ЭПР наблюдается в твердых веществах (кристаллических, поликристаллических и порошкообразных), а также жидких и газообразных. Важнейшим условием наблюдения ЭПР является отсутствие у образца электропроводимости и макроскопической намагниченности.

При благоприятных условиях минимальное количество спинов, которое можно зафиксировать в исследуемом образце, составляет 1010. Масса образца может составлять, при этом, от нескольких микрограмм до 500 миллиграмм. Во время ЭПР-исследования образец не разрушается и может быть использован в дальнейшем для других экспериментов.

Электронный парамагнитный резонанс

Явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения в диапазоне радиочастот веществами, помещенными в постоянное магнитное поле, и обусловленное квантовыми переходами между энергетическими подуровнями, связанными с наличием магнитного момента у электронных систем. Также ЭПР называют электронный спиновый резонанс (ЭСР), магнитный спиновый резонанс (МСР) и, среди специалистов, работающих с магнитно-упорядоченными системами, ферромагнитный резонанс (ФМР).

Явление ЭПР можно наблюдать на:

• атомах и молекулах, которые на своих орбиталях имеют нечетное количество электронов – H, N, NO 2 и др.;
• химических элементах в различных зарядовых состояниях, у которых не все электроны на внешних орбиталях участвуют в образовании химической связи – прежде всего, это d- и f-элементы;
• свободных радикалах – метильный радикал, нитроксильные радикалы и др.;
• электронных и дырочных дефектах, стабилизирующихся в матрице веществ, – O - , O 2 - , CO 2 - , CO 2 3- , CO 3 - , CO 3 3- и многих других;
• молекулах с четным числом электронов, парамагнетизм которых обусловлен квантовыми явлениями распределения электронов по молекулярным орбиталям – О 2 ;
• наночастицах-суперпарамагнетиках, образующихся при растворении или в сплавах, обладающих коллективным магнитным моментом, которые ведут себя подобно электронному газу.

Структура и свойства спектров ЭПР

Поведение магнитных моментов в магнитном поле зависит от различных взаимодействий неспаренных электронов, как между собой, так и с ближайшим окружением. Важнейшими из них считаются спин-спиновые и спин-орбитальные взаимодействия, взаимодействия между неспаренными электронами и ядрами, на которых они локализуются (сверхтонкие взаимодействия), взаимодействия с электростатическим потенциалом, создаваемым ионами ближайшего окружения в месте локализации неспаренных электронов и другие. Большинство перечисленных взаимодействий приводит к закономерному расщеплению линий. В общем случае спектр ЭПР парамагнитного центра является многокомпонентным. Представление об иерархии основных расщеплений можно получить из следующей схемы (определения используемых обозначений даны ниже):

Основными характеристиками ЭПР-спектра парамагнитного центра (ПЦ) являются:

количество линий в спектре ЭПР конкретного ПЦ и их относительные интенсивности.

Тонкая структура (ТС). Число линий ТС определяется величиной спина S ПЦ и локальной симметрией электростатического поля ближайшего окружения, а относительные интегральные интенсивности определяются квантовым числом mS (величина проекции спина на направление магнитного поля). В кристаллах расстояние между линиями ТС зависит от величины потенциала кристаллического поля и его симметрии.

Сверхтонкая структура (СТС). Линии СТС от конкретного изотопа имеют приблизительно одинаковую интегральную интенсивность и практически эквидистантны. Если ядро ПЦ имеет несколько изотопов, то каждый изотоп дает свой набор линий СТС. Их количество определяется спином I ядра изотопа, около которого локализован неспаренный электрон. Относительные интенсивности линий СТС от различных изотопов ПЦ пропорциональны естественной распространенности этих изотопов в образце, а расстояние между линиями СТС зависит от величины магнитного момента ядра конкретного изотопа, константы сверхтонкого взаимодействия и степени делокализации неспаренных электронов на этом ядре.

Суперсверхтонкая структура (ССТС). Число линий ССТС зависит от числа nл эквивалентных лигандов, с которыми взаимодействует неспаренная спиновая плотность и величины ядерного спина I л их изотопов. Характерным признаком таких линий также является распределение их интегральных интенсивностей, которое в случае I л =1/2 подчиняется закону биномиального распределения с показателем степени n л. Расстояние между линиями ССТС зависит от величины магнитного момента ядер, константы сверхтонкого взаимодействия и степени локализации неспаренных электронов на этих ядрах.

спектроскопические характеристики линии.
Особенностью спектров ЭПР является форма их записи. По многим причинам спектр ЭПР записывается не в виде линий поглощения, а как производная от этих линий. Поэтому, в ЭПР-спектроскопии принята несколько иная, отличная от общепринятой, терминология для обозначения параметров линий.

Линия ЭПР поглощения и ее первая производная: 1 – гауссова форма; 2 – лоренцева форма.

Истинная линия – δ-функция, но с учетом релаксационных процессов имеет форму Лоренца.

Линия – отражает вероятность процесса резонансного поглощения электромагнитного излучения ПЦ и определяется процессами, в которых участвуют спины.

Форма линии – отражает закон распределения вероятности резонансных переходов. Поскольку, в первом приближении, отклонения от резонансных условий носят случайный характер, форма линий в магниторазбавленных матрицах имеет гауссову форму. Наличие дополнительно обменных спин-спиновых взаимодействий приводит к лоренцевой форме линии. В общем случае форма линии описывается смешанным законом.

Ширина линии – ΔВ max – cоответствует расстоянию по полю между экстремумами на кривой линии.

Амплитуда линии – I max – соответствует по шкале амплитуды сигнала расстоянию между экстремумами на кривой линии.

Интенсивность – I 0 – значение вероятности в точке МАХ на кривой поглощения, вычисляется при интегрировании по контуру линии записи;

Интегральная интенсивность – площадь под кривой поглощения, пропорциональна количеству парамагнитных центров в образце и вычисляется путем двойного интегрирования линии записи, сначала по контуру, затем по полю.

Положение линии – В 0 – соответствует пересечению контура производной dI/dB с нулевой линией (линией тренда).

положение линий ЭПР в спектре.
Согласно выражению ħν = gβB, определяющему условия резонансного поглощения для ПЦ со спином S = 1/2, положение линии электронного парамагнитного резонанса можно охарактеризовать значением g-фактора (аналог фактора спектроскопического расщепления Ланде). Величина g-фактора определяется как отношение частоты ν, на которой проводилось измерение спектра к величине магнитной индукции В 0 , при которой наблюдался максимум эффекта. Следует отметить, что для парамагнитных центров g-фактор характеризует ПЦ как целое, т. е. не отдельную линию в спектре ЭПР, а всю совокупность линий, обусловленных исследуемым ПЦ.

В ЭПР экспериментах фиксируется энергия электромагнитного кванта, то есть частота ν, а магнитное поле В может изменяться в широких пределах. Выделяются некоторые, довольно узкие, диапазоны СВЧ-частот, в которых работают спектрометры. Каждый диапазон имеет свое обозначение:

Диапазон (BAND)	Частота ν, МГц (ГГц)	Длина волны λ, мм	Магнитная индукция В0, при которой наблюдается сигнал ЭПР свободного электрона с g = 2.0023, Гс (Т)

Наибольшее распространение получили спектрометры X- и Q-диапазонов. Магнитное поле в таких ЭПР спектрометрах создается резистивными электромагнитами . В спектрометрах с большей энергией кванта магнитное поле создается уже на основе сверхпроводящих магнитов. В настоящее время в РЦ МРМИ ЭПР-оборудование представляет собой многофункциональный спектрометр Х-диапазона с резистивным магнитом, позволяющим проводить эксперименты в магнитных полях с индукцией от -11000 Г до 11000 Г.

Базовым является CW-режим или режим медленного дифференциального прохождения через резонансные условия. В этом режиме реализуются все классические спектроскопические методики. Он предназначен для получения информации о физической природе парамагнитного центра, месте его локализации в матрице вещества и его ближайшем атомно-молекулярном окружении. Исследования ПЦ в CW-режиме позволяют получить, в первую очередь, исчерпывающую информацию о возможных энергетических состояниях изучаемого объекта. Информацию о динамических характеристиках спиновых систем можно получить, наблюдая ЭПР, например, при различных температурах образца или при воздействии на него фотонами. Для ПЦ, находящихся в триплетном состоянии, дополнительное фотооблучение пробы является обязательным.

Пример

На рисунке представлен спектр эмали зуба бизона (лат. Bison antiquus) из коллекции, отобранной в 2005 г. Сибирской археологической экспедицией ИИМК РАН, проводившей спасательные раскопки на памятнике эпохи верхнего палеолита Берёзовский разрез 2, расположенного на территории угольного разреза "Берёзовский 1".

Зубная эмаль состоит почти из чистого гидроксиапатита Ca(1) 4 Ca(2) 6 (PO 4) 6 (OH) 2 . В структуре гидроксиапатита также содержится 3-4% карбонатов.

Облучение измельченной зубной эмали гамма-излучением приводит к возникновению сложного асимметричного сигнала (АС) ЭПР вблизи значения g=2. Этот сигнал исследуется в задачах дозиметрии, датирования, медицины и как источник информации о структуре апатита.

Основную часть радикалов, возникающих при облучении зубной эмали, составляют анионы карбонатов, т.е. CO 2 - , CO 3 - , CO - и CO 3 3- .

На спектре зарегистрирован сигнал от аксиально-симметричных парамагнитных центров CO 2 - с g ‖ = 1.9975 ± 0.0005 и g ┴ = 2.0032 ± 0.0005. Сигнал является радиоиндуцированным, т. е. ПЦ образовались под действием ионизирующего излучения (радиации).

Интенсивность сигнала CO 2 - несет информацию о дозе радиации, полученной объектом за время его существования. В частности, на исследованиях сигналов CO 2 - в спектрах зубной эмали основаны дозиметрические методы анализа и контроля радиации (ГОСТ Р 22.3.04-96). В данном и многих других случаях возможно датирование минерального образца методом ЭПР. Возрастной диапазон, перекрываемый ЭПР-методом датирования составляет от сотен лет до 105 и даже 106 лет, что превышает возможности радиоуглеродного метода. Образец, спектры которого приведены на рисунке, был датирован методом ЭПР и имеет возраст 18000 ± 3000 лет.

Для изучения динамических характеристик центров целесообразно применять импульсные методы. В этом случае применяют FT-режим работы спектрометра ЭПР. В таких экспериментах образец в определенном энергетическом состоянии подвергается сильному импульсному воздействию электромагнитного излучения. Спиновая система выводится из равновесия, и регистрируется реакция системы на это воздействие. Выбирая различные последовательности импульсов и варьируя их параметры (длительность импульса, расстояние между импульсами, амплитуду и т. д.) можно значительно расширить представление о динамических характеристиках ПЦ (временах релаксации Т 1 и Т 2 , диффузии и пр.).

3. ESE (методика электронного спинового эха)

Метод ESE может быть использован для получения спектра двойного электрон-ядерного резонанса, чтобы сэкономить время записи или в случае отсутствия специального оборудования ENDOR.

Пример:

Исследуемый образец: зубная эмаль, состоящая из гидроксиапатита Ca(1) 4 Ca(2) 6 (PO 4) 6 (OH) 2 . Исследовался сигнал радикалов CO 2 - , находящихся в структуре гидроксиапатита.

Спад свободной индукции (FID) представлен набором колебаний, называемых модуляцией. Модуляция несет информацию о резонансных частотах ядер, окружающих парамагнитный центр. В результате Фурье-преобразования временной зависимости FID получен спектр ядерного магнитного резонанса. На частоте 14 MHz находится сигнал 1Н, следовательно, исследуемые группы CO 2 - взаимодействуют с расположенными в их окружении протонами.

4. ENDOR

Наиболее распространенной методикой двойного резонанса является метод двойного электронно-ядерного резонанса – ДЭЯР (ENDOR), позволяющий изучать процессы взаимодействия неспаренного электрона как с собственным ядром, так и с ядрами его ближайшего окружения. При этом чувствительность метода ЯМР может возрастать в десятки и даже тысячи раз по отношению к стандартным методам. Описанные методики реализуются как в CW-режиме, так и FT-режиме.

