Метод електронного парамагнітного резонансу

Явище електронного парамагнітного резонансу(ЕПР) було відкрите радянським фізиком Е. К. Завойським у 1944 році. З того часу цей метод швидко розвинувся і нині став незамінним при вивченні структури вільних органічних та неорганічних радикалів.

Розглянемо систему парамагнітних частинок, парамаг­нетизм яких зумовлений наявністю неспареного електрона (вільні радикали, іони змінної валентності). Парамагнетизм таких частинок має, як правило, спіновий характер, тобто зумовлений наявністю нескомпенсованого спінового маг­нітного моменту електрона, який можна записати у вигляді:

(7.16)

де — спінове квантове число (для електрона так званий "жи-фактор" (це є безрозмірна величина, яка у разі чисто "спінового магнетизму", тобто для вільного електрона, становить - магнетон Бора.

При відсутності зовнішнього магнітного поля систему таких парамагнітних частинок можна охарактеризувати деякою середньою енергією У зовнішньому магнітному полі енергія парамагнітної частинки змінюється і стає рівною

(7.17)

де - додаткова енергія, зумовлена взаємодією магніт­ного моменту частинки з зовнішнім магнітним полем. Ця енергія пропорційна індукції магнітного поля і проекції магнітного моменту на напрямок поля:

(7.18)

Проекція спінового магнітного моменту на напрямок зовнішнього магнітного поля може набувати значень, що визначаються формулою

(7.19)

де - магнітне спінове число електрона Знак у формулі (7.19) відтворює той факт, що спінові механічний та магнітний моменти спрямовані в протилежні боки.

(7.20)

Таким чином, система ізоенергетичних частинок з енергією у зовнішньому магнітному полі розпадається на дві підсистеми з енергіями Е1 і Е2 відповідно до двох можливих орієнтацій їх магнітних моментів відносно зовнішнього магнітного поля (рис. 7.5).

Між рівнями можливі переходи, тобто парамагнітні частинки можуть змінювати орієнтацію свого магніт­ного моменту. Однак ймовірність спонтанних, самодовільних переходів частинок між рівнями дуже незначна.

Такі переходи можна викликати (індукувати) опроміненням системи високочастотним електромагнітним полем (НВЧ-випромінюванням) за умови, що квант НВЧ-випромінювання задовольняє умові

Заселеність енергетичних рівнів підлягає розподілу Больцмана, згідно з яким при маємо заселеності рівнів та У цьому випадку кількість переходів з поглинанням енергії буде пеоеважати кількість переходів з випромінюванням енергії В результаті за умови

(7.21)

буде спостерігатись резонансне поглинання енергії високо­частотного електромагнітного поля (НВЧ-випромінювання).

Рис. 7.5. Розщеплення енергетичного рівня парамагнітних частинок.

Для спостереження сигналу поглинання використо­вуються спеціальні прилади - магнітні радіоспектрометри.

Відповідно до (7.21), умову резонансу можна здійснити двома способами:

а) при постійному магнітному полі варі­юється частота

б) при незмінній частоті варіюється індукція магнітного поля

7.3.2. Метод спінових міток (спінових зондів)

Для вивчення структури і функцій біологічних мембран з успіхом застосовується метод спінових міток, або спіно­вих зондів.

Пояснимо суть цього методу. Похідну стійкого вільного радикала, частіше нітроксильного, пов'язують ковалентним зв'язком з будь-якою функціональною групою білка або ліпіду, а потім таку спін-мічену молекулу вбудовують в ліпідний бішар мембран, утворюючи так званий "спіновий зонд". Форма сигналу спінової мітки залежить від оберталь­ної рухливості зонда або тієї його ділянки, до якої вона "пришита" (рис.7.6).

Рис. 7.6. Форми сигналу спінової мітки в залежності від рухливості

зонда.

Використання методу спінових зондів дало можливість встановити цілий ряд цікавих фактів.

Рис. 7.7. Спінові зонди - спін-мічені аналоги стеаринових кислот.

1. Використовуючи в ролі спінових зондів спін-мічені аналоги стеаринових кислот і вводячи їх в оболонки еритро­цитів (рис. 9.28), довели, що відносно жорсткий порядок поширюється на глибину не більш ніж вісім вуглецевих атомів ланцюга від поверхні в глибину мембрани. У на­прямку до центра ліпідного бішару рухливість жирно-кислотних ланцюжків зростає. Оцінка обертальної рухливості дала можливість встановити, що мікров'язкість ліпідного бішару в мембрані еритроцита приблизно дорів­нює в'язкості рослинної олії.

2. Аналогічним чином, шляхом введення в біологічні мембрани спін-мічених жирних кислот або синтезованих на їх основі фосфоліпідів було виявлено зміну структури мембрани при різних випадках патології, а також під дією ліків та інших біологічно активних сполук. Так, було показано, що анестетики збільшують плинність всередині ліпідного бішару мембрани, а холестерин і ДДТ зменшу­ють її.

3. Методом ЕПР було вперше експериментально дове­дено існування фосфоліпідного перевороту. Був виявлений повільний фосфоліпідний переворот в мембран­них везикулах-ліпосомах, або фосфоліпідних бульбашках (рис. 7.8). Саме таким переворотом можна пояснити меха­нізм пасивного транспорту деяких іонів через біологічні мембрани.

Рис. 7.8. Фосфоліпідний переворот в мембранах.