Elektron spin rezonancia (ESR)
A molekulákban fizikai illetve biológiai rendszerekben található elektronok túlnyomó
többsége olyan párokban található, amelyek spinjei ellentétes orientációt mutatnak. Ezek az ún.
GLDPiJQHVH
$EED
D
HVHWEHQ
UHQGV]HUHN
K
DPHO\H
HOHNWURQQD
OV
LQF
PiJQHVH
HOOHQWpWHVH
WpUUH
QH
ULHQWi
OpSQH
OFV|QKDWiVED
VSLQ& SiUMD
~Q
SiURVtWDWODQ
elektronról beszélünk, ami mágneses térrel kölcsönhatásba lép. Ezen rendszereket paramágneses rendszereknek nevezzük (1. ábra).
m ág n e ses m o m en tu m É
T ö ltés D
elek tro n v ag y ato m m ag 1. ábra. Az elektronok illetve egyes atommagok mágneses momentummal rendelkeznek .OV PiJQHVH
Wp
DONDOPD]iV
irányához képest diszkrét (NYDQWiOW WpUUH
0
D]RQR
1
YDJ
2
HOOHQWpWH
1
'
! VHWp
PiJQHVH
PRPHQWXP
( ) * ),+ 354 3 6 687
RULHQWiFLyND
LUiQ\
HOHQ
YHV
IHO
iEUD
(
"$# ! %& -./+ $9 ;: : <
VSL
OHJHJ\V]HU&
NO|QE|]
LUiQ\D
HVHWEH
RULHQWiFL
WpU
NOV
O|QE|]
energiaszinteknek felelnek meg (a térrel párhuzamos a legalacsonyabb, a tér irányával HOOHQWpWH
=?>
OHJPDJDVDEE
@ AB> ËJ
NOV PiJQHVH
=
WpUE
C
KHO\H]H
DED
F
SiURVtWDWOD
HOHNWU
G$FH
LV]NUpW
energiaszintekkel rendelkezik. Az elektron spinjének orientációja, azaz energia állapota, HOHNWURPiJQHVH
=I=
XJiU]iVVD
J
PHJYiOWR]WDWKDWy
K >L> M K
QQD
HQHUJLiM
>
PHJHJ\H]L
MN>
NO|QE|]
spin-orientációkhoz tartozó energia különbséggel. Az elv ugyanaz, mint az optikai VSHNWURV]NySLiQiO
K J O DKR
D
HOHNWU
G$F
PHJIHOHO IpQ
A
D]D
hatására magasabb energiájú állapotba kerül (3. ábra).
O
HOHNWURPiJQHVH
=P=
XJiU]iV
Q
HOQ\HOpV
O rien táció a térh ez k ép e st
M á g neses tér
R
iEUD$
HOHNWU
US T
V
PiJQHVH
PRPHQWXPiQD
W
RULHQWiOyGiV
X
NOV PiJQHVHV
térben
T É R B E N (H ) S=+½
TÉR N ÉLK ÜL
hν
E N E R G IA S=-½
YZY
iEUD(OHNWURPiJQHVH
energiaszintek között.