Пример

На рисунке приведен ENDOR спектр биологического гидроксиапатита (зубной эмали). Метод был использован для получения информации об окружении содержащихся в эмали парамагнитных центров CO 2 - . Зарегистрированы сигналы от ядерного окружения центра CO 2 - на частотах 14 MHz и 5.6 MHz. Сигнал на частоте 14 MHz относится к ядрам водорода, а сигнал на частоте 5.6 MHz – к ядрам фосфора. Исходя из структурной особенности биологического апатита, можно сделать вывод, что исследуемый парамагнитный центр CO 2 - находится в окружении анионов OH - и PO 4 - .

5. ELDOR (на данный момент в РЦ недоступна)

ELDOR (ELectron DOuble Resonance, электронный двойной резонанс) представляет собой разновидность методики двойного резонанса. В этом методе изучается взаимодействие между двумя электронными спиновыми системами, причем спектр ЭПР от одной электронной системы регистрируется при помощи возбуждения другой. Для наблюдения сигнала необходимо существование механизма, связывающего "наблюдаемую" и "накачиваемую" системы. Примерами таких механизмов являются дипольное взаимодействие между спинами, молекулярное движение.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Реферативная тема

"Применение метода электронного парамагнитного резонанса при изучении нефти и рассеянного органического вещества"

Введение

Аппаратура

Параметры спектра ЭПР

Сверхтонкая структура (СТС) спектров ЭПР

Факторы, влияющие на целесообразность использования метода ЭПР

Применение метода ЭПР

Определение генезиса рассеянного органического вещества и нефтей

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Я выбрал тему "Применение метода электронного парамагнитного резонанса при изучении нефти и рассеянного органического вещества", так как данная тема является во первых очень интересной, а во вторых актуальной в современной науке. Актуальность данной темы подтверждается, на мой взгляд тем, что наука развивается и человечеству нужны новые мотоды анализа веществ, более удобные и точные.

Открытый в 1944 году советским ученым Е.К. Завойским парамагнитный резонанс развился в крупную отрасль физики - магниторезонансную радиоскопию, исследующую свойства вещества на атомном и молекулярном уровне.

Важнейшие качества метода ЭПР, как метода анализа органического вещества и нефти, это:

Быстрота проведения анализа

Точность анализа

Простота выявления ионов ванадия, что помогает нам судить о генезисе данного органического вещества

Метод ЭПР имеет огромное значение для геохимии и широко применяется для анализа органических веществ и нефти.

Физическая сущность метода ЭПР

Сам метод электронного магнитного резонанса (далее ЭПР) был открыт советским физиком Е.К. Завойским (1944, Казанский университет), и стал одним из основных структурных методов в физике, химии, биологии и минералогии. Метод ЭПР опирается на явлении электронного парамагнитного резонанса. Данный метод основан на поглощении электромагнитных волн парамагнитными веществами в постоянном магнитном поле. Поглощение энергии регистрируется специальным прибором-радиоспектрометром в виде спектра ЭПР. 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. ЭПР - спектроскопия применяется не только в геохимии, но и в ряде других наук, таких как физика, химия и биология.

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. В спектроскопии ЭПР используют радиоспектрометры, принципиальная блок-схема которых представлена на рис.1.

Рис. 1. Блок-схема ЭПР-спектрометра. К - источник СВЧ излучения, В - волноводы, Р - объемный резонатор, Д - детектор СВЧ излучения, У - усилитель, NS - электромагнит, П - регистрирующее устройство.

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. 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 (К) по волноводам (В) поступает в объемный резонатор (Р), содержащий исследуемый образец и помещенный между полюсами электромагнита NS.

В условиях резонанса СВЧ излучение поглощается спиновой системой. Модулированное поглощением СВЧ излучение по волноводу (В) поступает на детектор (Д). После детектирования сигнал усиливается на усилителе (У) и подается на регистрирующее устройство (П) в виде первой производной.

Метод ЭПР позволяет получить важную информацию о магнитных свойствах вещества, а так как магнитные свойства вещества находятся в прямой зависимости от его молекулярной структуры, то метод ЭПР является весьма перспективным для изучения строения веществ.

Магнитные свойства вещества определяются магнитными моментами элементарных заряженных частиц - электронов и протонов, входящих в состав атомов и молекул вещества. Благодаря вращению вокруг собственной оси эти частицы имеют спиновой магнитный момент. Двигаясь в атоме или молекуле по замкнутой орбите, электроны приобретают орбитальный магнитный момент. Поскольку собственный магнитный момент протона примерно в 1000 раз меньше спинового магнитного момента электрона, магнитные моменты атомов, молекул и макроскопических тел определяется в основном спиновыми и орбитальными моментами электронов [Диндойн, 1973].

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: 3d 3 4s 2 . Также возможны и другие его валентные состояния: +2 3d 3 4s o - парамагнитен;

электронный парамагнитный резонанс нефть

V +3 3d 3 4s o - парамагнитен, из-за того, что оба электрона имеют одинаковое направленные спины; +4 3d 3 4s o - парамагнитен; +5 3d 3 4s o - 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.

Небольшую группу парамагнетиков составляют центры окраски - F-центры, содержащие некомпенсированные спины. F-центры - это дефекты, сообщающие видимую окраску кристаллам, которые при отсутствии дефектов были бы бесцветными.

Окраска обусловлена двумя состояниями электронов или их энергетическими уровнями, разность энергий которых равна энергии фотона, (частота υ лежит в видимой области спектра).

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 [Унгер, Андреева, 1995].

При наложении внешнего постоянного магнитного поля парамагнитные частицы приобретают определенное направление (параллельно или антипараллельно внешнему полю).

При этом происходит явление Зеемана, заключающееся в расцеплении основного энергетического уровня частицы на (2s + 1) подуровней, отдельных друг от друга интервалами энергий равной:

∆E = gβH,

где s - квантовое число частицы (в случае одного некомпенсированного электрона s = ½); g - фактор спектроскопического расцепления 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 n 1 и n 2 - число электронов соответственно на верхнем и нижнем энергетическом уровне; K - константа Больцмана; Т - абсолютная температура. Согласно этому закону, n 2 всегда больше n 1 на величину, которая зависит от типа парамагнитной частицы (в случае одного некомпенсированного электрона эта разница составляет около 0,2%).

Суть открытия ученого Завойского Е.К. заключалась в том, что при подаче на парамагнитный образец, помещенный в постоянное магнитное поле, переменного магнитного поля с частотой υ, направленного перпендикулярно к постоянному магнитному полю при условии, что:

где h - постоянная Планка (или квант действия), равная 6,624 * 10 -27 эрг*сек; υ - частота электромагнитного поля в герцах, с равной вероятностью индуцируются переходы электронов между двумя соседними уровнями [Унгер, Андреева, 1995].

Так как уровни населены по-разному, то число актов поглощения энергии превысит число актов вынужденного излучения, и в результате вещество будет поглощать энергию поля. И при таком поглощении населенность уровней n 1 и n 2, будет стремиться выровняться, что приводит к нарушению Больцмановского равновесия распределения. Процесс поглощения энергии сверхвысокой частоты (далее СВЧ) сразу бы прекратился и спектр ЭПР не зарегистрировался, если бы не существовал иной механизм, возвращающий электроны с верхнего уровня на нижний. Механизм этих неиндуцированных переходов связан с релаксационными процессами, которые действуют и в отсутствии СВЧ-поля. Явление спин-решеточной релаксации заключается в передаче избыточной энергии электронов тепловым колебаниям окружающей среды, называемой "кристаллической решеткой". Процесс перераспределения избыточной энергии между самими электронами называется спин-спиновой релаксацией. Скорости этих процессов характеризуется временем спин-решеточной релаксацией Т 1 и временем спин-спиновой релаксацией Т 2 . В системах, имеющих сравнительно большие времена релаксации, выравнивание заселенностей энергетических уровней происходит значительно быстрее, чем релаксационные процессы, и явление насыщения сигнала наблюдается уже при сравнительно низкихуровнях мощности СВЧ-излучения. В случае малых времен релаксации сигнал и вовсе не насыщается, даже при больших мощностях радиочастотной энергии [Унгер, Андреева, 1995].

Аппаратура

Приборы, регистрирующие спектры ЭПР, называются радиоспектрометрами (рис.2). По техническим соображениям в современных радиоспектрометрах частота переменного магнитного поля поддерживается постоянной, а напряженность статического магнитного поля измеряется в широких пределах [Белоногов, 1987]. 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. 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.3.

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.

В качестве дополнительной аппаратуры для калибровки развертки магнитного поля применяют следящий измеритель напряженности.

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 10 11 - 10 12 парамагнитных частиц.

Рис. 3. Устройство радиоспектрометра:

СВЧ-генератор; 2 - волноводы; 3 - резонатор; 4 - Электромагнит;

Детектор; 6 - усилитель; 7 - регистрирующий прибор.

Образцы, исследуемые методом ЭПР, могут находиться в любом агрегатном состоянии. 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 [Диндойн, 1973].

Параметры спектра ЭПР

Основной задачей при наблюдении сигнала ЭПР является точная регистрация поглощаемой высокочастотной энергии. Запись спектра осуществляется в координатах: I погл = f (H) при υ = const, где I погл - интегральная амплитуда поглощения высокочастотной энергии; H - напряженность постоянного магнитного поля; υ - частота СВЧ-энергии. (рис.4).

Из анализа спектра ЭПР можно почерпнуть следующие данные: ширину и форму линии, g-фактор, интегральную амплитуду сигнала, сверхтонкую структуру спектра, ширину производной линии поглощения, которая определяется расстоянием между точками перегиба кривой в эрстедах. Физический смысл этого параметра заключается в том, что в силу соотношения неопределенности Гайзенберга он обратно пропорционален времени жизни парамагнитно частицы в возбужденном состоянии. Это время является критерием возможности наблюдения спектра ЭПР. При малых временах линия сильно уширяется и не может наблюдаться экспериментально. Форма линии - это математическое выражение зависимости интенсивности поглощения от напряженности магнитного поля. Формы линий, описываемые уравнениями Лоренса или Гауса, в практике встречаются редко. Для органических свободных радикалов они обычно являются промежуточными, что связанно с быстрыми движениями парамагнитных частиц относительно друг друга, с делокализацией неспаренных электронов и их обменным воздействием. Поскольку ширина и форма линии характеризуют детали структуры и некоторые особенности взаимодействия парамагнитных частиц между собой и с окружающей средой, важно знать форму линии исследуемого образца. Для правильного определения концентрации парамагнитных частиц это тоже имеет большое значение. Из существующих способов наиболее простой и вместе с тем точный и эффективный способ анализа формы линии заключается в построении линейных анаморфоз по экспериментальным данным, исходя из теоретических формул. Фактор спектроскопического расщепления (g-фактор) равен отношению магнитного момента нескомпенсированного электрона к механическому [Диндойн, 1973]. По существу, g-фактор является эффективным магнитным моментом частицы, определяя меру влияния орбитального магнитного момента на спиновый. Для свободного электрона, когда имеет место спиновый магнетизм, g равно 2,0023. Если электрон парамагнитного образца обладает отличным от нуля орбитальным количеством движения, то орбитальный магнитный момент его будет суммироваться с собственным, давая результирующий момент. Вследствие такого спиноорбитального воздействия значение g-фактора будет отлично от 2,0023.

Как правило интегральная амплитуда сигнала при прочих равных условиях пропорциональна количеству парамагнитных центров в образце. Но, поскольку зачастую эксперимент по определению концентрации парамагнитных частиц проводится с образцами и эталонами, имеющие разные ширины и формы линий, в общем случае необходимо знать площадь под кривой резонансного поглощения. Современные радиоспектрометры записывают первую производную этой кривой, поэтому для определения площади необходимо выполнить двойное интегрирование. Применение интегралов значительно облегчает эту задачу, но пока ими оснащены далеко не все радиоспектрометры, а графическое двойное интегрирование и несколько облегченное интегрирование с помощью номограммы являются трудоемкими и весьма неточными методами.

