Бойкова_И._Ю._Спектроскопия ЭПР. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования воронежский государственный университет
 Скачать 262.01 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Химический факультет Кафедра аналитической химии БОЙКОВА Ирина Юрьевна Спектроскопия ЭПР Реферат Руководитель к.х.н., доцент Стоянова О.Ф. Воронеж 2017 ВВЕДЕНИЕВ основе магнитного резонанса лежит резонансное (избирательное) поглощение радиочастотного излучения атомными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле. Большинство элементарных частиц, подобно волчкам, вращаются вокруг собственной оси. Если частица обладает электрическим зарядом, то при ее вращении возникает магнитное поле, т.е. она ведет себя подобно крошечному магниту. При взаимодействии этого магнитика с внешним магнитным полем происходят явления, позволяющие получить информацию о ядрах, атомах или молекулах, в состав которых входит данная элементарная частица. Метод магнитного резонанса представляет собой универсальный инструмент исследований, применяемый в столь различных областях науки, как биология, химия, геология и физика. Различают магнитные резонансы двух основных видов: электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс. 1. История разработки методаЭлектронный парамагнитный резонанс (ЭПР) был открыт Евгением Константиновичем Завойским в Казанском Университете в 1944 году. Он обнаружил в случае парамагнитных солей (MnCl2, CuSO4 5H2O и т.д.), помещенных в постоянное магнитное поле (4 мТл), они поглощает микроволновое излучение определенной частоты (около 133 МГц) [1]. В первые годы после этого открытия метод ЭПР применялся в основном физиками для решения частных физических задач. В конце сороковых годов этот метод начал с успехом применяться для исследования тонких деталей электронной структуры парамагнитных ионов в кристаллических решетках разной симметрии. С начала пятидесятых годов началось бурное применение метода ЭПР к решению химических задач. Это связано с тем, что для современной химии имеет чрезвычайно большое значение выяснение структуры и химических свойств парамагнитных частиц, принимающих участие в сложных химических процессах. Это, с одной стороны, парамагнитные ионы металлов переходных групп периодической системы, являющиеся активными центрами огромного числа различных гетерогенных катализаторов и входящие в состав различных металлоорганических комплексов, определяющих активность сложных органических катализаторов, в том числе большинства биологических ферментов. С другой стороны, детальное исследование огромного числа сложных химических реакций в газовой и жидкой фазах, в том числе фотохимических, радиационно-химических и биохимических процессов, привело к представлению о чрезвычайно большой распространенности в химии свободно-радикальных и цепных механизмов. В большинстве случаев, и особенно в случае быстрых процессов, заключение о радикальном характере того или иного процесса в связи с трудностями непосредственного обнаружения, измерения концентраций и установления строения свободных радикалов основывалось на косвенных кинетических данных. Как будет показано ниже, метод ЭПР позволил подойти к решению обеих проблем, которые можно объединить под общим названием — роль частиц с неспаренным электроном в химических процессах, на совершенно новом, гораздо более высоком экспериментальном и теоретическом уровне. 2. Теоретические основы методаСуть данного эффекта заключается в следующем. Электроны в веществах ведут себя как микроскопические магниты. Если поместить вещество в постоянное внешнее магнитное поле и воздействовать на него радиочастотным полем, то в разных веществах они будут переориентироваться по-разному и поглощение энергии будет избирательным. Возврат электронов к исходной ориентации сопровождается радиочастотным сигналом, который несет информацию о свойствах электронов и их окружении. Само название – спектроскопия электронного парамагнитного резонанса несет определенную информацию об его физической сущности, т.е. это некоторое резонансное явление, связанное с электронами в парамагнетике. Парамагнитными свойствами обладают ионы элементов, имеющих частично заполненные внутренние электронные оболочки, например ионы переходных элементов периодической системы Д.