง , ที่ไหน ชมตกลง - สนามแม่เหล็กในท้องถิ่นที่สร้างขึ้นโดยโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส ในกรณีนี้ แทนที่จะเป็นค่าฟิลด์เรโซแนนซ์เดียว จะมีค่าสอง - ชม 0 + ชมตกลง และ ชม 0 - ชมตกลง ซึ่งจะตรงกับสองบรรทัด ดังนั้นแทนที่จะเป็นหนึ่งบรรทัดที่ ชม 0 เราได้สองบรรทัดที่ ชม 0 + ชมตกลง และ ชม 0 - ชมตกลง .

คุณลักษณะที่สำคัญของการโต้ตอบแบบไฮเปอร์ไฟน์คือกฎการเลือกสำหรับการเปลี่ยนระหว่างระดับ การเปลี่ยนภาพที่อนุญาตคือการเปลี่ยนที่การเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาแม่เหล็กหมุนของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ ( ดีเอ็มส) เท่ากับ 1 และโมเมนต์แม่เหล็กหมุนของนิวเคลียส ( ดีเอ็มญ) เท่ากับ 0 .

จากตัวอย่างที่เราได้พิจารณาไปแล้ว การหมุนของนิวเคลียสที่ทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่นั้นเป็นจำนวนเต็มครึ่งหนึ่งและเท่ากับ ± 1/2ซึ่งท้ายที่สุดก็ทำให้เราแยกออกเป็นสองบรรทัด สปินนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับโปรตอน . ที่นิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจน ( เอ็น 14) การหมุนจำนวนเต็ม ก็สามารถรับค่าได้ ±1และ 0 . ในกรณีนี้ เมื่ออิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่มีปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจน จะสังเกตเห็นการแบ่งออกเป็นสามเส้นที่เหมือนกันซึ่งสอดคล้องกับค่าการหมุน +1 , -1 และ 0 . ในกรณีทั่วไป จำนวนเส้นในสเปกตรัม EPR คือ 2มเอ็น+ 1 .

โดยธรรมชาติแล้ว จำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่และพื้นที่ใต้เส้นโค้งการดูดกลืนแสง EPR จะไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของการหมุนของนิวเคลียสและเป็นค่าคงที่ ดังนั้น เมื่อแยกสัญญาณ EPR เดี่ยวออกเป็นสองหรือสามสัญญาณ ความเข้มของแต่ละองค์ประกอบจะเป็นหน่วยในตามลำดับ 2 หรือ 3 ต่ำกว่าครั้ง

ภาพที่คล้ายกันมากเกิดขึ้นหากอิเล็กตรอนที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์ไม่ได้ทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสหนึ่งตัว แต่มีนิวเคลียสที่เทียบเท่ากันหลายตัว (โดยมีค่าคงที่อันตรกิริยาไฮเปอร์ไฟน์เท่ากัน) ที่มีโมเมนต์แม่เหล็กอื่นที่ไม่ใช่ศูนย์ เช่น โปรตอนสองตัว ในกรณีนี้ มีสถานะสามสถานะเกิดขึ้นตามทิศทางของการหมุนของโปรตอน:

1. ทั้งบนสนาม

2.ทั้งลงสนาม

3. หนึ่งคนบนสนามและอีกคนหนึ่งอยู่สนาม

ตัวเลือก 3 มีโอกาสเป็นสองเท่า 1 หรือ 2 , เพราะ สามารถทำได้สองวิธี จากผลของการกระจายตัวของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ เส้นเดี่ยวจึงแยกออกเป็นสามเส้นโดยมีอัตราส่วนความเข้ม 1:2:1 . โดยทั่วไปแล้วสำหรับ n นิวเคลียสเทียบเท่ากับสปิน มจำนวนบรรทัดคือ N 2นาโนเมตรเอ็น+ 1 .

เครื่องสเปกโตรมิเตอร์วิทยุ EPR

อุปกรณ์ของสเปกโตรมิเตอร์วิทยุ EPR ในหลาย ๆ ด้านมีลักษณะคล้ายกับอุปกรณ์ของสเปกโตรโฟโตมิเตอร์สำหรับการวัดการดูดกลืนแสงในส่วนที่มองเห็นและอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม

แหล่งกำเนิดรังสีในสเปกโตรมิเตอร์วิทยุคือไคลสตรอน ซึ่งเป็นหลอดวิทยุที่ให้รังสีเอกรงค์เดียวในช่วงคลื่นเซนติเมตร ช่องรับแสงของสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ในเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์สอดคล้องกับตัวลดทอนที่ช่วยให้คุณสามารถกำหนดปริมาณพลังงานที่ตกกระทบบนตัวอย่างได้ คิวเวตต์ที่มีตัวอย่างในสเปกโตรมิเตอร์วิทยุอยู่ในหน่วยพิเศษที่เรียกว่าเครื่องสะท้อนเสียง เครื่องสะท้อนเสียงเป็นแบบขนานที่มีช่องทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยมซึ่งมีตัวอย่างดูดซับอยู่ ขนาดของตัวสะท้อนนั้นเหมือนกับคลื่นนิ่งที่ก่อตัวขึ้น องค์ประกอบที่ขาดหายไปในออปติคอลสเปกโตรมิเตอร์คือแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กคงที่ซึ่งจำเป็นสำหรับการแยกระดับพลังงานของอิเล็กตรอน

รังสีที่ผ่านตัวอย่างที่วัดได้ ในเครื่องสเปกโตรมิเตอร์วิทยุและในเครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ กระทบกับเครื่องตรวจจับ จากนั้นสัญญาณของเครื่องตรวจจับจะถูกขยายและบันทึกลงในเครื่องบันทึกหรือคอมพิวเตอร์ ควรสังเกตความแตกต่างอีกประการหนึ่งของเรดิโอสเปกโตรมิเตอร์ ความจริงที่ว่าการแผ่รังสีของช่วงวิทยุถูกส่งจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวอย่าง จากนั้นไปยังเครื่องตรวจจับโดยใช้ท่อสี่เหลี่ยมพิเศษที่เรียกว่าท่อนำคลื่น ขนาดหน้าตัดของท่อนำคลื่นถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของรังสีที่ส่งผ่าน คุณลักษณะของการส่งคลื่นวิทยุผ่านท่อนำคลื่นนี้จะกำหนดความจริงที่ว่าความถี่รังสีคงที่ถูกใช้เพื่อบันทึกสเปกตรัม EPR ในสเปกโตรมิเตอร์วิทยุ และสภาวะการสั่นพ้องทำได้โดยการเปลี่ยนขนาดของสนามแม่เหล็ก

อีกหนึ่ง คุณสมบัติที่สำคัญ radiospectrometer คือ การขยายสัญญาณโดยการมอดูเลตสัญญาณด้วยสนามสลับความถี่สูง ผลจากการปรับสัญญาณ ทำให้เกิดความแตกต่างและเส้นดูดกลืนจะถูกแปลงเป็นอนุพันธ์ลำดับแรก ซึ่งก็คือสัญญาณ EPR

สัญญาณ EPR ที่สังเกตได้ในระบบทางชีววิทยา

การใช้วิธี EPR ในการวิจัยทางชีววิทยามีความเกี่ยวข้องกับการศึกษาศูนย์พาราแมกเนติกสองประเภทหลัก - อนุมูลอิสระและไอออนของโลหะที่มีเวเลนซ์แปรผัน การศึกษาอนุมูลอิสระในระบบชีวภาพมีความเกี่ยวข้องกับความยากลำบากซึ่งประกอบด้วยอนุมูลอิสระที่มีความเข้มข้นต่ำซึ่งเกิดขึ้นระหว่างกิจกรรมที่สำคัญของเซลล์ ความเข้มข้นของอนุมูลในเซลล์ที่ถูกเผาผลาญตามปกติคือ แหล่งที่มาที่แตกต่างกันประมาณ 10 -8 - 10 -10 ม ในขณะที่เครื่องวัดรังสีสมัยใหม่ทำให้สามารถวัดความเข้มข้นของอนุมูลได้ 10 -6 - 10 -7 ม.