Итак, зная для исследуемого образца и эталона площади под кривыми резонансного поглощения, записанными в одинаковых условиях, можно рассчитывать число парамагнитных центров в исследуемом образце по формуле:

x = N эт * [пмц],

где N x и N эт - количество парамагнитных центров (КПЦ) в исследуемом образце и эталоне соответственно; A x и A эт - площади под кривыми поглощения для исследуемого образца и эталона соответственно.

В случае, когда эксперимент связан со снятием спектров серии однотипных образцов, имеющих одинаковую форму линии с эталоном при меняющейся ширине сигнала, в формуле вместо площадей берется произведение интегральных амплитуд на квадраты ширины линий:

где I - амплитуда сигнала; H - ширина сигнала, N - КПЦ в эталоне. В данном случае индексы "эт" - относятся к отновному эталону, "х" - к исследуемому образцу, "Си" - к вспомогательному эталону (CuSO 4 *5H 2 O).

При этом КПЦ подсчитывается в 1г вещества, путем деления результата на вес исследуемого образца.

Если форма линии эталона отлична от формы линии исследуемой серии одинаковых образцов, необходимо вводить поправочный коэффициент. В Противном случае максимальная ошибка (когда одна линия Лоренцева, а другая Гауссова) достигает ±38%, но она всегда будет систематической. Из-за несовершенства аппаратуры и методик приготовления эталонов, точность абсолютных измерений составляет 30-40%. В случае измерений в относительных единицах, точность метода повысится при двух - и трех-кратных съемах до 3-10%.

Сверхтонкая структура (СТС) спектров ЭПР

Если исследуемая парамагнитная система содержит атомы с ядерными магнитными моментами (H 1 , D 2 , N 14 , C 13 и другие), то при этом за счет взаимодействия электронных и ядерных магнитных моментов возникает сверхтонкая структура линии ЭПР - линия, как бы, расщепляется на несколько компонентов.

Для ароматических свободных радикалов существует важная эмпирическая зависимость константы протонного сверхтонкого расцепления от плотности неспаренного электрона на соседнем углеродном атоме. Благодаря этому из эксперимента можно определить, плотность неспаренного электрона на соответствующих атомах, что позволяет непосредственно судить о реакционной способности различных мест в радикалах.

Изучение СТС в парамагнитных ионах дает возможность определить по числу компонент - спин ядра и судить о его магнитном моменте.

Один из важнейших элементов, ЭПР-спектр, которого является сверхтонким, это V +4 . В большой группе нефтей обнаруживается сложная структура линии резонансного поглощения, обусловленная присутствием в них парамагнитного иона V +4. В нефтях V +4 связан с порфирином, смолами, входит в структуру асфальтенов. Ион ванадия легко образует тетрапиррольные соединения в результате катагенеза (рис.5.).ТС спектр V +4 состоят из восьми линий. Центральная из этих восьми линий (компонента 5) с проекцией ядерного спина - является аномально большой в сравнении с другими компонентами СТС (рис.6.)

Благодаря этому разработан эффективный метод определения V +4 в нефтях и ее фракциях по интегральной амплитуде этой аномальной компоненты спектра, расчетная формула такова:

где - количество парамагнитных центров в эталоне; - интегральная амплитуда пятой компоненты СТС V +4 в мм; - ширина пятой компоненты в мм; - интегральная амплитуда и ширина эталона в мм; a - навеска исследуемого образца в г [Диндойн, 1973].

Рис. 6. Сверхтонкая структура спектра V +4 .

Факторы, влияющие на целесообразность использования метода ЭПР

Для установления факторов, влияющих на углеродный сигнал ЭПР осадочных пород, в работе [Барташевич, 1975] были рассмотрены экспериментальные данные. Промеренные образцы из коллекции дали значения КПЦ на 1г породы от 0.2* 10 17 до 15*10 17 . Если расположить эти значения в зависимости от процентного содержания С орг в породе, то для большинства образцов наблюдается прямая зависимость, откуда следует, что первый фактор, влияющий на интенсивность углеродного сигнала ЭПР - это содержание С орг в породе. В некоторых случаях, выявляются отклонения от этой основной закономерности, анализ которых показывает наличие еще двух факторов, влияющих на интенсивность сигнала ЭПР. В тех случаях, когда взятая порода представляла собой нефтенасыщенные образцы, амплитуда сигнала была незначительной, тогда как содержание С орг доходило до 1% и более. В этих случаях по данным химико-битуминологического анализа органическое вещество состоит более 50% из битуминозных компонентов.

Второй фактор - это влияние, которое оказывает на величину сигнала ЭПР групповой состав органического вещества рассеянного в породе, то есть количественные соотношения битуминозных и небитуминозных компонентов. В том случае, когда в балансе ОВ преобладают битуминозные компоненты, сигнал имеет незначительную величину, так как битуминозные компоненты, выделенные из породы, имеют количество парамагнитных центров на порядок меньше, чем нерастворимых компонентах ОВ. Если основу органики составляют небитуминозные компоненты ОВ, сигнал возрастает.

Третьим фактором - это влияющим на сигнал ЭПР, следует считать изменение степени метаморфизма ОВ. Так, например, в глинах палеогена, взятых с глубины 150-200 м при содержании С орг 1,8 КПЦ составило 0,2*10 17 КПЦ/гр. В аналогичных отложениях, взятых с глубины 1500-1700 м, при более низком содержании С орг (0,4%) КПЦ осталось почти тем же - 0,3*10 17 . Очевидно, что при увеличении степени метаморфизма происходит перестройка структуры ОВ, которая влечет за собой увеличение КПЦ.

Полученные закономерности о влиянии трех основных факторов на сигнал ЭПР органического вещества в породе в некоторой степени ограничивают использование метода ЭПР для сложных геологических резервов, в которых изменяются количество, состав и степень метаморфизма ОВ. Так как содержание С орг является лишь одним из трех факторов, влияющих на величину углеродного сигнала, то установление закономерностей в расположении ОВ методом ЭПР возможно лишь при условиях обеспечивающих неизменность остальных двух факторов. Такие условия имеют место в едином литологостратиграфическом комплексе.

В проблеме изучения нефтегазообразования и поисков нефтегазовых залежей принципиально важное значение имеют геохимические исследования органического вещества в горных породах. Первым этапом этих исследований массовые определения ОВ по разрезам скважин.

Высокая чувствительность и экспрессность анализа исследуемых проб без из разрушения определяют перспективность метода ЭПР для установления геохимических закономерностей в разрезах скважин.

Применение метода ЭПР

При наблюдении сигнала ЭПР главной задачей является точная регистрация поглощаемой высокочастотной энергии. Запись спектра осуществляется в координатах I погл = F (H) при V=const, где I погл - интегральная амплитуда поглощения высокочастотной энергии; H - напряженность постоянного магнитного поля, V-частота СВЧ - энергии. По пикам на спектре возможно определение количества ароматических структур, типа и количества свободных радикалов. Концентрация парамагнитных центров (КПЦ) в смолах, асфальтенах и керогенах приблизительно соответствует одному порядку - 10 19 кпц/г. вещества. Интенсивность поглощаемой энергии пропорциональна КПЦ и связана с показателем С орг: чем выше интенсивность, тем соответственно больше С орг. Существуют работы, которые показали связь между данными ЭПР и геологическими условиями образования нефти. Показано, что в нефтях глубокозалегающих месторождений (1000-2000-2800 м.) КПЦ увеличивается с глубиной, а для нефтей, залегающих на небольшой глубине - зависимость обратная (рис.7).

Рис. 7. Изменение КПЦ с увеличением глубины погружения, грамм*10 19

Изучение остаточного ОВ осадочных пород методом ЭПР впервые было предпринято коллективом исследователей под руководством К.Ф. Родионовой с целью выяснения возможностей метода для оценки характера ОВ, исходного для образования нефти. Результаты последующих исследований, в том числе и других авторов, показывают, что КПЦ изменяется в зависимости от типа и метаморфизма ОВ осадочных пород. Химическими методами были установлены два основных (гумусовый и сапропеливый) и промежуточные типы остаточного ОВ. Оказалось, что каждому типу свойственен вполне определенный и присущий только ему характер зависимости концентраций парамагнитных центров от содержания углерода. Следовательно, для установления типа ОВ осадочных пород и степени его преобразованности наряду с химическими методами применяют метод ЭПР, причем он не только является вполне приемлемым количественным критерием степени диагенеза керогена, но и более точным, чем результаты ИК - спектроскопии.

Согласно всем предшествующим результатам исследований НОВ концентрация парамагнитных центров (КПЦ) в керогене изменяется в зависимости от его типа и степени катагенетической преобразованности. Например, установлено, чем уже , тем более преобразован кероген. Керогены имеют порядка 10 19 парамагнитных центров на грамм вещества [Диндойн, 1973].

Таким образом, изменение ЭПР-параметров используется в геохимии при изучении керогенов различных генетических типов и степени катагенетической преобразованности. Важно, что этот метод не деструктирующий, то есть в процессе записи спектра сохраняется целостность вещества, и оно может быть подвергнуто дальнейшим исследованиям.

Определение генезиса рассеянного органического вещества и нефтей

Изучение остаточного ОВ осадочных пород методом ЭПР впервые было предпринято коллективом под руководством Родионовой К. Ф, [Барташевич, 1975] с целью выяснения возможностей метода для оценки характера ОВ, исходного для образования нефти. Результаты, опубликованные в этой работе, показали, что КПЦ изменяется в зависимости от многих факторов, основным же является тип метаморфизма ОВ осадочных пород. Химическим путем были установлены два основных (гумусовый и сапропелевый) и промежуточные типы остаточного ОВ. Оказалось, что каждому типу свойственен вполне определенный и присущий только ему характер зависимости КПЦ от содержания углерода.

Интересные результаты по использованию метода ЭПР при определении типа ОВ были получены Л.С. Борисовой [Борисова, 2004] при изучении асфальтенов РОВ различной генетической природы. В качестве объекта исследования асфальтенов гумусового ОВ были выбраны континентальные озерно-болотные и озерно-аллювиальные отложения нижней-средней юры (тюменская свита) и нижнего (апт-альб) - верхнего (сеноман) мела (покурская свита) Западно-Сибирской мегасинеклизы, аквагенного (сапропелевого) ОВ - баженовская свита (J 3 v) и ее возрастные аналоги. Свободных радикалов в структуре асфальтенов аквагенного ОВ в среднем меньше (5*10 17 ПМЦ/г), чем в асфальтенах ТОВ (12*10 17 ПМЦ/г), что согласуется с более высокой степенью ароматичности и низкими значениями H/C ат асфальтенов битумоидов угленосных толщ. (рис.8)

Для меня особый интерес представила работа сотрудников ИНГГ СО РАН Л.С. Борисовой, Л.Г. Гилинской, Е.А. Костыревой и др. "Распределение V +4 в асфальтенах нефтепроизводящих пород и нефтей Западной Сибири" [Борисова и др., 1999].

Результаты данной работы показали, что в асфальтенах РОВ абаланской свиты V +4 присутствует в очень малых количествах (максимальное содержание 0,1 отн. ед.). Кроме ванадия также было обнаружено трехвалентное железо. В пробах асфальтенов баженовской свиты наблюдается высокая концентрация V +4 (максимальное значение 35 отн. ед.), причем она зависит от вмещающих пород: в баженовитах содержание V +4 в 5-10 раз выше, чем в аргиллитах.

Таким образом, сравнительное изучение в работе [Борисова и др., 1999] асфальтенов РОВ баженовской и абалакской свит показало, что в отложениях баженовской свиты, сформировавшейся в морском бассейне в условиях сероводородного заражения, накапливался V +4 в значительном количестве. Содержание же V +4 в абалакской свите крайне мало (рис.9).

Рис. 9. Распределение V +4 в асфальтенах и асфальтеновых кислотах РОВ Б - баженовская свита; А - абалакская свита [Борисова и др., 1999].