И. Менделеева (титан, ванадий, медь и др.). Переходными называются такие элементы, у которых электроны начинают заполнять внешнюю (валентную) оболочку (s-орбиталь) прежде, чем будут заполнены внутренние d - и f-оболочки. Электронная конфигурация металлического ванадия это: 3d34s2. Также возможны и другие его валентные состояния:+23d34so - парамагнитен; V+33d34so - парамагнитен, из-за того, что оба электрона имеют одинаковое направленные спины;+43d34so - парамагнитен;+53d34so – диамагнитен. Кроме вышеизложенных групп, парамагнитными свойствами обладает небольшое количество молекул с четным числом электронов, но некомпенсированных (к примеру, молекула кислорода, являющаяся простейшим бирадикалом - два ее валентных электрона обладают параллельными спинами), а также некоторые атомы с нечетным числом электронов, так называемые активные атомы - H, O, N, Na, Ka, которые в обычных условиях не могут существовать в атомном состоянии. [2] Магнитные свойства вещества определяются магнитными моментами элементарных заряженных частиц - электронов и протонов, входящих в состав атомов и молекул вещества. Хорошо известно, что электрон в атоме участвует в орбитальном и спиновом движении, которые можно охарактеризовать с помощью соответствующих механических и магнитных моментов. Так, орбитальный магнитный момент связан с механическим выражением  где  -магнитный орбитальный момент, а  -механический орбитальный момент. В свою очередь механический орбитальный момент может быть выражен через орбитальное квантовое число  Подставив второе выражение в первое получим, что  Величина  является элементарным магнитным моментом и носит название – магнетон Бора для электрона. Она обозначается буквой β и равна 9,27·10–24 Дж/Тл.Для спинового магнитного момента можно написать аналогичные выражения    где  – спиновый магнитный момент, Ps – механический магнитный момент, а s –спиновое квантовое число. Важно отметить, что коэффициент пропорциональности между и Ps (e/m) вдвое больше, чем для  и Pl (e/2m).В итоге полный магнитный момент электрона, являющийся вектором, будет равен сумме векторов орбитального и спинового магнитных моментов  Поскольку абсолютные значения и могут сильно отличаться, то для удобства учета вклада орбитального и спинового магнитных моментов в суммарный магнитный момент электрона вводят коэффициент пропорциональности, показывающий долю каждого измоментов в полном магнитном моменте – величину g или g-фактор. g-Фактор может быть выражен через полные квантовые числа S, P и J:  где  При отсутствии внешнего магнитного поля, вследствие хаотического теплового движения частиц, их магнитные моменты направлены беспорядочно, и между носителями магнитных моментов либо нет взаимодействия вовсе, либо существует весьма слабое взаимодействие, и результирующий момент практически равен нулю.  Рис.1. Ориентация электронов во внешнем магнитном поле (H).При наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов ориентируются в поле в зависимости от величины спинового магнитного момента (параллельно или антипараллельно внешнему полю), при этом происходит явление Зеемана, заключающееся в расщеплении основного энергетического уровня частицы на (2s + 1) подуровней, отдельных друг от друга интервалами энергий равной:  где s - квантовое число частицы (в случае одного некомпенсированного электрона s = ½); g - фактор спектроскопического расщепления парамагнитной частицы; β - магнитный момент электрона, обусловленный наличием спина и равный 0,9273 * 10-20 эрг/э., H - напряженность постоянного магнитного поля в эрстедах. Распределение электронов по подуровням происходит в соответствии с законом Больцмана:  где  и  количество электронов на более высоком или более низком энергетическом уровне, соответствующем магнитному моменту электрона со спином +1/2 или –1/2; K - константа Больцмана; Т - абсолютная температура. Если на систему электронов, находящуюся в магнитном поле, падает электромагнитная волна, то при определенных значениях величины энергии падающих квантов будут происходить переходы электронов между уровнями. Необходимое условие – равенство энергии падающего кванта ( hν ) и разности энергий между уровнями электронов с различными спинами ( gβH). ΔE = hν = gβH Это уравнение выражает основное условие поглощения энергии электронами и называется основным уравнением резонанса. Под влиянием излучения электроны, находящиеся на более высоком энергетическом уровне, будут испускать энергию и возвращаться на нижний уровень, это явление называется индуцированной эмиссией. Электроны же, находящиеся на нижнем уровне, будут поглощать энергию и переходить на более высокий энергетический уровень, это явление называется резонансным поглощением. Поскольку вероятности одиночных переходов между энергетическими уровнями равны, а общая вероятность переходов пропорциональна количеству электронов, находящихся на данном энергетическом уровне, то поглощение энергии будет преобладать над ее излучением. Это связано с тем, что как следует из распределения Больцмана заселенность нижнего уровня выше заселенности верхнего энергетического уровня. 