Spektroskopia EPR czyli Spektroskopia Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego jest techniką pozwalającą na wykrycie związków posiadających niesparowane elektrony , czyli będące wolnymi rodnikami . Z powodu tego, iż większość stabilnych cząsteczek nie posiada wolnych elektronów, technika ta jest rzadziej używana niż spektroskopia NMR .

Podstawowe fizyczne założenia techniki są analogiczne do tych wykorzystywanych w spektroskopii NMR, ale badane są spiny elektronów, a nie spiny jąder atomowych . Z powodu różnic w masie pomiędzy jądrami a elektronami, w technice EPR używane są słabsze pola magnetyczne i wyższe częstotliwości promieniowania mikrofalowego niż w spektroskopii NMR. Dla elektronów, rezonans paramagnetyczny w polu magnetycznym o wartości ok. 0,3 tesli zachodzi przy częstotliwości ok. 10 G Hz .

Spektroskopia EPR jest wykorzystywana m.in. w fizyce ciała stałego do identyfikacji wolnych rodników, w chemii do badań przebiegu reakcji oraz w biologii i medycynie do śledzenia znaczników spinowych .

Ponieważ wolne rodniki są bardzo reaktywne, nie występują one w układach biologicznych w wysokich stężeniach. Aby badać układy biologiczne zaprojektowano małoreaktywne molekuły mogące wiązać się do specyficznych miejsc w komórce czy białku , pozwala to na otrzymanie informacji o otoczeniu danej próbki spinowej.

Wstęp historyczny

Po raz pierwszy rezonans magnetyczny został zaobserwowany w 1938 roku, w związku z techniką wiązek molekularnych. Naturalnym tokiem rzeczy wydawało się poszukiwanie podobnego zjawiska w układzie spinów jądrowych. Próbował to osiągnąć Gorter, ale udało się dopiero Zawojskiemu w 1944 roku. Zawojski w swoich badaniach w Kazaniu , po raz pierwszy zaobserwował absorpcję rezonansową w solach metali przejściowych . Wyniki doświadczeń Zawojskiego objaśnił zaś Frenkel jako elektronowy rezonans paramagnetyczny. Już w pierwszych swoich pracach Zawojski stwierdził, że rezonansowa wartość pola jest proporcjonalna do częstotliwości pola mikrofalowego. Dla CrCl₃ przy dwóch różnych częstotliwościach mikrofalowych: pierwszej = 2190 MHz i drugiej = 2760 MHz, uzyskano rezonans odpowiednio w polach o natężeniu 0,08 T i 0,1 T. Stąd uzyskano bardzo ważny związek między częstotliwością pola wysokich częstotliwości i natężeniem rezonansowego pola magnetycznego: ν = aH. Stała a uzyskana w doświadczeniu Zawojskiego wyniosła 27,5 GHz/T, co jest wartością zbliżoną do wartości 28 GHz/T, charakteryzującej elektron swobodny .

Teoria

spektrometr EPR

Jednostki i stałe

Pole magnetyczne jest opisywane przez następujące jednostki i stałe:

• Indukcja magnetyczna w teslach [T]
• Natężenie pola magnetycznego w
• Związek i  :

• Jednostką CGS indukcji magnetycznej jest gaus [Gs] będący równowartością 10^-4 [T]

Ponadto znajomość następujących stałych jest bardzo istotna:

• Stała Plancka [J.s]
• Stała Boltzmanna [J.K^-1]
• Magneton Bohra [J.T^-1]

Podstawy

Podstawę EPR stanowi efekt Zeemana polegający na rozszczepieniu poziomów w paramagnetykach znajdujących się w polu magnetycznym. Po umieszczeniu próbki o momencie magnetycznym w polu magnetycznym osiąga ona energię E

Dla atomu o całkowitym momencie pędu całkowity dipolowy moment magnetyczny , gdzie g - współczynnik rozszczepienia spektroskopowego β - magneton Bohra. Energia atomu po umieszczeniu w polu magnetycznym:

Mj values

Wektor każdego atomu może posiadać jedynie niektóre dozwolone orientacje determinowane przez zbiór wartości liczby kwantowej M_J. Jest to przyczyną ograniczenia energii do zbioru: M_J.

