Введение

Техника изучения материалов, содержащих неспаренные электроны.
Метод датирования.
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) или электронный спиновый резонанс (ЭСР) спектроскопия – это метод исследования материалов, содержащих неспаренные электроны. Основные принципы ЭПР аналогичны принципам ядерного магнитного резонанса (ЯМР), однако в ЭПР возбуждаются спины электронов, а не атомных ядер. ЭПР спектроскопия особенно эффективна при изучении металлокомплексов и органических радикалов. ЭПР был впервые обнаружен в Казанском государственном университете советским физиком Евгением Завойским в 1944 году и независимо разработан в то же время Бребисом Блейни в Оксфордском университете.

Модуляция поля

Как уже упоминалось ранее, спектр ЭПР обычно измеряется непосредственно как первая производная от поглощения. Это достигается с помощью модуляции магнитного поля. К внешнему магнитному полю прикладывается небольшое дополнительное колеблющееся магнитное поле с типичной частотой 100 кГц. Измеряя амплитуду пик-пик, определяется первая производная от поглощения. Использование фазочувствительной детекции позволяет регистрировать только сигналы с той же модуляцией (100 кГц), что приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Следует отметить, что модуляция магнитного поля характерна только для непрерывных ЭПР-измерений, а спектры, полученные в результате импульсных экспериментов, представляются в виде профилей поглощения. Та же идея лежит в основе метода Паунда — Древера — Холла для частотной стабилизации лазеров относительно оптического резонатора с высоким коэффициентом добротности.

Распределение Максвелла и Болцмана

На практике образцы ЭПР состоят из совокупности множества парамагнитных частиц, а не из отдельных изолированных парамагнитных центров. Если популяция радикалов находится в термодинамическом равновесии, её статистическое распределение описывается распределением Больцмана:

где – число парамагнитных центров, занимающих верхнее энергетическое состояние, – постоянная Больцмана, а – термодинамическая температура. При 298 К частоты микроволнового излучения X-диапазона (≈ 9,75 ГГц) дают ≈ 0,998, что означает, что верхний энергетический уровень имеет несколько меньшую населенность, чем нижний. Следовательно, переходы с нижнего уровня на верхний более вероятны, чем обратные, что и обуславливает чистое поглощение энергии. Чувствительность метода ЭПР (то есть минимальное количество обнаруживаемых спинов) зависит от частоты фотонов согласно уравнению:

где – постоянная, – объем образца, – добротность незагруженной микроволновой резонаторной системы (камеры для образца), – коэффициент заполнения резонатора, а – мощность микроволнового излучения в резонаторе спектрометра. Поскольку и являются константами, ~ , то есть ~ , где ≈ 1,5. На практике может изменяться в диапазоне от 0,5 до 4,5 в зависимости от характеристик спектрометра, условий резонанса и размера образца. Высокая чувствительность достигается, следовательно, при низком пределе обнаружения и большом количестве спинов. Таким образом, требуемые параметры:
• Высокая частота спектрометра для минимизации уравнения 2. Распространенные частоты обсуждаются ниже.
• Низкая температура для уменьшения числа спинов на высоком энергетическом уровне, как показано в уравнении 1. Это объясняет, почему спектры часто записывают при температуре кипения жидкого азота или жидкого гелия.

Спектровые параметры

В реальных системах электроны обычно не существуют изолированно, а связаны с одним или несколькими атомами. Это имеет несколько важных последствий: неспаренный электрон может приобретать или терять угловой момент, что может изменить значение его g-фактора, приводя к отклонению от g≈2. Это особенно значимо для химических систем, содержащих ионы переходных металлов. Системы с несколькими неспаренными электронами испытывают электрон-электронные взаимодействия, которые приводят к образованию "тонкой" структуры. Это проявляется в виде разделения нулевого поля и обменного взаимодействия, и может иметь значительную величину. Магнитный момент ядра с ненулевым ядерным спином оказывает влияние на любые неспаренные электроны, связанные с этим атомом. Это приводит к феномену гипертонкого взаимодействия, аналогичному J-расщеплению в ЯМР, которое разделяет сигнал ЭПР-резонанса на дублеты, триплеты и так далее. Дополнительное, более слабое расщепление, обусловленное близлежащими ядрами, иногда называют "сверхтонким" взаимодействием. Взаимодействие неспаренного электрона с окружающей средой влияет на форму спектральной линии ЭПР. Форма линии может предоставить информацию, например, о скоростях химических реакций. Эти эффекты (g-фактор, гипертонкое взаимодействие, разделение нулевого поля, обменное взаимодействие) в атоме или молекуле могут различаться в зависимости от ориентации неспаренного электрона во внешнем магнитном поле. Эта анизотропия зависит от электронной структуры рассматриваемого атома или молекулы (например, свободного радикала) и, следовательно, может предоставить информацию об атомной или молекулярной орбитали, содержащей неспаренный электрон.