3. АппаратураПриборы, регистрирующие спектры ЭПР, называются радиоспектрометрами. По техническим соображениям в современных радиоспектрометрах частота переменного магнитного поля поддерживается постоянной, а напряженность статического магнитного поля измеряется в широких пределах. В качестве генератора СВЧ-колебаний применяется клистрон. Наиболее широко используют частоту около 9000 мгц. Эта область называется Х-диапазоном (длина волны 3,0-3,5 см). Кроме этой области, также используют и более высокие частоты: К-диапазон с длиной волны 1,2-1,5 см, и I-диапазон с длиной волны 0,75-1,20 см. [3] СВЧ-колебания, генерируемые клистроном, передаются по волноводу в объемный резонатор, в который помещается ампула с исследуемым образцом. Этот резонатор расположен между двумя полюсами большого электромагнита таким образом, чтобы действующие на образец статическое и переменное магнитные поля были взаимно перпендикулярны. Если при фиксированной частоте переменного магнитного поля менять ток в обмотке электромагнита и тем самым изменять напряженность магнитного поля, то при достижении условий резонанса можно наблюдать поглощение энергии. Приблизительная схема прибора представлена на рис.  Рис 2. Схема спектрометра ЭПР (а) и распределение силовых линий магнитного и электрического полей в резонаторе. 1 – генератор микроволнового излучения, 2 – волновод, 3- резонатор, 4 – магнит, 5 – детектор микроволнового излучения, 6 – усилитель сигнала ЭПР, 7 – регистрирующие устройства (ЭВМ или осциллограф). Образец, который может находиться в любом агрегатном состоянии, помещают в постоянное магнитное поле и начинают исследование. В процессе записи спектра сохраняется целостность вещества, и оно может быть подвергнуто дальнейшим исследованиям. При записи спектра образец обычно помещают в стеклянную, не дающую сигнала ЭПР ампулу. Поскольку стекло ампул снижает добротность прибора, толщина стенок ампул должна быть по возможности небольшой. Если используется кварцевое стекло, то потери СВЧ-энергии незначительны. Ампула должна быть погружена в резонатор на такую глубину, чтобы вся навеска находилась в центре пучка СВЧ-энергии. В соответствии с этим требованием эксперимента на отечественных радиоспектрометрах высота слоя навески в ампуле не должна превышать одного сантиметра. Внешний диаметр ампулы, как правило 3-5 мм. В серийных приборах частота электромагнитного излучения задается постоянной, а условие резонанса достигается путем изменения напряженности магнитного поля. Большинство спектрометров работает на частоте V=9000 МГц, длина волны 3,2 см, магнитная индукция 0,3 Тл. Электромагнитное излучение сверхвысокой частоты (СВЧ) от источника (1) по волноводам (2) поступает в объемный резонатор (3), содержащий исследуемый образец и помещенный между полюсами электромагнита NS(4). В условиях резонанса СВЧ излучение поглощается спиновой системой. Модулированное поглощением СВЧ излучение по волноводу поступает на детектор (5). После детектирования сигнал усиливается на усилителе (6) и подается на регистрирующее устройство (7). Для регистрации спектров в современных радиоспектрометрах применяется метод двойной модуляции, который придает прибору помехоустойчивость к внешним толчкам, вибрациям и увеличивает чувствительность прибора. Метод двойной модуляции позволяет достичь того, что кривая резонансного поглощения записывается в виде первой производной. Резонатор, в который помещается образец, предназначен для увеличения чувствительности спектрометра. Он представляет собой цилиндрический или прямоугольный металлический сосуд, соединенный с микроволновой частью системы волноводом. Резонатор способен накапливать энергию электромагнитных колебаний, и таким образом усиливать слабые сигналы. Важнейшими характеристиками резонатора являются резонансная частота и добротность. Резонансная частота соответствует максимуму накопленной в резонаторе энергии (и, соответственно, минимуму отраженной). Добротность (Q) характеризует эффективность накопления энергии резонатором и представляет собой отношение накопленной энергии к рассеянной за один период электромагнитного колебания. Ее величина может быть определена из уравнения Q = νres/Δν, где νres – резонансная частота, Δν – ширина пика на половине высоты. Чем больше добротность резонатора, тем выше чувствительность спектрометра. 