Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
а. Сущность явления
Парамагнетизм атомов и молекул определяется орбитальным движением электронов и их спинами (собственными механическими моментами электронов, не зависящими от их орбитального состояния). С движением электрона по орбите, как со всяким круговым током, связан магнитный момент ц0рб , относящийся к механическому моменту движущегося электрона р0рб, как
±3*= • (1)
Рорб 2тС Согласно квантовой механике,
p0P6 = Vl(l+ 1)'Н, (2)
Цорб = YWTT) р, (3)
где I — орбитальное квантовое число; Тг — постоянная Планка, делен-
вИ>
ная на 2я;Р =-----------магнетон Бора — естественная единица атом-
2 тс
ного магнетизма.
Если электрон обладает только спиновым моментом (орбитальный момент равен нулю), то
Псп = 2 y’s(sJ+ 1) 3, (4)
Реп = Vs"(s + 1)Й, (5)
где s — спиновое квантовое число. В этом случае
iiSL = —. (6)
Реп тс
Отношение магнитного момента парамагнитной частицы к • её механическому моменту называют гиромагнитным отношением, или
g-фактором, и выражают в единицах •«?—. В этой системе единиц
2 тс
&ор6 s
Если и спиновые, и орбитальные моменты электронов не равны нулю, то в общем случае они складываются и состояние электрона в атоме определяется полным квантовым числом I.
При помещении такого парамагнитного атома в постоянное магнитное поле напряженностью Н энергетические уровни с данным значением 1 расщепляются на 27+1 подуровней (эффект Зеемана).
Emj = mjgfiH, (8)
где trtj — магнитное квантовое число, которое может иметь значения /, /—1, /—2,..., —J. Таким образом, в магнитном поле возникает 27+1 электронных уровней с растоянием между соседними
Д? = g$H. (9)
Переменное электромагнитное поле может индуцировать переходы между этими уровнями при условии совпадения энергии квантов поля с расстоянием между уровнями (резонанс). При этом должны выполняться следующие правила отбора:
Ну1_Н, (10)
kmj=l, (11)
т. е. магнитный вектор переменного поля должен быть перпендикулярен направлению постоянного поля и переходы могут про-
исходить только между соседними уровнями. В связи с несколько большей заселенностью нижних уровней переходы снизу вверх (с поглощением энергии переменного электромагнитного поля) происходят чаще, чем переходы сверху вниз (с излучением), в связи с чем при соблюдении условия резонанса
hv = g$H, (12)
где v — частота переменного поля, образец поглощает электромагнитную энергию. Это явление и носит название электронного парамагнитного резонанса.
В химических и биологических исследованиях наиболее часто имеют дело с парамагнитными частицами, обладающими
чисто спиновым магнетизмом. В этом случае g = 2 и при легко достижимых в лабораторных условиях значениях напряженности постоянного магнитного поля; Н — около 3000 э; резонансная частота v, согласно (12), составляет около 1010 гц. Соответствующее электромагнитное излучение с длиной волны около
3 см относится к области сверхвысоких радиочастот (СВЧ), используемых в- радиолокации. Это обстоятельство определяет технику метода ЭПР.
20 Физические методы исследования белков
291
б. Спектрометры ЭПР
Спектрометры ЭПР можно разделить на три основных типа: видеоспектроскопы, спектрометры с высокочастотной (вч) модуляцией и супергетеродинные радиоспектрометры. Из основного уравнения ЭПР (12) видно, что получить спектр можно двумя способами: меняя частоту v при фиксированном значении Н и меняя напряженность поля при фиксированном значении v. В ЭПР-спектрометрах всех типов используется второй метод, и, таким образом, спектр ЭПР записывается в координатах: интенсивность поглощения I — напряженность магнитного поля Я1.
Рис. 1. Блок-схема видеоспектрометра ЭПР с проходным , резонатором
На рис. 1 приведена блок-схема простого видеоспектрометра 3-сантиметрового диапазона. Уровень СВЧ-мощности, генерируемой клистроном (/), регулируется аттенюатором (2). Генератор (1) согласуется с резонатором (6), в который помещается образец, при помощи фазовращателя (3). Магнитное поле, создаваемое электромагнитом (4), модулируется сетевой частотой при помощи модуляционных катушек (5). Сигнал ЭПР детектируется полупроводниковым диодом (7), усиливается широкополосным усилителем (8) и поступает на вертикальные пластины осциллографа (5). Горизонтальная развертка осциллографа синхронизована с питанием модуляционных катушек. Постоянное поле магнита (4) устанавливается вблизи резонансного значения. Модуляция поля, осуществляемая катушками (5), должна перекрывать линию ЭПР. В момент прохождения поля через резонансное значение часть энергии СВЧ поглощается образцом, и уровень мощности, поступающей на детектор, уменьшается. При синусоидальной развертке это происходит два раза за период. Полоса пропускания усилителя (8) должна быть достаточно широка, чтобы не допустить искажения линии (обычно достаточная полоса 10—104 гц). При такой схеме прибора на экране осциллографа появляется линия поглощения в координатах I — Я. При помощи приборов такого типа удается регистрировать до 1015 свободных радикалов в образце при полуширине
