Электронный парамагнитный резонанс и его применение в аналитической химии

На рис. приведена блок-схема простейшего ЭПР-спектрометра так называемого проходного типа.В этом спектрометре вся мощность СВЧ-поля после прохождения резонатора с образцом попадает на детектор.  Спектрометр такого типа не отвечает требованию высокой чувствительности. Современные высокочувствительные спектрометры ЭПР отличаются от описанного выше как конструкцией СВЧ-тракта, так и способом усиления и регистрации сигнала. Одним из основных источников собственных шумов прибора, ухудшающих отношение сигнал/шум, определяющее чувствительность, является кристаллический детектор. Оптимальные условия работы детектора (минимальный собственный шум) осуществляются при некоторой определенной величине тока детектора, т. е. при определенной мощности падающего на детектор СВЧ-излучения.

На рис. приведена схема одного из вариантов СВЧ-тракта, позволяющего независимо от мощности попадающего на образец СВЧ-излучения поддерживать мощность падающего на детектор СВЧ-излучения наопределенном уровне.

 Основной частью этой конструкции является двойной Т-мост с плечами1,2,3 и 4.Мощьность попадающего в Т-мост СВЧ-излучения распределяется между плечами 2, 3 и 4. С помощью согласователя, расположенного в плече 2, можно добиться того, что СВЧ-излучение не попадет в плечо 4, в котором расположен детектор. При этом ток детектора равен нулю. При прохождении через условия резонанса вследствие поглощения СВЧ-излучения в резонаторе баланс между плечами моста 2 и 3 нарушается, часть СВЧ-излучения попадает на детектор и регистрируется как сигнал ЭПР. В действительности баланс моста осуществляется таким образом, чтобы ток детектора был близок к оптимальной величине -0,5мА.

Вторая особенность  современных ЭПР-спектрометров заключается  в том,  что в них используются высокочастотная (чаще всего 100 кГц) модуляция  магнитного поля с амплитудой , существенно меньшей, чем ширина спектральной линии.

Видно, что выходидной сигнал также модулирован с частотой модуляции, а амплитуда его пропорциональна величине первой производной кривойпоглощения. После детектирования и усиления регистрируется первая производная кривой поглощения. Так как используется узкополосный усилитель на частоте модуляции, шумы с частотами, заметно отличающимися от частоты модуляции, не усиливаются и отношение сигнал/шум увеличивается.

Малогаборитные  радиоспектрометры ЭПР

 

Аппаратура  ЭПР предназначена для решения  научно-практических задач в научных и клинических лабораториях, производственных и полевых условиях.

Область применения

• биология и медицина – исследования, диагностика и контроль эффективности лечения;
• дозиметрия – ретроспективная дозиметрия населения и контроль продуктов, объектов и территорий;
• технологический контроль – автоматизация производства катализатора полимеризации изопрена;
• экология – контроль загрязнения среды и эффективность работы очистных сооружений;
• аналитическая химия – идентификация и количественное определение неорганических и органических веществ, как пара- , так и диамагнитных;
• физика твердого тела – исследование парамагнитных дефектов в полупроводниках и материалах квантовой электроники;
• нефтедобыча – экологически чистый контроль воды, закачиваемой в специальные скважины с целью повышения нефтеотдачи;
• другие области – научные исследования и массовые измерения с применением спин меченых соединений.

Конструкция прибора позволяет поставлять различные  модификации малогабаритной аппаратуры ЭПР в зависимости от требований, предъявляемых покупателями.

В частности, прибор может быть укомплектован  как электромагнитом, так и постоянным магнитом, микроволновый блок может  быть как гомодинного, так и автодинного  типа.

Уменьшение габаритов и массы  радиоспектрометров и улучшение их метрологических параметров

Самый громоздкий и энергоемкий узел радиоспектрометров — источник магнитного поля. Компактные системы этого, узла были разработаны на основе

электромагнитов и постоянных магнитов. Массу и габариты радиоспектрометров удалось существенно уменьшить, объединив магнит и рабочий резонатор в единый узел — датчик магнитного резонанса. Такое объединение позволило также разместить все узлы прибора в одном корпусе.

Для стабилизации магнитного поля использовалась компенсационная схема стабилизации тока в датчике ЭПР с помощью опорного постоянного магнита². Если в магнитных системах радиоспектрометров применяется постоянный магнит, то развертка магнитного поля осуществляется дискретно — импульсно-шаговым методом.

Уменьшение габаритов, массы и энергопотребления радиоспектрометров достигается также за счет использования в тракте СВЧ автодинной схемы и полупроводниковых устройств. Замена клистронов полупровод никовыми генераторами на основе диодов Ганна позволила создать генераторы, удовлетворяющие требованиям радиоспектроскопии

Для улучшения метрологических  параметров малогабаритных радиоспектрометров предложен способ накопления слабых сигналов магнитного резонанса, который базируется не на когерентном суммировании информативной и шумовой компоненты регистрируемого сигнала, а на когерентном суммировании только его шумовых компонент. Созданное устройство имеет высокую чувствительность и точно воспроизводит спектры магнитного резонанса.