Также наличие V +4 , определяемого методом ЭПР, может служить показателем или "генетической меткой" нефтей. Экспериментально доказано, что наибольшее значение V +4 отмечается в меловых и верхнеюрских нефтях центральной части Западной Сибири (рис.10). Это нефти типа С 1 , (по классификации А.Э. Конторовича и О.Ф. Стасовой [Борисова, 2009]) генетически связанные с морскими глубоководными отложениями. Нефти типа А 1 практически не содержат V +4 , и лишь в отдельных пробах в малых количествах наблюдается его присутствие. В нижне-среднеюрской толще по содержанию ванадия Л.С. Борисовой выделено два типа нефтей: малосернистые нефти Красноленинского свода и северных районов Западной Сибири (тип А 2 и А 1 , соответственно), которые имеют низкие значения V +4 и высокосернистые нефти Юганской впадины (тип С 2), содержание асфальтенов в которых значительно [Борисова и др., 1999] Кроме того замечена явная связь между содержанием в асфальтенах V +4 и серы в нефтях. Таким образом, самые высокосернистые нефти морского типа имеют самые высокие показатели содержания V +4 . Малосернистые нефти же практически не содержат или содержат мизерные количества V +4 .

Из этого можно сделать предположение, что благоприятные условия для накопления ванадия, порфиринов, а также серы, возникают на дне устойчиво погружающихся впадин с некомпенсированным осадконакоплением и застойным морским режимом [Борисова, 2009].

Заключение

Как видно из всего вышесказанного, метод ЭПР имеет огромное значение для органической геохимии. Этот метод обладает очень важными качествами, обеспечивающими его преимущество перед другими методами, а именно:

Быстрота проведения анализа

Проведение анализа без малейшего химического вмешательства

Точность анализа

Простота выявления ионов ванадия, что помогает нам судить о генезисе данного органического вещества.

С помощью метода ЭПР изучают асфальтены современных осадков с целью выявления эволюции тетрапиррольных пигментов, изучают асфальтены РОВ при диагностике нефтематеринских толщ (в частности при определении типа ОВ), изучают влияние степени катагенеза в асфальтенах РОВ на КПЦ, исследуют парамагнитные свойства нефтей (СТС ванадия), изучают парамагнетизм углей, исследуют ЭПР параметры керагена в зависимоститот катагенеза и многое другое.

В процессе написания курсовой работы, я научился работать с научной литературой, структурировать полученные знания и излагать их в виде реферативной работы.

Список используемой литературы

1. Барташевич О.В. Геологические методы поисков месторождений нефти и газа. Москва. ВНИИЯГГ, 1975, 30с.

2. Белонов А.М. Магнитный резонанс при изучении природных образований. Ленинград "Недра" Ленинградское отделение 1987, 191 с.

Борисова Л.С. Геохимия асфальтенов нефтей Западной Сибири / Л.С. Борисова // Геология нефти и газа - 2009 - № 1. - с.76-80.

Борисова Л.С. Гетероциклические компоненты рассеянного органического вещества и нефтей Западной Сибири // Геология и геофизика. - 2004. - №7. - с.884-894.

Борисова Л, С., Гилинская Л.Г., Е.А. Костырева и др. распределение V +4 в асфальтенах нефтепроизводящих пород и нефтей Западной Сибири / Органическая геохимия нефтепроизводящих пород Западно Сибири: тез. докл. науч. Совещания / ИГНГ СО РАН. - Новосибирск, 2009. - с 147-149.

Диндойн В.М. Современные методы анализа в органической геохимии. Труды СНИИГГИМС 2008, вып.166, 23 с.

Унгер Ф.Г., Андреева Л.Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Новосибирск, ВО "Наука", 2012, 187 с.

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….2

1.ПРИНЦИП МЕТОДА ЭПР…………………………………………………..3

1.1. История открытия метода ЭПР……………………………………………..3

1.2. Механический и магнитный моменты электрона…………………………4

1.3. Эффект Зеемана…………...............................................................................6

1.4. Основное уравнение резонанса……………………………………………8

2. ХРАКТЕРИСТИКА СПЕКТРОВ ЭПР ………………………………….10

2.1. Амплитуда сигнала, форма линии и ширина линии…………………….10

2.2. Сверхтонкая структура спектров ЭПР………………………………….16

……………………………………………………………..18

3.УСТРОЙСТВО РАДИОСПЕКТРОМЕТРА ЭПР……………………...22

4.ПРИМЕНЕНИЕ ЭПР В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ………………………………………………………….24

4.1.Сигналы ЭПР, наблюдаемые в биологических системах………………..24

4.2. Метод спиновых меток и зондов…………………………………………26

4.3. Метод спиновых ловушек………………………………………………...35

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...39

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………..40

ВВЕДЕНИЕ

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР, электронный спиновый резонанс), явление резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле, обусловленное квантовыми переходами между магнитными подуровнями парамагнитных атомов и ионов (эффект Зеемана). Открыт Завойским Евгением Константиновичем в Казанском государственном университете в 1944 г.

В отсутствие постоянного магнитного поля Н магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля Н проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается (эффект Зеемана), т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E 0 .

Так как на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей).

Для непрерывного наблюдения поглощения энергии условия резонанса недостаточно, т.к. при воздействии электромагнитного излучения произойдет выравнивание заселенностей подуровней (эффект насыщения). Для поддержания больцмановского распределения заселенностей подуровней необходимы релаксационные процессы.

Основные параметры спектров ЭПР - интенсивность, форма и ширина резонансной линии , g-фактор, константы тонкой и сверхтонкой (СТС) структуры.

1.ПРИНЦИП МЕТОДА ЭПР

1.1.История открытия метода ЭПР

Метод электронного парамагнитного резонанаса (ЭПР, EPR – electron paramagnetic resonance , ESR – electron spin resonance ) является основным методом для изучения парамагнитных частиц. К парамагнитным частицам имеющим важное биологическое значение относятся два основных типа – это свободные радикалы и комплексы металлов переменной валентности (таких как Fe, Cu, Co, Ni, Mn).

Метод электронного парамагнитного резонанса был открыт в 1944 г. Е.К. Завойским при исследовании взаимодействия электромагнитного излучения микроволнового диапазона с солями металлов. Он заметил, что монокристалл CuCl2, помещенный в постоянное магнитное поле 40 Гаусс (4 мТл), может поглощать излучение с частотой около 133 Мгц.

Пионерами применения ЭПР в биологических исследованиях в СССР были Л.А. Блюменфельд и А.Э. Калмансон, которые начали изучать свободные радикалы белков, полученные под действием ионизирующего излучения.

Со временем, синтез стабильных нитроксильных радикалов существенно расширил область применения метода ЭПР в биологических и медицинских исследованиях. Сегодня этот метод является одним из широко используемых методов современной науки.

1.2. Механический и магнитный моменты электрона

В основе метода ЭПР лежит поглощение электромагнитного излучения радиодиапазона неспаренными электронами, находящимися в магнитном поле.

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

(1)

где -магнитный орбитальный момент, а -механический орбитальный момент. В свою очередь механический орбитальный момент может быть выражен через орбитальное квантовое число

(2)

Подставив выражение (1.2) в (1.1) 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

(4)

(5)

(6)

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

(7)

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 из моментов в полном магнитном моменте – величину g или g -фактор.

где Pj – полный механический момент электрона, равный Pl + Ps . g -Фактор равен единице при s = 0 (т.е. при отсутствии спинового движения) и равен двум, если орбитальный момент равен нулю (l = 0). g -Фактор идентичен фактору спектроскопического расщепления Ланде и может быть выражен через полные квантовые числа S , P и J :

где (9)

Поскольку в большинстве случаев электронные орбитали сильно отличаются от сферических, то орбитальный магнитный момент дает относительно небольшой вклад в суммарный магнитный момент. Для упрощения вычислений этим вкладом можно пренебречь. Кроме того, если заменить спиновый механический момент его проекцией на выделенное направление (например, на направление магнитного поля), то мы получим следующее выражение:

(10)

где eh/4πm – магнетон Бора, а – магнитное квантовое число, являющееся проекцией спинового магнитного момента на выделенное направление и равное ±1/2.

1 .3. Эффект Зеемана

Рисунок 1 – Ориентация электронов во внешнем магнитном поле (H ).

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов ориентированы случайным образом (рис.1 слева), и их энергия практически не отличается друг от друга (Е0). При наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов ориентируются в поле в зависимости от величины спинового магнитного момента (рис.1. справа), и их энергетический уровень расщепляется на два (рис.2).

Рисунок 2 – Расщепление энергетических уровней одиночных электронов в магнитном поле (эффект Зеемана).

Энергия взаимодействия магнитного момента электрона с магнитным полем выражается уравнением

(11)

где μ – суммарный магнитный момент электрона, Н – напряженность магнитного поля, а cos(μH) – косинус угла между векторами μ и Н.

В нашем случае энергия взаимодействия электрона с внешним магнитным полем составит величину

(12)

а разница в энергии между двумя уровнями составит

(13)

Таким образом энергетические уровни электронов, помещенных в магнитное поле, расщепляются в этом поле в зависимости от величины спинового магнитного момента и интенсивности магнитного поля (эффект Зеемана ) .

1.4.Основное уравнение резонанса

Количество электронов в изучаемой системе, имеющих ту или иную энергию, будет определяться в соответствии с распределением Больцмана, а именно

(14)

где и количество электронов на более высоком или более низком энергетическом уровне, соответствующем магнитному моменту электрона со спином +1/2 или –1/2.

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 (15)

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.

Следует помнить, что различие в уровнях энергии электрона в магнитном поле (а также и других заряженных частиц, обладающих спином, например, у протонов) связано с наличием у электрона собственного магнитного момента. У спаренных электронов магнитные моменты скомпенсированы, и они на внешнее магнитное поле не реагируют, поэтому обычные молекулы не дают сигналов ЭПР. Таким образом, ЭПР позволяет обнаруживать и изучать свойства свободных радикалов (имеющих неспаренный электрон на внешних орбиталях) и комплексов металлов переменной валентности (у которых неспаренный электрон принадлежит более глубоким электронным оболочкам). Эти две группы парамагнитных частиц часто называют парамагнитными центрами.

2.ХАРАКТЕРИСТИКА СПЕКТРОВ ЭПР

Метод ЭПР позволяет нам изучать свойства парамагнитных центров посредством спектров поглощения электромагнитного излучения этими частицами. Зная характеристики спектров можно судить и о свойствах парамагнитных частиц. К основным характеристикам спектров относятся амплитуда, ширина линии, форма линии, g -фактор и сверхтонкая структура спектров.

2.1. Амплитуда сигнала, форма линии и ширина линии

Амплитуда сигнала

Сигнал ЭПР представляет собой первую производную от спектра поглощения (рис. 3). 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.

Рисунок 3 - Сигнал ЭПР. Слева – зависимость поглощения СВЧ от напряженности магнитного поля (H); справа – первая производная этой зависимости. ЭПР-спектрометры регистрируют кривые второго типа.

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:

(16)

где и – концентрации измеряемого образца и образца сравнения соответственно, а S x и S 0 – площади под линиями поглощения измеряемого сигнала и образца сравнения.

Для определения площади под линией поглощения неизвестного сигнала можно воспользоваться приемом численного интегрирования

(17)

где f "(H ) – первая производная линии поглощения (спектр ЭПР), F (H ) – функция линии поглощения, а H – напряженность магнитного поля.

(18)

Учитывая, что F (H ) . H в точках -∞ и ∞ равно нулю и dF (H ) равно f "(H ) dH , получим

(19)

где f "(H ) – первая производная от линии поглощения, или спектр ЭПР. От интеграла легко перейти к интегральной сумме, учитывая, что H = nΔH , получим

(20)

где Δ H – шаг изменения магнитного поля, а n i – номер шага. Таким образом, площадь под кривой поглощения будет равна произведению квадрата величины шага магнитного поля на сумму произведений амплитуды спектра ЭПР на номер шага. Из выражения (20) легко видеть, что при больших n (т.е. вдали от центра сигнала) вклад удаленных частей спектра может быть достаточно большим даже при малых значениях амплитуды сигнала.