คุณสามารถเพิ่มความเข้มข้นของอนุมูลอิสระได้โดยการชะลอการตายของอนุมูลอิสระและเพิ่มอัตราการก่อตัว ซึ่งสามารถทำได้โดยการฉายรังสี (UV หรือรังสีไอออไนซ์) วัตถุทางชีวภาพที่อุณหภูมิต่ำ

การศึกษาโครงสร้างของอนุมูลของโมเลกุลสำคัญทางชีวภาพที่ซับซ้อนไม่มากก็น้อยถือเป็นหนึ่งในพื้นที่แรกๆ ของการประยุกต์ใช้วิธี EPR ในการวิจัยทางชีววิทยา

สเปกตรัม EPR ของซิสเทอีนที่ฉายรังสี UV

สเปกตรัม EPR ของตับหนู

การประยุกต์ใช้วิธี EPR ที่สำคัญอีกประการหนึ่งในการวิจัยทางชีววิทยาคือการศึกษาโลหะที่มีเวเลนซ์แปรผันและ/หรือสารเชิงซ้อนที่มีอยู่ในร่างกาย.

หากคุณดูสเปกตรัม EPR เช่น ของตับหนู คุณจะเห็นสัญญาณของไซโตโครม อาร์-450มี ก -ปัจจัย 1,94 และ 2,25 , เมทฮีโมโกลบินส่งสัญญาณด้วย ก -ปัจจัย 4,3 และสัญญาณอนุมูลอิสระที่เป็นของอนุมูลเซมิควิโนนของกรดแอสคอร์บิกและฟลาวินด้วย ก -ปัจจัย 2,00 .

เนื่องจากมีเวลาผ่อนคลายสั้น สัญญาณ EPR ของเมทัลโลโปรตีนจึงสามารถสังเกตได้ที่อุณหภูมิต่ำเท่านั้น เช่น ไนโตรเจนเหลว

อย่างไรก็ตาม สามารถสังเกตสัญญาณ EPR ของอนุมูลบางตัวได้ที่อุณหภูมิห้อง สัญญาณเหล่านี้รวมถึงสัญญาณ EPR ของอนุมูลเซมิควิโนนหรือฟีน็อกซิลหลายชนิด เช่น อนุมูลเซมิควิโนนของยูบิควิโนน อนุมูลฟีน็อกซีและเซมิควิโนนของเอ-โทโคฟีรอล (วิตามิน อี) วิตามินเอ ดี, และอื่น ๆ อีกมากมาย.

อิเล็กทรอนิกส์พาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR)- การดูดกลืนแสงสะท้อน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสารที่มีอนุภาคพาราแมกเนติก วิธีการที่ใช้ EPR พบว่ามีการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการ ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา พวกเขาศึกษาจลนพลศาสตร์ของสารเคมีและชีวภาพ ปฏิกริยาเคมี(ดูจลนพลศาสตร์ของกระบวนการทางชีววิทยา จลนศาสตร์เคมี) บทบาทของอนุมูลอิสระในกระบวนการชีวิตของร่างกายในสภาวะปกติและพยาธิวิทยา (ดู อนุมูลอิสระ) กลไกของการเกิดขึ้นและกระบวนการของกระบวนการทางชีววิทยาทางแสง (ดูชีววิทยาทางแสง) ฯลฯ .

ปรากฏการณ์ EPR ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต B.K. Zavoisky ในปี 1944 อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์เป็นลักษณะเฉพาะสำหรับอนุภาคพาราแมกเนติกนั่นคืออนุภาคที่สามารถถูกทำให้เป็นแม่เหล็กได้เมื่อใช้สนามแม่เหล็ก) โดยมีโมเมนต์แม่เหล็กอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่มีการชดเชยซึ่งในทางกลับกันก็เนื่องมาจากโมเมนต์เชิงกลของอิเล็กตรอนเอง - หมุน อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ภายในแบบพิเศษ ซึ่งสามารถเปรียบเทียบได้กับการหมุนของด้านบนรอบแกนของมัน โมเมนตัมเชิงมุมที่เกี่ยวข้องเรียกว่าการหมุน เนื่องจากการหมุนของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจึงมีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรตรงข้ามกับการหมุน ในโมเลกุลส่วนใหญ่ อิเล็กตรอนถูกจัดเรียงอยู่ในวงโคจรในลักษณะที่การหมุนของพวกมันมีทิศทางตรงกันข้าม โมเมนต์แม่เหล็กได้รับการชดเชย และไม่สามารถสังเกตสัญญาณ EPR จากพวกมันได้ หากสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนไม่ได้รับการชดเชยด้วยการหมุนของอิเล็กตรอนอื่น (นั่นคือโมเลกุลมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่) สัญญาณ EPR จะถูกบันทึก อนุภาคที่มีอิเล็กตรอนไม่เท่ากันได้แก่ อนุมูลอิสระ ไอออนของโลหะหลายชนิด (เหล็ก ทองแดง แมงกานีส โคบอลต์ นิกเกิล ฯลฯ) อะตอมอิสระจำนวนหนึ่ง (ไฮโดรเจน ไนโตรเจน โลหะอัลคาไล ฯลฯ)

ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก ทิศทาง (การวางแนว) ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนในอวกาศอาจเป็นได้ พลังงานของอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับการวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของมัน ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ในสนามแม่เหล็กภายนอก การวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนไม่สามารถกำหนดทิศทางได้ - มันสามารถถูกชี้ทิศทางไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กหรือตรงข้ามกับมัน

ตามการวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน พลังงานในสนามแม่เหล็กยังสามารถรับค่าได้เพียงสองค่าเท่านั้น คือ E1 ขั้นต่ำ - เมื่อโมเมนต์แม่เหล็กวางตัว "ตามแนวสนาม" และ E2 สูงสุด - เมื่อวางตัว "เทียบกับสนาม" และความแตกต่างในพลังงานของสถานะเหล่านี้ (เดลต้า E ) คำนวณโดยสูตร: ΔЕ = gβH โดยที่ β คือแมกนีตันของ Bohr (หน่วยวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน) H คือ ความแรงของสนามแม่เหล็ก g เป็นค่าคงที่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอนุภาคพาราแมกเนติก หากระบบของอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่ในสนามแม่เหล็กภายนอกได้รับผลกระทบจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานควอนตัมซึ่งเท่ากับΔE จากนั้นภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสี อิเล็กตรอนจะเริ่มส่งผ่านจากสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าไปยังสถานะที่มี พลังงานที่สูงขึ้นซึ่งจะมาพร้อมกับการดูดซับรังสีจากสาร

EPR เรียกว่าวิธีเรโซแนนซ์สเปกโทรสโกปี เนื่องจากการแผ่รังสีในช่วงความถี่วิทยุของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ในการสังเกตเรโซแนนซ์พาราแมกเนติกของอิเล็กตรอน

EPR ถูกบันทึกโดยใช้เครื่องมือพิเศษ - สเปกโตรมิเตอร์วิทยุ ซึ่งรวมถึง: แม่เหล็กไฟฟ้า แหล่งกำเนิดรังสีความถี่วิทยุ สายส่งรังสีจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวอย่าง (ท่อนำคลื่น) เครื่องสะท้อนเสียงซึ่งเป็นที่ตั้งของตัวอย่างที่กำลังศึกษาอยู่ ระบบสำหรับการตรวจจับ ขยาย และบันทึกสัญญาณ สเปกโตรมิเตอร์วิทยุทั่วไปที่ใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 3.2 ซม. หรือ 8 มม.