Y
XJiU]i
iOWD
[]\
QGXNi
[E^
iWPHQH
^`_
a
NOV PiJQHVH
WpUEH
b
IHOKDVDGW
A mágneses térbe helyezett párosítatlan elektron energiaszintjei közötti különbség azonban jóval kisebb, mint az atomi vagy molekula pályák közötti energia különbség. Ezért az elektron spin orientáció megváltoztatásához (azaz a rezonancia feltétel teljesítéséhez) az HOHNWURPiJQHVH
cdc
egf h i
SHNWUXPQD
H
OiWKDWy
j
h i
KDQH
PLNURKXOOiP
k
WDUWRPiQ\iE
iml
V
sugárzást kell alkalmazni. A spin orientáció megváltozásához szükséges energiaelnyelés (vagy kibocsátás) megfigyelése az ESR spektroszkópia alapja. A mágneses térbe helyezett párosítatlan elektron energiaszintjei közötti különbség,
n
E = - µH
n
(1)
o
ahol az E energia, µ a mágneses momentum, H
NOV PiJQHVH
p q
Wp
WpUHUVVpJH
A rezonancia létrejöttének feltétele az, hogy az elektromágneses tér energiája, E = hν,
(2)
ahol E az energia, h a Planck állandó, ν a frekvencia, megegyezzen a mágneses térrel való
r
kölcsönhatás miatt kialakuló energia különbséggel (1). PiJQHVH
p
s
PRPHQWX
yµ = -gβS,
QDJ\ViJ
oto
N|YHWNH] P
ahol S a spínkvantumszám, β a Bohr pUWpN
5
UVH
x
IJ
{
SiURVtWDWOD
x
PDJQHWRQ
HOHNWURQ
uvw$x
z|{ u
KRUGR]
DGKDW
(3) SHGL
u
{ } HJ
PROHNXO
PHJ
DUiQ\RVViJ
~
pQ\H]
z
DPHO\QHN
WXODMGRQViJDLWyO
Fentiek alapján a rezonancia feltétel:
x
$EED
hν = gβHS
OHJHJ\V]HU&
HVHWEHQ
z
DPLNR
(4)
VSLQQH
FVD
pWIpO
RULHQWiFLyM
x YD
NOV
mágneses térhez képest az S lehetséges értékei –1/2 (párhuzamos) és +1/2 (ellentétes irányú). Ekkor a rezonancia feltétel: hν = g βH (1/2) – gβH(-1/2) = gβH Tipikus ESR mérési körülmények között H = 0.3 T (3000 G), ν pedig kb. 9 GHz.
Méréstechnika
A rezonancia feltételt leíró kifejezésben két változó (változtatható) mennyiség van, az
xgx
HOHNWURPiJQHVH WDUWRPiQ\ED (]pU
D
(6
H
XJiU]i OHKH
PpUpVHNQp
IUHNYHQFLiM
/ x
IRO\DPDWRVD
iOOD
NOV PiJQHVH
YiOWR]WDWKDW
PLNURKXOOiP
u
WpU
EZ
IUHNYHQFLiM
IUHNYHQFL
PHOOH
PLNURKXOOiP VXJiUIRUUiV PiJQHVH
Wp
IUHNYHQFLD HOiOOtWDQL HUVVpJpW
változtatják, és így pásztázzák végig a rezonancia szempontjából GHWHNWiOi
Z ¡ RUi
QH
N|]YHWOHQ
¢ £
¡
D
DEV]RUSFLyWKDQH
DQQD
¤
V]yEDM|KHW WDUWRPiQ\W
HOV GHULYiOWMi
¥
PpULNDP
¦]§
$ MHO
feloldását megnöveli (4. ábra).
Energia
h ν = g βH 0
ESR jel
H
H
H0 4. ábra ESR mérésnél a rezonancia kialakítása állandó mikrohullámú és változó mágneses tér alkalmazásával történik. 0LYH
¨©
ª
Yt]QH
abszorpciója (PLNURVW
°
«
V]REDKPpUVpNOHWH H]pU
±²©
PLQWi
±³¨
«¬« ®© ´ µ
LJH
HK&WLN
DJ
)RO\pNRQ
PLNURKXOOiP
¯
12 KPpUVpNOH
«
WDUWRPiQ\ED
¶ ·· ¸
.