Гипертонкая сцепка

Поскольку источником ЭПР-спектра является изменение спинового состояния электрона, ЭПР-спектр для радикала (система S = 1/2) будет состоять из одной линии. Большая сложность возникает из-за взаимодействия спина с близлежащими ядерными спинами. Величина этого взаимодействия пропорциональна магнитному моменту взаимодействующих ядер и зависит от механизма взаимодействия. Взаимодействие осуществляется двумя процессами: диполярным (через пространство) и изотропным (через связь). Это взаимодействие вводит дополнительные энергетические уровни и, как следствие, многолинейные спектры. В таких случаях расстояние между линиями ЭПР-спектра указывает на степень взаимодействия между неспаренным электроном и возмущающими ядрами. Гипертонкая константа взаимодействия ядра напрямую связана с расстоянием между спектральными линиями и, в простейших случаях, фактически равна этому расстоянию. Два распространенных механизма взаимодействия электронов и ядер – контактное взаимодействие Ферми и дипольное взаимодействие. Первое преимущественно относится к изотропным взаимодействиям (не зависящим от ориентации образца в магнитном поле), а второе – к анизотропным взаимодействиям (спектры, зависящие от ориентации образца в магнитном поле). Спиновая поляризация – третий механизм взаимодействия между неспаренным электроном и ядерным спином, особенно важный для электронных органических радикалов, таких как анион бензольного радикала. Для обозначения изотропных гипертонких констант взаимодействия используются символы "a" или "A", а для анизотропных – "B". Во многих случаях можно предсказать изотропную картину гипертонкого расщепления для радикала, свободно вращающегося в растворе (изотропной системы).

Многообразие

Для радикалов, имеющих M эквивалентных ядер, каждое со спином I, ожидаемое количество линий ЭПР составляет 2MI + 1. В качестве примера, метильный радикал CH3 имеет три ядра 1H, каждое с I = 1/2, и поэтому ожидаемое количество линий равно 2MI + 1 = 2(3)(1/2) + 1 = 4, что и наблюдается. Для радикала, имеющего M1 эквивалентных ядер, каждое со спином I1, и группу из M2 эквивалентных ядер, каждое со спином I2, ожидаемое количество линий равно (2M1I1 + 1)(2M2I2 + 1). Например, метоксиметильный радикал имеет два эквивалентных ядра 1H, каждое с I = 1/2, и три эквивалентных ядра 1H, каждое с I = 1/2, и поэтому ожидаемое количество линий равно (2M1I1 + 1)(2M2I2 + 1) = [2(2)(1/2) + 1][2(3)(1/2) + 1] = 3 × 4 = 12, что также соответствует наблюдаемому. Вышесказанное можно расширить для предсказания количества линий для любого числа ядер. Хотя предсказать количество линий легко, обратная задача – интерпретация сложного многолинейного спектра ЭПР и отнесение различных интервалов к конкретным ядрам – более сложна. В часто встречающемся случае ядер с I = 1/2 (например, 1H, 19F, 31P), интенсивности линий, создаваемые популяцией радикалов, каждый из которых содержит M эквивалентных ядер, будут соответствовать треугольнику Паскаля. Например, спектр справа показывает, что три ядра 1H радикала CH3 дают 2MI + 1 = 2(3)(1/2) + 1 = 4 линии в соотношении 1:3:3:1. Расстояние между линиями соответствует гипертонкой константе взаимодействия aH = 23 Гс для каждого из трех ядер 1H. Обратите внимание, что линии в этом спектре являются первыми производными от линий поглощения. В качестве второго примера рассмотрим метоксиметильный радикал H3COCH2. Центр OCH2 даст общую картину ЭПР 1:2:1, каждая компонента которой дополнительно расщепляется тремя метоксиводородами до картины 1:3:3:1, что в сумме дает 3 × 4 = 12 линий, то есть триплет квартетов. Показана симуляция наблюдаемого спектра ЭПР, которая согласуется с предсказанием о 12 линиях и ожидаемой интенсивностью линий. Следует отметить, что меньшая константа взаимодействия (меньшее расстояние между линиями) обусловлена тремя метоксиводородами, а большая константа взаимодействия (расстояние между линиями) – двумя водородами, непосредственно связанными с атомом углерода, несущим неспаренный электрон. Часто константы взаимодействия уменьшаются с увеличением расстояния от неспаренного электрона радикала, но существуют и заметные исключения, такие как этильный радикал (CH2CH3).

