Получение структурной информации по спектрам ЯМР, ЭПР

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

по дисциплине: "Строение вещества"

на тему: "Получение структурной информации по спектрам ЯМР, ЭПР"

г. Якутск, 2016

Введение

Технический прогресс, как известно, принес человечеству не только облегчение и удобство в производстве и быту, но и создал ряд серьезных проблем. В частности, возникла проблема защиты человека и других организмов от сильных электромагнитных, магнитных и электрических полей, создаваемых различными техническими устройствами. Позже появилась проблема защиты человека от длительного воздействия слабых электромагнитных полей, которое, как оказалось, также наносит вред жизнедеятельности человека. И только в последнее время стали обращать внимание и проводить соответствующие исследования по оценке влияния на живые организмы экранирования естественных геомагнитных и электрических полей.

Влияние мощных постоянных и переменных электрических полей техногенного происхождения на живые организмы изучается сравнительно давно. Источниками таких полей являются, прежде всего, высоковольтные линии электропередач.

Влияние электрических и магнитных полей на живой организм

Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных достаточно много исследовалось. Наблюдаемые при этом эффекты, если они и возникают, до сих пор не ясны и трудно поддаются определению, поэтому эта тема остается по-прежнему актуальной.

Электрическое поле Земли - это естественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Электрическое поле 3емли обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция образование облаков, осадки и другие -- приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно.

Магнитные поля на нашей планете имеют двоякое происхождение - естественное и антропогенное. Естественные магнитные поля, так называемые магнитные бури, зарождаются в магнитосфере Земли. Антропогенные магнитные возмущения охватывают меньшую территорию, чем природные, зато их проявление значительно интенсивнее, а следовательно, приносит и более ощутимый ущерб. В результате технической деятельности человек создает искусственные электромагнитные поля, которые в сотни раз сильнее естественного магнитного поля Земли. Источниками антропогенных излучений являются: мощные радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные средства, линии электропередачи.

Один из наиболее сильных возбудителей электромагнитных волн -- токи промышленной частоты (50 Гц). Так, напряженность электрического поля непосредственно под линией электропередачи может достигать нескольких тысяч вольт на метр почвы, хотя из-за свойства снижения напряженности почвой уже при удалении от линии на 100 м напряженность резко падает до нескольких десятков вольт на метр.

Метод электронного парамагнитного резонанса

Метод электронного парамагнитного резонанса является основным методом для изучения парамагнитных частиц. К парамагнитным частицам, имеющим важное биологическое значение, относятся два основных типа - это свободные радикалы и комплексы металлов переменной валентности ( таких, как Fe, Cu, Co, Ni, Mn).

Метод электронного парамагнитного резонанса был открыт в 1944 г. Е. К. Завойским при исследовании взаимодействия электромагнитного излучения микроволнового диапазона с солями металлов.

В основе метода ЭПР лежит поглощение электромагнитного излучения радиодиапазона неспаренными электронами, находящимися в магнитном поле.

Метод ЭПР позволяет нам изучать свойства парамагнитных центров посредством регистрации спектров поглощения электромагнитного излучения этими частицами. Зная характеристики спектров, можно судить о свойствах парамагнитных частиц.

К основным характеристикам спектров относятся амплитуда, ширина линии, g-фактор и сверхтонкая структура спектров.

Применение спиновых меток

Спиновые метки - химически стабильные парамагнитные молекулы, которые используются в качестве молекулярных зондов для изучения структуры и молекулярной подвижности различных физико-химических и биологических систем. Суть метода спиновых меток заключается в следующем. В исследуемую систему вводят в качестве спиновых зондов парамагнитные молекулы, которые дают характерные сигналы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Сигналы ЭПР спиновых меток зависят от их молекулярной подвижности и физико-химических свойств ближайшего окружения. Поэтому, наблюдая за сигналами ЭПР молекулярных зондов, можно изучать структурные характеристики исследуемой системы и динамику происходящих в ней молекулярных процессов. Термин "спиновые метки" происходит от английского слова "spin" (веретено, волчок), которым называют собственный механический момент электрона. Электрон, как известно из квантовой механики, обладает механическим моментом, равным величине " /2, и собственным магнитным моментом , где " - постоянная Планка, e и m - заряд и масса электрона, с - скорость света. Парамагнитные свойства молекулярных зондов определяются наличием в них неспаренного электрона, обладающего спином и являющегося источником сигнала ЭПР. В качестве спиновых меток обычно используют стабильные нитроксильные радикалы. Все молекулы спиновых меток, несмотря на разнообразие их химического строения, как правило, содержат одинаковый парамагнитный фрагмент - химически стабильный нитроксильный радикал (>N-OJ). На этом радикале локализован неспаренный электрон, служащий источником сигнала ЭПР. Конкретный выбор спиновых меток определяется задачей исследования. Так, например, для того чтобы с помощью спиновых меток следить за конформационными перестройками белков, молекулы метки обычно "пришивают" к определенным участкам белка. В этом случае спиновая метка должна содержать специальную реакционную группу, которая может образовать ковалентную химическую связь с аминокислотными остатками молекулы белка. Для изучения свойств искусственных и биологических мембран обычно используют жирорастворимые спиновые метки, способные встраиваться в липидный слой мембраны.

Явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения в диапазоне радиочастот веществами, помещенными в постоянное магнитное поле, и обусловленное квантовыми переходами между энергетическими подуровнями, связанными с наличием магнитного момента у электронных систем. Также ЭПР называют электронный спиновый резонанс (ЭСР), магнитный спиновый резонанс (МСР) и, среди специалистов, работающих с магнитно-упорядоченными системами, ферромагнитный резонанс (ФМР).

Явление ЭПР можно наблюдать на:

* атомах и молекулах, которые на своих орбиталях имеют нечетное количество электронов -- H, N, NO2 и др.;

* химических элементах в различных зарядовых состояниях, у которых не все электроны на внешних орбиталях участвуют в образовании химической связи - прежде всего, это d- и f-элементы;

* свободных радикалах - метильный радикал, нитроксильные радикалы и др.;

* электронных и дырочных дефектах, стабилизирующихся в матрице веществ, - O-, O2-, CO2-, CO23-, CO3-, CO33- и многих других;

* молекулах с четным числом электронов, парамагнетизм которых обусловлен квантовыми явлениями распределения электронов по молекулярным орбиталям - О2;

* наночастицах-суперпарамагнетиках, образующихся при растворении или в сплавах, обладающих коллективным магнитным моментом, которые ведут себя подобно электронному газу.

Структура и свойства спектров ЭПР

Поведение магнитных моментов в магнитном поле зависит от различных взаимодействий неспаренных электронов, как между собой, так и с ближайшим окружением. Важнейшими из них считаются спин-спиновые и спин-орбитальные взаимодействия, взаимодействия между неспаренными электронами и ядрами, на которых они локализуются (сверхтонкие взаимодействия), взаимодействия с электростатическим потенциалом, создаваемым ионами ближайшего окружения в месте локализации неспаренных электронов и другие. Большинство перечисленных взаимодействий приводит к закономерному расщеплению линий. В общем случае спектр ЭПР парамагнитного центра является многокомпонентным. Представление об иерархии основных расщеплений можно получить из следующей схемы (определения используемых обозначений даны ниже):

Основными характеристиками ЭПР-спектра парамагнитного центра (ПЦ) являются:

* количество линий в спектре ЭПР конкретного ПЦ и их относительные интенсивности.

* Тонкая структура (ТС). Число линий ТС определяется величиной спина S ПЦ и локальной симметрией электростатического поля ближайшего окружения, а относительные интегральные интенсивности определяются квантовым числом mS (величина проекции спина на направление магнитного поля). В кристаллах расстояние между линиями ТС зависит от величины потенциала кристаллического поля и его симметрии.

* Сверхтонкая структура (СТС). Линии СТС от конкретного изотопа имеют приблизительно одинаковую интегральную интенсивность и практически эквидистантны. Если ядро ПЦ имеет несколько изотопов, то каждый изотоп дает свой набор линий СТС. Их количество определяется спином I ядра изотопа, около которого локализован неспаренный электрон. Относительные интенсивности линий СТС от различных изотопов ПЦ пропорциональны естественной распространенности этих изотопов в образце, а расстояние между линиями СТС зависит от величины магнитного момента ядра конкретного изотопа, константы сверхтонкого взаимодействия и степени делокализации неспаренных электронов на этом ядре.

