Реферат на тему:

«Електронний парамагнітний резонанс в медико-біологічних дослідженнях»

Електронний парамагнітний резонанс і його медико-біологічні застосування

У атома, поміщеного в магнітне поле, спонтанні переходи між підрівнями одного і того ж рівня маловірогідні. Проте такі переходи здійснюються індукований під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Необхідною умовою є збіг частоти електромагнітного поля з частотою фотона, відповідного різниці енергій між розщепленими підрівнями. При цьому можна спостерігати поглинання енергії електромагнітного поля, яке називають магнітним резонансом.

Залежно від типу частинок— носіїв магнітного моменту — розрізняють електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і ядерний магнітний резонанс (ЯМР).

ЕПР відбувається в речовинах, що містять парамагнітні частинки: молекули, атоми, іони, радикали, що володіють магнітним моментом, обумовленим електронами. Виникаюче при цьому явище Зеємана пояснюють розщеплюванням електронних рівнів (звідси назва резонансу — «електронний»). Найбільш поширений ЕПР на частинках з магнітним моментом чисто спину (у зарубіжній літературі такий різновид ЕПР іноді називають електронним резонансом спину).

ЕПР був відкритий Е. К. Завойськім в 1944 р. У перших дослідах спостерігалося резонансне поглинання в солях іонів групи заліза. Завойському вдалося вивчити ряд закономірностей цього явища.

З виразів (29.1) і (30.3) одержуємо наступну умову резонансного поглинання енергії:

Магнітний резонанс спостерігається, якщо на частинку одночасно діють постійне магнітне поле індукції Врез і електромагнітне поле з частотою v. З умови (30.9) зрозуміло, що знайти резонансне поглинання можна двома шляхами: або при незмінній частоті плавно змінювати магнітну індукцію, або при незмінній магнітній індукції плавно змінювати частоту. Технічно більш зручним виявляється перший варіант.

На мал. 30.6 показані розщеплювання енергетичного рівня електрона (а) і зміна потужності Р електромагнітної хвилі, що пройшла зразок, залежно від індукції магнітного поля (б). При виконанні умови (30.9) виникає ЕПР.

Форма інтенсивність спектральних ліній, спостережуваних в ЕПР, визначаються взаємодією магнітних моментів електронів, зокрема спинів, один з одним, з гратами твердого тіла і т.п. З'ясуємо, як ці чинники впливають на характер спектрів.

Припустимо, що умова (30.9) виконується поглинання енергії необхідно, щоб у атомів речовини була велика населеність нижніх підрівнів, ніж верхніх. Інакше переважатиме індуковане випромінювання енергії.

При електронному парамагнітному резонансі разом з поглинанням енергії і збільшенням населеності верхніх підрівнів відбувається і зворотний процес — безвипромінювальні переходи на нижні підрівні, енергія частинки передається гратам.

Процес передачі енергії частинок гратам називають спін-решіточної релаксацією, він характеризується часом т. По співвідношенню Гейзенберга (28.11) це приводить до розширення рівня.

Таким чином, резонансне поглинання викликається не точно при одному значенні б, а в деякому інтервалі АВ (мал. 30.7). Замість нескінченно вузької лінії поглинання буде лінія кінцевої ширини: чим менше час спін-решеточной релаксації, тим більше ширина лінії (п < Т2, відповідно криві / і 2 на мал. 30.7).

Розширення ліній ЕПР залежить також від взаємодії спинів електронів (спін-спінова взаємодія) і від інших взаємодій парамагнітних частинок. Різні типи взаємодії впливають не тільки на ширину лінії поглинання, але і на її форму.

Поглинена при ЕПР енергія, тобто інтегральна (сумарна) інтенсивність лінії, за певних умов пропорційна числу парамагнітних частинок. Звідси витікає, що по зміряній інтегральній інтенсивності можна судити про концентрацію цих частинок.

Важливими параметрами, що характеризують синглетную (одиночну) лінію поглинання, є v, Bpe3, g- (положення точки резонансу), відповідні умові (30.9). При постійній частоті v значення Врез залежить від g-чинника. У простому випадку g-чинник дозволяє визначити характер магнетизму системи (спин або орбітальний). Якщо ж електрон пов'язаний з атомом, що входить до складу твердих кристалічних грат або якої-небудь молекулярної системи, то на нього впливатимуть сильні внутрішні поля. Вимірюючи g чинник, можна одержати інформацію про поля і внутрішньомолекулярні зв'язки.

Проте якби при дослідженні виходила тільки синглетная лінія поглинання, то багато додатків магнітних резонансних методів були б неможливі. Більшість додатків, у тому числі і медико-біологічних, базується на аналізі групи ліній. Наявність в спектрі ЕПР групи близьких ліній умовно називають розщеплюванням. Є два характерні типи розщеплювання для спектру ЕПР.

Перше — електронне розщеплювання — виникає в тих випадках, коли молекула або атом володіють не одним, а декількома електронами, що викликають ЕПР. Друге — надтонке розщеплювання — спостерігається при взаємодії електронів з магнітним моментом ядра.

Сучасна методика вимірювання ЕПР ґрунтується на визначенні зміни якого-небудь параметра коливальної системи, що відбувається при поглинанні електромагнітної енергії.

Прилад, використовуваний для цієї мети, називають спектрометром ЕПР. Він складається з наступних основних частин (мал. 30.8): / — електромагніт, що створює сильне однорідне магнітне поле, індукція якого може плавно змінюватися; 2 — генератор СВЧ -т- випромінювання електромагнітного поля; 3 — спеціальний «поглинаючий осередок», який концентрує падаюче СВЧ-випромінювання на зразку і дозволяє знайти поглинання енергії зразком (об'ємний резонатор); 4 — електронна схема, що забезпечує спостереження або запис спектрів ЕПР; 5 — зразок; 6 — осцилограф.

На сучасному вітчизняному ЭПР-спектрометрі «Рубін» (мал. 30.9) використовують частоту близько 10 ГГц (довжина хвилі 0,03 м). Це означає відповідно до (30.9), що максимум ЕПР поглинання для g = 2 спостерігається при В — = 0,3 Тл.

Практично на ЭПР-спектрометрах реєструють не криву поглинання енергії (мал. 30.10, а), а її похідну (мал. 30.10,6).

Одне з медико-біологічних застосувань методу ЕПР полягає у виявленні і дослідженні вільних радикалів. Так, наприклад, спектри ЕПР опромінених білків дозволили пояснити механізм утворення вільних радикалів і у зв'язку з цим прослідити змін первинних і вторинних продуктів радіаційного ураження.

ЕПР широко використовують для вивчення фотохімічних процесів,