Электронный парамагнитный резонанс

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) широко применяется для исследование конформаций макромолекул и отдельных групп, локальной подвижности их структуры и гидратной оболочки. Явление ЭПР было открыто в СССР в 1944 г. Е. К. Завойским. В парамагнитных полях им было обнаружено интенсивное резонансное поглощение высокочастотной энергии при строго определенных соотношениях напряженности постоянного магнитного поля и частоты.

Явление ЭПР состоит в резонансном поглощении энергии электромагнитного поля парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Однако не все электроны могут быть исследованы при помощи метода ЭПР. Большинство химических соединений состоит из комплексов с заполненными электронными оболочками, в которых все электроны спарены вследствие анти-параллельной связи между ними. В соответствии с принципом Паули в результате попарного взаимодействия электронов их собственные спиновые магнитные моменты взаимно скомпенсированы, а суммарный магнитный момент равен нулю.

ЭПР-поглощение определяется магнитными свойствами вещества, т. е. магнитными свойствами электронов и ядер атомов. Электрон, как движущийся заряд, создает вокруг себя магнитное поле. Движение электрона по орбите приводит к появлению орбитального магнетизма. Однако вклад орбитального электронного магнетизма незначителен, возбужденные орбитальные состояния лежат намного выше основного состояния, в результате чего орбитальный магнетизм в этих атомах практически погашен.

Кроме орбитального движения электрон обладает и собственным механическим вращением — спином и связанным с ним магнитным моментом. Парамагнетизм вещества в твердой фазе обусловлен в основном спиновым магнетизмом электронов. Условием возникновения ЭПР является наличие у частиц исследуемого образца нескомпенсированных магнитных моментов, обусловленных спином неспаренных электронов.
Рис 1. Схема ориентации магнитных моментов электронов в отсутствие внешнего магнитного поля (а) и при помещении образцов в постоянное магнитное поле (б): H – напряженность магнитного поля; E1 и E2 – энергетические уровни

В системах с нечетным числом неспаренных электронов каждый электронный уровень вырожден по спину по крайней мере дважды, т. е. уровни, характеризующиеся положительным и отрицательным значением магнитного квантового числа электрона ms (например, +1/2 и — 1/2), не отличаются по энергии.

В отсутствие внешнего магнитного поля все электроны парамагнитного вещества имеют произвольную ориентацию спина и обладают одинаковыми энергиями, т. е. наблюдается вырождение энергетического уровня (рис. 1, а). При помещении образца, обладающего парамагнетизмом, в постоянное магнитное поле вырождение снимается, т. е. появляются энергетические уровни, связанные с разрешенными ориентациями элементарных магнитных моментов электронов (рис. 1, б). Промежуточные ориентации спинов относительно магнитного поля запрещены условиями квантования.

При наложения внешнего магнитного поля электронные уровни расщепляются на два подуровня с квантовым числом +ms и −ms с разницей в энергии

ΔE = gβH, (2.1)

где Н—напряженность магнитного поля; β = – магнетон Бора, равный 9,274 • 10^-24 Дж • Тл^-1 (е – заряд электрона – 1,6 • 10^-19 Кл; me – масса электрона – 9,1 • 10^{-81 кг;} h – постоянная Планка; с – скорость света); g – фактор спектроскопического расщепления, определяющий величину эффективного магнитного момента частицы.

На рис. 2 представлена схема расщепления энергетических уровней одного неспаренного электрона (спиновое квантовое число системы s = 1/2) при наложении внешнего магнитного поля. При этом энергия частиц, спины которых ориентированы по полю, на 1/2gβH меньше энергии частиц в отсутствие внешнего магнитного поля (Е1 = Е0 – 1/2gβH).
Рис. 2. Схема расщепления энергетических уровней одного неспаренного электрона при наложении внешнего магнитного поля при отсутствии сверхтонкого взаимодействия.

Энергия частиц, спины которых ориентированы против поля на 1/2 gβH, превышает значение в нулевом поле (Е₂ = Е₀ + 1/2gβH). Следовательно, разность энергий уровней равна gβH. Электроны в подсистемах Е₁ и Е₂, возникших во внешнем магнитном поле, почти равномерно распределяются по двум уровням энергии с незначительным преобладанием электронов со спином, ориентированным по полю. Распределение электронов по энергетическим уровням зависит от температуры и описывается больцмановским распределением. Между двумя уровнями возможны энергетические переходы, в результате которых ориентация спинов будет изменяться на противоположную. Согласно основным принципам квантовой механики, переходы между энергетическими состояниями могут быть вызваны поглощением кванта. Если на спиновую систему, находящуюся в постоянном магнитном поле, воздействовать переменным сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным полем с частотой ν и энергией квантов hν то при условии резонанса

hν = ΔE = gβH (2.2)

индуцируются переходы между указанными энергетическими уровнями, т. е.

происходит обращение спинов. При переходе с нижнего уровня Е₁ на верхний E₂ происходит поглощение энергии электромагнитного поля; одновременно с такой же вероятностью осуществляются переходы с уровня E₂ на уровень Е₁ с испусканием энергии. Как правило, поглощение превышает индуцированную эмиссию. Общее число неспаренных электронов в системе и разница в заселенности электронами двух энергетических уровней определяют интенсивность наблюдаемого сигнала ЭПР.