* Суперсверхтонкая структура (ССТС). Число линий ССТС зависит от числа nл эквивалентных лигандов, с которыми взаимодействует неспаренная спиновая плотность и величины ядерного спина Iл их изотопов. Характерным признаком таких линий также является распределение их интегральных интенсивностей, которое в случае Iл = 1/2 подчиняется закону биномиального распределения с показателем степени nл. Расстояние между линиями ССТС зависит от величины магнитного момента ядер, константы сверхтонкого взаимодействия и степени локализации неспаренных электронов на этих ядрах.

* спектроскопические характеристики линии.

Особенностью спектров ЭПР является форма их записи. По многим причинам спектр ЭПР записывается не в виде линий поглощения, а как производная от этих линий. Поэтому, в ЭПР-спектроскопии принята несколько иная, отличная от общепринятой, терминология для обозначения параметров линий.

Линия ЭПР поглощения и ее первая производная: 1- гауссова форма; 2- лоренцева форма.

* Истинная линия - д-функция, но с учетом релаксационных процессов имеет форму Лоренца;

* Линия - отражает вероятность процесса резонансного поглощения электромагнитного излучения ПЦ и определяется процессами, в которых участвуют спины;

* Форма линии - отражает закон распределения вероятности резонансных переходов. Поскольку, в первом приближении, отклонения от резонансных условий носят случайный характер, форма линий в магниторазбавленных матрицах имеет гауссову форму. Наличие дополнительно обменных спин-спиновых взаимодействий приводит к лоренцевой форме линии. В общем случае форма линии описывается смешанным законом;

* Ширина линии - ДВmax - cоответствует расстоянию по полю между экстремумами на кривой линии;

* Амплитуда линии - Imax - соответствует по шкале амплитуды сигнала расстоянию между экстремумами на кривой линии;

* Интенсивность - I0 - значение вероятности в точке МАХ на кривой поглощения, вычисляется при интегрировании по контуру линии записи;

* Интегральная интенсивность - площадь под кривой поглощения, пропорциональна количеству парамагнитных центров в образце и вычисляется путем двойного интегрирования линии записи, сначала по контуру, затем по полю;

* Положение линии - В0 - соответствует пересечению контура производной dI/dB с нулевой линией (линией тренда);

* положение линий ЭПР в спектре.

Согласно выражению hн = gвB, определяющему условия резонансного поглощения для ПЦ со спином S = 1/2, положение линии электронного парамагнитного резонанса можно охарактеризовать значением g-фактора (аналог фактора спектроскопического расщепления Ланде). Величина g-фактора определяется как отношение частоты н, на которой проводилось измерение спектра к величине магнитной индукции В0, при которой наблюдался максимум эффекта. Следует отметить, что для парамагнитных центров g-фактор характеризует ПЦ как целое, т.е. не отдельную линию в спектре ЭПР, а всю совокупность линий, обусловленных исследуемым ПЦ.

В ЭПР экспериментах фиксируется энергия электромагнитного кванта, то есть частота н, а магнитное поле В может изменяться в широких пределах. Выделяются некоторые, довольно узкие, диапазоны СВЧ-частот, в которых работают спектрометры.

Ядерный магнитный резонанс

ЯМР -- резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исааком Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен нобелевской премии 1944 года. В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твердых телах (нобелевская премия 1952 года).

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

Происхождение спектров ЯМР

Ядра с нецелым спином могут вступать во взаимодействие со внешним магнитным полем, переходя в результате на другие энергетические уровни. Энергия этих уровней строго квантована и зависит от природы ядра, его электронного окружения, различных внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Влияние электронной оболочки на ЯМР проявляется, в частности, следующим образом. Внешнее магнитное поле, в которое помещен исследуемый образец, действует на электроны атомов или молекул образца. В случае диамагнитного образца в электронных оболочках его атомов внешним полем B0 индуцируются такие токи, которые создают вторичное магнитное поле B`, направленные в сторону, противоположную полю B0. Это вторичное поле также действует на ядро атома. Складываясь с внешним полем, оно уменьшает действие последнего на ядро. Величина B` пропорциональна B0:

B=B0(1-у)

где у - безразмерная величина, называемая константой экранирования. Она включает в себя три составляющих: атомный вклад в экранирование, зависящий от заместителя, стоящего около резонирующего атома, вклад молекулы в целом или отдельных ее составляющих (анизотропные участки), межмолекулярный вклад, зависящий от температуры, растворителя и других внешних факторов.