การลงทะเบียนสัญญาณ EPR ดำเนินการดังนี้ ความเข้มของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงเป็นเส้นตรงภายในขีดจำกัดที่กำหนด ที่ค่าความตึงเครียดซึ่งสอดคล้องกับสภาวะการสั่นพ้อง ตัวอย่างจะดูดซับพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เส้นดูดกลืน (สัญญาณ EPR) คือการพึ่งพาพลังงานรังสีที่ตัวอย่างดูดกลืนกับความแรงของสนามแม่เหล็ก ในสเปกโตรมิเตอร์วิทยุที่มีอยู่ สัญญาณ EPR จะถูกบันทึกเป็นอนุพันธ์อันดับหนึ่งของเส้นดูดกลืน

ในการอธิบายและวิเคราะห์สเปกตรัม EPR มีการใช้พารามิเตอร์จำนวนหนึ่งที่ระบุลักษณะความเข้มของเส้น ความกว้าง รูปร่าง และตำแหน่งในสนามแม่เหล็ก ความเข้มของเส้น EPR (หรืออย่างอื่นที่เท่ากัน) จะเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของอนุภาคพาราแมกเนติก ซึ่งทำให้สามารถทำการวิเคราะห์เชิงปริมาณได้

เมื่อพิจารณาปรากฏการณ์ EPR ควรคำนึงว่าโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่จะมีปฏิกิริยาไม่เพียงกับสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสนามแม่เหล็กที่สร้างโดยสภาพแวดล้อมของอิเล็กตรอนด้วย: อิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่อื่น ๆ นิวเคลียสแม่เหล็ก (ดู เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์) ปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่กับนิวเคลียสมักจะนำไปสู่การแยกสเปกตรัม EPR ออกเป็นหลายเส้น การวิเคราะห์สเปกตรัมดังกล่าวทำให้สามารถระบุธรรมชาติของอนุภาคพาราแมกเนติก และประเมินลักษณะและระดับของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน

การมีส่วนร่วมของอนุภาคพาราแมกเนติกในปฏิกิริยาเคมี การเคลื่อนที่ของโมเลกุล และผลกระทบทางจลน์อื่นๆ ยังส่งผลต่อรูปร่างของสเปกตรัม EPR อีกด้วย ดังนั้น EPR จึงใช้ในการตรวจจับ ปริมาณ และระบุอนุภาคพาราแมกเนติก ศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีและชีวเคมี และพลศาสตร์ของโมเลกุล

เนื่องจากมีความสามารถรอบด้าน EPR จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ การใช้ EPR ในด้านชีววิทยาและการแพทย์เกิดจากการมีอยู่ในเซลล์ เนื้อเยื่อ และไบโอล ของเหลวจากศูนย์กลางพาราแมกเนติกต่างๆ ในธรรมชาติ ด้วยความช่วยเหลือของ EPR การปรากฏตัวของอนุมูลอิสระพบได้ในเนื้อเยื่อของสัตว์และพืชเกือบทั้งหมด แหล่งที่มาของอนุมูลอิสระคือสารประกอบ เช่น ฟลาวิน โคเอ็นไซม์คิว และสารอื่นๆ ที่ทำหน้าที่เป็นพาหะของอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาการเผาผลาญพลังงานในเซลล์พืชและสัตว์ ศูนย์กลางพาราแมกเนติกที่พบในเนื้อเยื่อแยกส่วนใหญ่อยู่ในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของไมโตคอนเดรีย, ไมโครโซม, คลอโรพลาสต์ (ดูการหายใจ) พบว่าเนื้อหาของอนุมูลอิสระในเนื้อเยื่อมีความสัมพันธ์กับกิจกรรมการเผาผลาญ ผลงานจำนวนมากแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงจำนวนอนุมูลอิสระในสภาวะทางพยาธิวิทยาต่างๆเช่นในระหว่างการสร้างเนื้องอก (ดู) การพัฒนาความเสียหายจากรังสี (ดู) พิษ (ดูความเป็นพิษ) ซึ่งอธิบายโดยการละเมิดการเผาผลาญพลังงานใน พยาธิวิทยา (ดูพลังงานชีวภาพ)

ด้วยความช่วยเหลือของ EPR ในเนื้อเยื่อของสัตว์และพืช ไอออนพาราแมกเนติก (เหล็ก, ทองแดง, แมงกานีส, โคบอลต์ ฯลฯ ) ถูกกำหนดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโลหะโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์เช่นกัน เช่นเดียวกับเม็ดสีที่มีออกซิเจน ( เฮโมโกลบิน). การใช้ EPR ช่วยให้สามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ของไอออนโลหะและธรรมชาติของปฏิกิริยาของไอออนกับสภาพแวดล้อมได้ ซึ่งทำให้สามารถสร้างโครงสร้างที่ละเอียดของสารเชิงซ้อนที่ประกอบด้วยโลหะได้

การเปลี่ยนแปลงทางพยาธิวิทยาในเนื้อเยื่อนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในสัญญาณ EPR ของ metalloproteins ซึ่งสัมพันธ์กับการสลายตัวของสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะพาราแมกเนติก การเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมของไอออนพาราแมกเนติก และการเปลี่ยนของไอออนไปเป็นสารเชิงซ้อนอื่น ๆ อย่างไรก็ตามการศึกษาธรรมชาติของศูนย์กลางพาราแมกเนติกของเนื้อเยื่อโดยเฉพาะอนุมูลอิสระนั้นเกี่ยวข้องกับปัญหาบางประการเนื่องจากความซับซ้อนของการถอดรหัสสเปกตรัม EPR

ด้วยความช่วยเหลือของ EPR ทำให้สามารถตรวจสอบกลไกของปฏิกิริยาของเอนไซม์ได้ (ดูเอนไซม์) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นไปได้ที่จะศึกษาทั้งจลนพลศาสตร์ของการก่อตัวและการบริโภคอนุมูลอิสระในระหว่างปฏิกิริยาของเอนไซม์และจลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ของโลหะที่เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ในเวลาเดียวกันซึ่งทำให้สามารถสร้างลำดับของระยะของเอนไซม์ได้ ปฏิกิริยา.

การใช้ EPR ในการศึกษาการบาดเจ็บจากรังสีในไบโอล วัตถุทำให้สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติของอนุมูลที่เกิดขึ้นในโพลีเมอร์ชีวภาพเกี่ยวกับกลไกและจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาที่รุนแรงที่เกิดขึ้นในวัตถุที่ได้รับรังสีและนำไปสู่ผลกระทบทางชีวภาพ วิธี EPR สามารถใช้ในการวัดปริมาณรังสีฉุกเฉินได้ ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่บุคคลสัมผัสสารโดยไม่ได้ตั้งใจเพื่อประเมินปริมาณการสัมผัส โดยใช้วัตถุจากโซนสัมผัสเพื่อดำเนินการนี้

สถานที่สำคัญถูกครอบครองโดย EPR ในการศึกษากระบวนการทางชีวภาพทางแสงที่เกี่ยวข้องกับอนุมูลอิสระ (ดูโมเลกุล, อนุมูลอิสระ, ชีววิทยาทางแสง, การทำให้ไวต่อแสง) EPR ใช้เพื่อศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับการก่อตัวของอนุมูลอิสระในโปรตีน กรดนิวคลีอิก และส่วนประกอบต่างๆ ภายใต้การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลต และบทบาทของอนุมูลเหล่านี้ในการย่อยสลายด้วยแสงของโพลีเมอร์ชีวภาพ (ดูแสง) การใช้ EPR ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับกลไกหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสง (ดู) แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงและการก่อตัวของไอออนบวกหัวรุนแรงของคลอโรฟิลล์ ธรรมชาติของโมเลกุลที่รับอิเล็กตรอนที่ได้รับบริจาคจากโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่ตื่นเต้นก็ได้รับการระบุเช่นกัน

