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 $EED UHQGV]HUHN DPHO\H OV PiJQHVH WpUUH QH OpSQH OFV QKDWiVED D HVHWEHQ K HOHNWURQQD LQF HOOHQWpWHVH ULHQWi VSLQ& SiUMD ~Q SiURVtWDWODQ elektronról beszélünk, ami mágneses térrel kölcsönhatásba lép. Ezen rendszereket paramágneses rendszereknek nevezzük (1. ábra). m ág n e ses momentum É D T ö ltés elektro n vagy atommag 1. ábra. Az elektronok illetve egyes atommagok mágneses momentummal rendelkeznek. OV PiJQHVH Wp DONDOPD]iV VHWp! PiJQHVH PRPHQWXP"$# VSL! LUiQ\D%& WpU irányához képest diszkrét (NYDQWiOW' RULHQWiFLyND( YHV) IHO* (),+ OHJHJ\V]HU&- - HVHWEH./+ N OV WpUUH0 D]RQR1 YDJ2 HOOHQWpWH1 LUiQ\354 HOHQ3 6 ieud687 N O QE ] RULHQWiFL9$:;: < O QE ] energiaszinteknek felelnek meg (a térrel párhuzamos a legalacsonyabb, a tér irányával HOOHQWpWH=?> OHJPDJDVDEE@ ËJAB> N OV PiJQHVH= WpUEC KHO\H]HDED SiURVtWDWODF HOHNWUG$FH LV]NUpW energiaszintekkel rendelkezik. Az elektron spinjének orientációja, azaz energia állapota, HOHNWURPiJQHVH=I= XJiU]iVVDJ PHJYiOWR]WDWKDWyK K>L> QQDM HQHUJLiM> PHJHJ\H]LMN> N O QE ] spin-orientációkhoz tartozó energia különbséggel. Az elv ugyanaz, mint az optikai VSHNWURV]NySLiQiOK DKRJ DO HOHNWUG$F PHJIHOHO IpQA D]DO HOHNWURPiJQHVH=P= XJiU]iVQ HOQ\HOpV hatására magasabb energiájú állapotba kerül (3. ábra).
O rien táció a térhez k ép e st M á g neses tér ieud$r HOHNWUSUT PiJQHVHV PRPHQWXPiQDW RULHQWiOyGiVX N OV PiJQHVHV térben TÉRBEN (H) S = + ½ TÉR NÉLKÜL hν E N E R G IA S = - ½ ieud(ohnwurpijqhvhyzy XJiU]iY iowd[]\ QGXNi[E^ iwphqh^`_ N OV PiJQHVHa WpUEHb IHOKDVDGW energiaszintek között.
r n 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 HOHNWURPiJQHVHcdc SHNWUXPQDegf Hh i OiWKDWyj KDQHh i PLNURKXOOiPk WDUWRPiQ\iEiml 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, E = - n µ H (1) ahol az E energia, µ a mágneses momentum, H o N OV PiJQHVHp Wpq 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 kölcsönhatás miatt kialakuló energia különbséggel (1). PiJQHVHp PRPHQWXs y µ QDJ\ViJoto N YHWNH] Pu v w$x DGKDWu PHJ = - gβs, (3) ahol S a spínkvantumszám, β a Bohr PDJQHWRQz { SHGL{ HJ} DUiQ\RVViJ~ pq\h]z DPHO\QHN puwpn 5 UVHx I J{ƒ SiURVtWDWODx HOHNWURQ KRUGR]u PROHNXO WXODMGRQViJDLWyO Fentiek alapján a rezonancia feltétel: hν = gβhs (4) $EEDx OHJHJ\V]HU& HVHWEHQz DPLNR VSLQQHˆ FVDˆ ˆ pwipo RULHQWiFLyM YDxŠ N OV 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 HOHNWURPiJQHVH ƒ XJiU]i IUHNYHQFLiM /Œ ƒ N OV PiJQHVH WpUŽ PLNURKXOOiP IUHNYHQFLD WDUWRPiQ\EDxgx H OHKH IRO\DPDWRVDx YiOWR]WDWKDWu IUHNYHQFLiM VXJiUIRUUiV HOiOOtWDQL (]pu D (6 PpUpVHNQp iood PLNURKXOOiPš IUHNYHQFL PHOOH E Z PiJQHVHœ Wp HUVVpJpW