Форма линии

Хотя согласно основному уравнению резонанса поглощение происходит только при равенстве энергии падающего кванта разности энергии между уровнями неспаренных электронов, спектр ЭПР является непрерывным в некоторой окрестности точки резонанса. Функция, описывающая сигнал ЭПР называется функцией формы линии. В разбавленных растворах, когда можно пренебречь взаимодействием между парамагнитными частицами, кривая поглощения описывается функцией Лоренца:

(21)

где – функция кривой поглощения в точке резонанса, – значение поля в точке резонанса,– ширина сигнала на половине высоты. Аналогичные обозначения используются для кривой поглощения, описываемой функцией Гаусса.

(22)

Функция Гаусса является огибающей спектра ЭПР если между парамагнитными частицами существует взаимодействие. Учитывать форму линии особенно важно при определении площади под кривой поглощения. Как видно из вышеприведенных формул у Лоренцевой линии более медленное убывание и соответственно более широкие крылья, что может давать значительную ошибку при интегрировании спектра.

Ширина линии

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 (Т 1) и спин-спиновой (Т 2) релаксации.

Одна из причин уширения полос поглощения в сигналах ЭПР кроется в волновых свойствах элементарных частиц, которые проявляются в существовании известного принципа соотношения неопределенностей Гейзенберга. Согласно этому принципу, чем точнее задано время наблюдения (чем меньше Δ t ), тем больше неопределенность в величине энергии частицы (:

(23)

Если принять, что Δ t это время релаксации T , а Δ Е соответствует g βΔ H , то мы получим, что

(24)

т.е. неопределенность в ширине линии обратно пропорциональна времени релаксации. Наблюдаемое время релаксации считают суммой времени спин-решеточной и спин-спиновой релаксации.

(25)

Свободные радикалы в растворах имеют Т1>> T 2, следовательно ширина линии будет зависеть в основном от Т2.

«Естественное» уширение сигнала ЭПР, зависящее от времени спин-решеточной и спин-спиновой релаксации – не единственный механизмам, влияющий на ширину линии c игнала. Важную роль играют также диполь-дипольное взаимодействие ; анизотропия g -фактора; динамическое уширение линии и спиновый обмен.

В основе диполь-дипольного взаимодействия лежит взаимодействие магнитного момента неспаренного электрона с локальным магнитным полем, создаваемым соседними электронами и ядрами. Напряженность магнитного поля в точке, где находится неспаренный электрон, зависит от взаимной ориентации магнитных моментов неспаренного электрона и другого электрона или ядра и расстояния между этими центрами. Изменение энергии неспаренного электрона определяется уравнением

(26)

где μ – магнитный момент электрона, θ – угол между взаимодействующими магнитными моментам R – расстояние между ними.

Вклад анизотропии g-фактора в уширение линии ЭПР связан с тем, что орбитальное движение электрона создает магнитное поле, с которым взаимодействует спиновый магнитный момент. Это создает сдвиг величины напряженности внешнего поля, при которой наблюдается резонанс, т.е. к сдвигу положения максимума сигнала ЭПР. В свою очередь, это проявляется в кажущемся отклонении g -фактора свободного электрона от значения 2,00. С другой стороны, влияние орбитального магнитного поля на электрон

зависит от ориентации молекулы по отношению к внешнему магнитному полю, что приводит к уширению сигнала ЭПР при измерении в системе, состоящей из множества хаотически ориентированных молекул.

Уширение сигнала ЭПР может быть связано также с взаимным превращением двух парамагнитных частиц. Так, если каждая из частиц имеет свой спектр ЭПР, то увеличение скорости взаимного превращения друг в друга будет приводить к уширению линий, т.к. при этом уменьшается время жизни радикала в каждом состоянии. Такое изменение ширины сигнала называется динамическим уширением сигнала.

Спиновый обмен является еще одной из причин уширения сигнала ЭПР. Механизм уширения сигнала при спиновом обмене заключается в изменении направления спинового магнитного момента электрона на противоположное при соударении с другим неспаренным электроном или иным парамагнетиком. Поскольку при таком соударении уменьшается время жизни электрона в данном состоянии, то опять-таки сигнал ЭПР уширяется. Наиболее частым случаем уширения линии ЭПР по механизму спинового обмена является уширение сигнала в присутствие кислорода или парамагнитных ионов металлов .

2.2 Сверхтонкая структура спектров ЭПР

В основе расщепления одиночной линии ЭПР на несколько лежит явление сверхтонкого взаимодействия , т. е. взаимодействия магнитных моментов неспаренных электронов () с магнитными моментами соседних ядер (

На рисунке 4 дано пояснение сверхтонкого взаимодействия. Неспаренный электрон в радикале может быть расположен близко к протону, например как в радикале этанола (1). В отсутствие влияния близлежащих протонов электрон имеет сигнал в форме одиночной линии (2). Однако протон также имеет магнитный момент, который ориентирован во внешнем магнитном поле (H 0) в двух направлениях (по полю либо против поля) потому, что, подобно электрону, имеет спиновое число S = ½. Будучи маленьким магнитом, протон создает магнитное поле, которое в месте расположения электрона имеет определенные значения +Hp или –Hp в зависимости от ориентации протона (3). В результате суммарное магнитное поле, приложенное к неспаренному электрону (4), имеет значение, немного большее (+ Hp) или немного меньшее (– Hp), чем в отсутствии протона (). Поэтому сигнал ЭПР радикала состоит из двух полос, расстояние от которых до прежнего центра полосы равно Hp (5).

Рисунок 4- Сверхтонкое расщепление сигнала ЭПР в радикале этанола.

1 – радикал этанола. 2 – сигнал ЭПР электрона во внешнем поле. 3 – ориентация протонов во внешнем магнитном поле. 4 – увеличение или уменьшение поля, действующего на электрон в результате наложения магнитного поля протона (H p) на внешнее магнитное поле. 5 – сигнал ЭПР радикала, в котором магнитное поле протона накладывается на внешнее магнитное поле.

В рассмотренном нами примере спин ядра, взаимодействующего с неспаренным электроном, был равен ± 1/2, что в конечном итоге дало нам расщепление на две линии. Такая величина спина характерна для протонов. У ядер атомов азота (N14) спин целочисленный . Он может принимать значения ±1 и 0. В этом случае при взаимодействии неспаренного электрона с ядром атома азота будет наблюдаться расщепление на три одинаковых линии, соответствующих величине спина +1, –1 и 0. В общем случае число

линий в спектре ЭПР равно 2 m N+1. (см. далее, рис.10)

Естественно, что количество неспаренных электронов и соответственно площадь под кривой поглощения ЭПР не зависят от величины спина ядра и являются постоянными величинами. Следовательно, при расщеплении одиночного сигнала ЭПР на два или три, интенсивность каждой компоненты будет соответственно в 2 или 3 раза ниже.

Очень похожая картина возникает, если неспаренный электрон взаимодействует не с одним, а с несколькими эквивалентными (с одинаковой константой сверхтонкого взаимодействия) ядрами, имеющими магнитный момент отличный от нуля, например двумя протонами. В этом случае возникает три состояния, соответствующие ориентации спинов протонов: (а) оба по полю, (б) оба против поля и (в) один по полю и один против поля. Вариант (в) имеет вдвое большую вероятность, чем (а) или (б), т.к. может быть осуществлен двумя способами. В результате такого распределения неспаренных электронов одиночная линия расщепится на три с соотношением интенсивностей 1:2:1. В общем случае, для n эквивалентных ядер со спином mN число линий равно n 2 m N +1.

2.3. Свойства атомов с магнитными ядрами, константы, СТВ неспаренного электрона с ядром

Атом	Массовое число		Ядерный спин	а x 10- 4 Тл
		99,98
		7,52		54,29
			92,48		143,37
				316,11
		93,26		82,38
		72,15		361,07
			27,85		1219,25
				819,84

В -электронных системах (большинство органических свободных радикалов) спиновая плотность в точке ядра равна нулю (узловая точка р-орбитали) и реализуются два механизма возникновения СТВ (спинового переноса): конфигурационное взаимодействие и эффект сверхсопряжения. Механизм конфигурационного взаимодействия иллюстрируется рассмотрением СН-фрагмента (рис. 5). Когда на р-орбитали появляется неспаренный электрон , его магнитное поле взаимодействует с парой электронов -связи С — Н так, что происходит их частичное распаривание (спиновая поляризация), в результате чего на протоне появляется отрицательная спиновая плотность , поскольку энергии взаимодействия спинов и различны. Состояние, указанное на рис. 5, а, более устойчиво, так как для углеродного атома , несущего неспаренный электрон , в соответствии с правилом Хунда реализуется максимальная мультиплетность . Для систем этого типа существует связь между константой СТВ с протоном и спиновой плотностью на соответствующем углеродном атоме , определяемая соотношением Мак-Коннела: где Q = -28 x 10 -4 Тл, - спиновая плотность на атоме углерода . Спиновый перенос по механизму конфигурационного взаимодействия реализуется для ароматических протонов и -протонов в органических свободных радикалах.

Рисунок 5 - Возможные спиновые конфигурации для -орбитали, связывающей атом водорода во фрагменте С — Н, и р-орбитали атома углерода со спином а - спины на связывающей -орбитали и р-орбитали атома углерода параллельны, б - те же спины антипараллельны.

Эффект сверхсопряжения заключается в непосредственном перекрывании орбиталей неспаренного электрона и магнитных ядер. В частности, в алкильных радикалах СТВ по этому механизму возникает на ядрах -протонов. Например, в этильном радикале на -протонах СТВ определяется конфигурационным взаимодействием, а на -протонах - сверхсопряжением. Эквивалентность СТВ с тремя протонами метильной группы в рассматриваемом случае обусловлена быстрым вращением группы СН 3 относительно связи С — С. В отсутствие свободного вращения (или в случае затрудненного вращения), что реализуется в жидкой фазе для множества систем с разветвленными алкильными заместителями или в монокристаллических образцах, константа СТВ с -протонами определяется выражением , где - двугранный угол между 2р z -орбиталью -углеродного атома и связью СН, В 0 4 x 10 -4 Тл определяет вклад спиновой поляризации по ядерному остову (конфигурационное взаимодействие), B 2 45 x 10 -4 Тл. В пределе быстрого вращения а н = 2,65 x 10- 3 Тл. В спектроскопии ЭПР триплетных состояний (S=1) помимо электрон-ядерных взаимодействий (СТВ) необходимо учитывать взаимодействие неспаренных электронов друг с другом. Оно определяется диполь-дипольным взаимодействием, усредняемым до нуля в жидкой фазе и описываемым параметрами нулевого расщепления D и E, зависящими от расстояния между неспасенными электронами (радикальные пары), а также обменным взаимодействием (изотропным), обусловленным непосредственным перекрыванием орбиталей неспаренных электронов (спиновый обмен), которое описывается обменным интегралом J обм . Для бирадикалов , в которых каждый из радикальных центров имеет одно магнитное ядро с константой СТВ на этом ядре а, в случае быстрого (сильного) обмена J обм а, и каждый неспаренный электрон бирадикальной системы взаимодействует с магнитными ядрами обоих радикальных центров. При слабом обмене (J обм а) регистрируются спектры ЭПР каждого радикального центра независимо, то есть фиксируется "монорадикальная" картина. Зависимость J обм от т-ры и растворителя позволяет получить динамические характеристики бирадикальной системы (частоту и энергетический барьер спинового обмена) .

1. УСТРОЙСТВО РАДИОСПЕКТРОМЕТРА ЭПР

Устройство радиоспектрометра ЭПР лишь весьма отдаленно напоминает устройство спектрофотометра для измерения оптического поглощения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра (рис. 6).

Рисунок 6 – Устройство ЭПР спектрометра.

Источником излучения в радиоспектрометре является клистрон, представляющий из себя радиолампу, дающую монохроматическое излучение в диапазоне сантиметровых волн.