Рис.3. Схема, иллюстрирующая происхождение сигнала ЭПР в виде производной (3) от истинной кривой (2) поглощения при помощи модуляции (J) электромагнитного поля: J — интенсивность поглощения СВЧ-энергии

Из условия резонанса hν = gβH очевидно, что наблюдение спектра ЭПР вследствие резонансных переходов электронов можно проводить двумя принципиально различными способами: 1) изменять напряженность магнитного поля Н при фиксированном значении частоты ν; 2) изменять ν при фиксированном значении Н. На практике ЭПР-спектрометры работают на фиксированной частоте ν излучения при изменении H. Запись спектра ЭПР осуществляется в координатах I_пог =f(H) при ν =соnst, где I_пог – интенсивность поглощения СВЧ-энергии. В целях повышения чувствительности ЭПР-спектрометров регистрируется не интенсивность поглощения энергии, а первая производная спектра ЭПР – I΄_пог,что достигается введением высокочастотной (ВЧ) амплитудной модуляции магнитного поля. На рис. 3 представлена схема, иллюстрирующая возникновение сигнала ЭПР в виде первой производной. При регистрации линии поглощения 2 ВЧ-модуляция магнитного поля 1 вызывает появление сигнала ЭПР 3, амплитуда которого пропорциональна величине первой производной поглощения при данном значении напряженности магнитного поля H. Основными параметрами сигнала ЭПР являются фактор спектроскопического расщепления (g-фактор), интенсивность (количество неспаренных электронов в образце), ширина и форма линии.

Фактор спектроскопического расщепления характеризует положение линии в спектре ЭПР, определяемое тем, насколько свойства неспаренных электронов, ответственные за поглощение энергии в данном веществе, близки к свойствам свободного электрона, магнетизм которого обусловлен только спином, а g-фактор равен 2,0023. Значение g-фактора, который используется для идентификации парамагнитных центров, может быть определено из уравнения hν = gβH при одновременном измерении напряженности Н резонансного магнитного поля с помощью протонного датчика и частоты ν СВЧ-энергии, при которой происходит поглощение. Для большинства парамагнитных центров g-фактор отличается от значения 2,0023 в сторону как уменьшения, так и увеличения.

В связи с тем, что оценка абсолютного количества спинов в образце связана с ошибками, проводят сравнительные определения амплитуды сигнала ЭПР или площади под кривой поглощения по отношению к стандартам. Чувствительность ЭПР-спектрометров составляет 5 • 10¹⁰ неспаренных электронов при ширине линии ЭПР 1Э.

Ширина линии ЭПР, зависящая от концентрации парамагнитных центров и взаимодействия их с растворителем, позволяет получить информацию о характере взаимодействия неспаренных электронов друг с другом, с решеткой, о степени делокализации неспаренных электронов на многих центрах. Ширина линии ЭПР, измеряемая в эрстедах, определяется обычно сравнением с точно известной шириной линии стандартного образца. Для ряда парамагнитных комплексов металлов при комнатной температуре наблюдается уширение сигнала ЭПР, вследствие чего его нельзя зарегистрировать. Понижая температуру образца, можно за счет ослабления спин-решеточной релаксации повысить время жизни спина системы в возбужденном состоянии, что дает возможность зарегистрировать сигнал ЭПР этой системы. Сигналы ЭПР большинства парамагнитных комплексов в биологических объектах регистрируются по этой причине при температуре жидкого азота (77 К) и ниже.

Форма линий спектра ЭПР, характеризующаяся формулами Гаусса или Лоренца, определяется функциональной зависимостью интенсивности поглощения от частоты СВЧ-энергии или напряженности магнитного поля.

Для парамагнитных центров, содержащих магнитные ядра, в спектре ЭПР возможно наблюдение сверхтонкой структуры (СТС), которая возникает в результате взаимодействия неспаренных электронов с магнитными моментами ядер.Аналогично электронным спинам ядерные магнитные моменты, подчиняясь закону пространственного квантования, ориентируются в магнитном поле дискретно (либо вдоль внешнего магнитного поля, либо против него). Ядра многих атомов обладают спином и, следовательно, собственным магнитным моментом, который по абсолютной величине на три порядка меньше магнитного момента электрона. Количество компонентов сверхтонкой структуры определяется значениями ядерного спина данного атома по формуле 2I + 1. где I – значение ядерного спина атома. Следовательно, взаимодействие электрона с ядром приводит к расщеплению каждого электронного уровня энергии на 2I+ 1 уровней. Вследствие этого резонансное поглощение также расщепляется на 2I+ 1 равноудаленных линий одинаковой интенсивности.

Число компонентов сверхтонкой структуры, величина расщепления, распределение интенсивностей между компонентами и ширина отдельных компонент позволяют сделать вывод не только о деталях строения молекулы, но и о распределении плотности неспаренного электрона между различными атомами, об электронной структуре атома с данным магнитным ядром, а также о взаимодействии парамагнитной частицы с окружающей средой.

Следовательно, исследование сверхтонкой структуры спектров ЭПР имеет значение для идентификации строения свободных радикалов и парамагнитных комплексов. Анализ параметров сверхтонкой структуры позволяет судить о природе лигандов в координационной сфере металлов переходной группы, а также о характере связи этих лигандов с центральным атомом.

Дата добавления: 2015-07-19