Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Спектрометры для измерений в пулевом поле

До сих пор само собой подразумевалось, что энергия микро­волнового кванта, используемого для индуцирования электрон­ных переходов, достаточна для перехода электрона с одного уровня на другой. Если с изучаемым атомом или молекулой связано нечетное число неспаренных электронов, это допущопие всегда справедливо, так как, согласно общей теореме Крамерса, никакое внутреннее кристаллическое электрическое поле не может пол­ностью снять вырождение системы, содержащей нечетное число неспаренных электронов. Таким образом, каждый уровень будет вырожден по меньшей мере дважды, и это остаточное вырождение может быть снято только с помощью внешнего магнитного поля. Мы уже приводили соответствующий пример на фиг. 7, где было показано, что - внутренние поля действительно частично снимают вырождение шести спиновых уровней у Мн2+, но из-за нечетного числа неспаренных электронов (в данном случае 5) каждый резуль­тирующий уровень все еще остается дважды вырожденным по спину. Остаточное вырождение может быть снято только путем наложения магнитного поля.

Если, однако, число неспаренных электронов в системе четное, внутреннее поле может снять все вырождение с электронных уровней и, следовательно, вызвать расщепление между энерге­тическими уровнями даже в нулевом магнитном поле. В качестве простого примера на фиг. 37 показано расщепление уровней в нулевом поле для атома с двумя неспаренными электронами, находящегося в электрическом поле кристаллической решетки, не обладающем аксиальной симметрией.

В несколько более простом случае расщепления в нулевом поле, вызванного аксиальпо симметричным электрическим полем (см. фиг. 5, А), вырождение между уровнями Ms = ±1 и уров­нем Ms — 0 снято, но сами уровни Ms = +1 не разделяются. В более общем случае, показанном на фиг. 37, где все три уровня разделены, ЭПР-поглощение возможно только в том случае, если энергия микроволнового кванта больше исходного расщепления в нулевом поле или если напряженность магнитного поля можно увеличить до такого зпачения, при котором разность между двумя уровнями будет меньше энергии микроволнового кванта. В пода­вляющем большинстве случаев величины расщепления в нулевом поле очень малы, и поэтому вопрос о том, достаточно ли велика энергия микроволнового кванта, не возникает. Однако в некото­рых случаях эти величины могут значительно превосходить энер­гию микроволнового кванта, и, следовательно, нет никакой гарантии, что при даипой напряженности магнитного поля удастся зафиксировать какое-либо ЭПР-поглощение. Аномально большие величины расщепления в нулевом поле свойственны, в частности,

7-1182

Некоторым веществам, играющим важную роль в биохимических процессах, например гемоглобину, и это безусловно связано с осо­бенностями структуры и функции самой молекулы.

Точное определение величины расщепления в нулевом поле очень важно, если мы хотим иметь полное представление о состоя­нии изучаемых атомов и молекул; поэтому в последнее время были

Предприняты энергичные попытки создания ЭПР-спектрометров, на которых можно было бы непосредственно измерять эту вели­чину. Если само расщепление в нулевом поле слишком велико — больше энергии микроволнового кванта,— то переходы можно вызвать и в этом случае, применяя очень большие магнитные поля. В связи с этим в последние годы растет интерес к созданию • HIP-спс кт р омс тр о в, работающих на очень малых длинах волн ■ г при очень высоких иапряженностях поля, ставших теперь вполне достижимыми благодаря сверхпроводящим магнитам, ('начала мы кратко опишем такие спектрометры для измерений и нулевом поле, в которых внешнее магнитное поле не приме­няется и с помощью которых величина расщепления в нулевом

Поле может быть измерена непосредственно, а затем — некоторые последние конструкции спектрометров миллиметрового диапа­зона, работающих на сверхпроводящих магнитах.

Общая схема спектрометра, применяемого для измерений в нулевом поле, показана на фиг. 38; от других систем спектро­метров, обсуждавшихся выше, он отличается двумя существен­ными чертами. Во-первых, клистрон заменен здесь иным микро­волновым генератором, обладающим значительно более широким диапазоном перестройки (в данном случае микроволновая частота является единственным параметром, изменяемым в ходе экспери­мента, и потому диапазон ее изменений должен быть как можно шире). Таким микроволновым источником могут служить устрой­ства двух типов. Во-первых, можно использовать генератор на лампе обратной волны, не содержащий резонатора с высокой добротностью или других задающих частоту элементов. В спектро­метр, изображенный на фиг. 38, включен генератор на лампе обратной волны; частота его микроволнового излучения создается напряжением, подаваемым со стабилизируемых источников пита­ния. Во-вторых, имеется и другая возможность, разрабатываемая в настоящее время,— использование полупроводниковых генера­торов гармоник; они работают на несколько более низких частотах и перестраиваются в достаточно широком диапазоне, охватываю­щем всю частотную полосу от одной гармоники до другой.

Другая существенная особенность спектрометра для измерений в нулевом поле состоит в том, что в его схему невозможно вклю­чить резонатор или какое-либо другое устройство, характери­стики которого сильно зависят от частоты. Поэтому образец помещают непосредственно в основной волновод и располагают вдоль одной из узких его сторон (см. фиг. 38) так, что он попадает в область максимума микроволнового магнитного поля, но не захва­тывается электрическим полем. При измерениях в нулевом поле постоянные магнитные поля не применяются, но для регистрации резонансной линии и обеспечения возможности фазочувствитель - ного детектирования можно использовать небольшую модуляцию переменным током. Поскольку в таких спектрометрах нет точных балансных схем и отсутствует резонатор, в котором концентри­ровалась бы микроволновая мощность, они обладают более низкой чувствительностью по сравнению с системами, обсуждавшимися ранее; однако при изучении монокристаллов такое снижение чув­ствительности обычно не имеет значения. Подробное описание различных спектрометров, в основе которых лежат эти общие •принципы, можно найти в литературе [8, 91. Если же при иссле­дованиях в нулевом поле требуется более высокая чувствитель­ность (как это часто бывает в биохимии), лучше, по-видимому, работать на обычных спектрометрах, но использовать миллиметро­вый диапазон длин волн и изменять постоянное магнитное поле в широких пределах, чтобы обеспечить требуемую разницу в энергии.