Роль диафрагмы в радиоспектрометре выполняет аттенюатор, позволяющий дозировать мощность, падающую на образец. Кювета с образцом в радиоспектрометре находится в специальном блоке, называемом резонатором. Резонатор представляет собой изготовленный из металла полый параллелепипед, полость которого имеет цилиндрическую или прямоугольную форму. В ней находится поглощающий образец. Размеры резонатора таковы, что входящее излучение образует в нем стоячую электромагнитную волну. Элементом, полностью отсутствующим в оптическом спектрометре, является электромагнит, создающий постоянное магнитное поле, необходимое для расщепления энергетических уровней электронов. Излучение, прошедшее измеряемый образец, попадает на детектор, затем сигнал детектора усиливается и регистрируется на самописце или компьютере. Своеобразие конструкции радиоспектрометра заключается в том, что излучение радиодиапазона передается от источника к образцу и далее к детектору с помощью специальных трубок прямоугольного сечения, служащих волноводами. Размеры сечения волноводов определяются длиной волны передаваемого излучения. Эта особенность передачи радиоизлучения по волноводам и определяет тот факт, что для регистрации спектра ЭПР в радиоспектрометре используется постоянная частота излучения, а условие резонанса достигается изменением величины магнитного поля.

Еще одной важной особенностью радиоспектрометра является то, что этот прибор измеряет не поглощение (A) электромагнитных (свч) волн, а первую производную поглощения по напряженности магнитного поля dA/dH. Дело в том, что для измерения поглощения нужно сравнивать интенсивности прошедшего излучения у измеряемого и контрольного объекта (скажем, пустой кюветы), а при измерении первой производной контрольный объект не нужен. При изменении магнитного поля интенсивность свч волн, прошедших через пустое пространство или непоглощающий объект, не изменяется и первая производная поглощения равна нулю. Если же свч волны проходят через объект с парамагнитными центрами, то поглощение имеет место, а его величина зависит от напряженности магнитного поля. Изменяем поле и изменяется поглощение, что проявляется в изменении интенсивности измеряемого свч колебания. Именно это изменение интенсивности измеряемого свч при небольшой модуляции магнитного поля около заданной его величины позволяет определять dA/dH в каждой точке H, получая тем самым спектры, или сигналы ЭПР .

1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭПР В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

1. Сигналы ЭПР, наблюдаемые в биологических системах

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.7). 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.

Рисунок 7 - Спектры ЭПР УФ-облученного цистеина при температуре жидкого азота (77 К) и обычной температуре (300 К).

В качестве примера на рис. 8 дан спектр ЭПР печени крысы. На нем можно увидеть сигналы цитохрома Р-450, имеющие g -фактор 1,94 и 2,25, сигнал метгемоглобина с g - фактором 4,3 и сигнал свободных радикалов, принадлежащий семихинонным радикалам аскорбиновой кислоты и флавинов с g -фактором 2,00.

Рисунок 8 - Спектр ЭПР печени крысы.

Впрочем, сигналы ЭПР некоторых радикалов можно наблюдать и при комнатной температуре. К таким сигналам относятся сигналы ЭПР многих семихинонных или феноксильных радикалов, таких как семихинонный радикал убихинона, феноксильный и семихинонный радикал α-токоферола (витамина Е), витамина D, и многие другие (рис.9).

Рисунок 9 - Сигналы ЭПР семихинонных и феноксильных радикалов.

1. Метод спиновых меток и зондов

Важным этапом в развитии применения метода ЭПР в биологических исследованиях стал синтез стабильных свободных радикалов. Среди таких радикалов наибольшую популярность получили нитроксильные радикалы.

Стабильность нитроксильных радикалов обусловлена пространственным экранированием группы N–O . , имеющей неспаренный электрон, четырьмя метильными группами, препятствующими протеканию реакции с участием свободной валентности. Однако, такая экранировка не является абсолютной и реакция восстановления свободной валентности все-таки может происходить. Аскорбиновая кислота, например, является хорошим восстановителем нитроксильных радикалов.

Спектр ЭПР нитроксильных радикалов обычно состоит из трех линий равной интенсивности, благодаря взаимодействию неспаренного электрона с ядром атома азота (рис.10).

Рисунок 10 - Формула и спектр ЭПР нитроксильного радикала 2,2,6,6-

тетраметил-пиперидин-1-оксил (ТЕМПО).

Оставим в стороне непростую теорию, объясняющую зависимость формы сигнала ЭПР от подвижности зонда и ограничимся весьма схематическим изложением того, что наблюдается в опытах. Если нитроксильный радикал находится в водном растворе, то его вращение является изотропным и достаточно быстрым, при этом наблюдается сигнал ЭПР, состоящий из трех узких симметричных линий (рис. 11, вверху). При уменьшении скорости вращения наблюдается уширение линий и изменению амплитуды компонент спектра (рис. 11, в середине). Дальнейшее увеличение вязкости среды приводит к еще большему изменению сигнала ЭПР спинового зонда (рис. 11, внизу).

Для количественного описания вращательного движения радикала используют понятие времени вращательной корреляции (τс). Оно равно времени поворота нитроксильного радикала на угол π/2. На основании анализа сигнала ЭПР время корреляции можно оценить, используя эмпирическое уравнение

(27)

Где Δ– ширина полосы спектра ЭПР при низком значении поля, а и –интенсивность высокопольной и низкопольной компоненты спектра ЭПР. Это уравнение можно использовать при времени корреляции от 5·до с.

Синтез стабильных нитроксильных радикалов семейства ТЕМПО был важным этапом в использовании метода ЭПР для изучения внутренней вязкости биологических мембран и белков решению медико-биологических задач.

Рисунок 11 - Спектр ЭПР ТЕМПО при разных временах вращательной корреляции τс (цифры слева от спектров ).

Однако производные ТЕМПО, имеют, к сожалению, один существенный недостаток - вследствие их амфифильности трудно бывает определить локализацию этого зонда и таким образом ответить на вопрос, где мы, собственно говоря, определяем микровязкость. Эта проблема была практически решена, когда появились так называемые «жирнокислотные спиновые зонды», т.е. соединения, в которых молекула нитроксильного радикала была ковалентно присоединена к молекуле жирной кислоты. В этом случае спектр ЭПР несомненно отражает свойства именно гидрофобной (липидной) фазы изучаемой системы, куда встаивается зонд. На рисунке 12 приведено схематическое строение молекулы жирнокислотного спинового зонда, 5-доксилстеарата, в которой нитроксильный радикал (доксил, соединение родственное ТЕМПО по структуре) присоединен к 5 атому углерода молекулы стеариновой кислоты. Характеристикой движения такого зонда служит величина, называемая параметром упорядоченности S , который характеризует степень асимметрии вращания зонда относительно продольной и поперечной осей его молекулы. Найти параметр упорядоченности можно из характеристик спектра ЭПР по эмпирическому уравнению

(28)

где A|| и A ⊥ – параметры, указанные на рисунке. Теоретически, параметр упорядоченности может изменяться от 0 до 1, с изменением вязкости и структурированности мембраны. При совершенно симметричном вращении, когда скорость вращения вокруг трех осей одинакова (что характерно для сферических частиц в изотропной среде), параметр упорядоченности равен нулю. Параметр упорядоченности равен 1, если ось вращения зонда совпадает с нормалью к мембране, а вращение относительно иных осей полностью отсутствует. При низких температурах или в мембранах из синтетических насыщенных фосфолипидов, вращение зонд вращается преимущественнол вокруг длинной оси молекулы, ориетированной поперек мембраны. При этом параметр упорядоченности имеет высокие значсения. При уменьшении вязкости мембраны значение параметра упорядоченности уменьшается.

Рисунок 12 – Химическая формула и спектр ЭПР 5 – доксилстеарата.

Очень ценным качеством спиновых зондов, содержащих жирную кислоту, является возможность измерения с их помощью параметра упорядоченности на разном расстоянии от поверхности мембраны, так называемого профиля упорядоченности или профиля вязкости. Для этого используют набор спиновых зондов, которые представляют собой молекулы одной и той же жирной кислоты, которые содержат нитроксильный фрагмент на разном расстоянии от карбоксильной группы. Например, используются спиновые зонды с нитроксильным радикалом у 5, 7, 12 и 16 атома углерода стеариновой кислоты. Набор этих соединений позволяет измерять параметр S на расстоянии 3,5, 5, 8,5 и 10,5 ангстрем от поверхности мембраны (рис.13).

Рисунок 13- Изменение сигнала ЭПР при удалении нитроксильного радикала от полярной карбоксильной группы жирной кислоты.

Обычно спектры ЭПР спинового зонда, включенного в мембрану, и зонда, находящегося в окружающем водном растворе, могут существенно различаться. Это свойство было использовано для создания нового класса спиновых зондов, позволяющих измерять межфазный потенциал мембраны (часто называемый поверхностным потенциалом). Для измерения этого потенциала измеряют коэффициент распределения вода/мембрана нейтрального и заряженного зондов. Поскольку заряженный зонд взаимодействует с зарядами, расположенными на поверхности мембраны, то его коэффициент распределения будет отличаться от такового у нейтрального зонда. Отношение коэффициентов распределения служит мерой поверхностного потенциала изучаемой мембраны. Химическая формула спинового зонда, используемого для измерения поверхностного потенциала приведена на рис.14 .

Рисунок 14 - Химическая формула заряженного спинового зонда.

Еще одним важным применением метода спинового зонда является измерение рН в микрообъемах, например, внутри лизосом или фагосом клеток. Для этих целей применяют специальные рН-чувствительные спиновые зонды (рис. 15). В основе метода рН-метрии с применением спиновых зондов лежит способность зонда давать разные спектры ЭПР в

протонированной и депротонированной формах. Таким образом, в зависимости от рК спинового зонда, существует некоторый диапазон рН в котором и происходит его протонирование и соответствующее изменение спектра ЭПР (рис.16).

Рисунок 15 - Химические формулы рН-чувствительного спинового зонда.

Рисунок 16 - Спектры ЭПР и и зависимость концентрации депротонированного рН- чувствительного спинового зонда от рН

Все о чем до сих пор говорилось в данном разделе касалось метода спиновых зондов . Однако не менее интересным является и метод спиновых меток . В основе метода спиновых меток лежит тот же принцип изменения спектра ЭПР нитроксильного радикала в зависимости от скорости и изотропности его вращения. Отличием же метода является тот факт, что спиновая метка ковалентно связывается с другой более или менее крупной

молекулой.

Одним из первых и удачных применений метода спиновой метки было измерение количества и доступности SH-групп белков (рис.17). Химическая формула и спектр ЭПР спиновой метки, взаимодействующей с сульфгидрильными группами, в свободном состоянии и после присоединения к белку приведены на рис.18.

Рисунок 17 - Схема взаимодействия спинового зонда с тиоловой группой белка.

Из рисунка можно видеть, что спектры ЭПР спиновой метки в свободном и связанном состоянии сильно отличаются, что связано с различием в скорости и направлении вращения. Естественно, что связанная спиновая метка имеет значительно более низкую скорость вращения, чем в свободном виде. Более того, количество связанных спиновых меток и соответственно интенсивность сигнала ЭПР пропорциональны количеству

прореагировавших со спиновой меткой сульфгидрильных групп, что позволяет определять не только подвижность зонда, но и его количество.

Рисунок 18 - Химическая формула спиновой метки для SH-групп и спектры ЭПР иммобилизованной (1), связанной (2) и свободной (3) спиновой метки.

В настоящее время существует множество методических приемов, позволяющих изучать топографию белковой глобулы с использованием спиновых меток. Поскольку многие ионы металлов переменной валентности являются парамагнетиками и кроме того могут находиться в активном центре фермента, то взаимодействие спиновой метки, прикрепленной, например, к остатку цистеина или гистидина белковой глобулы, с ионом металла будет приводить к уширению спектра ЭПР в результате диполь-дипольного взаимодействия парамагнетиков .

1. Метод спиновых ловушек

Появление нитроксильных радикалов оказалось решающим событием в решении проблемы обнаружения и исследования свободных радикалов, образующихся в живых системах. Обнаружение радикалов оказалось возможным благодаря появлению метода

спиновых ловушек. 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.