D]
HOHJHQG D
víz abszorpciója miatti probléma kiküszöbölésére. A legtöbb jel azonban csak ennél
¹ »¹ º
DODFVRQ\D K&W|
ÅEÅ
¼
PpUKHW
PpUVpNOHWH
NULRV]WiW
Æ$Ç
½
¶ ¾ ÇÈ É Ê
DONDOPD]iVDDPLQH
H]pU
(6
.L
PpUpVHNQp OHKH
ÅÌË
¿?¶ÁÀ
SLNX
Â/Ã Å
KPpUVpNOHWH
IRO\pNRQ
Ä
KpOLXPPDO
FV|NNHQWHQL
Környezeti kölcsönhatások
Az elektron spinek környezetükkel energetikai kölcsönhatásban vannak. Ennek eredményeként az elektromágneses sugárzás elnyelésével magasabb energiaszintre hozott VSL
Í
UHQGV]HU
Î Ï D
HOQ\H
ÐÅ
HQHUJLi
Å
Ç
N|UQ\H]HWpQH
HOEEXW
ÑÓÒÒ
iWDGM
Ë;ÔÖÕ × tJ
YLVV]DMX
Å
D]
Ø Ø
DODFVRQ\D VSL
Ý
HQHUJLDV]LQWUH
UHQGV]HUU
ß Ú D
DWRP
$à Ü
Ù BÚ Û (
ÜÝ
UHOD[iFLyQD
PROHNXOiN
á
iOWD
ß
HYH]H
DONRWR
ÞâÞ
ÞEÞ
IRO\DPD
UiFVKR
Ú
Þ Ú D
HQHUJLi
N|]YH
ÞäãåÞÁæ
Þ
Ý
HOV OpSpVEH
K IRUPiMiEDQ
ç
D
H]pUW
spin-rács relaxációnak is nevezik. Majd az energia a rácstól a környezetbe kerül. Ez a IRO\DPD HQHUJL
Û
Þ
DQDOy
è Ú D
RSWLND
GLVV]LSiFLyYDO
Ùëê
æ
VSHNWURV]NySLiEy VSL
Ý
UHOD[iFL
ì
ß²æ
VPHU
LGEH
Eß æ
Þ
VXJiU]i
é
QpONOL
NLQHWLNiMiQD
Ü
ç
Ý
K IRUPiMiED
PpUpV
íîÛ
W|UWpQ
N|UQ\H]HWWH
ß
YDOy
kölcsönhatásról ad információt.
Hiperfinom kölcsönhatások
Ha a párosítatlan elektron olyan molekulában található,
à$Ý éÛ magspin egymással kölcsönhatásba lép. Ez lényegében annyit jelent, hogy az ÝðÛ Ý é Þ é Þ Ù Ú Ú Ù hiperfinom kölcsönhatás, PRPHQWXPPD
ß
UHQGHONH]
DWRPPDJR
ÞïÞ
DUWDOPD]
ç Ú
amely mágneses
D
HOHNWU
p
HOHNWURQVSL
PiJQHVH
PRPHQWXPi
NOV
PiJQHVH
WpUNpQ
pU]L
(
D
N|]HOpEH
OpY PDJ
~Q
aminek következtében az elektronspinhez (ill. magspinhez) tartozó energiaszintek IHOKDVDGQDN
ö
IJJH
ç é ñ p
HJ
(6
ò
iWPHQH
Þ
KHO\H
ÞEÞ
NHWW
YD
èóñ ôÓØØ W
OiWKDW
ìmõÛ
PDJVSL
Ý
pUWpNpWO
iEUD
S = + 1/2 I= -1/2 Energia
I= + 1 /2
h ν = g βH 0 B
I= + 1 /2
ESR jel
I= -1/2
S = -1 /2
H
H0
5. ábra. ESR vonal felhasadás hiperfinom kölcsönhatás eredményeként. S és I jelenti az elektron- és magspinszám értékeit.
