ЕЛЕКТРОННИЙ ПАРАМАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС
ЕЛЕКТРОННИЙ ПАРАМАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС (ЕПР)- резонансне поглинання електромагнітних хвиль речовинами, що містять парамагнітні частки. Методи, засновані на ЕПР, знайшли широке застосування у лабораторній практиці. З їх допомогою вивчають кінетику хімічних та біохімічних реакцій, роль вільних радикалів у процесах життєдіяльності організму в нормі та при патології, механізми виникнення та перебігу фотобіологічних процесів. і т.д.
Явище ЕПР було відкрито радянським ученим Б. К. Завойським у 1944 році. Електронний парамагнітний резонанс характерний тільки для парамагнітних частинок (частин, здатних намагнічуватися при додатку до них магнітного поля) з некомпенсованим електронним магнітним моментом, який, у свою чергу, обумовлений власним механічним моментом електрона - спином. Електронам притаманне особливого роду внутрішній рух, який можна порівняти з обертанням дзиги навколо своєї осі. Пов'язаний із ним момент кількості руху називають спином. Завдяки спину електрон має постійний магнітний момент, спрямований протилежно спину. У більшості молекул електрони розташовуються на орбіталях таким чином, чого їх спини спрямовані протилежно, магнітні моменти компенсовані, і сигнал ЕПР від них спостерігати не вдається. Якщо магнітне поле електрона не компенсовано спином іншого електрона (тобто молекула містить неспарені електрони), то реєструється сигнал ЕПР. Частинками з неспареними електронами є вільні радикали, іони багатьох металів (залізо, мідь, марганець, кобальт, нікель та ін.), ряд вільних атомів (водень, азот, лужні метали та ін.).
Без зовнішнього магнітного полянапрямок (орієнтація) магнітного моменту електрона у просторі може бути будь-яким; енергія такого електрона залежить від орієнтації його магнітного моменту. Відповідно до законів квантової механіки у зовнішньому магнітному полі орієнтація магнітного моменту електрона може бути довільної — може бути спрямований або за напрямом магнітного поля, або протилежно йому.
Відповідно до орієнтації магнітного моменту електрона його енергія в магнітному полі також може приймати лише два значення: мінімальне Е1 - при орієнтації магнітного моменту «по полю» і максимальне Е2 - при його орієнтації «проти поля» і різниця в енергіях цих станів (дельта Е ) обчислюється за такою формулою: ΔЕ = gβH, де β — магнетон Бора (одиниця виміру магнітного моменту електрона), H — напруженість магнітного поля, g — константа, що залежить від електронної структури парамагнітної частки. Якщо на систему неспарених електронів у зовнішньому магнітному полі діятиме електромагнітним випромінюванням, енергія кванта якого дорівнює ΔE, то під впливом випромінювання електрони почнуть переходити зі стану з меншою енергією в стан з більшою енергією, що супроводжуватиметься поглинанням випромінювання речовиною.
ЕПР відносять до методів радіоспектроскопії, оскільки для спостереження електронного парамагнітного резонансу застосовуються випромінювання радіочастотному діапазоні електромагнітних хвиль.
ЕПР реєструється за допомогою спеціальних приладів – радіоспектрометрів. До їх складу входять: електромагніт, джерело радіочастотного випромінювання, лінія передачі випромінювання від джерела до зразка (хвильоводи), резонатор, в якому знаходиться досліджуваний зразок, системи детектування, посилення та реєстрації сигналу. Найбільш поширені радіоспектрометри, у яких використовуютьсяелектромагнітні випромінювання із довжинами хвиль 3,2 см або 8 мм.
Реєстрація сигналу ЕПР проводиться в такий спосіб. Напруженість магнітного поля, створюваного електромагнітом, лінійно змінюється у межах. При значеннях напруженості, які відповідають умові резонансу, зразок поглинає енергію електромагнітного випромінювання. Лінія поглинання (сигнал ЕПР) є залежністю потужності випромінювання, поглиненого зразком, від напруженості магнітного поля. У радіоспектрометрах сигнал ЕПР реєструється у вигляді першої похідної лінії поглинання.
Для опису та аналізу спектрів ЕПР використовується ряд параметрів, що характеризують інтенсивність ліній, їх ширину, форму, а також положення в магнітному полі. Інтенсивність ліній ЕПР за інших рівних умов пропорційна концентрації парамагнітних частинок, що дозволяє проводити кількісний аналіз.
При розгляді явища ЕПР слід враховувати, що магнітний момент неспареного електрона взаємодіє як з магнітним полем електромагніту, а й з магнітними полями, створюваними оточенням електрона: іншими неспареними електронами, магнітними ядрами (див. Ядерний магнітний резонанс). Взаємодія неспарених електронів з ядрами часто призводить до розщеплення спектра ЕПР ряд ліній. Аналіз таких спектрів дозволяє ідентифікувати природу парамагнітних частинок, оцінювати характер та ступінь їхньої взаємодії один з одним.
Участь парамагнітних частинок у хімічних реакціях, молекулярний рух та інші кінетичні ефекти також впливають на форму спектра ЕПР. Тому ЕПР використовують для виявлення, оцінки кількості та ідентифікації парамагнітних частинок, дослідження кінетики хімічних та біохімічних реакцій та молекулярної динаміки.
За допомогою ЕПР втканинах тварин і рослин визначають парамагнітні іони (заліза, міді, марганцю, кобальту і т. д.), які входять до складу металопротеїдів, що беруть участь у реакціях перенесення електронів по електронтранспортних ланцюгах і ферментативному каталізі, а також в кисневих пігментах (гемоглобіні). За допомогою ЕПР вдається дослідити окислювально-відновні перетворення іонів металів та характер взаємодії іонів з їх оточенням, що дозволяє встановити тонку структуру металовмісних комплексів.