Адаптивный  способ регистрации спектров обеспечивает их оперативный поиск и не требует предварительной записи. Благодаря такой системе регистрации неинформативные участки спектра проходят с большой скоростью, а резонансные — с меньшей, врезультате чего оптимизируется выбор условий регистрации, резко сокращается время записи спектров и упрощается процесс настройки радиоспектрометра.

Недостатком универсальных радиоспектрометров является дрейф нулевой линии, вызванный  низкочастотной составляющей сигнала  магнитного резонанса на выходе системы регистрации. В малогабаритных радиоспектрометрах дрейф нулевой линии автоматически компенсируется.

Время подготовки радиоспектрометра  к измерениям во многом определяется временем, необходимым для согласования частоты СВЧ с частотой рабочего резонатора.  Чтобы расширить динамический диапазон согла сования, предложена электронно-механическая система автоподстройки частоты (АПЧ), которая наряду с электронной схемой АПЧ генератора содержит дополнительный канал АПЧ рабочего резонатора. Благодаря этому система не теряет информацию о величине расстройки частоты генератора СВЧ и резонатора, а фиксирует ее знак и выдает управляющий сигнал на элемент подстройки частоты резонатора. В результате его частота возвращается в зону захвата схемы АПЧ генератора. Эффективный диапазон согласования тракта СВЧ радиоспектрометра расширяется почти в 50 раз, а время настройки прибора сокращается в три—пять раз.

По основным метрологическим  параметрам малогабаритные радиоспектрометры не уступают лучшим отечественными и зарубежным приборам, а по масс-габаритным показателям выгодно от них отличаются. Еще раз отметим достоинства малогабаритных радиоспектрометров: компактность, низкое энергопотребление, устойчивость к внешним дестабилизирующим воздействиям, простота управления, возможность сопряжения с мини-ЭВМ. Эти приборы позволяют вести непрерывный автоматический анализ состава и концентрации парамагнитных веществ в жидкой и твердой фазах в лабораториях, цехах предприятий, в полевых условиях. Рассмотрим возможности применения радиоспектрометров в народном хозяйстве.

В частности, малогабаритные радиоспектрометры  используются в медицине при экспресс-определениях важнейших металлоферментных комплексов в крови, органах и тканях.

ОСНОВНЫЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОВ ЭПР

Рассмотрим кратко некоторые характеристики сигналов ЭПР, которые могут давать важную информацию об природе и электронной структуре парамагнитных частиц.

Основные параметры спектров ЭПР — интенсивность, форма и ширина резонансной линии, g-фактор, константы тонкой и сверхтонкой (СТС) структуры. На практике обычно регистрируется 1-я, реже 2-я производные кривой поглощения, что позволяет повысить чувствительность и разрешение получаемой информации.

g-Фактор

Положение линии в спектре ЭПР характеризуется величиной g-фактора. Резонансное значение магнитного поля обратно пропорционально g-фактору, Н_рез = hν/(gβ). Измерение величины g-фактора дает важную информацию об источнике сигнала ЭПР. Как было сказано выше, для свободного электрона g = 2. С учетом поправки, обусловленной влиянием флуктуаций электрон-позитронного вакуума, эта величина составляет g = 2.0023. В очень многих важных случаях (органические свободные радикалы, парамагнитные дефекты кристаллических решеток и др.) величины g-факторов отличаются от чисто спинового значения не более чем во втором знаке после запятой. Однако это не всегда так. Парамагнитные частицы, исследуемые методом ЭПР, как правило, не являются свободными атомами. Воздействие анизотропных электрических полей, окружающих атомов, расщепление зеемановских уровней в нулевом внешнем магнитном поле (см. ниже) и другие эффекты часто приводят к существенным отклонениям g-фактора от чисто спинового значения и к его анизотропии (зависимости g-фактора от ориентации образца во внешнем магнитном поле). Значительные отклонения g-факторов от чисто спинового значения g = 2.0023 наблюдаются при наличии достаточно сильного спин-орбитального взаимодействия.

Тонкая структура спектров ЭПР

Если  спиновый и орбитальный моменты в атоме отличны от нуля, то за счет взаимодействия спинового и орбитального моментов (спин-орбитальное взаимодействие) энергетические уровни могут дополнительно расщепиться. В результате этого вид спектра ЭПР усложнится и вместо одной спектральной линии в спектре ЭПР появятся несколько линий. В этом случае говорят о том, что спектр ЭПР имеет тонкую структуру. При наличии сильного спин-орбитального взаимодействия расщепление зеемановских уровней может наблюдаться даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Мы  проиллюстрируем появление тонкой структуры на примере спектра  ЭПР хромовых квасцов. Ион Cr³⁺ имеет суммарный спин 3/2 (три неспаренных электрона), следовательно, возможны четыре значения магнитного квантового числа: m_S = 3/2, 1/2, -1/2 и -3/2. В хромовых квасцах сильная спин-орбитальная связь и электрическая анизотропия кристаллической решетки приводят к тому, что расщепление энергетического уровня происходит в нулевом поле, при этом энергетический уровень расщепляется на два уровня, соответствующие значениям m_S = ±3/2 и ±1/2 (рис. 4). В магнитном поле каждый из этих уровней расщепляется на два подуровня. Учитывая правило отбора для переходов между электронными зеемановскими уровнями (Δm_S = ± 1), получим схему электронных переходов, показанную на рис. 4. Из той схемы видно, что условие резонанса (ΔЕ = gβH) будет выполняться при трех разных значениях магнитного поля, благодаря чему в спектре ЭПР появятся три резонансные линии, то есть возникнет тонкая структура спектра ЭПР.