Anizotrópia 6]LOiU
÷îø
ù ú
OGDWRNED
D
(6
û
DNWt
ü
ýþù ÿ
PROHNXOi
ý
H
WXGQD
V]DED
÷ø$ù
PR]RJQL
H]pU
NOV
mágneses térhez képest állandó orientációt tartanak fenn. Ugyanakkor, a párosítatlan elektron
ÿ
VH
ù ø ý
HJ\HQOHWHVH
V]OL
H
ÿ
PROHNXOiQ
KDQH
DGR
ý
HOHNWURQSiO\iQD
mutat. Mivel a rezonancia feltételt meghatározó µ PiJQHVH
Wp
WpUHUVVpJ
RULHQWiFLyMXNWyO
YHNWRUPHQQ\LVpJHN
(]pU
NO|QE|] HQHUJL
PiJQHVH
WpUKH
UWpNH
HVHWp
D
PRPHQWX
skalárszorzatuk
UH]RQDQFLD
D]D
NpSH
ÿ
p
nagysága
NO|QE|]
PHJIHOHO RULHQWiFLyW
ULHQWi
DEV]RUSFLy
NOV PiJQHVHV
függ
kölcsönös
PROHNXOi
(QQH
HVHWpQ
YHWNH]WpEH
D
szilárd oldatokban mért ESR spektrumok vonalai kiszélesednek, amit anizotrópiának nevezünk. A szabad elektron g faktor értéke 2.00232. Egy molekulán vagy komplex biológiai
UHQGV]HUH
HO
H
D
pUWp
MHOHQWVH
IJ
!
N|UQ\H]HWWO
YDODPLQ
"
PROHNXOiQD
D
mágneses térhez való orientációjától. A g faktor anizotrópiájának leírására általános esetben egy WHQ]R
V]NVpJHV
gx, gy, és gz IDNWRURNQDN
,-, .
WHQJHO\H (NNR
0HJIHOHO NRRUGLQiW
HOHJHQG
DPHO\H
UiQ\iE
Np
DNNR
PXWDW
pUWp
IDNWR
WHOMH
*
HOHJHQG D
D[LiOL
UHQGV]H
DONDOPD]iV
MHOOHP]pVpUH
) #
PpUKHWN
(J
K
PiJQHVH
]LPPHWULiYD
DQL]RWUySL
(]H
#
pUWpNH
WpUUHQGU
HJ
*
DPHO\HNH
iUR
J⊥
&'&
HQQ\LVpJ
PHJIHOHOQH
RULHQWi
UHQGHONH] NULVWiO
OHtUiViUD
%$
VHWp
*
+
NULVWiO
*
D]
(
D J
x, y és z
gx = gy ≠ gz.
HVHWp
(= gx = gy ) és g ″ (=gz )
szimbólumokkal jelölünk. Egy oldatban gyorsan mozgó molekula esetén az ún. átlagos g faktor, a g0 = (gx + gy + gz/1012
PpUKHW
Orientáció +
3!354
(6
6
PLQW
3
UHQGH]H
787
V]HUNH]HW&
SO
9
NULVWiO\
:
YDJ
;<3
=
PROHNXOi
PHFKDQLNXVDQ
orientáltak), akkor lényegében az összes molekulán található elektronspin azonos
>
RULHQWiFLyED
>?3
YD
NOV PiJQHVH
@
WpUKH
4
NpSHVW
9
0LYH
AB3
UH]RQDQFLiKR
4
V]NVpJH
@
HQHUJLD
függ a spin és a tér kölcsönös orientációjától, az ESR spektrum alakja változik, ha a mintát a
C
Wp
LUiQ\iKR
D
NpSHV
E
IRUJDWMXN
F
G
,O\H
PpUpVHNE
HJI
VSL
GLK
ULHQWiFLyM
M I I
PLQWiKR
D
tengely, vagy egy másik ESR aktív komponens spinjéhez képest meghatározható.
SO
F
NULVWiO\
N
IRWRV]LQWHWLNX
O
(6
P
YL]VJiODWR
Q
HOQ\H
R S p
KiWUiQ\DL
(OQ\|N
•
Az elektrontranszport minden redox komponense vizsgálható.
•
Az ESR aktív állapotról nagyon pontos, elméleti úton jól leírható információk Q\HUKHWN
•
Széles
körben
elterjedt
P&V]HUH]HWWVpJJH
TVU
és
iPRJDWR
U8U
alkalmazott,
nagyon
magas
színvonalú
PyGV]HU
Hátrányok: •
Költséges berendezés (≈ 100,000 USD)
•
/HJW
•
Csak nagyon tiszta preparátumokra alkalmazható, (intakt leveleken, algákon
WYXZX
MH
[
\
FVD
IRO\pNRQ
]
+
^
_a`
KPpUVpNOHWH
L]VJiOKDWy
stb. nem).