По химической природе спиновые ловушки можно отнести к двум основным классам – это нитроны и нитрозосоединения. К нитронам относятся две наиболее популярные спиновые ловушки – С-фенил-N-трет-бутил нитрон (ФБН) и 5,5-диметил-пирролин-1- оксил (ДМПО). Реакция взаимодействия ФБН с радикалом выглядит следующим образом:

Стабильность образующегося нитроксильного радикала ФБН (спинового аддукта ) объясняется тем, что атом кислорода, на котором локализован неспаренный электрон, пространственно экранирован тремя метильными группами. Спиновый аддукт радикала обладает уникальным спектром ЭПР (см. рис.19). При этом форма спектров ЭПР спиновых аддуктов зависит от природы присоединившегося свободного радикала. Таким образом удается проводить исследование свободнорадикальных реакций в биологических объектах методом ЭПР при физиологических температурах.

Рисунок 19 - Спектр ЭПР спинового аддукта и значения констант сверхтонкого расщепления для некоторых радикалов.

aH и aN – константы сверхтонкого расщепления на протоне и атоме азота соответственно

Рисунок 20 – Схема реакции ловушки ДМПО и ОН радикала.

На рис. 20 показана реакция другой спиновой ловушки, ДМПО с гидроксильным радикалом и образование спинового аддукта этого радикала. Опять-таки, измеряя константы сверхтонкого расщепления спектра спинового аддукта можно идентифицировать короткоживущий радикал .

Метод спиновых ловушек занимает одно из важнейших мест в медико-биологических исследованиях, т.к. позволяет обнаруживать и идентифицировать радикалы, образующиеся в живых клетках и тканях. Среди таких радикалов следует отметить супероксидный и гидроксильный радикалы, а также оксид азота. Кроме того, применение метода спиновых ловушек дает возможность иучать антиоксидантные свойства веществ и величину антиоксидантного резерва .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на взаимодействии вещества с магнитным полем. Как следует из названия метода, он применяется для исследования парамагнитных частиц.

Известно, что при помещении парамагнетиков в магнитное поле, парамагнетик втягивается в это поле. Это связано с наличием у парамагнетиков магнитных моментов.Магнитные моменты создаются неспаренными электронами.

Примерами парамагнитных частиц, представляющих интерес для биологов, служат свободные радикалы, являющиеся промежуточными продуктами биохимических реакций, ионы металлов переменной валентности, таких как железо, медь, марганец и др.

Проявление магнитного момента у электрона связано с тем, что электрон является заряженной частицей, и при вращении электрона вокруг своей оси (спиновое движение) возникает магнитное поле, направленное вдоль оси вращения. При помещении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты неспаренных электронов ориентируются в этом

поле, подобно тому, как это происходит с магнитными стрелками.

Магнитный момент неспаренного электрона во внешнем магнитном поле может ориентироваться двумя способами - по полю и против поля. Таким образом, если в исследуемой системе имеются неспаренные электроны, наложение внешнего магнитного поля приводит к разделению электронов по группам: магнитные моменты одних электронов ориентированы по полю, других – против.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Д. Ингрэм Электронный парамагнитный резонанс в биологии [Текст]. Изд-во «Мир», 1972.
2. Свободные радикалы в биологических системах [Текст]. т.1, ст.88-175, 178-226. Изд-во «Мир», 1979.

3. Дж. Вертц и Дж. Болтон, Теория и практические приложения метода ЭПР [Текст], Москва: Мир,1975.

4. Современные методы биофизических исследований [Текст]. Практикум по биофизике, под редакцией А.Б. Рубина, Москва: Высшая школа, 1988.

5. Метод спиновых меток [Текст]. Теория и применение, под редакцией Л. Берлинера, Москва: Мир, 1979.

6. А.Н. Кузнецов, Метод спинового зонда, Москва [Текст]: Наука, 1976.

7. В.Е. Зубарев, Метод спиновых ловушек, Москва [Текст]: Издательство МГУ, 1984.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЭПР) - резонансное поглощение электромагнитных волн веществами, содержащими парамагнитные частицы. Методы, основанные на ЭПР, нашли широкое применение в лабораторной практике. С их помощью изучают кинетику химических и биохимических реакций (см. Кинетика биологических процессов , Кинетика химическая), роль свободных радикалов в процессах жизнедеятельности организма в норме и при патологии (см. Радикалы свободные), механизмы возникновения и течения фотобиологических процессов (см. Фотобиология) и т. д.

Явление ЭПР было открыто советским ученым Б. К. Завойским в 1944 году. Электронный парамагнитный резонанс характерен только для парамагнитных частиц то есть частиц, способных намагничиваться при приложении к ним магнитного поля) с нескомпенсированным электронным магнитным моментом, который, в свою очередь, обусловлен собственным механическим моментом электрона - спином. Электронам присуще особого рода внутреннее движение, которое можно сравнить с вращением волчка вокруг своей оси. Связанный с ним момент количества движения называют спином. Благодаря спину электрон обладает постоянным магнитным моментом, направленным противоположно спину. В большинстве молекул электроны располагаются на орбиталях таким образом, чего их спины направлены противоположно, магнитные моменты скомпенсированы, и сигнал ЭПР от них наблюдать не удается. Если магнитное поле электрона не скомпенсировано спином другого электрона (то есть молекула содержит неспаренные электроны), то регистрируется сигнал ЭПР. Частицами с неспаренными электронами являются свободные радикалы, ионы многих металлов (железо, медь, марганец, кобальт, никель и др.), ряд свободных атомов (водород, азот, щелочные металлы и др.).

В отсутствие внешнего магнитного поля направление (ориентация) магнитного момента электрона в пространстве может быть любым; энергия такого электрона не зависит от ориентации его магнитного момента. В соответствии с законами квантовой механики во внешнем магнитном поле ориентация магнитного момента электрона не может быть произвольной - он может быть направлен либо по направлению магнитного поля, либо противоположно ему.

В соответствии с ориентацией магнитного момента электрона его энергия в магнитном поле также может принимать лишь два значения: минимальное Е1 - при ориентации магнитного момента «по полю» и максимальное Е2 - при его ориентации «против поля» и разница в энергиях этих состояний (дельта Е) вычисляется по формуле: ΔЕ = gβH, где β - магнетон Бора (единица измерения магнитного момента электрона), H - напряженность магнитного поля, g - константа, зависящая от электронной структуры парамагнитной частицы. Если на систему неспаренных электронов во внешнем магнитном поле подействовать электромагнитным излучением, энергия кванта которого равна ΔE, то под влиянием излучения электроны начнут переходить из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией, что будет сопровождаться поглощением излучения веществом.

ЭПР относят к методам радиоспектроскопии, поскольку для наблюдения электронного парамагнитного резонанса применяются излучения в радиочастотном диапазоне электромагнитных волн.

ЭПР регистрируется с помощью специальных приборов - радиоспектрометров. В их состав входят: электромагнит, источник радиочастотного излучения, линия передачи излучения от источника к образцу (волновод), резонатор, в котором находится исследуемый образец, системы детектирования, усиления и регистрации сигнала. Наиболее распространены радиоспектрометры, в которых используются электромагнитные излучения с длинами волн 3,2 см или 8 мм.

Регистрация сигнала ЭПР производится следующим образом. Напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, линейно изменяется в определенных пределах. При значениях напряженности, отвечающих условию резонанса, образец поглощает энергию электромагнитного излучения. Линия поглощения (сигнал ЭПР) представляет собой зависимость мощности излучения, поглощенного образцом, от напряженности магнитного поля. В существующих радиоспектрометрах сигнал ЭПР регистрируется в виде первой производной линии поглощения.

Для описания и анализа спектров ЭПР используется ряд параметров, характеризующих интенсивность линий, их ширину, форму, а также положение в магнитном поле. Интенсивность линий ЭПР при прочих равных условиях пропорциональна концентрации парамагнитных частиц, что позволяет проводить количественный анализ.

При рассмотрении явления ЭПР следует учитывать, что магнитный момент неспаренного электрона взаимодействует не только с магнитным полем электромагнита, но и с магнитными полями, создаваемыми окружением электрона: другими неспаренными электронами, магнитными ядрами (см. Ядерный магнитный резонанс). Взаимодействие неспаренных электронов с ядрами часто приводит к расщеплению спектра ЭПР на ряд линий. Анализ таких спектров позволяет идентифицировать природу парамагнитных частиц, оценивать характер и степень их взаимодействия друг с другом.

Участие парамагнитных частиц в химических реакциях, молекулярное движение и другие кинетические эффекты также влияют на форму спектра ЭПР. Поэтому ЭПР используют для обнаружения, оценки количества и идентификации парамагнитных частиц, исследования кинетики химических и биохимических реакций и молекулярной динамики.

Благодаря своей универсальности ЭПР находит широкое применение в различных областях науки. Использование ЭПР в биологии и медицине обусловлено наличием в клетках, тканях и биол. жидкостях различных по природе парамагнитных центров. С помощью ЭПР было обнаружено наличие свободных радикалов практически во всех животных и растительных тканях. Источником свободных радикалов служат такие соединения, как флавины, коэнзим Q и другие вещества, выполняющие роль переносчиков электронов В реакциях энергетического обмена в растительной и животной клетке; парамагнитные центры, обнаруживаемые в изолированных тканях, принадлежат в основном электрон-транспортным цепям митохондрий, микросом, хлоропластов (см. Дыхание). Обнаружено, что содержание свободных радикалов в тканях коррелирует с их метаболической активностью. В многочисленных работах показано изменение количества свободных радикалов при различных патологических состояниях, например при онкогенезе (см.), развитии лучевых повреждений (см.), токсикозе (см. Интоксикация), что объясняется нарушением энергетического метаболизма при патологии (см. Биоэнергетика).

С помощью ЭПР в тканях животных и растений определяют парамагнитные ионы (железа, меди, марганца, кобальта и т. д.), которые входят в состав металлопротеидов, участвующих в реакциях переноса электронов по электронтранспортным цепям и ферментативном катализе, а также в кислородпереносящих пигментах (гемоглобине). С помощью ЭПР удается исследовать окислительно-восстановительные превращения ионов металлов и характер взаимодействия ионов с их окружением, что позволяет установить тонкую структуру металлосодержащих комплексов.

Патологические изменения тканей приводят к изменениям сигналов ЭПР металлопротеидов, что связывают с распадом парамагнитных комплексов металлов, изменением окружения парамагнитных ионов, переходом ионов в другие комплексы. Однако исследование природы парамагнитных центров тканей, особенно свободных радикалов, связано с определенными трудностями из-за сложности расшифровки спектров ЭПР.

С помощью ЭПР оказалось возможным исследовать механизмы ферментативных реакций (см. Ферменты). В частности, удается одновременно изучать как кинетику образования и расходования свободных радикалов в ходе ферментативных реакций, так и кинетику окислительно-восстановительных превращений металлов, входящих в состав ферментов, что позволяет устанавливать последовательность стадий ферментативной реакции.

Применение ЭПР при исследовании лучевого поражения в биол. объектах позволяет получать информацию о природе образующихся в биополимерах радикалов, о механизмах и кинетике радикальных реакций, развивающихся в облученных объектах и приводящих к биологическому эффекту. Метод ЭПР может быть применен в аварийной дозиметрии, например при случайном облучении людей для оценки дозы облучения, используя для этого предметы из зоны облучения.

Важное место занимает ЭПР в исследовании фотобиологических процессов, протекающих с участием свободных радикалов (см. Молекула , Радикалы свободные , Фотобиология , Фотосенсибилизация). С помощью ЭПР подробно изучают процессы образования свободных радикалов в белках, нуклеиновых кислотах и их компонентах при действии ультрафиолетового излучения, роль этих радикалов в фотодеструкции биополимеров (см. Свет). Применение ЭПР дало важную информацию о первичных механизмах фотосинтеза (см.). Показано, что первичной реакцией фотосинтеза является перенос электрона от возбужденной светом молекулы хлорофилла и образование катион-радикала хлорофилла. Идентифицирована и природа молекул, акцептирующих электрон, отдаваемый возбужденной молекулой хлорофилла.