EPR ยังใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่และไบโอเมมเบรนที่มีความสำคัญทางชีวภาพ ตัวอย่างเช่น ไอออนของเหล็กที่เป็นส่วนหนึ่งของฮีมในโปรตีนที่มีฮีมสามารถอยู่ในสถานะสปินสูง (อิเล็กตรอนในวงโคจรด้านนอกไม่ได้จับคู่กัน สปินรวมสูงสุด) และสปินต่ำ (อิเล็กตรอนด้านนอกจับคู่เต็มหรือบางส่วน การหมุนจะน้อยที่สุด) การศึกษาคุณสมบัติของสัญญาณ EPR ของไอออนของเหล็กที่มีสถานะหมุนสูงและหมุนต่ำในฮีโมโกลบินและอนุพันธ์ของมันมีส่วนช่วยให้เข้าใจโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลฮีโมโกลบิน

ความก้าวหน้าที่สำคัญในการศึกษาโครงสร้างของไบโอเมมเบรนและโพลีเมอร์ชีวภาพเกิดขึ้นได้หลังจากการถือกำเนิดของวิธีสปินโพรบและการติดฉลาก (ดูเยื่อชีวภาพ) เนื่องจากฉลากสปินและโพรบ ส่วนใหญ่จะใช้อนุมูลไนตรอกไซด์ที่เสถียร (ดูอนุมูลอิสระ) อนุมูลไนโตรซิลสามารถจับกับโมเลกุลด้วยโควาเลนต์ (ฉลากสปิน) หรือคงอยู่ในระบบภายใต้การศึกษาเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ (สปินโพรบ) สาระสำคัญอยู่ที่ความจริงที่ว่ารูปร่างของสเปกตรัม EPR ของอนุมูลไนตรอกไซด์นั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสภาพแวดล้อมจุลภาค: ความหนืด, ธรรมชาติและการเคลื่อนที่ของโมเลกุล, สนามแม่เหล็กในพื้นที่ ฯลฯ เครื่องหมายหมุนที่ยึดโควาเลนต์กับกลุ่มโพลีเมอร์ชีวภาพต่างๆ เป็นตัวบ่งชี้ สถานะของโครงสร้างโพลีเมอร์ชีวภาพ ด้วยความช่วยเหลือของฉลากสปิน โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโพลีเมอร์ชีวภาพ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนในระหว่างการสูญเสียสภาพธรรมชาติ การก่อตัวของคอมเพล็กซ์ของเอนไซม์ - สารตั้งต้น แอนติเจน - แอนติบอดี ฯลฯ

วิธีการหมุนโพรบใช้เพื่อศึกษาวิธีการบรรจุและการเคลื่อนย้ายของไขมันในไบโอเมมเบรน ปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและไขมัน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในเยื่อหุ้มเซลล์ที่เกิดจากการกระทำของสารต่างๆ เป็นต้น จากการศึกษาฉลากสปินและโพรบ วิธีการตรวจวัดยาในไบโอล ของเหลวตลอดจนประเด็นเรื่องการขนส่งยาโดยตรง ฯลฯ

ดังนั้นด้วยความช่วยเหลือของ EPR การกระจายกระบวนการทางอิเล็กทรอนิกส์ในร่างกายในวงกว้างจึงแสดงให้เห็นตามปกติและในกรณีที่มีพยาธิสภาพใด ๆ การสร้างทฤษฎีและการปรับปรุงเทคโนโลยีของวิธี EPR เป็นพื้นฐานของควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์เป็นสาขาวิชาวิทยาศาสตร์นำไปสู่การสร้างเครื่องกำเนิดโมเลกุลและเครื่องขยายสัญญาณของคลื่นวิทยุ (เมเซอร์) และแสง - เลเซอร์ (ดู) ซึ่ง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายพื้นที่ของเศรษฐกิจของประเทศ

Blumenfeld L. A. , Voevodsky V. V. และ Semenov A. G. การประยุกต์ใช้อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ในเคมี, Novosibirsk, 1962, bibliogr.; Wertz J. และ Bolton J. ทฤษฎีและการประยุกต์วิธี EPR ในทางปฏิบัติ ทรานส์ จากภาษาอังกฤษ ม. 2518 บรรณานุกรม; อินแกรม ดี. อิเลคตรอน พาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ในชีววิทยา ทรานส์ จากภาษาอังกฤษ ม. 2515; Kalmanson A. E. การประยุกต์ใช้วิธีการเรโซแนนซ์พาราแมกเนติกของอิเล็กตรอนในชีวเคมี ในหนังสือ: Usp. ไบโอล เคมี., เอ็ด. B.N. Stepanenko, เล่ม 5, หน้า. 289 ม. 2506; Kuznetsov A. N. วิธีการสอบสวน Spin ม. 2519; ลิกเตนสไตน์ G. I. วิธีการหมุนฉลากในอณูชีววิทยา, M. , 1974; วิธีฉลากหมุน เอ็ด แอล. เบอร์ลินเนอร์, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ ม. 2522; อนุมูลอิสระในชีววิทยา เอ็ด ดับเบิลยู. ไพรเออร์, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ เล่ม 1, น. 88, 178, ม., 1979.

เค.เอ็น. ทิโมเฟเยฟ

สเปกตรัม EPR สามารถใช้ระบุเวเลนซ์ของไอออนพาราแมกเนติกและความสมมาตรของสภาพแวดล้อม ซึ่งเมื่อรวมกับข้อมูลการวิเคราะห์โครงสร้างรังสีเอกซ์ ทำให้สามารถระบุตำแหน่งของไอออนพาราแมกเนติกในโครงตาข่ายคริสตัลได้ ค่าของระดับพลังงานของไอออนพาราแมกเนติกทำให้สามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์ของ EPR กับข้อมูลสเปกตรัมแสง และคำนวณความไวต่อแม่เหล็กของพาราแมกเนติกได้

วิธีการ EPR ช่วยให้สามารถระบุลักษณะและตำแหน่งของข้อบกพร่องของโครงตาข่าย เช่น ศูนย์กลางสีได้ ในโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ EPR ก็เป็นไปได้เช่นกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทิศทางของการหมุนของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้า วิธี EPR ใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาเคมีและชีววิทยา โดยในระหว่างปฏิกิริยาเคมีหรือภายใต้การกระทำของรังสีไอออไนซ์ โมเลกุลที่มีพันธะเคมีที่ไม่มีการเติมเต็มหรืออนุมูลอิสระสามารถเกิดขึ้นได้ g-factor ของพวกเขามักจะใกล้กับ และเส้นตรงของ EPR
เล็ก. เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ อนุมูลอิสระที่เสถียรที่สุดชนิดหนึ่ง () ซึ่งมี g = 2.0036 จึงถูกใช้เป็นมาตรฐานในการวัด ESR ในชีววิทยา EPR มีการศึกษาเอนไซม์และอนุมูลอิสระในระบบชีวภาพและสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิก

1. EPR ในสนามแม่เหล็กแรงสูง

การศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ส่วนใหญ่ดำเนินการในสนามแม่เหล็กซึ่งมีความเข้มน้อยกว่า 20 คิในขณะเดียวกัน การใช้ฟิลด์คงที่ที่แข็งแกร่งกว่าและฟิลด์สลับที่มีความถี่สูงกว่าจะขยายความเป็นไปได้ของวิธี EPR อย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มข้อมูลที่ให้ไว้ ในอนาคตอันใกล้สนามแม่เหล็กถาวรจะสูงถึง 250 คิและสนามหุนหันพลันแล่นที่วัดได้หลายสิบล้านสนาม ซึ่งหมายความว่าการแยก Zeeman ในฟิลด์คงที่จะสูงถึงประมาณ 25
และในฟิลด์พัลส์ ค่าจะมีขนาดใหญ่กว่าสองลำดับความสำคัญ ต่ำโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์ที่มีแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในการวัด EPR ในสนาม ชม0 65 คิ Prokhorov และเพื่อนร่วมงานของเขาสังเกตสัญญาณ EPR ที่ความยาวคลื่น =1,21มม.