Спектры ЯМР

Спектр 1H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м.д.) -- протонов метила этоксильной группы.

Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

- сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;

- интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;

- ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и 13С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу д. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой ф, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) в настоящее время является широко используемым методом для изучения структуры биополимеров, о взаимодействиях между молекулами и о молекулярном движении. Рассмотрим теоретические основы этого метода на примере ЯМР для ядер атомов водорода 1Н.

Кроме заряда и массы, протон обладает механическим угловым моментом или спином I. Вращение заряженной частицы порождает магнитное поле; этот заряд можно представить как точечный магнит, ориентированный вдоль оси вращения. Напряженность этого магнитного поля выражается как магнитный момент µя. Подобно стержневому магниту, имеющему северный и южный полюс, µя имеет направление. Протоны схематически можно представить в виде микроскопических магнитных стрелок. При отсутствии внешнего магнитного поля протоны имеют хаотическое распределение. При наложении внешнего магнитного поля с напряженностью Н0 возникает взаимодействие между магнитным моментом протона µя и Н0. Энергия этого взаимодействия равна:

Е = gя bя Н0

электронный ядерный магнитный резонанс

где gя - ядерный g - фактор bя - ядерный магнетон.

Для протона ядерное спиновое квантовое число I составляет +Ѕ или - -Ѕ. Во внешнем магнитном поле Н0 возможны две ориентации протонов: магнитные стрелки ориентируются по полю (параллельно линиям магнитного поля) с энергией E1 = - 1/2gя bя H0 ,

или против поля (антипараллельно линиям магнитного поля ) с энергией E2 = + 1/2gя bя H0 ,

Разность энергий между уровнями равна

DЕ = Е2 - E1 = gя bя H0 ,

Между энергетическими уровнями ядер Е2 и E1 возможны переходы. При поглощении энергии электромагнитного излучения в области радиочастот ядрами происходит переход с одного уровня на другой. При наложении на систему ядер с различной ориентацией переменного магнитного поля (перпендикулярно постоянному магнитному полю Н0) происходит поглощение энергии волны определенной частоты v0.

v0 = gя bя H0/h ,

где h - постоянная Планка.

Поглощение энергии переменного магнитного поля ядрами атомов называют ядерным магнитным резонансом. Поглощенная энергия тратится на изменение ориентации ядер, т.е изменение спина ядра. Для измерения ЯМР используются ЯМР-спектрометры (Рис. 9). Этот прибор состоит из мощного электромагнита, который создает постоянное магнитное поле H0. Между полюсами магнита которого поле H1 с частотой до 108 Гц , натравленное перпендикулярно H0. Для достижения резонанса изменяют частоту переменного магнитного поля. При определенной частоте магнитные моменты ядер меняют ориентацию, происходит резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля. Резкое изменение магнитного поля фиксируется детектором (катушка, в которой индуцируется электрический ток).

Таким методом определяются размер и положение областей в организме, различающихся по содержанию воды. Например, можно определить размер и положение внутренних органов, инородных тел, попавших в организм. Этот метод с успехом используются для определения размеров и локализации опухолей в организме человека. ЯМР-томография имеет большое преимущество перед рентгеновской томографией, так как радиочастотное электромагнитное облучение не вызывает повреждений биологического объекта.

Заключение

Результаты многочисленных исследований показывают, что невидимые, неосязаемые электромагнитные, магнитные и электрические поля оказывают серьезное воздействие на человеческий и другие организмы. Влияние сильных полей изучено достаточно широко. Влияние слабых полей, на которое раньше не обращали внимание, оказалось ничуть не менее важным для живых организмов. Но исследования в этой области только начались.

Современный человек все больше времени проводит в помещениях железобетонного типа, в кабинах автомобилей. Но практически нет исследований, связанных с оценкой влияния на здоровье людей экранирующего действия помещений, металлических кабин автомобилей, самолетов и т.п. Особенно это касается экранирования естественного электрического поля Земли. Следовательно, такие исследования в настоящее время являются весьма актуальными.

Список используемой литературы

1. Вершинин В. И., Дерендяев Б. Г., Лебедев К. С. Компьютерная идентификация органических соединений. - 2002.

Размещено на Allbest.ru