4. Параметры спектра ЭПРСпектроскопия ЭПР относится к микроволновому диапазону, т.е. длине волны от 1 мм до 30 см, что соответствует энергиям квантов на 4–5 порядков величины меньшим, чем при обычных электронных переходах, дающих оптические спектры. Основной задачей при наблюдении сигнала ЭПР является точная регистрация поглощаемой высокочастотной энергии. Запись спектра осуществляется в координатах: Iпогл = f (H), при υ = const, где Iпогл - интегральная амплитуда поглощения высокочастотной энергии; H - напряженность постоянного магнитного поля; υ - частота СВЧ-энергии Здесь следует подчеркнуть, что спектры ЭПР так же, как и спектры поглощения или излучения в других частотных диапазонах электромагнитной энергии, характеризуются такими параметрами, как амплитуда, ширина линии, форма линии, g-фактор и сверхтонкая структура спектров. Рассмотрим процесс получения кривой ЭПР поглощения, т.е. получение спектра ЭПР. По техническим причинам радиоспектрометр фиксирует не саму линию поглощения, а ее первую производную. Форма и ширина линии спектра ЭПР является важным источником информации о взаимодействиях в парамагнитном веществе или о его взаимодействии с диамагнитным окружением. Спектр ЭПР часто содержит не одну, а много – в некоторых случаях десятки и даже сотни – линий.  Амплитуда сигналаСигнал ЭПР представляет собой первую производную от спектра поглощения (рис.). Площадь под линией поглощения пропорциональна концентрации парамагнитных частиц в образце. Таким образом, концентрация парамагнитных центров пропорциональна первому интегралу под линией поглощения или второму интегралу от спектра ЭПР. Если два сигнала имеют одинаковую ширину, то концентрации парамагнитных центров соотносятся как амплитуды сигналов в спектрах поглощения.  Рис. 3. Линия поглощения ЭПР Для определения концентрации измеряют площади под кривой поглощения у образца сравнения с известной концентрацией парамагнитных центров и у измеряемого образца и неизвестную концентрацию находят из пропорции, при условии, что оба образца имеют одинаковый объем:  ,где  и  – концентрации измеряемого образца и образца сравнения соответственно, а Sx и S0 – площади под линиями поглощения измеряемого сигнала и образца сравнения.Ширина линии ЭПРШирина линии ЭПР определяется расстоянием между точками перегиба кривой в эрстедах(1 эрстед равен напряжённости магнитного поля в вакууме при индукции 1 гаусс.) Физический смысл этого параметра заключается в том, что в силу соотношения неопределенности Гейзенберга он обратно пропорционален времени жизни парамагнитной частицы в возбужденном состоянии. Это время является критерием возможности наблюдения спектра ЭПР. При малых временах линия сильно уширяется и не может наблюдаться экспериментально следует подчеркнуть, что "резонансное условие" ЭПР экспериментально реализуется двумя путями: 1) либо фиксируется постоянное магнитное поле Н и сканируется частота ν ; в этом случае ширина линии выражается через интервал частот Δν ; 2) либо фиксируется частота ν и сканируется поле Н. Количественно ширина линии поглощения ΔН может быть измерена разностью полей ΔН = Н2 – Н1 между точками контура линии, взятыми на половине высоты. Величина J0 , соответствующая максимальному поглощению, называется пиковой интенсивностью спектра, а площадь под кривой, задаваемая  называется интегральной интенсивностью спектра. Последняя связана с концентрацией парамагнитных частиц в веществе. Действительно, из выше изложенного следует, что величина поглощения мощности СВЧ при ЭПР пропорциональна разности заселенностей (N2 – N1) уровней, между которыми происходят переходы. При заданных частоте и температуре эта разность, в свою очередь, пропорциональна числу парамагнитных центров N0 в образце. С другой стороны, поглощенная мощность СВЧ пропорциональна площади под кривой Рис.1 , т.е. интегральной интенсивности сигнала ЭПР.  ,где b – коэффициент, зависящий от условий эксперимента. Ширина спектра ЭПР зависит от взаимодействия магнитного момента электрона с магнитными моментами окружающих ядер (решетки) (спин-решеточное взаимодействие) и электронов (спин-спиновое взаимодействие). В отсутствие этих взаимодействий энергия, поглощенная электронами, приводила бы к снижению разности заселенности уровней и прекращению поглощения. Однако, в эксперименте изменения разности заселенности уровней не наблюдается благодаря тому, что существуют процессы, в которых поглощенная энергия передается окружению и электроны возвращаются на исходный уровень. Такие процессы называются процессами релаксации, они поддерживают постоянной разность заселенности энергетических уровней. Механизм релаксации заключается в передаче электромагнитной энергии кванта решетке или окружающим электронам и возвращении электрона на низкоэнергетический уровень. Время, в течение которого электрон пребывает на высокоэнергетическом уровне, называется временем релаксации. Соответственно существует время спин-решеточной (Т1) и спин-спиновой (Т2) релаксации [4]. Форма и интенсивность спектров ЭПРСпектры ЭПР имеют, как правило, сложную форму, которая описывается функцией J(H), где Н – магнитное поле. В общем случае J(H) не может быть задана аналитически. Математическое описание теории релаксации позволяет вывести два крайних случая формы линии в ЭПР спектрах. Они описываются уравнениями Гаусса и Лоренца. Как видно, в обоих крайних случаях кривая полностью определяется значением максимальной интенсивности IHo и одним параметром ΔHг и ΔHл, которые однозначно связаны с величиной полуширины линии:  (Гауссова форма) (Лоренцева форма) Рис. 4. (а) - кривая поглощения ЭПР, (б) - первая производная поглощения, (в) - вторая производная поглощения; ∆H1/2 - ширина линии на полувысоте кривой поглощения; ∆Hmax и Imax - соответственно ширина и интенсивность линии между точками максимального наклона. В экспериментальной практике, как правило, не бывает чисто Гауссовых, или чисто Лоренцевых линий в ЭПР спектрах. Чаще всего резонансная кривая имеет Лоренцеву форму в середине и Гауссову – на краях. [5] g-факторКоэффициент g, входящий в основное уравнение, определяет положение центра линии ЭПР-поглощения по шкале H, т.е. играет ту же роль, которую в оптической спектроскопии играет величина λmax – длина волны максимума оптического поглощения. Положение линии а магнитном поле определяется величиной g-фактора, который является мерой эффективного магнитного момента электрона. В случае, если магнитный момент электрона соответствует чисто спиновому значению, g-фактор равен 2,0023. Отклонение g-фактора от этой величины происходит вследствие вкладов в него, обусловленных взаимодействием спинового движения электрона μs с орбитальным μL, которые для разных веществ имеют различную величину. Поэтому g-фактор является важной характеристикой индивидуального вещества, позволяющей идентифицировать вещества и судить об их электронном строении. Сверхтонкая структура спектров ЭПР (СТС)Рассмотрим конкретный пример – спектр ЭПР атомов азота. Атомы азота можно получить в электрическом разряде и наблюдать их либо непосредственно в газовой фазе, либо выморозить их на поверхности, охлажденной до температуры жидкого гелия. Свободный атом азота имеет один неспаренный электрон на р-орбитали и поэтому парамагнитен. Ядро атома азота 14N имеет ядерный спин, равный 1. В соответствии с правилами отбора значение проекции ядерного магнитного момента на направление поля может меняться на 1 (Δm = ±1), т.е. возможные ее значения должны быть 1, 0, −1 (по внешнему полю, перпендикулярно полю и против поля, соответственно). Поэтому условия резонанса возникнут при трех разных значениях напряженности внешнего поля. Медленно меняя напряженность внешнего поля, мы должны последовательно увидеть три линии спектра ЭПР атомарного азота. Напомним, что линии спектра записаны в виде первой производной. Расщепление линий спектра, связанное с взаимодействием неспаренного электрона с магнитными моментами ядер атомов называется сверхтонким расщеплением или сверхтонкой структурой (СТС) спектра [6].  Рис.5. Спектр ЭПР атомарного азота. Расстояние между центрами линий, выраженное в магнитных единицах (эрстедах, Э), называется константой СТС. Три линии СТС (триплет) спектра атомарного азота находятся на равном расстоянии друг от друга, которое определяется одним и тем же магнитным моментом ядра, и создаваемая им напряженность дополнительного поля складывается с напряженностью внешнего поля или вычитается из нее. Кроме того, все линии триплета имеют одинаковую интенсивность, т.