สนามแม่เหล็กแรงสูงควรเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการปล่อยไอออนของธาตุหายากในผลึก โดยมีช่วงเวลาระหว่างระดับย่อยของสตาร์คซึ่งอยู่ในลำดับ 10-100
. เอฟเฟกต์ EPR ในสนามธรรมดามักจะหายไปเนื่องจากระดับพื้นดินสตาร์คกลายเป็นเสื้อกล้าม หรือเนื่องจากการเปลี่ยนระหว่างระดับย่อย Zeeman ของพื้นดิน Kramers doublet เป็นสิ่งต้องห้าม โดยทั่วไปแล้วผลกระทบที่เกิดจากการเปลี่ยนระหว่างระดับย่อยสตาร์คที่แตกต่างกันนั้นเป็นไปได้ นอกจากนี้ สนามคริสตัลในผลึกแรร์เอิร์ธยังมีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์จำนวนมากเพื่อพิจารณาว่าความรู้ใด ก- เทนเซอร์ของเครเมอร์หลักสองเท่านั้นไม่เพียงพอ

สนามแม่เหล็กแรงสูงยังสามารถใช้เพื่อศึกษาไอออนของกลุ่มเหล็กโดยเฉพาะ เช่น

ซึ่งมีการแบ่งลำดับที่ 10 100
.

เมื่อนำไปใช้กับคู่แลกเปลี่ยนคู่ สนามแม่เหล็กแรงสูงทำให้เป็นไปได้ โดยการสังเกตผลกระทบเนื่องจากการเปลี่ยนระหว่างระดับด้วยค่าที่แตกต่างกันของการหมุนที่เกิดขึ้น สจับคู่กับความแม่นยำทางสเปกโทรสโกปีในการวัดพารามิเตอร์ปฏิสัมพันธ์ของการแลกเปลี่ยน เจ.

พาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ในสนามแม่เหล็กแรงสูงจะมีคุณสมบัติหลายประการ ผลกระทบจากความอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ที่อุณหภูมิไม่ต่ำมาก โพลาไรเซชันของโมเมนต์แม่เหล็กไอออนิกจะแรงมากจนนอกเหนือไปจากสนามแม่เหล็กภายนอกแล้ว ยังจำเป็นต้องเพิ่มสนามภายในเข้าไปในสภาวะเรโซแนนซ์ด้วย การขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเรโซแนนซ์กับรูปร่างของตัวอย่างจะปรากฏขึ้น

ได้รับวิธีการ EPR ความสำคัญอย่างยิ่งในสาขาเคมี ฟิสิกส์ ชีววิทยา การแพทย์ เพราะช่วยให้คุณกำหนดโครงสร้างและความเข้มข้นของอนุมูลอิสระและอนินทรีย์ได้ สามารถสร้างอนุมูลอิสระได้ วิธีทางเคมีทางเคมีแสงหรือโดยการแผ่รังสีพลังงานสูง

สเปกตรัม EPR ได้มาจากอนุมูลอิสระ โมเลกุลที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเป็นคี่ สถานะแฝดของโมเลกุลอินทรีย์ ไอออนของโลหะทรานซิชันพาราแมกเนติก และสารเชิงซ้อนของพวกมัน

วิธี EPR เริ่มใช้ในการวิจัยทางชีววิทยาในทศวรรษปี 1950 เนื่องจากความไวค่อนข้างสูงและมีความเป็นไปได้ในการกำหนดลักษณะของอนุภาคพาราแมกเนติก วิธีการนี้จึงพบการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในการศึกษากระบวนการทางชีววิทยาจำนวนหนึ่ง

นอกจากสัญญาณอนุมูลอิสระแล้ว ยังมีการสังเกตสัญญาณโลหะจำนวนหนึ่ง (Fe, Cu, Mn, Ni, Co) ในเนื้อเยื่อ โลหะเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของ metalloproteins ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการของเอนไซม์จำนวนหนึ่ง โปรตีนที่มีธาตุเหล็ก (ไซโตโครม, เฟอร์ดอกซิน) เป็นส่วนประกอบของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์

มีการศึกษาระบบเอนไซม์จำนวนหนึ่งโดยวิธี EPR และพบผลิตภัณฑ์ที่มีอนุมูลอิสระจากซับสเตรต ในหลายกรณี มีความเป็นไปได้ที่จะสังเกตการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ของไอออนโลหะที่รวมอยู่ในศูนย์กลางของเอนไซม์

EPR สเปกโทรสโกปีถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสง: ศึกษากลไกของขั้นตอนหลักของการแยกประจุในศูนย์ปฏิกิริยาและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนต่อไปตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

นอกเหนือจากการศึกษากลไกของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของอนุภาคพาราแมกเนติกแล้ว วิธี EPR ยังใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางโครงสร้างและไดนามิกของโมเลกุลขนาดใหญ่และไบโอเมมเบรน

เมื่อเร็ว ๆ นี้ วิธี "โพรบพาราแมกเนติก" "ฉลากสปิน" และ "กับดักสปิน" มักใช้เพื่อศึกษาระบบทางชีววิทยาและโพลีเมอร์ ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับการใช้อนุมูลกรดไนตริกที่เสถียรของโครงสร้างต่าง ๆ หรือโดยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงในความกว้างของสเปกตรัม EPR ที่เกิดจากการแพร่กระจายของการหมุนและการแปลของอนุมูลเหล่านี้

แนวคิดหลักของฉลากหมุนและวิธีการสอบสวนคือการติดเข้ากับสิ่งใดสิ่งหนึ่ง กลุ่มการทำงานโปรตีนอนุมูลอิสระและศึกษาลักษณะของสัญญาณ EPR วิธีที่สะดวกที่สุดในเรื่องนี้คืออนุมูลไนโตรซิลที่มีกลุ่มอนุมูลอิสระ:

โดยที่ R 1 และ R 2 เป็นกลุ่มสารเคมีที่แตกต่างกัน

วิธีฉลากหมุน ประกอบด้วยความจริงที่ว่าอนุมูลอิสระติดอยู่กับโมเลกุลที่ไม่ใช่พาราแมกเนติกโดยโควาเลนต์หรือพันธะอื่น ๆ เพื่อให้เวเลนซ์อิสระไม่ได้รับผลกระทบ ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจนในรูปแบบของสเปกตรัมและทำหน้าที่เป็นแหล่งข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับโมเลกุลดั้งเดิม

หากมีโมเลกุลฝังอยู่ โมเลกุลโปรตีนและถูกยึดไว้ตรงนั้นด้วยแรงไฟฟ้าสถิตหรือปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ จึงเรียกว่าโมเลกุลดังกล่าว โพรบหมุน วิธีการนี้ขึ้นอยู่กับการศึกษาการเคลื่อนที่แบบหมุนและแบบแปลนของโพรบเรดิคัลในตัวกลางที่เป็นน้ำหรืออินทรีย์ หรือในเมทริกซ์โพลีเมอร์ การเคลื่อนที่ของอนุมูลขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของโมเลกุล สิ่งแวดล้อมดังนั้นอนุมูลจึงเป็นเซ็นเซอร์ระดับโมเลกุลของข้อมูลโครงสร้างและไดนามิกเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมในท้องถิ่น

รูปร่างของสัญญาณ EPR ที่สร้างโดยฉลากหมุนหรือโพรบนั้นขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคของอนุมูลไนโตรซี และประการแรก ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่แบบหมุนของกลุ่มที่รวมสัญญาณนั้นไว้ด้วย

