ЕЛЕКТРОНЕН ПАРАМАГНИТЕН РЕЗОНАНС
ЕЛЕКТРОНЕН ПАРАМАГНИТЕН РЕЗОНАНС (EPR)- резонансно поглъщане на електромагнитни вълни от вещества, съдържащи парамагнитни частици. Методите, базирани на EPR, са намерили широко приложение в лабораторната практика. С тяхна помощ те изучават кинетиката на химичните и биохимичните реакции (виж Кинетика на биологичните процеси. Химична кинетика), ролята на свободните радикали в жизнените процеси на организма при нормални и патологични състояния (виж Свободни радикали), механизмите на възникване и протичане на фотобиологични процеси (виж Фотобиология) и др.
Феноменът EPR е открит от съветския учен Б. К. Завойски през 1944 г. Електронният парамагнитен резонанс е характерен само за парамагнитни частици, т.е. частици, способни да се магнетизират, когато към тях се прилага магнитно поле) с некомпенсиран електронен магнитен момент, който от своя страна се дължи на собствения механичен момент на електрона - спин. Електроните имат специален вид вътрешно движение, което може да се сравни с въртенето на върха около оста му. Свързаният ъглов момент се нарича спин. Благодарение на спина, електронът има постоянен магнитен момент, насочен противоположно на спина. В повечето молекули електроните са подредени в орбитали по такъв начин, че спиновете им са противоположно насочени, магнитните моменти са компенсирани и EPR сигналът от тях не може да се наблюдава. Ако магнитното поле на един електрон не е компенсирано от въртенето на друг електрон (т.е. молекулата съдържа несдвоени електрони), тогава се записва EPR сигнал. Частиците с несдвоени електрони са свободни радикали, йони на много метали (желязо, мед, манган, кобалт, никел и др.), редица свободни атоми (водород, азот, алкални метали и др.).
При липса на външно магнитно полепосоката (ориентацията) на магнитния момент на електрона в пространството може да бъде всяка; енергията на такъв електрон не зависи от ориентацията на неговия магнитен момент. В съответствие със законите на квантовата механика във външно магнитно поле ориентацията на магнитния момент на електрона не може да бъде произволна - тя може да бъде насочена или в посока на магнитното поле, или срещу него.
В съответствие с ориентацията на магнитния момент на електрона, неговата енергия в магнитно поле също може да приема само две стойности: минималната E1 - когато магнитният момент е ориентиран "по протежение на полето" и максималната E2 - когато е ориентиран "срещу полето", като разликата в енергиите на тези състояния (delta E) се изчислява по формулата: ΔE = gβH, където β е магнетонът на Бор (мерна единица на магнитния момент на електрона), H е силата на магнитното поле, g е константа, зависеща от електронната структура на парамагнитната частица. Ако система от несдвоени електрони във външно магнитно поле е засегната от електромагнитно излъчване, чиято квантова енергия е равна на ΔE, тогава под въздействието на радиацията електроните ще започнат да преминават от състояние с по-ниска енергия към състояние с по-висока енергия, което ще бъде придружено от поглъщане на радиация от веществото.
EPR се нарича метод на радиоспектроскопия, тъй като радиацията в радиочестотния диапазон на електромагнитните вълни се използва за наблюдение на електронен парамагнитен резонанс.
EPR се записва с помощта на специални инструменти - радиоспектрометри. Те включват: електромагнит, източник на радиочестотно лъчение, линия за предаване на радиация от източника до пробата (вълновод), резонатор, в който се намира изследваната проба, системи за откриване, усилване и запис на сигнала. Най-разпространените радиоспектрометри, които използвателектромагнитно излъчване с дължина на вълната 3,2 cm или 8 mm.
Регистрацията на EPR сигнала се извършва по следния начин. Интензитетът на създаденото от електромагнита магнитно поле се променя линейно в определени граници. При стойности на напрежение, съответстващи на резонансното състояние, пробата абсорбира енергията на електромагнитното излъчване. Абсорбционната линия (EPR сигнал) е зависимостта на мощността на излъчване, погълната от пробата, от силата на магнитното поле. В съществуващите радиоспектрометри EPR сигналът се записва като първа производна на абсорбционната линия.
За описание и анализ на EPR спектрите се използват редица параметри, характеризиращи интензитета на линиите, тяхната ширина, форма и позиция в магнитното поле. Интензитетът на EPR линиите при равни други условия е пропорционален на концентрацията на парамагнитни частици, което позволява извършването на количествен анализ.
При разглеждане на феномена EPR трябва да се има предвид, че магнитният момент на несдвоен електрон взаимодейства не само с магнитното поле на електромагнита, но и с магнитни полета, създадени от околната среда на електрона: други несдвоени електрони, магнитни ядра (виж Ядрено-магнитен резонанс). Взаимодействието на несдвоени електрони с ядра често води до разделяне на EPR спектъра на няколко линии. Анализът на такива спектри позволява да се идентифицира природата на парамагнитните частици и да се оцени природата и степента на тяхното взаимодействие помежду си.
Участието на парамагнитни частици в химични реакции, молекулярно движение и други кинетични ефекти също оказват влияние върху формата на EPR спектъра. Следователно EPR се използва за откриване, количествено определяне и идентифициране на парамагнитни частици, изследване на кинетиката на химични и биохимични реакции и молекулярна динамика.