к. три разных ориентации ядерного магнитного момента практически равновероятны. В общем случае число линий в спектре ЭПР равно 2mN+1. 4. Применение в аналитической химии.Метод позволяет получить информацию о магнитных свойствах вещества, которые напрямую зависят от его молекулярной структуры. С помощью метода ЭПР можно узнать сведения о строении вещества, он также перспективен в исследовании тонкой структуры ОВ, свидетельствующей о наличии свободных радикалов ароматического типа. Из всех существующих в настоящее время способов обнаружения и идентификации свободных радикалов метод ЭПР является наиболее чувствительным. Преимущество метода ЭПР по сравнению с другими статическими методами магнитных измерений состоит в том, что на результаты измерений не оказывает влияния диамагнетизм молекул системы. Чувствительность современных отечественных радиоспектрометров, таких как: РЭ-13-01, ЭПА-2, ЭПА-3, ЭПА-4, ЭПР-3, выраженная по минимально обнаруживаемому числу частиц, равна 1011 - 1012 парамагнитных частиц. Одним из приоритетных направлений развития ЭПР является повышение микроволновых частот для увеличения спектрального разрешения и чувствительности метода. Также уникальные возможности повышения чувствительности открывают методы оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР), позволившие в настоящее время зарегистрировать магнитный резонанс на одиночной молекуле и одиночном дефекте, то есть достигнуть абсолютной чувствительности. Значение метода ЭПР спектроскопии исследования весьма значительно для химии высокомолекулярных соединений. Данный метод применяют при исследовании радикальной полимеризации. Хотя чувствительность метода ЭПР очень велика – она у современных радиоспектрометров составляет до 10-8 моль/л – ее в большинстве случаев недостаточно, чтобы непосредственно наблюдать радикалы в жидкой фазе, в частности и в полимеризационных процессах. Поэтому были разработаны различные способы увеличения концентрации радикалов в системе, например, повышение скорости инициирования, уменьшение константы скорости обрыва за счет резкого повышения вязкости реакционной цепи [7]. Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) широко применяется для изучения комплексных соединений поскольку позволяет по числу линий в спектре, их интенсивности и положению делать выводы о составе внутренней координационной сферы, ее строении, характеристиках связи металл-лиганд. Применение метода ЭПР к исследованию равновесных процессов в растворе позволяет одновременно определять как характеристики комплексов, образующихся в растворе, так и характеристики процесса комплексообразования [8]. Вместе с тем применение метода ЭПР в химии координационных соединений имеет опроеделенные ограничения, связаннве прежде всего с кругом объектов. Метод ЭПР применим для изучения координационных соединений только парамагнитных ионов, т.е. центральных ионов, иеющий неспаренный эелктрон. Однако, даже среди парамагнитных ионов спектры ЭПР в жидких растворах удается наблюдать не для всех из них, поскольку ширина линии ЭПР для ряда парамагниных ионов в растворах довольно большая и сигнал ЭПР трудно наблюдать при обычных температурах. Рассмотрено коплексообразование ионов меди(II) с L- и DL-треонином в водном растворе. Обработкой спектров ЭПР растворов, содержащих ион меди (II) и аминокислоты в различных соотношениях и при различных pH, установлено образование геометрических изомеров комплексных ионов, определены константы равновесия в реакции изомеризации. [9] В геологии и минералогии с использованием магниторезонансной спектроскопии разработан метод прогнозирования продуктивности скважин по распределению ионов Мn2+ в керне. Метод основан на установленном факте повышенного содержания Мn2+ в породах-коллекторах нефти относительно его фоновых значений в остальных породах. Впервые методом ЭПР-датирования установлены возрасты основных циклов и этапов развития вулкана Эльбрус и существенно уточнена история его развития. Геохимические особенности кварца подтверждают корректность выделения циклов активности вулкана Эльбрус. [10] Современные ЭПР-спектрометры позволяют изучать парамагнитные молекулы непосредственно в процессе функционирования биологических систем на разных уровнях их структурно-функциональной организации, таких, как молекулы биополимеров, макромолекулярные комплексы и субклеточные структуры, клетки, отдельные