ข้อเสียเปรียบหลักของฉลากสปินและโพรบก็คือ แม้ว่าโมเลกุลเหล่านี้จะมีขนาดเล็ก แต่เมื่อรวมไว้ในชั้นไขมันสองชั้น พวกมันก็เปลี่ยนคุณสมบัติของมันบ้าง

หัวใจสำคัญของวิธีการ "กับดักหมุน" คือปฏิกิริยาของโมเลกุลที่ไม่ใช่พาราแมกเนติก (กับดัก) ที่ถูกใส่เข้าไปในระบบเป็นพิเศษภายใต้การศึกษากับอนุมูลที่มีอายุการใช้งานสั้นซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของอนุมูลที่เสถียร พฤติกรรมจลนศาสตร์ของอนุมูลเสถียรที่เกิดขึ้นและโครงสร้างของมันให้ข้อมูลเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์และกลไกของกระบวนการในระบบที่กำลังศึกษา

วัตถุประสงค์ของการวิจัยทางเคมีโดยใช้ EPR spectroscopy คือ: 1) อนุมูลอิสระในผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของปฏิกิริยาอินทรีย์; 2) จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา 3) เคมีของปรากฏการณ์พื้นผิว 4) การทำลายล้างที่เกิดจากการฉายรังสี 5) การเกิดพอลิเมอไรเซชันเนื่องจากอนุมูลอิสระ 6) อนุมูลอิสระแช่แข็งที่อุณหภูมิต่ำ 7) โลหะที่มีวาเลนซีแปรผันและเชิงซ้อน

วิธี EPR มีส่วนช่วยอันทรงคุณค่าในการศึกษาจลนพลศาสตร์และกลไกของปฏิกิริยาเคมี ประการแรก การวัดความกว้างของเส้นในสเปกตรัม EPR สามารถใช้เพื่อกำหนดค่าคงที่อัตราของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคพาราแมกเนติกซึ่งมีอายุการใช้งานอยู่ในช่วง 10 -5 -10 -10 วินาที ประการที่สอง วิธี EPR ทำให้สามารถบันทึกด้วยความไวสูงได้ เงื่อนไขที่แตกต่างกันอนุภาคพาราแมกเนติกซึ่งให้ข้อมูลอันมีค่าเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยา ประการที่สาม EPR สเปกโตรมิเตอร์สามารถใช้เป็นอุปกรณ์วิเคราะห์เพื่อตรวจจับความเข้มข้นของโมเลกุลพาราแมกเนติกที่ทำปฏิกิริยาในระหว่างปฏิกิริยา จำนวนศูนย์กลางพาราแมกเนติกในตัวอย่างจะเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ภายใต้สเปกตรัมการดูดกลืนแสง

วิธี EPR ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อศึกษากระบวนการที่รวดเร็วที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของอนุมูล กระบวนการเหล่านี้รวมถึงการขัดขวางการหมุนและการเปลี่ยนโครงสร้าง

สำหรับอนุมูลที่มีอายุสั้น ความไวของวิธีการสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยใช้ระบบการไหลหรือการฉายรังสีอย่างต่อเนื่อง สเปกตรัม EPR ของอนุมูลที่ไม่เสถียรสามารถหาได้โดยการตรึงพวกมันไว้ในแก้ว เมทริกซ์ของก๊าซมีตระกูลที่แช่แข็ง หรือคริสตัล

คำถามสัมภาษณ์

1. พื้นฐานทางทฤษฎีวิธี.

2. พารามิเตอร์การวิเคราะห์ของสเปกตรัม EPR

3. สเปกโตรมิเตอร์ EPR

4. การประยุกต์ใช้ EPR

งานทดสอบ

1. เงื่อนไขการสั่นพ้องในวิธี EPR:

ก) 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. จะเกิดอะไรขึ้นในช่วงเวลาที่มีการสั่นพ้องในวิธี EPR:

ก) ควอนตัมการแผ่รังสีถูกดูดซับ การเปลี่ยนทิศทางของการหมุนไม่เกิดขึ้น

b) การดูดซับควอนตัมการแผ่รังสีและการเปลี่ยนทิศทางของการหมุนเกิดขึ้นเช่น การเปลี่ยนจากสถานะพลังงานต่ำไปเป็นสถานะบนและในทางกลับกัน จำนวนการเปลี่ยนจากล่างขึ้นบนมากกว่าจำนวนการเปลี่ยนจากบนลงล่าง

c) ควอนตัมการแผ่รังสีถูกดูดซับและการหมุนจะถูกปรับทิศทางใหม่เช่น การเปลี่ยนจากสถานะพลังงานต่ำไปเป็นสถานะบนและในทางกลับกัน จำนวนการเปลี่ยนจากบนลงล่างมากกว่าจำนวนการเปลี่ยนจากล่างขึ้นบน

3. พารามิเตอร์ของสเปกตรัม EPR:

ก) ปัจจัย g, ความกว้างของแถบดูดกลืน, ความเข้มของเส้นดูดกลืน;

ข) จำนวนสัญญาณทั้งหมด ความเข้มของสัญญาณ การเปลี่ยนแปลงทางเคมี ความหลากหลายของสัญญาณ

c) ปัจจัย g, ความกว้างของแถบการดูดกลืนแสง, ความเข้มของเส้นการดูดกลืน, สเปกตรัม HFS EPR

สเปกโตรมิเตอร์มวล

วิธีการนี้แตกต่างโดยพื้นฐานจากวิธีสเปกโทรสโกปี วิธีการแมสสเปกโตรเมทรีจะขึ้นอยู่กับการแยกไอออนของสาร การแยกไอออนตามอัตราส่วน ( ม./ซ) และการลงทะเบียนมวลของชิ้นส่วนที่เกิดขึ้น

ดี.ดี. ดี.ดี. เป็นผู้วางรากฐานทางทฤษฎีและการทดลองของแมสสเปกโตรเมตรี ทอมสันซึ่งเป็นครั้งแรกในปี 2455 ได้สร้างอุปกรณ์สำหรับรับสเปกตรัมมวลของไอออนบวก อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ของเขามีความละเอียดต่ำ นักเรียนของเขาเอฟ. แอสตันในปี 1918 ได้เพิ่มความละเอียดขึ้นอย่างมาก และเป็นครั้งแรกที่ค้นพบไอโซโทปขององค์ประกอบบนอุปกรณ์ของเขา เกือบจะพร้อมกันกับ F. Aston ในชิคาโก A. Dempster ได้สร้างแมสสเปกโตรมิเตอร์เครื่องแรกซึ่งมีสนามแม่เหล็กตามขวางทำหน้าที่เป็นเครื่องวิเคราะห์ และวัดกระแสไอออนด้วยวิธีทางไฟฟ้า โครงร่างนี้ยังใช้ในอุปกรณ์สมัยใหม่อีกด้วย

การแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลจะต้องดำเนินการภายใต้สภาวะที่ไอออนที่ก่อตัวขึ้นนั้น จะต้องไม่เกิดการชนกับโมเลกุลหรือไอออนอื่น ๆ โดยไม่คำนึงถึงวิธีของการแตกตัวเป็นไอออน นี่เป็นสิ่งจำเป็นในการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของไอออนและโมเลกุล

วิธีการไอออไนเซชัน

ไอออนไนซ์สามารถทำได้หลายวิธี

1. วิธีอิออไนเซชันการกระแทกของอิเล็กตรอน (EI)

นี่เป็นวิธีการทั่วไปในการรับไอออน เนื่องจากความเรียบง่ายและความพร้อมของแหล่งไอออนและประสิทธิภาพสูง สมมติว่ากระแสอิเล็กตรอนไหลผ่านไอของสารซึ่งสามารถเพิ่มพลังงานได้ทีละน้อย หากพลังงานนี้ถึงระดับหนึ่ง เมื่ออิเล็กตรอนชนกับโมเลกุล อิเล็กตรอนสามารถ "ถูกกระแทก" จากมันด้วยการก่อตัวของไอออนโมเลกุล:

