Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Фактор

Другим параметром, характеризующим синглетную линию поглощения, является положение точки резонанса. Возвращаясь к уравнению (1.1), можно видеть, что если микроволновая частота поддерживается постоянной, то единственными параметрами, которые могут изменяться, являются напряженность приложен­ного извне магнитного поля и величина g-фактора. С. ледовательно, шачение поля, при котором имеет место резонанс, определяет неличину g-фактора для данного свободного неспаренного элек­трона или неспаренного электрона, связанного с атомом или молекулой.

Как уже было показано, ^-фактор свободного электрона (т. е. электрона, не обладающего угловым орбитальным моментом) равен 2,0023. У многих свободных радикалов, в которых неспа - ренный электрон находится на сильно делокализованной моле­кулярной орбитали, значения g-фактора очень близки к этой иеличине, что указывает на очень слабую связь спинового и орби­тального моментов. Таким образом, близость значения g-фактора 1С значению ^-фактора свободного электрона указывает либо па существование сильно делокализованной молекулярной орби - гали, .либо на такое состояние, в котором электрон не обладает орбитальным движением. Однако величина g-фактора сама по себе к этом случае не дает сведений о состоянии электрона или атома, с которым он связан.

Если же электрон движется по атомной орбитали, принадле­жащей одному какому-либо атому, то его угловой орбитальный момент может быть весьма значительным и величина ^-фактора будет отличаться от g-фактора свободного электрона. Это объяс­няется тем, что соотношения между магнитным и угловым момен­тами для спинового и для орбитального движения различны. Для случая орбитального движения это соотношение непосред­ственно задается простой классической формулой (разд. 1.2), тогда как значение магнитного момента, связанного со спиновым угловым моментом, примерно вдвое превышает теоретическое. 1(ля электрона, принадлежащего свободному атому и не испыты­вающего воздействия внешних магнитного или электрического нолей, результирующее значение g-фактора может быть выражено непосредственно в квантовых числах S, L и I, определяющих полный спиновый и полный орбитальный магнитные моменты. В этом случае g-фактор идентичен параметру, известному под названием фактора Ланде или фактора спектроскопического рас­щепления, и определяется выражением

(1.10)

Если, однако, неспаренный электрон связан не с таким свобод­ным атомом, а с атомом, входящим в состав твердой кристалли­ческой решетки или какой-либо другой молекулярной структуры (как это почти всегда бывает в случае биологических или биохими­ческих объектов), то он будет испытывать влияние довольно силь­ных внутренних электрических полей, обусловленных структурой самой молекулы. Эти электрические поля влияют на орбитальный момент атома и могут очень существенно изменять его энергию; вследствие этого простой фактор Ланде уже неприменим и расчет ^-фактора становится бо. лее сложным. Некоторые способы опре­деления g-факторов для различных групп переходных атомов в различных условиях подробно изложены в книге Рубинса [3]. В гл. 5 мы рассмотрим такие атомы, как медь, молибден и железо, которые входят в состав биологически важных веществ, а пока лишь отметим, что отличие g-фактора от 2,00 и его угловые изме­нения характеризуют тип связей, образуемых данным атомом или радикалом. Измеряя величину g-фактора, можно получать очень подробные сведения о всех внутримолекулярных связях, в том числе и ковалентных.

Мы рассмотрели интегральную интенсивность, ширину линии поглощения и g-фактор (три основных параметра, характери­зующих линии ЭПР-спектра) для синглетной линии поглощения. Вообще говоря, измерение этих параметров для синглетных линий нередко может оказаться весьма полезным. Но если бы при иссле­довании систем, содержащих неспаренные электроны, мы всегда получали только синглетную линию, то многие приложения метода ЭПР вообще были бы невозможны и он не стал бы таким универ­сальным средством исследования, каким он является в настоящее время. Большинство этих приложений основано на явлении расщепления линий, которое дает возможность получить более подробную информацию как об энергетическом состоянии неспа­ренных электронов, так и об их локализации. Существуют два основных типа расщепления, характерных для спектра ЭПР, и оба они важны для исследования биологических и биохимиче­ских объектов. Первое — так называемое электронное расщепле­ние — возникает в тех случаях, когда изучаемая молекула или атом обладает не одним, а несколькими неспаренными электро­нами. Второе — сверхтонкое расхцепление — наблюдается при взаимодействии неспаренного электрона с магнитным моментом ядер, находящихся в пределах его орбитали. Рассмотрим каждый из этих двух типов расщепления и опишем в общих чертах измене­ния, вызываемые ими в спектре.