 

Рис. 4. Схема энергетических уровней ионов Cr3+, иллюстрирующая возникновение тонкой структуры спектра ЭПР.

 

Сверхтонкая структура спектров ЭПР

Если  кроме неспаренных электронов исследуемый  парамагнитный образец содержит атомные ядра, обладающие собственными магнитными моментами (¹H, ²D, ¹⁴N, ¹³C и т.д.), то за счет взаимодействия электронных и ядерных магнитных моментов возникает сверхтонкая структура (СТС) спектра.

Рассмотрим  возникновение СТС на примере  взаимодействия неспаренного электрона  с парамагнитным ядром азота (рис. 5). Такое взаимодействие наблюдается в молекуле NO, а также в нитроксильных радикалах, которые широко используются для исследования различных биологических систем. Если неспаренный электрон локализован вблизи ядра азота, то к внешнему магнитному полю H₀, действующему на электрон, добавляется магнитное поле, создаваемое магнитным моментом m_N ядра азота. Ядро азота имеет спин I = 1, поэтому возможны три проекции магнитного момента m_N: по направлению, перпендикулярно и против внешнего магнитного поля H₀. Этим ориентациям ядерного спина соответствуют значения магнитного квантового числа I_z = +1, 0, -1. Поэтому за счет взаимодействия неспаренного электрона с ядром азота каждый из зеемановских уровней энергии неспаренного электрона расщепится на три подуровня (рис. 5). Индуцируемые микроволновым излучением переходы между энергетическими уровнями должны удовлетворять квантовомеханическим правилам отбора: ΔS_Z = ± 1 (ориентация спина электрона изменяется) и ΔI_Z = 0 (ориентация ядерного спина сохраняется). Таким образом, в результате сверхтонкого взаимодействия в спектре ЭПР нитроксильного радикала появятся три линии, соответствующие трем возможным ориентациям магнитного момента ядра азота (I_Z = -1, 0, +1).

 

Рис. 5. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая возникновение сверхтонкой структуры спектра ЭПР парамагнитной молекулы NO.

Ширина спектральной линии

Сигналы ЭПР характеризуются определенной шириной спектральной линии. Связано  это с тем, что зеемановские уровни энергии, между которыми происходят резонансные переходы, не являются бесконечно узкими линиями. Если вследствие взаимодействия неспаренных электронов с другими парамагнитными частицами и решеткой эти уровни оказываются размытыми, то условия резонанса могут реализоваться не при одном значении поля H₀, а в некотором интервале полей. Чем сильнее спин-спиновое и спин-решеточное взаимодействия, тем шире спектральная линия. В теории магнитного резонанса принято характеризовать взаимодействие спинов с решеткой так называемым временем спин-решеточной релаксации T₁, а взаимодействие между спинами - временем спин-спиновой релаксации T₂. Ширина одиночной линии ЭПР обратно пропорциональна этим параметрам:

ΔH ~ T₁(sup>-1, T₂(sup>-1

Времена релаксации T₁ и T₂ зависят от природы парамагнитных центров, их окружения и молекулярной подвижности, температуры.

Исследование  формы спектра ЭПР в зависимости  от различных физико-химических факторов является важным источником информации о природе и свойствах парамагнитных  центров. На рис. 6, а показан типичный спектр ЭПР одного из стабильных азотокисных свободных радикалов, которые часто употребляются в химических и биофизических исследованиях. Форма спектров ЭПР таких радикалов чувствительна к изменениям их окружения и подвижности, поэтому они часто используются в качестве молекулярных зондов, с помощью которых изучают микровязкость и структурные изменения в различных системах: в растворах, полимерах, биологических мембранах и макромолекулярных комплексах. Так, например, из температурных зависимостей интенсивности и ширины спектров ЭПР спиновых зондов можно получить важную информацию о фазовых переходах в системе, содержащей парамагнитные центры. На рис. 6, б показана температурная зависимость одного из параметров спектра ЭПР (ΔH_max - расстояние между крайними компонентами СТС) для азотокисного радикала, растворенного в многослойной пленке жидкокристаллического типа, сформированной из молекул дистеарофосфатидилхолина. Подобные структуры составляют основу биологических мембран. Видно, что температурная зависимость параметра ΔH_max имеет характерный излом, по которому можно судить о том, что при температуре 53 °С в системе происходит фазовый переход, сопровождающийся увеличением подвижности молекул азотокисного радикала.