С помощта на EPRтъканите на животните и растенията определят парамагнитни йони (желязо, мед, манган, кобалт и др.), Които са част от металопротеините, участващи в реакциите на пренос на електрони по вериги за транспортиране на електрони и ензимна катализа, както и в пигменти, пренасящи кислород (хемоглобин). С помощта на EPR е възможно да се изследват редокс трансформациите на металните йони и естеството на взаимодействието на йони с тяхната среда, което прави възможно установяването на фината структура на металосъдържащите комплекси.
Патологичните промени в тъканите водят до промени в EPR сигналите на металопротеините, което е свързано с разпадането на парамагнитните метални комплекси, промените в средата на парамагнитните йони и прехода на йони към други комплекси. Изследването на природата на парамагнитните центрове на тъканите, особено на свободните радикали, обаче е свързано с определени трудности поради сложността на дешифрирането на EPR спектрите.
С помощта на EPR беше възможно да се изследват механизмите на ензимните реакции (виж Ензими). По-специално, възможно е едновременно да се изследва както кинетиката на образуването и потреблението на свободни радикали по време на ензимни реакции, така и кинетиката на редокс трансформациите на металите, които са част от ензимите, което позволява да се установи последователността на етапите на ензимната реакция.
Използването на EPR при изследване на радиационни увреждания в биол. обекти дава възможност да се получи информация за природата на радикалите, образувани в биополимерите, за механизмите и кинетиката на радикалните реакции, които се развиват в облъчени обекти и водят до биологичен ефект. Методът EPR може да се използва при аварийна дозиметрия, например в случай на случайно облъчване на хора за оценка на дозата на облъчване, като за това се използват обекти от зоната на облъчване.
EPR играе важна роля визследването на фотобиологичните процеси, протичащи с участието на свободни радикали (виж Молекула, Свободни радикали, Фотобиология, Фотосенсибилизация). EPR се използва за подробно изследване на образуването на свободни радикали в протеини, нуклеинови киселини и техните компоненти под действието на ултравиолетово лъчение и ролята на тези радикали във фоторазграждането на биополимери (виж Светлина). Използването на EPR даде важна информация за първичните механизми на фотосинтезата (виж). Доказано е, че първичната реакция на фотосинтезата е прехвърлянето на електрон от хлорофилна молекула, възбудена от светлина, и образуването на хлорофилен радикален катион. Естеството на молекулите, които приемат електрон, дарен от възбудена хлорофилна молекула, също е идентифицирано.
EPR се използва и за изследване на структурата на биологично важни макромолекули и биомембрани. Например железните йони, които са част от хема в хем-съдържащите протеини, могат да бъдат във високоспиново състояние (електроните във външните орбити не са сдвоени, общият спин е максимален) и с нисък спин (външните електрони са напълно или частично сдвоени, спинът е минимален). Изследванията на характеристиките на EPR сигналите на състояния с висок и нисък спин на железни йони в хемоглобина и неговите производни допринесоха за разбирането на пространствената структура на молекулата на хемоглобина.
Значителен напредък в изследването на структурата на биомембраните и биополимерите е постигнат след появата на спин сондата и методите за етикетиране (вижте Биологични мембрани). Като спин етикети и сонди се използват главно стабилни нитроксидни радикали (вижте Свободни радикали). Нитроксилният радикал може да бъде ковалентно свързан с молекули (спинов етикет) или да се задържи в изследваната система поради физически взаимодействия (спинова сонда). Същността е, че формата на спектъраEPR на нитроксидните радикали зависи от свойствата на микросредата: вискозитет, природа и молекулярно движение, локални магнитни полета и др. Спиновите етикети, ковалентно свързани с различни групи биополимери, са индикатор за състоянието на биополимерната структура. С помощта на спинови етикети се изследват пространствената структура на биополимерите, структурните промени в протеините при денатурация, образуването на ензим-субстрат, комплекси антиген-антитяло и др.
Методът на спиновите сонди се използва за изследване на начините на опаковане и подвижност на липидите в биомембраните, липид-протеинови взаимодействия, структурни преходи в мембраните, причинени от действието на различни вещества и др. Въз основа на изследването на спинови етикети и сонди, методите за определяне на лекарства в биол. течности, както и по въпросите на целевия транспорт на лекарства и др.
По този начин, с помощта на EPR, се показва широко разпределение на електронните процеси в тялото в норма и в случай на някаква патология. Създаването на теорията и усъвършенстването на технологията на метода EPR формира основата на квантовата електроника като клон на науката, доведе до създаването на молекулярни генератори и усилватели на радиовълни (мазери) и светлинни лазери (виж), които се използват широко в много области на националната икономика.
Библиография:Ажипа Я. И. Медико-биологични аспекти на прилагането на метода на електронен парамагнитен резонанс, М., 1983; Блуменфелд Л. А., Воеводски В. В. и Семенов А. Г. Приложение на електронния парамагнитен резонанс в химията, Новосибирск, 1962 г., библиогр.; Wertz J. и Bolton J. Теория и практически приложения на метода EPR, прев. от англ. М., 1975, библиогр.; Инграм Д. Електронен парамагнитен резонанс в биологията, прев. от англ. М., 1972; Калмансон А. Е. Приложение на методана електронния парамагнитен резонанс в биохимията, в книгата: Усп. биол. хим., изд. Б. Н. Степаненко, том 5, стр. 289, М., 1963; Кузнецов А. Н. Метод на спиновата сонда. М., 1976; Лихтенщайн G. I. Метод на спинови етикети в молекулярната биология, М., 1974; Методът на Spin Label, изд. Л. Берлинер, прев. от англ., М., 1979; Свободните радикали в биологията, изд. W. Pryor, прев. от английски, том 1, стр. 88, 178, М., 1979.