ЭПР применяется также и для исследования структуры биологически важных макромолекул и биомембран. Например, ионы железа, входящие в состав гема в гемсодержащих белках, могут находиться в высокоспиновом состоянии (электроны на внешних орбитах не спарены, суммарный спин максимален) и низкоспиновом (внешние электроны полностью или частично спарены, спин минимален). Исследования особенностей сигналов ЭПР высокоспиновых и низкоспиновых состояний ионов железа в гемоглобине и его производных способствовали пониманию пространственной структуры молекулы гемоглобина.

Значительные успехи в изучении структуры биомембран и биополимеров были достигнуты после появления методов спиновых зондов и меток (см. Мембраны биологические). В качестве спиновых меток и зондов в основном используются стабильные нитроксильные радикалы (см. Радикалы свободные). Нитроксильный радикал может быть ковалентно связан с молекулами (спиновая метка) либо удерживаться в исследуемой системе за счет физических взаимодействий (спиновой зонд). Сущность заключается в том, что форма спектра ЭПР нитроксильных радикалов зависит от свойств микроокружения: вязкости, характера и молекулярного движения, локальных магнитных полей и др. Спин-метки, ковалентно связанные с различными группами биополимеров, являются индикатором состояния структуры биополимера. С помощью спиновых меток исследуются пространственная структура биополимеров, структурные изменения белков при денатурации, образовании комплексов фермент - субстрат, антиген - антитело и т.д.

С помощью метода спиновых зондов изучаются способы упаковки и подвижность липидов в биомембранах, липид-белковые взаимодействия, структурные переходы в мембранах, вызванные действием различных веществ и т.д. На основе исследования спиновых меток и зондов предложены методы определения лекарственных средств в биол. жидкостях, а также исследуются вопросы направленного транспорта лекарственных средств и т. д.

Таким образом, с помощью ЭПР показано широкое распространение электронных процессов в организме в норме и при возникновении какой-либо патологии. Создание теории и совершенствование техники метода ЭПР легло в основу квантовой электроники как раздела науки, привело к созданию молекулярных генераторов и усилителей радиоволн (мазеров) и света - лазеров (см.), нашедших широкое применение во многих областях народного хозяйства.

Блюменфельд Л. А., Воеводский В. В. и Семенов А. Г. Применение электронного парамагнитного резонанса в химии, Новосибирск, 1962, библиогр.; Вертц Дж. и Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР, пер. с англ.. М., 1975, библиогр.; Ингрэм Д. Электронный парамагнитный резонанс в биологии, пер. с англ.. М., 1972; Калмансон А. Э. Применение метода электронного парамагнитного резонанса в биохимии, в кн.: Усп. биол. хим., под ред. Б. Н. Степаненко, т. 5, с. 289, М., 1963; Кузнецов А. Н. Метод спинового зонда. М., 1976; Лихтенштейн Г. И. Метод спиновых меток в молекулярной биологии, М., 1974; Метод спиновых меток, под ред. Л. Берлинера, пер. с англ., М., 1979; Свободные радикалы в биологии, под ред. У. Прайора, пер. с англ., т. 1, с. 88, 178, М., 1979.

К. Н. Тимофеев.

2.3. Изучение кинетики полимеризации

2.4. Определение и изучение межмолекулярных и внутримолекулярных водородных связей

2.5. Определение степени кристалличности полимеров

2.7. Заключение

Глава 3. Метод ядерного магнитного резонанса

3.1. Основы метода

3.2. Области применения ЯМР-спектроскопии в макромолекулярной химии

3.3. Примеры применения метода ЯМР

Определение структуры вещества

Определение молекулярной массы полимера

Изучение процессов комплексообразования

О возможности определения стереорегулярности полимеров

Определение состава сополимера

Корреляция химических сдвигов винильных соединений с их параметрами и индексами реакционной способности

3.4. Заключение

Глава 4. Рентгеновская спектроскопия

4.1. Общие положения

4.2. Примеры применения рентгеноструктурного анализа

4.3. Определение степени кристалличности полимеров

4.4. Заключение

Глава 5. Полярографический метод в химии полимеров

5.1. Общие положения

5.2. Области применения полярографии в химии полимеров

5.3. Качественная идентификация полимеров

5.4. Контроль синтеза макромолекул

5.7. Заключение

Глава 6. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса

6.1. Краткие основы метода

6.3. Исследование структуры радикалов и молекулярных движений

6.4. Исследование химических процессов в полимерах

3.5. Заключение

Глава 7. Флуоресценция полимеров

7.1. Суть метода

7.2. Области применения флуоресценции

7.3. Флуоресценция полимеров

7.4. Различение полимеров и добавок

7.5. Определение молекулярной массы

7.6. Заключение

Глава 8. Масс-спектрометрия полимеров

8.1. Общие положения

8.3. Масс-спектры карбазолов

8.4. Заключение

Глава 9. Диэлектрические методы исследования строения полимеров

9.1. Термины и их определение

9.2. Зависимость диэлектрических свойств от строения полимерных материалов

9.3. Диэлектрические свойства поливинилкарбазолов

9.4. Электрофотографический метод

9.5. Фоточувствительные свойства поливинилкарбазола

9.6. Заключение

Глава 10. Хроматографические методы в химии полимеров

10.1. Общие положения

10.2. Гель-проникающая хроматография.

10.3. Тонкослойная хроматография полимеров

10.4. Пиролитическая газовая хроматография

10.5. Заключение

Глава 11. Определение некоторых параметров полимеризации

11.1. Методы определения скорости полимеризации

11.2. Расчет состава сополимеров

11.3. Заключение

Глава 12. Методы термического анализа полимерных материалов

12.1. Термогравиметрический метод

12.3. Заключение

Глава 13. Методы определения физических состояний полимеров

13.1. Термомеханический метод

13.2. Частотно-температурный метод определения физических состояний аморфных линейных полимеров

13.4. Заключение

Глава 14. Методы измерения внутреннего трения

14.1. Способы измерения внутреннего трения

14.2. Терморелаксационные кривые полимеров

14.3. Заключение

Глава 15. Методы измерения акустических характеристик полимеров

15.1. Методы измерения акустических характеристик

15.2. Области применения

15.3. Заключение

Глава 16. Методы определения вязкости расплавов и растворов полимеров

16.1. Капиллярная вискозиметрия

16.2. Ротационная вискозиметрия

16.3. Измерения вязкости разбавленных растворов полимеров

16.4. Заключение

Глава 17. Методы определения молекулярной массы и молекулярно-массового распределения полимеров

17.1. Методы определения молекулярных масс полимеров

17.2. Определение молекулярной массы по концевым группам

17.3. Методы определения молекулярно-массового распределения полимеров

17.4.Области применения ММР в исследовательской практике

17.5. Влияние конверсии мономера на ММР

17.6. Температура полимеризации и ее связь с молекулярной массой.

17.7. Вязкость расплавов полимеров

17.8. Заключение

Глава 18. Механические свойства полимерных материалов и методы их определения

18.1. Области применения механических свойств

18.2. Методы определения важнейших механических показателей полимерных материалов

18.3. Заключение

Список литературы

Глава 6. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса

6.1. Краткие основы метода

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса(ЭПР) – это явление резонансного поглощения энергии электромагнитных волн парамагнитными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле. Это поглощение возникает вследствие того, что неспаренные

электроны парамагнитных частиц ориентируются в постоянном магнитном поле так, что их собственный момент количества движения (спин) направлен либо по полю, либо против поля. Поглощение представляет собой функцию неспаренных электронов, содержащихся в

исследуемом		Вследствие		поглощения
высокочастотного поля образцом появляется сигнал ЭПР. Спектр ЭПР
представляет собой зависимость поглощения микроволновой энергии от
внешнего	магнитного			Поглощениепля
сверхвысокочастотного магнитного поля регистрируется либо на экране
осциллографа, либо на самописце радиоспектрометра.
	рис. 6.1 приведена					ЭПР-спектре

гипотетического соединения.

радикала. Для этих целей составлены атласы спектров ЭПР различных соединений. Для интерпретации спектров ЭПР важны следующие параметры линий: форма, интенсивность, положение и расщепление.

Следует заметить, что приборы сразу же выдают первую производную кривой поглощения энергии (рис. 6.1).

Интенсивность линии ЭПР-спектра – это площадь под его кривой. Она пропорциональна числу неспаренных электронов в образце. За положение линии в спектре ЭПР принимается точка, в которой первая

~O -CH -O ~

Рис. 6.2. Схема появления сверхтонкого расщепления в ЭПР-спектре срединного радикала полиформальдегида

	когда система	содержит ядра с магнитным моментом,
например протон (Н1 ), вблизи неспаренного электрона, на магнитный
момент электрона влияет ориентация магнитного момента. ядраВ
результате такого взаимодействия каждый магнитный энергетический
	электрона	расщепляется				ПодуровнейЭто
взаимодействие электрона и магнитного ядра называется сверхтонким
взаимодействием (СТВ), а		расщепление		энергетических		уровней–
сверхтонким расщеплением (рис. 6.2).
6.2. Области применения ЭПР-спектроскопии в
макромолекулярной химии
ЭПР-спектроскопия			макромолекулярной

используется для изучения свободных радикалов, образующихся в следующих процессах:

· полимеризации (фото-, радиационное инициирование и т. д.);

· деструкции полимеров;

· окисление полимеров;

· расщепление макромолекул при механодеструкции.

6.3. Исследование структуры радикалов и молекулярных движений

Энергия СТВ неспаренного электрона с ядрами складывается из двух частей – изотропной и анизотропной. Так, изотропная часть определяет энергию дипольного взаимодействия электрона с ядром, и она зависит от угла между осьюр -орбитали неспаренного электрона и направлением постоянного магнитного поля. Анизотропное СТВ проявляется в спектре ЭПР радикалов в твердых телах, где ориентация радикалов жестко фиксированы. В жидкостях анизотропное СТВ отсутствует.

полиэтилена -CH 2 - CH - CH 2 - CH - (рис. 6.3).

В поликристаллическом полимере спектр состоит из шести линий

(рис. 6.3, а ). Это	обусловлено тем, что		взаимодействие		неспаренного
электрона	осуществляется
магнитноэквивалентными		протонами,			константы
примерно одинаковы.

Рис. 6.3. Спектры ЭПР срединного радикала полиэтилена в поликристалле (а ) и в монокристалле при ориентации оси макромолекулы вдоль поля (б ) и перпендикулярно полю (в )

Однако спектр полиэтилена ориентированного, в котором зигзаг цепи полимера расположен вдоль направления поля, уже имеет пять линий (рис. 6.3, б ). Этот ЭПР-спектр обусловлен взаимодействием неспаренного электрона только с четырьмя протонами. Взаимодействие с α-водородом в этой ориентации мало и не проявляется в спектре.

Если теперь повернуть поле и направить его вдольр -орбитали, перпендикулярно зигзагу цепи, то появляются 10 линий (рис. 6.3, в ). Удвоение числа линий связано с расщеплением на α-протоне, которое при этой ориентации достаточно велико.

Рис. 6.4. Спектры ЭПР срединного ~CH2 - C H - CH2 ~ (а ) и концевого

~CH2 - C H2 (б ) макрорадикалов полиэтилена

В полиэтилене цепи имеют плоскую конформацию, и поэтому в срединном радикале все пять протонов, ближайших к реакционному центру радикала, магнитно эквивалентны. Спектр ЭПР такого радикала (рис. 6.4, а ) состоит из шести линий, распределение интенсивностей которых описывается биномиальным законом. Спектр ЭПР концевого радикала состоит из пяти линий (рис. 6.4, б ).

6.4. Исследование химических процессов в полимерах

Метод ЭПР используется для обнаружения, радикалов исследования их превращений и радикальных реакций в полимерах.

Для исследования химических процессов важно не только идентифицировать радикалы, но и измерить их концентрации. Прямое определение свободных радикалов с помощью ЭПР в ходе свободнорадикальной полимеризации в настоящее время не совсем успешно. Это обусловлено тем, что при обычных экспериментальных скоростях полимеризации концентрация радикалов очень мала.

Методом ЭПР идентифицированы растущие макрорадикалы в жидкой и твердой фазах, определены их концентрации, найдены константы скорости роста и обрыва цепей.