органы животных и растений, а также целые организмы. Широкие возможности метода ЭПР в медицинской науке и практике продемонстрированы суспензиях: мышечной ткани, гипофизе, щитовидной железе, надпочечниках, эпителиальных клетках хрусталика глаза. Применение метода ЭПР в биологических исследованиях связано с изучением двух основных видов парамагнитных центров – свободных радикалов и ионов металлов переменной валентности. Изучение свободных радикалов в биологических системах связано с трудностью, заключающейся в низкой концентрации свободных радикалов, образующихся при жизнедеятельности клеток. Концентрация радикалов в нормально метаболизирующих клетках составляет по разным источникам примерно  М, в то время как современные радиоспектрометры позволяют измерять концентрации радикалов  М. Повысить концентрацию свободных радикалов можно затормозив их гибель или повысив скорость их образования. В условиях эксперимента образование радикалов легче всего наблюдать при облучении биологических объектов при очень низкой температуре (скажем 77К) в ходе их облучения УФ или ионизирующей радиацией. Изучение структуры радикалов более или менее сложных биологически важных молекул, полученных в таких условиях, и было одним из первых направлений применения метода ЭПР в биологических исследованиях (рис 6). Вторым направлением применения метода ЭПР в биологических исследованиях было изучение металлов переменной валентности и/или их комплексов, существующих in vivo. Из-за коротких времен релаксации сигналы ЭПР металлопротеинов тоже можно наблюдать только при низкой температуре, например, температуре жидкого азота или даже гелия. Рис.6. Спектры ЭПР УФ-облученного цистеина при температуре жидкого азота (77 К) и обычной температуре (300 К). Также метод эпр спектроскопии был применен для исследования интенсивности продукции оксида азота в организме крыс при гипокинезии. Изучали содержание N0 в тканях сердца и печени. Трудность определения содержания N0 в тканях организма заключается в коротком времени его жизни, что проявляется в его низкой концентрации в тканях. В последнее время одним из наиболее эффективных методов обнаружения и количественного определения NO в биологических тканях стал метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Это произошло благодаря методике, разработанной А.Ф. Ваниным с сотрудниками , в которой они использовали спиновые ловушки, позволяющие детектировать N0 в малых концентрациях. [11] Суть метода заключается в том, что некоторое соединение, не являющееся нитроксильным радикалом, но имеющее структуру близкую к нитроксильному радикалу (спиновая ловушка), взаимодействует со свободным, короткоживущим радикалом и превращается в долгоживущий нитроксильный радикал (спиновый аддукт), спектр ЭПР которого, уникален для данного радикала или семейства радикалов. Суть метода заключается в том, что некоторое соединение, не являющееся нитроксильным радикалом, но имеющее структуру близкую к нитроксильному радикалу (спиновая ловушка), взаимодействует со свободным, короткоживущим радикалом и превращается в долгоживущий нитроксильный радикал (спиновый аддукт), спектр ЭПР которого, уникален для данного радикала или семейства радикалов. Особый интерес для медицинской микробиологии могут представлять данные о том, что на содержание свободных радикалов в тканях, клетках и биомакромолекулах существенное влияние оказывают малые количества структурно связанной воды и кислород. Метод ЭПР использовался для контроля за сохранением таких биологических материалов, как кровь, вакцины, сыворотки, кровезаменители, пищевые продукты. Ряд тяжелых заболеваний, таких как холера, сахарный диабет и др., сопровождаются существенным обезвоживанием организма. В работе [12] методом ЭПР были проведены сравнительные исследования образцов сыворотки крови профессиональных спортсменов и волонтёров в интервале температур Т = 5–80 К. Практически во всех спектрах ЭПР были зарегистрированы дополнительные линии с g-факторами 8.6 и 5.85, не характерные для типичных спектров. Данное исследование было положено в основу проекта, который направлен на разработку нового метода для диагностики нарушения обмена железа у профессиональных спортсменов. В спортивной медицинской практике для скрининга обмена железа обычно ограничиваются определением концентраций гемоглобина (Hb), сывороточного железа (КСЖ), ферритина, трансферрина (ТФ), а также общей железосвязывающей способности