Патологічні зміни тканин призводять до змін сигналів ЕПР металопротеїдів, що пов'язують із розпадом парамагнітних комплексів металів, зміною оточення парамагнітних іонів, переходом іонів до інших комплексів. Проте дослідження природи парамагнітних центрів тканин, особливо вільних радикалів, пов'язані з певними труднощами через складність розшифровки спектрів ЭПР.
За допомогою ЕПР виявилося можливим дослідити механізми ферментативних реакцій (див. Ферменти). Зокрема, вдається одночасно вивчати як кінетику утворення та витрачання вільних радикалів у ході ферментативних реакцій, так і кінетику окиснювально-відновних перетворень металів, що входять до складу ферментів, що дозволяє встановлювати послідовність стадій ферментативної реакції.
Застосування ЕПР щодо променевого поразки в биол. об'єктах дозволяє отримувати інформацію про природу радикалів, що утворюються в біополімерах, про механізми і кінетику радикальних реакцій, що розвиваються в опромінених об'єктах і призводять до біологічного ефекту. Метод ЕПР може бути застосований в аварійній дозиметрії, наприклад, при випадковому опроміненні людей для оцінки дози опромінення, використовуючи для цього предмети зони опромінення.
Важливе місце займає ЕПР удослідженні фотобіологічних процесів, що протікають за участю вільних радикалів (див. Молекула, вільні Радикали, Фотобіологія, Фотосенсибілізація). За допомогою ЕПР детально вивчають процеси утворення вільних радикалів у білках, нуклеїнових кислотах та їх компонентах при дії ультрафіолетового випромінювання, роль цих радикалів у фотодеструкції біополімерів (див. Світло). Застосування ЕПР дало важливу інформацію про первинні механізми фотосинтезу (див.). Показано, що первинною реакцією фотосинтезу є перенесення електрона від збудженої світлом молекули хлорофілу та утворення катіон-радикалу хлорофілу. Ідентифіковано і природу молекул, що акцептують електрон, що віддається збудженою молекулою хлорофілу.
ЕПР застосовується також і для дослідження структури біологічно важливих макромолекул та біомембран. Наприклад, іони заліза, що входять до складу гему в білках, що містять гему, можуть перебувати у високоспиновому стані (електрони на зовнішніх орбітах не спарені, сумарний спин максимальний) і низькоспиновому (зовнішні електрони повністю або частково спарені, спин мінімальний). Дослідження особливостей сигналів ЕПР високоспінових та низькоспінових станів іонів заліза в гемоглобіні та його похідних сприяли розумінню просторової структури молекули гемоглобіну.
Значних успіхів у вивченні структури біомембран та біополімерів було досягнуто після появи методів спінових зондів та міток (див. Мембрани біологічні). Як спинові мітки і зонди в основному використовуються стабільні нітроксильні радикали (див. вільні Радикали). Нитроксильный радикал то, можливо ковалентно пов'язані з молекулами (спиновая мітка) чи утримуватися в досліджуваної системі з допомогою фізичних взаємодій (спиновой зонд). Сутність полягає в тому, що форма спектруЕПР нітроксильних радикалів залежить від властивостей мікрооточення: в'язкості, характеру та молекулярного руху, локальних магнітних полів та ін. Спін-мітки, ковалентно пов'язані з різними групами біополімерів, є індикатором стану структури біополімеру. За допомогою спінових міток досліджуються просторова структура біополімерів, структурні зміни білків при денатурації, утворенні комплексів ферментів - субстрат, антиген - антитіло і т.д.
За допомогою методу спінових зондів вивчаються способи пакування та рухливість ліпідів у біомембранах, ліпід-білкові взаємодії, структурні переходи в мембранах, спричинені дією різних речовин тощо. На основі дослідження спінових міток та зондів запропоновано методи визначення лікарських засобів у біол. рідинах, а також досліджуються питання спрямованого транспорту лікарських засобів тощо.
Таким чином, за допомогою ЕПР показано широке поширення електронних процесів в організмі в нормі та при виникненні будь-якої патології. Створення теорії та вдосконалення техніки методу ЕПР лягло в основу квантової електроніки як поділу науки, призвело до створення молекулярних генераторів та підсилювачів радіохвиль (мазерів) та світла – лазерів (див.), що знайшли широке застосування у багатьох галузях народного господарства.
Бібліогр.:Ажипа Я. І. Медико-біологічні аспекти застосування методу електронного парамагнітного резонансу, М., 1983; Блюменфельд Л. А., Воєводський Ст Ст і Семенов А. Р. Застосування електронного парамагнітного резонансу в хімії, Новосибірськ, 1962, бібліогр.; Вертц Дж. та Болтон Дж. Теорія та практичні додатки методу ЕПР, пров. з англ. М., 1975, бібліогр.; Інгрем Д. Електронний парамагнітний резонанс у біології, пров. з англ. М., 1972; Калмансон А. Е. Застосування методуелектронного парамагнітного резонансу в біохімії, кн.: Усп. біол. хім., під ред. Б. Н. Степаненко, т. 5, с. 289, М., 1963; Кузнєцов А. Н. Метод спінового зонда. М., 1976; Ліхтенштейн Р. І. Метод спінових міток у молекулярній біології, М., 1974; Метод спінових міток, під ред. Л. Берлінера, пров. з англ., М., 1979; Вільні радикали у біології, під ред. У. Прайора, пров. з англ., т. 1, с. 88, 178, М., 1979.