Метод электронного парамагнитного резонанса в исследованиях свойств биосистем

ВИГТ.421400.012
Рабочая частота - 9,3 … 9,6ГГц
СВЧ-генератор - волноводной конструкции, выполнен

на диоде Ганна.

в биологических системах.
Метод ЭПР был открыт в 1944 г.

в Казанском Университете Евгением Константиновичем ЗАВОЙСКИМ при исследовании поглощения электромагнитной энергии парамагнитными солями металлов.
Позволяет избирательно детектировать и изучать электронное строение различных парамагнитных частиц.
Современные спектрометры позволяют изучать парамагнитные молекулы непосредственно в процессе функционирования нативных биологических систем
Можно изучать даже небольших животных помещенных в специально сконструированный резонатор спектрометра
Позволяет обнаруживать неспаренные электроны при низкой их концентрации (10-5 М) в любом веществе, не разрушая и не видоизменяя его.
Методом ЭПР можно определять концентрацию и идентифицировать парамагнитные частицы в любом агрегатном состоянии, что незаменимо для исследования кинетики и механизма процессов, происходящих с их участием

ведется с растворами и при изучении систем, не требующих очень

высокого разрешения спектров
25ГГц (K-полоса)
35 ГГц (Q-полоса)

Р по орбите радиуса R равен (1) где m- масса электрона,

v - его скорость
Орбитальному механическому моменту соответствует орбитальный магнитный момент (2) где I - сила тока в контуре, а S - площадь контура













С другой стороны, из атомной физики известно, что орбитальный механический момент выражается через орбитальное квантовое число следующим образом (3)
n - орбитальное квантовое число, принимающее значения 0, 1, 2 и т.д
Тогда магнитный орбитальный момент будет выглядеть

(4)

S = πR2

где e - заряд электрона

спиновым движением электрона, которое можно представить, как движение вокруг собственной

оси. Спиновый механический момент электрона равен где S - спиновое квантовое число равное ½
Магнитный и механический спиновые моменты связаны соотношением где MS - магнитное квантовое число равное +1/2

В большинстве случаев орбитальный магнитный момент равен нулю (L=0) поэтому при обсуждении принципа метода ЭПР рассматривается только спиновый магнитный момент

единичным магнитным моментом. Эта величина равна 9,27*10-21 Дж/м*Тл (5)
Гиромагнитное отношение (γ)
Отношение

магнитного момента к механическому называется гиромагнитным отношением (g)
Для орбитального





Для спинового

g - фактор

Для гиромагнитного отношения электронов, имеющих различный вклад орбитального и спинового движения, вводят коэффициент пропорциональности g, такой, что





Этот коэффициент пропорциональности называется g-фактором. когда отсутствует спиновое движение электрона и существует только орбитальное g=1 (S=0) если отсутствует орбитальное движение и существует только спиновое (например, для свободного электрона) g=2 (L=0)

Формула Ланде

1 < g < 2

Если свободный атом содержит несколько электронов, то их орбитальные и спиновые моменты складываются В этом случае магнитные свойства атома будут определяться значениями квантовых чисел L (суммарный орбитальный момент) и S (суммарный спиновый момент), а также полным квантовым числом J.

и взаимодействовать с окружающими их атомами и молекулами. (в кристаллах спины

передают свою энергию кристаллической решетке) благодаря быстрой безызлучательной релаксации спинов в системе успевают восстановиться практическое равновесное отношение заселенности зееменовских подуровней N2/N1 < 1

Явление магнитной релаксации

равных условиях, количеству парамагнитных частиц в образце

Общепринятым стандартом для таких

измерений является дифенил-пикрилгидразил (C6H5)2N-N-C6H5(NO2)3, который на 100% состоит из радикалов (неспаренных электронов на 1 г вещества)

Форма линии

Функция Лоренца

Ширина спектра ЭПР зависит от взаимодействия магнитного момента электрона с магнитными моментами окружающих ядер (решетки) и электронов
Механизм релаксации заключается в передаче кванта электромагнитной энергии решетке или окружающим электронам и возвращении электрона на низкоэнергетический уровень
Позволяет судить о реальных взаимодействиях, которые испытывает неспаренный электрон и которые приводят к неизбежному «размазыванию» его энергии.

Ширина линии

Величина Т1 называется временем спин-решеточной релаксации (взаимодействия магнитного момента неспаренного электрона с решеткой ) и характеризует среднее время жизни спинового состояния
Величина Т2 называется временем спин-спиновой релаксации (взаимодействия магнитного момента неспаренного электрона с магнитными моментами других электронов) Это взаимодействие приводит к уменьшению времени релаксации и тем самым к уширению линии спектра ЭПР

поглощения возникнет (2I+1) линий равной интенсивности.
Полученная информация широко используется для

определения значений ядерных спинов.
Имея спектры с эталонной сверхтонкой структурой, можно проводить качественный и количественный анализ спектров исследуемых веществ.
Mn55 I=5/3 6 линий Cu63 Cu65 I=3/2 4 линии
Для биохимика непосредственный интерес представляет фактическая величина расщепления между сверхтонкими компонентами и характер ее изменения с изменением угла.
Позволяет идентифицировать активный центр исследуемого соединения, установить природу химической связи, потенциальную активность различных групп, охватываемых орбиталью неспаренного электрона.

ЭПР УФ-облученного цистеина
Формула спинового зонда ТЕМПО и его спектр

ЭПР. В этом радикале неспаренный электрон локализован около ядра азота, магнитное поле которого накладывается на внешнее магнитное поле.