сыворотки крови (ОЖСС). Несмотря на то, что метод ЭПР обладает высокой чувствительностью и может быть использован для определения концентрации парамагнитных центров в плазме крови, данных по применению ЭПР-спектроскопии для исследования крови профессиональных спортсменов в литературе не обнаружено. В настоящее время большинство линий в спектрах ЭПР крови хорошо изучены и идентифицированы. Однако, некоторые сигналы, обнаруженные в спектрах крови спортсменов имеют индивидуальные отличия, не поддаются однозначной идентификации и не могут быть объяснены результатами гематологических и биохимических исследований, включенных в перечень протокольных обследований спортсменов. На данном этапе есть все основания предполагать, что новые линии поглощения в спектрах сыворотки крови профессиональных спортсменов обусловлены белковыми соединениями, содержащими в своем составе парамагнитные ионы железа и меди. Появление сигналов от парамагнитных центров в спектрах ЭПР от образцов крови, возможно, связано с интенсивными физическими нагрузками, либо с применением метаболически активных средств, в результате чего в сыворотке крови регистрируются продукты соединений, содержащих в своем составе парамагнитные ионы. Поэтому, обнаруженные особенности спектров ЭПР крови спортсменов представляют интерес как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения. В июне 2003 года медицинская фирма MedInnovation GmbH разработала новый метод – MMS-технологию, и специальный ЭПР-анализатор, которые впервые позволили проводить простой лабораторный тест для оценки функциональных характеристик белков плазмы крови и в последующем открыли реальную возможность для диагностики рака. Эксперименты, проведенные на животных, показали, что существует возможность диагностики раковых заболеваний на ранних стадиях, когда опухоль еще не различима с помощью визуальных технологий, но уже возникает модификация транспортной функции альбумина, что является существенным условием роста опухоли. Специфичность, с которой удается диагностицировать злокачественные образования, составляет на сегодняшний день более 93%, чувствительность –> 87%, эффективность – > 91% [13]. Особое направление в применении ЭПР - спектроскопии для биомедицинских исследований представляет так называемый спин-иммунологический метод. Его с успехом используют для определения малых количеств наркотических веществ в биологических жидкостях (моче, крови, слюне). В отличие от радио-иммунологического спин-иммунологический метод не требует специальной защиты для обеспечения безопасности, как это принято при работе с изотопами. [14] Методом ЭПР-спектроскопии исследовано содержание свободных радикалов в корневищах, стеблях и листьях дикорастущего цикория. По данным спектральных параметров сигнала ЭПР установлено, что количество свободных радикалов, содержащихся в биохимическом составе различных органов цикория, зависит от места произрастания данного растения и экологического состояния окружающей среды. [15] Метод ЭПР спектроскопии имеет широкие области применения. В работе [16] методами ЭПР и Фурье ИК-спектроскопии в средней области проведен качественный анализ процессов, происходящих в ряде продуктов питания растительного происхождения при воздействии на них различных доз СВЧ-излучения. Элетромагнитные поля СВЧ-диапазона являются одними из существенных загрязнителей как окружающей среды в целом, так и продуктов питания в частности. Под воздействием СВЧ-излучения с высокой плотностью потока энергии в продуктах питания возможно образование групп с неспаренными электронами (свободных радикалов), являющихся одной из причин преждевременного старения организма человека. Методом ЭПР установлено, что исходные материалы содержат незначительное количество пара- магнитных центров (свободных радикалов), однако под воздействием СВЧ-излучения их количество увеличивается пропорционально времени и (или) мощности излучения. В ИК-спектрах СВЧ-обработка проявляется в уменьшении интенсивности полосы поглощения ν(ОН), что связано, по-видимому, с потерей молекулярной воды образцами при нагреве и ростом интенсивности полосы ν(С=О), что может быть объяснено образованием некоторого количества сложноэфирных и кетонных групп в системах в результате термоокислительной деструкции (пиролиза) либо переходом органических молекул в перекислое состояние под воздействием свободных радикалов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
|