Електронний парамагнітний резонанс в медико-біологічних дослідженнях

Електронний парамагнітний резонанс і його медико-біологічні застосування

У атома, поміщеного в магнітне поле, спонтанні переходи між підрівнями одного і того ж рівня маловірогідні. Проте такі переходи здійснюються індукований під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Необхідною умовою є збіг частоти електромагнітного поля з частотою фотона, відповідного різниці енергій між розщепленими підрівнями. При цьому можна спостерігати поглинання енергії електромагнітного поля, яке називають магнітним резонансом.

Залежно від типу частинок— носіїв магнітного моменту — розрізняють електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і ядерний магнітний резонанс (ЯМР).

ЕПР відбувається в речовинах, що містять парамагнітні частинки: молекули, атоми, іони, радикали, що володіють магнітним моментом, обумовленим електронами. Виникаюче при цьому явище Зеємана пояснюють розщеплюванням електронних рівнів (звідси назва резонансу — «електронний»). Найбільш поширений ЕПР на частинках з магнітним моментом чисто спину (у зарубіжній літературі такий різновид ЕПР іноді називають електронним резонансом спину).

ЕПР був відкритий Е. К. Завойськім в 1944 р. У перших дослідах спостерігалося резонансне поглинання в солях іонів групи заліза. Завойському вдалося вивчити ряд закономірностей цього явища.

З виразів (29.1) і (30.3) одержуємо наступну умову резонансного поглинання енергії:

Магнітний резонанс спостерігається, якщо на частинку одночасно діють постійне магнітне поле індукції Врез і електромагнітне поле з частотою v. З умови (30.9) зрозуміло, що знайти резонансне поглинання можна двома шляхами: або при незмінній частоті плавно змінювати магнітну індукцію, або при незмінній магнітній індукції плавно змінювати частоту. Технічно більш зручним виявляється перший варіант.

На мал. 30.6 показані розщеплювання енергетичного рівня електрона (а) і зміна потужності Р електромагнітної хвилі, що пройшла зразок, залежно від індукції магнітного поля (б). При виконанні умови (30.9) виникає ЕПР.

Форма інтенсивність спектральних ліній, спостережуваних в ЕПР, визначаються взаємодією магнітних моментів електронів, зокрема спинів, один з одним, з гратами твердого тіла і т.п. З'ясуємо, як ці чинники впливають на характер спектрів.

Припустимо, що умова (30.9) виконується поглинання енергії необхідно, щоб у атомів речовини була велика населеність нижніх підрівнів, ніж верхніх. Інакше переважатиме індуковане випромінювання енергії.

При електронному парамагнітному резонансі разом з поглинанням енергії і збільшенням населеності верхніх підрівнів відбувається і зворотний процес — безвипромінювальні переходи на нижні підрівні, енергія частинки передається гратам.

Процес передачі енергії частинок гратам називають спін-решіточної релаксацією, він характеризується часом т. По співвідношенню Гейзенберга (28.11) це приводить до розширення рівня.

Таким чином, резонансне поглинання викликається не точно при одному значенні б, а в деякому інтервалі АВ (мал. 30.7). Замість нескінченно вузької лінії поглинання буде лінія кінцевої ширини: чим менше час спін-решеточной релаксації, тим більше ширина лінії (п < Т2, відповідно криві / і 2 на мал. 30.7).

Розширення ліній ЕПР залежить також від взаємодії спинів електронів (спін-спінова взаємодія) і від інших взаємодій парамагнітних частинок. Різні типи взаємодії впливають не тільки на ширину лінії поглинання, але і на її форму.

Поглинена при ЕПР енергія, тобто інтегральна (сумарна) інтенсивність лінії, за певних умов пропорційна числу парамагнітних частинок. Звідси витікає, що по зміряній інтегральній інтенсивності можна судити про концентрацію цих частинок.

Важливими параметрами, що характеризують синглетную (одиночну) лінію поглинання, є v, Bpe3, g- (положення точки резонансу), відповідні умові (30.9). При постійній частоті v значення Врез залежить від g-чинника. У простому випадку g-чинник дозволяє визначити характер магнетизму системи (спин або орбітальний). Якщо ж електрон пов'язаний з атомом, що входить до складу твердих кристалічних грат або якої-небудь молекулярної системи, то на нього впливатимуть сильні внутрішні поля. Вимірюючи g чинник, можна одержати інформацію про поля і внутрішньомолекулярні зв'язки.