változtatják, és így pásztázzák végig a rezonancia szempontjából V]yEDM KHW WDUWRPiQ\Wž $ GHWHNWiOiŸZŸ RUi QH N ]YHWOHQ D DEV]RUSFLyWKDQH DQQD HOV GHULYiOWMi PpULNDP ] MHO feloldását megnöveli (4. ábra). Energia h ν = g βh 0 H ESR jel H H 0 4. ábra ESR mérésnél a rezonancia kialakítása állandó mikrohullámú és változó mágneses tér alkalmazásával történik. 0LYH Yt]QHª V]REDKPpUVpNOHWH«LJH««DJ PLNURKXOOiP WDUWRPiQ\ED«D] abszorpciója (PLNURV W H]pU±² PLQWi±³ HK&WLN )RO\pNRQµ 12 KPpUVpNOH. HOHJHQG D víz abszorpciója miatti probléma kiküszöbölésére. A legtöbb jel azonban csak ennél DODFVRQ\D¹ ¹»º PpUVpNOHWH¼ PpUKHW½ H]pU (6¾ PpUpVHNQp? ÁÀSLNXÂ/à IRO\pNRQÄ KpOLXPPDO K&W ÅEÅ NULRV]WiWÆ$Ç DONDOPD]iVDDPLQHÇ È É.LÊ OHKHÅÌË KPpUVpNOHWHÅ FV NNHQWHQL Környezeti kölcsönhatások Az elektron spinek környezetükkel energetikai kölcsönhatásban vannak. Ennek eredményeként az elektromágneses sugárzás elnyelésével magasabb energiaszintre hozott VSLÍ UHQGV]HUÎ DÏ HOQ\HÐÅ HQHUJLiÅ N UQ\H]HWpQHÇ HOEEXWÑÓÒ Ò iwdgmë;ôöõ tj YLVV]DMXÅ D]
DODFVRQ\DØ Ø HQHUJLDV]LQWUHÙ (ÚBÛ UHOD[iFLyQDÜÝ HYH]HÞEÞ IRO\DPDÞ DÚ HQHUJLiÞ HOV OpSpVEHÝ D VSLÝ UHQGV]HUUß DÚ DWRPà$Ü PROHNXOiNá iowdß DONRWRÞâÞ UiFVKRÚ N ]YHÞäãåÞÁæ K IRUPiMiEDQç H]pUW spin-rács relaxációnak is nevezik. Majd az energia a rácstól a környezetbe kerül. Ez a IRO\DPDÞ DQDOyè DÚ RSWLNDæ VSHNWURV]NySLiEyß²æ VPHUÞ VXJiU]ié QpON OLç K IRUPiMiEDÝ W UWpQ HQHUJLÛ GLVV]LSiFLyYDOÙëê VSLÝ UHOD[iFLì LGEHßEæ NLQHWLNiMiQDÜ PpUpVíîÛ N UQ\H]HWWHß YDOy kölcsönhatásról ad információt. Hiperfinom kölcsönhatások Ha a párosítatlan elektron olyan molekulában található, amely mágneses PRPHQWXPPDß UHQGHONH] DWRPPDJRÞïÞ DUWDOPD]ç DÚ HOHNWUà$Ý péšû magspin egymással kölcsönhatásba lép. Ez lényegében annyit jelent, hogy az HOHNWURQVSLÝðÛ N ]HOpEHÝ OpY PDJ PiJQHVHé PRPHQWXPiÞ N OV PiJQHVHé WpUNpQÞ pu]lù (Ú DÚ ~QÙ hiperfinom kölcsönhatás, aminek következtében az elektronspinhez (ill. magspinhez) tartozó energiaszintek IHOKDVDGQDNç pé HJñ (6ò iwphqhþ KHO\HÞEÞ NHWW YDèóñ WôÓØ Ø OiWKDWìmõÛ PDJVSLÝ puwpnpwo I JJHö ieud Energia I=+1/2 I=+1/2 I= -1/2 S =+1/2 h ν = g βh 0 B I= -1/2 S = -1 /2 ESR jel H H 0 5. ábra. ESR vonal felhasadás hiperfinom kölcsönhatás eredményeként. S és I jelenti az elektron- és magspinszám értékeit.