Mag mágneses rezonancia (NMR)
Mágneses momentummal nemcsak párosítatlan elektronok, hanem egyes atommagok is UHQGHONH]QHN PRPHQWXP
e(\
b
.OV L
c
PiJQHVH
GLV]NUp
igj
c
_ d e(_ flk \ m X n
WpUEH
UiQ\RNE
D
HOHNWU
OOQD
H
VSLQHNKH
d
DPHO\HNKH
d
KDVRQOyD
_gf
NO|QE|]
PD
h
PiJQHVHV
HQHUJLDV]LQWHN
tartoznak. Elektromágneses térben ezek között átmenetek jönnek létre, amelyek az ESR-hez hasonlóan detektálhatók. Ez képezi a mag mágneses rezonancia, azaz Nuclear Magnetic Resonance (NMR) mérések alapját. A rezonancia feltétele: hν = gn βn HI, ahol I a mag spin kvantumszám, βn a mag magneton, gn pedig a mag g faktora. Mivel az atommagok mágneses momentuma az elektronénál jóval kisebb, a rezonancia kialakításához
szükséges elektromágneses sugárzás energiája kisebb (γ = 600 MHz), ami a rádiófrekvenciás WDUWRPiQ\E
oap
VLN
q
(PHOOHWW
r s D
10
t
PpUpVHNKH
14 T), mint az ESR-nél, ami folyékony +HDy
s
V]NVpJH
K&W|
z8z
u
PiJQHVH
u
WpUHUVVp
V]XSUDYH]HW PiJQHVHNH
z
v
QDJ\
wYxZx
≈
LJpQ\HO
0HJILJ\HOKHW
•
{}|
{
0LQGH
O\D
UHQGV]HUEHQ
~
DP
2Wy
HOWpU PDJVSLQNYDQWXPV]iP
DWRPPDJRNDW
tartalmaz. 1
•
H,
13
15
C,
N,
31
P
Biológiai rends]HUH
HVHWp
{
WLSLNXVDQROGR
8
iOODSRW
PLQWiNRQV]REDKPpUVpNOHWHQ
Információk: •
a vizsgált atomok környezete
•
térszerkezet
Biológiai alkalmazások: •
pigment kölcsönhatások
•
makromolekulák térszerkezete
•
protonációs változással járó folyamatok
A mágneses rezonancia technikák elve az optikai módszerekhez hasonló, érzékenységük és
Z
DONDOPD]KDWyViJ
D]RQED
{a{
{aZ
DJ\PpUWpNEH
O|QE|] ,WiEOi]DW
Optikai
ESR
NMR
1010-1011 Hz
106-5⋅108 Hz
paramágneses
magspinnel
centrumok
UHQGHONH] DWRPPDJRN
spektroszkópia 3⋅1014-1015 Hz
Frekvencia
kromofórok
Alkalmazható
(1H,
(átmeneti fémek, gyökök)
13
C,
31
1000
1
0.001
Spektrális információ
alacsony
alacsony
Magas
Szelektivitás
alacsony
magas
alacsony
Relatív érzékenység
,WiEOi]DW$
RSWLND
(6
p
10
VSHNWURV]NySL
a
ODSYHW MHOOHP]LQH
P)
|VV]HKDVRQOtWiViUD
Irodalmak:
Knowles, P.F., Marsh, D., Rattle, H.W.E., „Magnetic resonance of biomolecules” (pub. John Wiley, 1976).
Cohen, J.S. „Magnetic Resonance in biology” Vol. 1-2. (pub. Wiley, 1980, 1982).
Foster, M.A., „Magnetic resonance in medicine and biology” (Pergamon, 1985)
Weil, J.A., Bolton, J.R., Wertz, J.E. „Electron paramagnetic resonance” (pub. Wiley, 1994)
Bertini, I. and Drago, R.S. „ESR and NMR of pharamagnetic species in biological and related systems” (pub. Kluwer, 1980).