โมเลกุลโพลีอะตอมมิก ไอออนโมเลกุล (ไอออนบวกที่รุนแรง)

พลังงานต่ำสุดของอิเล็กตรอนที่ระดมยิงซึ่งเรียกว่าการก่อตัวของไอออนจากโมเลกุลที่กำหนด พลังงานไอออไนเซชันของสสาร พลังงานไอออไนเซชันเป็นตัววัดความแรงที่โมเลกุลกักอิเล็กตรอนไว้อย่างน้อยที่สุด สำหรับโมเลกุลอินทรีย์ พลังงานไอออไนเซชันคือ 9 ۞ 12 eV

หากพลังงานของอิเล็กตรอนเกินกว่าพลังงานไอออไนเซชันอย่างมีนัยสำคัญ ไอออนของโมเลกุลที่เกิดขึ้นจะได้รับพลังงานส่วนเกินซึ่งอาจเพียงพอที่จะทำลายพันธะในนั้น ไอออนโมเลกุลจะสลายตัวเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยกว่า (เศษเล็กเศษน้อย) กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า การกระจายตัว . ในทางปฏิบัติของแมสสเปกโตรเมทรี จะใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 30-100 eV ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการแตกตัวของไอออนโมเลกุล

ไอออนโมเลกุลสิ่งเหล่านี้คือไอออนที่มีมวลเท่ากับมวลของโมเลกุลที่แตกตัวเป็นไอออน น่าเสียดายที่ไม่มีวิธีการโดยตรงในการกำหนดโครงสร้างของไอออน ดังนั้นจึงมักใช้สมมติฐานเกี่ยวกับเอกลักษณ์ของโครงสร้างของโมเลกุลไอออน (M +) และโมเลกุลที่เป็นกลาง (M) ความน่าจะเป็นที่จะเกิดไอออนของโมเลกุลจะมีมากกว่าสำหรับโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียบง่าย เมื่อจำนวนอะตอมในโมเลกุลเพิ่มขึ้น ความน่าจะเป็นที่การแยกตัวของไอออนโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น

การกระจายตัวของไอออนโมเลกุลมีสองประเภทหลัก - การแยกตัวและการจัดเรียงใหม่

การแยกตัวออกจากกัน- การสลายตัวของโมเลกุลไอออนโดยคงลำดับของพันธะไว้ จากผลของกระบวนการนี้ทำให้เกิดไอออนบวกและอนุมูล:

การแยกตัวของไฮโดรคาร์บอนทำให้เกิดชิ้นส่วนที่มีอัตราส่วน m/z เป็นคี่

การจัดกลุ่มใหม่พร้อมกับการเปลี่ยนแปลงลำดับของพันธะส่งผลให้เกิดไอออนบวกที่รุนแรงขึ้นใหม่ของมวลที่เล็กลงและโมเลกุลเสถียรที่เป็นกลาง (H 2 O, CO, CO 2 ฯลฯ ):

การจัดเรียงใหม่ของไฮโดรคาร์บอนและสารประกอบที่มีออกซิเจนทำให้เกิดชิ้นส่วนที่มีอัตราส่วน m/z เท่ากัน การวัดมวลของชิ้นส่วนที่เกิดและปริมาณสัมพัทธ์ของชิ้นส่วนดังกล่าว จะให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์

ให้เราพิจารณาอุปกรณ์ของแมสสเปกโตรมิเตอร์ (รูปที่ 1) แมสสเปกโตรมิเตอร์ต้องมีหน่วยสำหรับการทำหน้าที่ต่อไปนี้: 1) ตัวอย่างไอออไนซ์ 2) การเร่งความเร็วของไอออนด้วยสนามไฟฟ้า 3) การกระจายตัวของไอออนตามอัตราส่วน m/z 4) การตรวจจับไอออนด้วยสัญญาณไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน .

รูปที่ 1. อุปกรณ์แมสสเปกโตรมิเตอร์

1 - แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน 2 - ห้องไอออไนซ์; 3 - จานเร่ง (ศักยภาพเชิงลบ); 4 - แม่เหล็ก; 5 - ช่องว่าง;

6 - ตัวสะสมไอออน (เครื่องตรวจจับไอออน)

เพื่อให้ได้สเปกตรัมมวลของสารคู่หนึ่ง ปริมาณเล็กน้อยถูกนำเข้าไปในห้องไอออไนเซชันโดยใช้ระบบระบายอากาศแบบพิเศษ (2) โดยรักษาสุญญากาศลึกไว้ (ความดัน 10 -6 มม. ปรอท) โมเลกุลของสารถูกโจมตีด้วยกระแสอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดร้อน (1). ไอออนที่เกิดขึ้นจะถูกผลักออกจากห้องไอออไนเซชันด้วยความต่างศักย์ไฟฟ้าเล็กน้อย (3). การไหลของไอออนที่เกิดขึ้นจะถูกเร่งโดยเน้นไปที่สนามไฟฟ้าแรงและเข้าสู่สนามแม่เหล็ก (4).

อันเป็นผลมาจากการระดมยิงของโมเลกุลของสสารด้วยอิเล็กตรอน อนุภาคจะเกิดขึ้นซึ่งมีประจุบวกหรือลบ เช่นเดียวกับอนุภาคที่เป็นกลาง เมื่อกระแสของอนุภาคผ่านสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่เป็นกลางจะไม่เปลี่ยนทิศทาง ในขณะที่อนุภาคบวกและลบจะเบนไปในทิศทางที่ต่างกัน การโก่งตัวของไอออนเป็นสัดส่วนกับประจุและแปรผกผันกับมวลของไอออน

ไอออนแต่ละตัวซึ่งมีคุณลักษณะเฉพาะคือ m/z จะเคลื่อนที่ไปตามวิถีโคจรของมันเองเพื่อให้ได้ความแรงของสนามแม่เหล็กที่กำหนด ช่วงเวลาการสแกนมวลสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กหรือศักย์ของสนามไฟฟ้า

ในแมสสเปกโตรเมทรีแบบธรรมดา เป็นเรื่องปกติที่จะบันทึกเฉพาะอนุภาคที่มีประจุบวก เนื่องจาก เมื่อโมเลกุลถูกโจมตีด้วยอิเล็กตรอน มักจะมีไอออนที่มีประจุบวกมากกว่าไอออนที่มีประจุลบ หากจำเป็นต้องศึกษาไอออนที่มีประจุลบ ควรเปลี่ยนสัญญาณของศักยภาพในการเร่งความเร็ว (แผ่นเร่งความเร็ว)

หากติดตั้งอุปกรณ์บันทึกที่ทางออกของไอออนจากสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีค่า m/z ต่างกันจะให้สัญญาณแยกกัน ความเข้มของสัญญาณจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนอนุภาคที่มีค่า m/z ที่กำหนด ความเข้มของสัญญาณถูกกำหนดเป็นความสูงที่แสดงเป็นหน่วยมิลลิเมตร ความสูงของพีคที่มีความเข้มสูงสุดจะถือเป็น 100% (พีคฐาน) ความเข้มของพีคที่เหลือจะถูกคำนวณใหม่ตามสัดส่วนและแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์

เมื่ออัตราส่วน m/z เพิ่มขึ้น ความแตกต่างในการโก่งตัวของสนามแม่เหล็กของอนุภาคที่แตกต่างกันหนึ่งหน่วยมวลอะตอมจะลดลง ในเรื่องนี้ลักษณะสำคัญของแมสสเปกโตรมิเตอร์ก็คือ ความละเอียด (R) ซึ่งกำหนดมวลสูงสุดของไอออนที่แตกต่างกันไปตามหน่วยมวลอะตอมหนึ่งหน่วย (ซึ่งเครื่องมือจะแยกพีคอย่างน้อย 90%):