Определение ширины резонансной линии

Ширина резонансных линий определяется через магнитную индукцию B и соответствующие единицы измерения, и измеряется вдоль оси x EPR-спектра от центра линии до выбранной опорной точки на линии. Эти определенные ширины называются полуширинами и имеют некоторые преимущества: для асимметричных линий можно указывать значения левой и правой полуширин. Полуширина – это расстояние, измеренное от центра линии до точки, в которой значение поглощения составляет половину максимального значения поглощения в центре резонансной линии. Ширина первого наклона – это расстояние от центра линии до точки максимального наклона кривой поглощения. На практике используется полное определение ширины линии. Для симметричных линий полуширина равна половине полной ширины наклона.

Приложения

Спектроскопия EPR/ESR используется в различных областях науки, таких как биология, химия и физика, для обнаружения и идентификации свободных радикалов в твердом, жидком или газообразном состоянии, а также парамагнитных центров, таких как F-центры.

Химические реакции

EPR – это чувствительный и специфичный метод для изучения как радикалов, образующихся в химических реакциях, так и самих реакций. Например, при разложении льда (твердой H2O) под воздействием высокоэнергетического излучения образуются радикалы, такие как H, OH и HO2. Эти радикалы могут быть идентифицированы и исследованы с помощью EPR. Органические и неорганические радикалы могут быть обнаружены в электрохимических системах и в материалах, подвергающихся воздействию ультрафиолетового света. Во многих случаях представляют интерес реакции образования радикалов и последующие реакции с их участием, а в других случаях EPR используется для получения информации о геометрии радикалов и орбитали неспаренного электрона. EPR полезен в исследованиях гомогенного катализа для характеристики парамагнитных комплексов и реакционноспособных интермедиатов. Спектроскопия EPR является особенно ценным инструментом для изучения их электронной структуры, что необходимо для понимания их реакционной способности. Спектроскопия EPR/ESR применима только к системам, в которых баланс между распадом и образованием радикалов поддерживает концентрацию свободных радикалов выше предела обнаружения используемого спектрометра. Это может быть особенно серьезной проблемой при изучении реакций в жидкостях. Альтернативным подходом является замедление реакций путем исследования образцов, поддерживаемых при криогенных температурах, таких как 77 К (жидкий азот) или 4,2 К (жидкий гелий). Примером такой работы является изучение радикальных реакций в монокристаллах аминокислот, облучаемых рентгеновскими лучами, что иногда позволяет определить энергии активации и константы скорости радикальных реакций.

Медицинские и биологические

Также существуют медицинские и биологические применения ЭПР. Хотя радикалы очень реактивны и обычно не встречаются в высоких концентрациях в биологических системах, были разработаны специальные реагенты для присоединения "спиновых меток", также называемых "спиновыми зондами", к интересующим молекулам. Специально разработанные нереактивные радикальные молекулы могут присоединяться к определенным участкам в биологической клетке, и спектры ЭПР предоставляют информацию об окружении спиновых меток. Спин-маркированные жирные кислоты широко используются для изучения динамической организации липидов в биологических мембранах, взаимодействий липидов с белками и температуры перехода от гелевой к жидкокристаллической фазе. Введение спиновых меток позволяет проводить электронно-резонансную томографию живых организмов. Для эталонных стандартов и рутинного использования в медицине разработана дозиметрическая система, основанная на сигналах ЭПР радикалов, образующихся при облучении поликристаллического α-аланина (радикал деаминирования аланина, радикал отрыва атома водорода и радикал |(CO(OH))\dC(CH3)NH2+). Этот метод подходит для измерения доз гамма- и рентгеновского излучения, электронов, протонов и излучения с высокой линейной энергией (LET) в диапазоне от 1 Гр до 100 кГр. ЭПР может быть использован для измерения микровискозности и микрополярности в системах доставки лекарств, а также для характеристики коллоидных носителей лекарственных средств. Изучение радиационно-индуцированных свободных радикалов в биологических веществах (в контексте исследований рака) представляет дополнительную сложность, поскольку ткани содержат воду, которая (из-за своего дипольного момента) обладает сильным поглощением в микроволновом диапазоне, используемом в спектрометрах ЭПР.