Anizotrópia 6]LOiU îø OGDWRNEDù Dú (6û DNWtü PROHNXOiýþù Hÿ WXGQDý V]DED ø$ù PR]RJQL H]pU N OV mágneses térhez képest állandó orientációt tartanak fenn. Ugyanakkor, a párosítatlan elektron VHÿ HJ\HQOHWHVHù ø V]OLý H PROHNXOiQ KDQHÿ DGR HOHNWURQSiO\iQDý PHJIHOHO RULHQWiFLyW mutat. Mivel a rezonancia feltételt meghatározó µ PiJQHVH PRPHQWXÿ p N OV PiJQHVHV Wp WpUHUVVpJ YHNWRUPHQQ\LVpJHN skalárszorzatuk nagysága függ kölcsönös RULHQWiFLyMXNWyO (]pu PiJQHVH WpUKH N O QE ] NpSH ULHQWi PROHNXOi HVHWpQ N O QE ] HQHUJL UWpNH HVHWp D UH]RQDQFLD D]D DEV]RUSFLy (QQH 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 I J! N UQ\H]HWWO YDODPLQ" PROHNXOiQD D mágneses térhez való orientációjától. A g faktor anizotrópiájának leírására általános esetben egy WHQ]R V] NVpJHV 0HJIHOHO NRRUGLQiW UHQGV]H DONDOPD]iV# VHWp%$ iur&'& HQQ\LVpJ D g x, g y, és g z HOHJHQG IDNWR WHOMH MHOOHP]pVpUH (]H puwpnh PHJIHOHOQH D]( J IDNWRURNQDN DPHO\H DNNR PpUKHWN K) PiJQHVH WpUUHQGU HJ* RULHQWi+ NULVWiO* x, y és z WHQJHO\H,-, UiQ\iE PXWDW (J* D[LiOL# ]LPPHWULiYD UHQGHONH] NULVWiO* HVHWp g x = g y g z. (NNR Np. puwp HOHJHQG D DQL]RWUySL OHtUiViUD DPHO\HNH J (= g x = g y ) és g (=g z ) szimbólumokkal jelölünk. Egy oldatban gyorsan mozgó molekula esetén az ún. átlagos g faktor, a g 0 = (g x + g y + g z/1012 PpUKHW Orientáció +3!354 (66 PLQW3 UHQGH]H787 V]HUNH]HW& SO9 NULVWiO\: YDJ;<3 PROHNXOi= PHFKDQLNXVDQ orientáltak), akkor lényegében az összes molekulán található elektronspin azonos RULHQWiFLyED> YD>?3 N OV PiJQHVH@ WpUKH4 NpSHVW9 0LYHAB3 UH]RQDQFLiKR4 V] NVpJH@ HQHUJLD függ a spin és a tér kölcsönös orientációjától, az ESR spektrum alakja változik, ha a mintát a WpC LUiQ\iKRD NpSHVE IRUJDWMXNF,O\HG PpUpVHNEHJI VSLGLK ULHQWiFLyMIMI PLQWiKRD SOF NULVWiO\ tengely, vagy egy másik ESR aktív komponens spinjéhez képest meghatározható.
N IRWRV]LQWHWLNXO (6P YL]VJiODWRQ HOQ\HR ps 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 és alkalmazott, nagyon magas színvonalú P&V]HUH]HWWVpJJHTVU iprjdwru8u PyGV]HU Hátrányok: Költséges berendezés ( 100,000 USD) /HJWWYXZX MH[ FVD\ IRO\pNRQ] +^ KPpUVpNOHWH_a` L]VJiOKDWy Csak nagyon tiszta preparátumokra alkalmazható, (intakt leveleken, algákon stb. nem). Mag mágneses rezonancia (NMR) Mágneses momentummal nemcsak párosítatlan elektronok, hanem egyes atommagok is UHQGHONH]QHNb. OV PiJQHVHc WpUEH_ Dd HOHNWUe(_ VSLQHNKHd KDVRQOyD_gf PDh PiJQHVHV PRPHQWXPe(\ Lc GLV]NUpigj UiQ\RNEflk OOQD\mX Hn DPHO\HNKHd N O QE ] 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 = g n β n HI, ahol I a mag spin kvantumszám, β n a mag magneton, g n 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\Eoap VLNq (PHOOHWWr Ds 10t PpUpVHNKHs V] NVpJHu PiJQHVHu WpUHUVVpv QDJ\wYxZx 14 T), mint az ESR-nél, ami folyékony +HDy K&W z8z V]XSUDYH]HW PiJQHVHNHz LJpQ\HO 0HJILJ\HOKHW 0LQGH{} O\D{ UHQGV]HUEHQ~ DP 2Wy HOWpU PDJVSLQNYDQWXPV]iP DWRPPDJRNDW tartalmaz. 1 H, 13 C, 15 N, 31 P Biológiai rends]huh HVHWp{ WLSLNXVDQROGRƒ8ƒ 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 DONDOPD]KDWyViJ Z D]RQED{a{ DJ\PpUWpNEH{a Z O QE ],WiEOi]DW Optikai ESR NMR spektroszkópia Frekvencia 3 10 14-10 15 Hz 10 10-10 11 Hz 10 6-5 10 8 Hz paramágneses Alkalmazható kromofórok centrumok (átmeneti fémek, gyökök) magspinnel UHQGHONH] DWRPPDJRN ( 1 H, 13 C, Relatív érzékenység 1000 1 0.001 Spektrális információ alacsony alacsony Magas Szelektivitás alacsony magas alacsony 31 P),WiEOi]DW$ RSWLND (6ˆ p 10ˆ VSHNWURV]NySLŠaŠ ODSYHW MHOOHP]LQH 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).