โดยที่ M คือมวลสูงสุดที่จุดสูงสุดทับซ้อนกันน้อยกว่า 10% ΔM คือหน่วยมวลอะตอมหนึ่งหน่วย

อุปกรณ์มาตรฐานจะมี R 5000/1 และสำหรับอุปกรณ์ที่มีการโฟกัสสองเท่าของฟลักซ์ไอออน R 10000/1 และมากกว่านั้น อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถจับความแตกต่างของน้ำหนักโมเลกุลของไอออนได้สูงสุดถึง 0.0001 แมสสเปกโตรมิเตอร์แบบโฟกัสคู่สามารถแยกพีคของไอออนที่มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากันแต่มีองค์ประกอบองค์ประกอบต่างกันได้อย่างง่ายดาย ตัวอย่างเช่น สามารถแยกความแตกต่างระหว่าง N 2 (28.0061), CO (27.9949) และ C 2 H 4 (28.0313)

การสร้างสูตรเชิงประจักษ์จากข้อมูลสเปกตรัมมวลไม่ใช่เรื่องง่าย แต่สามารถแก้ไขได้โดยใช้อัลกอริทึมที่เหมาะสม เพื่อให้ได้สเปกตรัมมวล จำเป็นต้องใช้สารในปริมาณเล็กน้อย - ประมาณ 1 ไมโครกรัม

2. เคมีไอออไนเซชัน (CI)

ในวิธีนี้ ตัวอย่างจะถูกเจือจางด้วย "ก๊าซรีเอเจนต์" ในปริมาณมากก่อนการฉายรังสีด้วยลำอิเล็กตรอน ความน่าจะเป็นของการชนกันของไอออไนซ์ปฐมภูมิระหว่างอิเล็กตรอนและโมเลกุลตัวอย่างนั้นน้อยมากจนไอออนปฐมภูมิจะเกิดขึ้นจากโมเลกุลของสารตั้งต้นเกือบทั้งหมดเท่านั้น ก๊าซที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำเช่น CH 4 , ISO-C 4 H 10 , NH 3 และก๊าซเฉื่อย (Ar, He) มักจะใช้เป็นสารตั้งต้น ไอออนทุติยภูมิเกิดขึ้นจากการถ่ายโอนอะตอมไฮโดรเจนหรืออิเล็กตรอน

หากมีเทนเป็นก๊าซของสารตั้งต้น ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นตามลำดับต่อไปนี้:

CH 4 + ē → CH 4 + +2ē

ช 4 + + ē → CH 3 + + ฮ + +2ē

ช 4 + + CH 4 → CH 5 + +CH3

ช 3 + + CH 4 → C 2 H 5 + +H2

R-CH 3 + CH 5 + → อาร์-CH 4 + +CH4

โดยที่ R-CH 3 คือโมเลกุลของสารทดสอบ

การศึกษาพบว่าอนุภาค CH 5 + และ ค 2 ชั่วโมง 5 + พวกมันรวมกันเป็นไอออนประมาณ 90% ที่มีอยู่ในระบบนี้ สเปกตรัมมวลที่ได้รับหลังจากการแตกตัวเป็นไอออนทางเคมีจะง่ายกว่ามาก มีพีคน้อยกว่า และมักจะตีความได้ง่ายกว่า

อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) เป็นปรากฏการณ์ของการดูดกลืนเรโซแนนซ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยสารพาราแมกเนติกที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กคงที่ เกิดจากการเปลี่ยนควอนตัมระหว่างระดับย่อยแม่เหล็กของอะตอมพาราแมกเนติกและไอออน (เอฟเฟกต์ซีแมน) สเปกตรัม EPR จะสังเกตได้ในช่วงความถี่ไมโครเวฟเป็นหลัก

วิธีการเรโซแนนซ์พาราแมกเนติกของอิเล็กตรอนทำให้สามารถประเมินผลกระทบที่ปรากฏในสเปกตรัม EPR ได้เนื่องจากมีสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น ในทางกลับกัน สนามแม่เหล็กในท้องถิ่นจะสะท้อนรูปแบบของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กในระบบที่กำลังศึกษาอยู่ ดังนั้นวิธี EPR สเปกโทรสโกปีทำให้สามารถศึกษาทั้งโครงสร้างของอนุภาคพาราแมกเนติกและอันตรกิริยาของอนุภาคพาราแมกเนติกกับสิ่งแวดล้อมได้

สเปกโตรมิเตอร์ EPR ได้รับการออกแบบมาเพื่อบันทึกสเปกตรัมและวัดพารามิเตอร์ของสเปกตรัมของตัวอย่างสารพาราแมกเนติกในเฟสของเหลว ของแข็ง หรือผง ใช้ในการดำเนินการตามที่มีอยู่และการพัฒนาวิธีการใหม่ในการศึกษาสารโดยวิธี EPR ในสาขาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และการดูแลสุขภาพ เช่น เพื่อศึกษาลักษณะการทำงานของของเหลวทางชีวภาพจากสเปกตรัมของสปินโพรบที่ใส่เข้าไป ในทางการแพทย์; เพื่อตรวจจับอนุมูลและกำหนดความเข้มข้น ในการศึกษาการเคลื่อนที่ภายในโมเลกุลของวัสดุ ในด้านการเกษตร ในทางธรณีวิทยา

อุปกรณ์พื้นฐานของเครื่องวิเคราะห์คือหน่วยสเปกโตรมิเตอร์ - สเปกโตรมิเตอร์เรโซแนนซ์อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR สเปกโตรมิเตอร์)

เครื่องวิเคราะห์ให้ความสามารถในการศึกษาตัวอย่าง:

• พร้อมตัวควบคุมอุณหภูมิ - ระบบควบคุมอุณหภูมิตัวอย่าง (รวมถึงระบบที่อยู่ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -188 ถึง +50 ºСและที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว)
• ในคิวเวตต์ หลอดบรรจุ หลอดฝอย และหลอดโดยใช้ระบบการเปลี่ยนตัวอย่างและการจ่ายอัตโนมัติ

คุณสมบัติการทำงานของ EPR สเปกโตรมิเตอร์

ตัวอย่างพาราแมกเนติกในเซลล์พิเศษ (หลอดหรือหลอดแคปิลลารี) จะถูกวางไว้ภายในเครื่องสะท้อนเสียงที่ทำงานซึ่งอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าของสเปกโตรมิเตอร์ การแผ่รังสีไมโครเวฟแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่คงที่จะเข้าสู่ตัวสะท้อน สภาวะเรโซแนนซ์เกิดขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นของความแรงของสนามแม่เหล็ก เพื่อเพิ่มความไวและความละเอียดของเครื่องวิเคราะห์ จึงมีการใช้การมอดูเลตความถี่สูงของสนามแม่เหล็ก

เมื่อการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กถึงค่าคุณลักษณะของตัวอย่างที่กำหนด การดูดกลืนพลังงานของการสั่นเหล่านี้จะเกิดขึ้น จากนั้นรังสีที่ถูกแปลงจะถูกส่งไปยังเครื่องตรวจจับ หลังจากตรวจพบ สัญญาณจะถูกประมวลผลและป้อนไปยังอุปกรณ์บันทึก การมอดูเลตความถี่สูงและการตรวจจับที่ไวต่อเฟสจะแปลงสัญญาณ EPR ให้เป็นอนุพันธ์อันดับหนึ่งของกราฟการดูดกลืนแสง ในรูปแบบที่มีการบันทึกสเปกตรัมเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์ของอิเล็กตรอน ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ เส้นการดูดกลืน EPR ในตัวก็จะถูกบันทึกด้วย ตัวอย่างของสเปกตรัมการดูดกลืนแสงเรโซแนนซ์ที่บันทึกไว้แสดงอยู่ในภาพด้านล่าง