What is EPR banner

Что такое ЭПР?

ЭПР (Электронный Парамагнитный Резонанс) – это спектроскопический метод регистрации частиц, содержащих неспаренные электроны. Неспаренные электроны могут быть обнаружены в удивительно большом количестве объектов, включая свободные радикалы, ионы многих переходных металлов и дефекты кристаллических решеток. Свободные радикалы, как правило, имеют короткое время жизни, однако они играют важную роль во многих (био-)химических процессах, таких как фотосинтез, окисление, катализ, (де-)полимеризация и др. Поэтому метод ЭПР чрезвычайно эффективно применяется сразу во многих научных дисциплинах, включая химию, физику, биологию, материаловедение и биомедицину.

Какая польза от ЭПР?

ЭПР – единственный способ прямого обнаружения неспаренных электронов. Другие методы, такие как флюоресценция, могут дать лишь косвенные свидетельства присутствия свободных радикалов, но только ЭПР предоставляет бесспорные доказательства. Метод ЭПР предоставляет также уникальную возможность идентификации регистрируемых парамагнитных частиц. Кроме того, поскольку парамагнитные центры очень чувствительны к своему локальному окружению, они могут пролить свет на структуру молекулы в окрестности неспаренного электрона. В некоторых случаях сильное изменение ширины спектральных линий может дать важную информацию о динамических процессах в исследуемом образце, таких как молекулярная подвижность и текучесть.

 

Хорошей иллюстрацией практического применения ЭПР-спектроскопии для регистрации и идентификации радикалов является метод спиновых ловушек, позволяющий детектировать высокореактивные и, следовательно, короткоживущие свободные радикалы. Эта методика имеет жизненно важное значение в биомедицинских исследованиях для выяснения роли свободных радикалов во многих патологиях и токсических процессах.

 

Спиновые метки – еще один метод, используемый биохимиками, который заключается в том, что парамагнитная молекула (спиновая метка) используется для "маркирования" конкретной области макромолекулы. Полученные от спиновой метки ЭПР-спектры могут помочь определить тип и характеристики среды (гидрофобность, рН, текучесть и др.), с которой соприкасается спиновая метка, и, соответственно, связанный с ней участок молекулы.

ESEEM и ENDOR – два популярных метода ЭПР, которые применяются для изучения взаимодействия неспаренного электрона с окружающими магнитными ядрами и являются чрезвычайно информативными при исследовании "активных центров" в металлопротеинах.

 

Еще одно важное практическое применение – количественный ЭПР-анализ для задач дозиметрии (определение числа наведенных радиацией парамагнитных центров в образце). Метод используется для измерение дозы стерилизующего облучения некоторых продуктов питания и медицинских материалов, обнаружение облученных продуктов и датирование исторических артефактов.

Как работает ЭПР?

ЭПР является магнитно-резонансный методом, принципиально схожим с ЯМР (Ядерным Магнитным Резонансом), однако вместо измерения ядерных переходов в нашем образце мы регистрируем переходы неспаренных электронов в приложенном внешнем магнитном поле. Так же как и протоны, электроны обладают так называемым "спином", который определяет магнитное свойство частицы, известное как магнитный момент.

 

Магнитный момент заставляет электрон вести себя как маленький стержневой магнит. Когда мы прикладываем внешнее магнитное поле, магнитные моменты неспаренных электронов оказываются ориентированными параллельно или антипараллельно выделенному направлению внешнего поля, что определяет два различных энергетических уровня и позволяет нам наблюдать переходы неспаренных электронов между ними.

EPR Basics Rus

 

Изначально большее число электронов находится на нижнем энергетическом уровне (спин параллелен внешнему полю), чем на верхнем (спин антипараллелен). Используя электромагнитное излучение микроволнового диапазона можно "возбудить" некоторые электроны на нижнем уровне, заставив их перейти на верхний уровень. Однако чтобы этот переход произошел, напряженность приложенного магнитного поля должна иметь определенное значение, такое, чтобы разность энергий между верхним и нижним уровнями электрона точно соответствовала энергии кванта микроволнового излучения.

 

Чтобы выполнить это условие мы плавно меняем напряженность внешнего магнитного поля при одновременном облучении образца непрерывным потоком микроволнового излучения с фиксированной частотой. Тот момент, когда величина магнитного поля оказывается "подходящей" для поглощения кванта с заданной частотой (энергией), является моментом возникновения "резонансных условий" и знаменуется появлением пика поглощения СВЧ-излучения на спектре ЭПР.