Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Электронное расщепление в органических молекулах

Два неспаренных электрона, обусловливающих триплетное состояние в органической молекуле, можно рассматривать как электроны, обладающие только спиновым угловым моментом; следовательно, их моменты складываются по правилам действий над векторами и полное спиновое квантовое число S = 1. В маг­нитном поле этот суммарный угловой момент (и, следовательно, магнитный момент) будет ориентироваться как единое целое, причем существуют лишь три возможные его ориентации: Ме = +1, 0 или —1.

Если на эти два неспаренных электрона не действует элек­трическое поле, то в отсутствие внешнего магнитного поля все три ориентации полного спина будут характеризоваться равными энергиями. При наложении магнитного поля произойдет расще­пление энергетических уровней. Из фиг. 4 видно, что энергия.

Соответствующая нулевой компоненте спина вдоль направления соля, как и следовало ожидать, не изменится, тогда как энергия двух других изменится таким образом, что величина расщепления будет вдвое больше, чем в случае только одного неспаренного электрона (фиг. 2). Электромагнитное излучение с частотой, соответствующей разности между энергетическими уровнями +1 и 0 или 0 и —1, будет поглощаться в этом случае точно так же, как и в случае, рассмотренном выше. Действительно, из фиг. 4 ясно, что дли обоих разрешенных переходов (0 -»- + 1 и —1 —>- 0)

Условие резонанса имеет место при одном и том же значении поля, так что, хотя в действительности происходят два перехода, наблюдается только одна линия поглощения. Во всех этих случаях кван­товое число, согласно пра­вилу отбора, может изме­няться только на единицу и, следовательно, с точ7 ностью до членов первого порядка изменение ДМа = ±2, которое вызвало бы переход между крайними уровнями при половинном

Значении напряженности поля, не разрешено. Поэтому в этих условиях расщепления линии поглощения не происходит.

В действительности, однако, неспаренные электроны никогда не находятся в нулевом электрическом поле: и в кристалле, и в аморфном веществе всегда существуют очень сильные внутрен­ние электрические поля, действующие на энергетические уровни электронов и расщепляющие их на две группы (так называемый эффект Штарка; фот. 5, А, слева). Существует общая теорема, которая гласит, что электрическое поле с осевой симметрией может расщепить только уровни с разными квантовыми числами (но не с одинаковыми квантовыми числами разного знака). Таким образом, при наличии молекулярного электрического поля уровни с квантовыми числами Ms — ±1 вырождены, но отделены от уров­ней с квантовым числом Ms — 0. Если на такой образец подать электромагнитное излучение с частотой v, то для каждого из двух рассматриваемых переходов поглощение, естественно, будет происходить при разных значениях внешнего магнитного поля. Эти два перехода потребуют теперь разных значений поля для обеспечения необходимой разности энергии (фиг. 5, А, справа); в результате получатся две линии поглощения, отчетливо отделен-
uue одна от другой. Такого рода расщепление называется элек­тронным, так как оно возникает в результате взаимодействия между неспаренными электронами, содержащимися в атоме или молекуле. Разность значений магнитного поля, при которых наблюдается поглощение, может служить прямой мерой расстоя­ния между подуровнями, возникшими под влиянием внутреннего электрического поля. Поэтому измерение электронного расщепле­ния может дать очень полезную информацию о внутримолекуляр­ных взаимодействиях.

Фиг. 5. Электронное расщепление. '1.1— возникновение двух линий поглощения в результате расщепления в нулевом поле; С — расхождение энергетических урогней в случае, когда ось квантования неопреде­ленна (приложенное магнитное поле перпендикулярно внутреннему электрическому

Полю).

Следует заметить, что до сих пор в це. лях ясности наложения мы описывали расщепление энергетических уровней несколько упрощенно. Несколько более тщательное рассмотрение с улетом эффектов второго порядка, играющих особенно важную роль в слабых полях, дает картину, изображенную на фиг. 5, Б для случая, когда приложенное магнитное иоле перпендикулярно направлению внутреннего электрического поля. В этом случае энергетические уровни не пересекаются, а сливаются один с дру­гим, но при высоких значениях напряженности получается тот же результат, что и при упрощенном описании (фиг. 5, А). Эти вопро­сы мы обсудим более подробно в одном из следующих разделов, где будет рассматриваться расщепление в нулевом магнитном поле применительно к биологическим веществам.

Описанный выше характер расщепления энергетических уров­ней объясняется конкуренцией между внутренним электрическим и внешним магнитным полями, из которых первое служит осью
квантования при низких напряженностях магнитного поля, а вто­рое — при высоких. Эта конкуренция обусловливает также замет­ные изменения спектра в зависимости от угла между внешним и внутренним полями. Иными словами, измеряемая величина электронного расщепления зависит от относительной ориента­ции внешнего магнитного поля (фот. 6). При изучении моно­кристалла можно очень легко измерить это изменение в электрон­ном расщеплении и, вычертив его зависимость от угла между

Магнитным полем и кристаллической осью, получить важные сведения о симметрии и величине внутреннего молекулярного поля. Если, однако, изучаемый объект находится в жидком или аморфном состоянии, то удается наблюдать лишь усредненное электронное расщепление и линия поглощения «размазывается» (фиг. в, В), а иногда даже и совсем не поддается обнаружению. При изучении ЭПР в жидких или аморфных веществах «размазы­вание» поглощения, обусловленное этой причиной, наблюдается весьма часто, и поэтому всегда следует соблюдать осторожность, интерпретируя отрицательные результаты. Так, сначала ЭПР i'|iиI[летных возбужденных состояний удавалось наблюдать только ■■(•и исследовании монокристаллов, но в более поздних работах Гм. ию показано, что эти состояния можно зарегистрировать п и растворах.