E_J = gM_JβB

gdzie: M_J=J, J-1,..., 1, 0, -1,..., -J+1, -J.

W zewnętrznym polu magnetycznym rozszczepienie pojedynczego poziomu J na 2J+1 podpoziomów zwane jest rozszczepieniem zeemanowskim.
Jeżeli na stałe pole magnetyczne nałożymy zmienne pole magnetyczne o odpowiedniej częstotliwości ν w próbce zaczną zachodzić przejścia pomiędzy poziomami zeemanowskimi. Przejścia te zależne są od:

• 
• ΔM_J = 1 możliwe tylko przejścia pomiędzy sąsiednimi poziomami
• hν = gβB warunek dopasowania energetycznego

Rozkład Boltzmanna

W praktyce nigdy nie mamy do czynienia z pojedynczą próbką, ale z populacją próbek z wieloma centrami paramagnetycznymi. Jeżeli ta konfiguracja znajdzie się w stanie równowagi termicznej, obsadzenie poziomów energetycznych jest opisywane przez rozkład Boltzmanna .

gdzie - liczba cząstek obsadzających poziom
k - stała Boltzmanna
T - temperatura w stopniach Kelvina

Dla pasma X (ν = 10GHz) i pokojowej temperatury, = 0,998, ponieważ niższy poziom zawiera więcej elektronów niż wyższy i przejścia z "dołu na górę" są bardziej prawdopodobne.

Podstawowe równanie EPR to:

EPR fission

Obserwację sygnału EPR można prowadzić mierząc zmiany rezonansowej absorpcji energii w zależności od częstotliwości ν promieniowania elektromagnetycznego przy stałej wartości indukcji pola magnetycznego. Z drugiej strony możemy prowadzić pomiary odwrotnie, zmieniając pole magnetyczne B przy stałej częstotliwości ν. Z powodów technicznych drugi sposób jest wygodniejszy.
W przypadku czysto spinowego magnetyzmu (g = 2,0) i częstotliwości ν, absorpcja energii następuje w polu magnetycznym o indukcji:

Dla najczęściej używanej częstotliwości ν = 9,5GHz (pasmo X mikrofal), rezonans zachodzi przy B= 0,34 T (3400 Gs).

Parametry widma EPR

Współczynnik rozszczepienia spektralnego g

Znajomość współczynnika g(współczynnik magnetogiryczny, gyromagnetyczny) daje informacje o strukturze centrum paramagnetycznego. Dla wolnych rodników i jonów w fazie stałej bądź ciekłej spin elektronu jest silnie powiązany ze środowiskiem i nie może występować w dowolnym ułożeniu w polu magnetycznym. Prowadzi to do zjawiska zamrażania orbitalnego momentu magnetycznego w sieci krystalicznej. Z tego powodu parametr g sygnału EPR dla wielu paramagnetycznych atomów w skondensowanych fazach wynosi g = 2.002256, gdzie dodatek 0,002256 pochodzi od relatywistycznej poprawki związanej z ruchem elektronów w atomie. W przypadku wolnego jonu, współczynnik g posiada właściwości izotropowe. W krysztale natomiast wartość g zależy od kierunku zewnętrznego pola magnetycznego.

Definicja szerokości linii rezonansowej

EPR linewidths

Szerokości linii rezonansowej wyraża się w jednostkach indukcji magnetycznej B i mierzone są wzdłuż osi odciętych od środka linii do linii rzędnej przechodzącej przez wybrany punkt krzywej. Tak zdefiniowane szerokości mają tę zaletę, że dla linii asymetrycznej można podawać szerokości połówkowe. Szerokość połówkowa ΔB_h jest to dystans od centrum linii do punktu w którym absorpcja wynosi połowę maksymalnej wartości w środku linii rezonansowej. Pierwsza szerokość nachyleniowa jest to odległość od środka linii do punktu o maksymalnym nachylenia krzywej absorpcji.

Zobacz też: znacznik spinowy , ukierunkowane znakowanie spinowe , Równania Blocha

Linki zewnętrzne

• Laboratorium spektroskopii EPR wraz z bazą danych ośrodków naukowych z całego świata zajmujących się badaniami metodą spektroskopii EPR