Характеристика материала

Спектроскопия EPR/ESR используется в геологии и археологии как инструмент датирования. Ее можно применять к широкому спектру материалов, таких как органические сланцы, карбонаты, сульфаты, фосфаты, кремнезем или другие силикаты. При применении к сланцам данные EPR коррелируют со степенью зрелости керогена в сланцах. Спектроскопия EPR использовалась для измерения свойств сырой нефти, например, для определения содержания асфальтенов и ванадия. Компонент свободных радикалов в сигнале EPR пропорционален количеству асфальтенов в нефти, независимо от присутствующих в ней растворителей или осадителей. Однако, при воздействии на нефть осадителя, такого как гексан, гептан или пиридин, значительная часть асфальтенов может быть впоследствии извлечена из нефти гравиметрическими методами. Измерение EPR этого экстракта будет зависеть от полярности использованного осадителя. Следовательно, предпочтительнее проводить измерение EPR непосредственно на сырой нефти. Если измерение производится перед сепаратором (в процессе добычи нефти), то может потребоваться также определить нефтяную фракцию в сырой нефти (например, если определенная сырая нефть содержит 80% нефти и 20% воды, то EPR-сигнал будет составлять 80% от сигнала после сепаратора). Археологи использовали EPR для датирования зубов. Радиационное повреждение в течение длительного времени создает свободные радикалы в зубной эмали, которые можно исследовать с помощью EPR и, после надлежащей калибровки, датировать. Аналогично, материал, извлеченный из зубов пациентов во время стоматологических процедур, можно использовать для количественной оценки их кумулятивной дозы ионизирующего излучения. Люди (и другие млекопитающие), подвергшиеся воздействию радиации от атомных бомб, аварии на Чернобыльской АЭС и аварии на Фукусиме, были обследованы этим методом. Продукты, обработанные радиацией, исследовались с помощью спектроскопии EPR с целью разработки методов определения того, подвергался ли продукт облучению и в какой дозе.

Другие применения

В области квантовых вычислений импульсный ЭПР используется для управления состоянием электронных спиновых кубитов в материалах, таких как алмаз, кремний и арсенид галлия.

Высокополевые высокочастотные измерения

Для обнаружения тонких спектроскопических деталей иногда требуются высокочастотные высокополевые измерения EPR. Однако в течение многих лет использование электромагнитов для создания необходимых полей выше 1,5 Т было невозможно, главным образом из-за ограничений традиционных магнитных материалов. Первый многофункциональный миллиметровый EPR-спектрометр со сверхпроводящим соленоидом был описан в начале 1970-х годов группой профессора Ю. С. Лебедева (Российский институт химической физики, Москва) в сотрудничестве с группой Л. Г. Оранского (Украинский институт физики и техники, Донецк), которая начала работу в Институте проблем химической физики, Черноголовка, около 1975 года. Два десятилетия спустя немецкая компания Bruker выпустила EPR-спектрометр W-диапазона в качестве небольшой коммерческой серии, что положило начало расширению методов EPR W-диапазона в академические лаборатории среднего размера. Диапазоны волн: L S C X P K Q U V E W F D — J — 300 100 75 30 20 12.5 8.5 6 4.6 4 3.2 2.7 2 1.1 0.6 1.0 0.8 3 1 3 4 10 15 24 35 50 65 75 95 111 140 190 285 360 0.03 0.1 0.14 0.33 0.54 0.86 1.25 1.8 2.3 2.7 3.5 3.9 4.9 6.8 10.2 12.8

[[Файл:EPR bands.svg|thumb|Изменение EPR-спектра радикала TEMPO нитроксида при изменении микроволнового диапазона (энергии возбуждения).

Микроволновая переправа

В микроволновом мосту содержатся как источник микроволн, так и детектор. В старых спектрометрах для генерации микроволн использовалась вакуумная лампа – клистрон, но в современных спектрометрах применяется диод Ганна. Сразу после источника микроволн расположен изолятор, предназначенный для подавления отражений, возвращающихся к источнику и вызывающих колебания частоты.