La resonancia paramagnética electrónica ( EPR ) o resonancia de spin electrónico ( ESR ) espectroscopía es un método para el estudio de materiales con electrones no apareados . Los conceptos básicos de EPR son análogos a los de resonancia magnética nuclear (RMN), pero los espines excitados son los de los electrones en lugar de los núcleos atómicos . La espectroscopia EPR es particularmente útil para estudiar complejos metálicos y radicales orgánicos. EPR fue observado por primera vez en la Universidad Estatal de Kazán por el físico soviético Yevgeny Zavoisky en 1944, [1] [2]y fue desarrollado de forma independiente al mismo tiempo por Brebis Bleaney en la Universidad de Oxford .
Teoría
Origen de una señal EPR
Cada electrón tiene un momento magnético y un número cuántico de espín. , con componentes magnéticos o . En presencia de un campo magnético externo con fuerza, el momento magnético del electrón se alinea antiparalelo () o paralelo () al campo, cada alineación tiene una energía específica debido al efecto Zeeman :
dónde
- está llamada del electrón g -factor (véase también la Landé g -factor ),para el electrón libre, [3]
- es el magneton de Bohr .
Por lo tanto, la separación entre el estado inferior y el superior es para electrones libres no apareados. Esta ecuación implica (dado que ambosy son constantes) que la división de los niveles de energía es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético , como se muestra en el diagrama siguiente.
Un electrón no apareado puede cambiar su espín electrónico absorbiendo o emitiendo un fotón de energía. tal que la condición de resonancia, , es obedecido. Esto conduce a la ecuación fundamental de la espectroscopia EPR:.
Experimentalmente, esta ecuación permite una gran combinación de valores de frecuencia y campo magnético, pero la gran mayoría de las mediciones de EPR se realizan con microondas en la región de 9000 a 10000 MHz (9 a 10 GHz), con campos correspondientes a aproximadamente 3500 G (0,35 T ). Además, los espectros EPR se pueden generar variando la frecuencia del fotón incidente en una muestra mientras se mantiene constante el campo magnético o haciendo lo contrario. En la práctica, suele ser la frecuencia la que se mantiene fija. Una colección de centros paramagnéticos , como los radicales libres, está expuesta a microondas a una frecuencia fija. Al aumentar un campo magnético externo, la brecha entre el y los estados de energía se amplían hasta que coinciden con la energía de las microondas, como lo representa la flecha doble en el diagrama de arriba. En este punto, los electrones no apareados pueden moverse entre sus dos estados de espín. Dado que normalmente hay más electrones en el estado inferior, debido a la distribución de Maxwell-Boltzmann (ver más abajo), hay una absorción neta de energía, y es esta absorción la que se monitorea y se convierte en un espectro. El espectro superior a continuación es la absorción simulada para un sistema de electrones libres en un campo magnético variable. El espectro inferior es la primera derivada del espectro de absorción. Esta última es la forma más común de registrar y publicar espectros EPR de onda continua.
Para la frecuencia de microondas de 9388,2 MHz, la resonancia predicha se produce en un campo magnético de aproximadamente = 0,3350 T = 3350 G
Debido a las diferencias de masa entre electrones y núcleos , el momento magnético de un electrón es sustancialmente mayor que la cantidad correspondiente para cualquier núcleo, por lo que se necesita una frecuencia electromagnética mucho más alta para producir una resonancia de espín con un electrón que con un núcleo, a idéntica intensidades del campo magnético. Por ejemplo, para el campo de 3350 G que se muestra arriba, la resonancia de espín ocurre cerca de 9388.2 MHz para un electrón en comparación con solo aproximadamente 14.3 MHz para núcleos de 1 H. (Para la espectroscopia de RMN, la ecuación de resonancia correspondiente es dónde y dependen del núcleo en estudio.)
Modulación de campo
Como se mencionó anteriormente, un espectro EPR generalmente se mide directamente como la primera derivada de la absorción. Esto se logra mediante el uso de modulación de campo. Se aplica un pequeño campo magnético oscilante adicional al campo magnético externo a una frecuencia típica de 100 kHz. [4] Al detectar la amplitud pico a pico, se mide la primera derivada de la absorción. Al utilizar la detección sensible a la fase, solo se detectan señales con la misma modulación (100 kHz). Esto da como resultado una mayor relación señal / ruido. Tenga en cuenta que la modulación de campo es exclusiva de las mediciones de EPR de onda continua y los espectros resultantes de experimentos pulsados se presentan como perfiles de absorción.
Distribución de Maxwell-Boltzmann
En la práctica, las muestras de EPR consisten en colecciones de muchas especies paramagnéticas y no en centros paramagnéticos aislados. Si la población de radicales está en equilibrio termodinámico, su distribución estadística se describe mediante la ecuación de Maxwell-Boltzmann :
dónde es el número de centros paramagnéticos que ocupan el estado de energía superior, es la constante de Boltzmann , yes la temperatura termodinámica . A 298 K, las frecuencias de microondas de la banda X ( ≈ 9,75 GHz) dan ≈ 0,998, lo que significa que el nivel de energía superior tiene una población ligeramente menor que la inferior. Por tanto, las transiciones del nivel inferior al superior son más probables que a la inversa, por lo que hay una absorción neta de energía.
La sensibilidad del método EPR (es decir, el número mínimo de giros detectables ) depende de la frecuencia de los fotones de acuerdo a
dónde es una constante, es el volumen de la muestra, es el factor de calidad sin carga de la cavidad de microondas (cámara de muestra), es el coeficiente de llenado de la cavidad, y es la potencia de microondas en la cavidad del espectrómetro. Con y siendo constantes, ~ , es decir, ~ , dónde ≈ 1,5. En la práctica, puede cambiar variando de 0.5 a 4.5 dependiendo de las características del espectrómetro, las condiciones de resonancia y el tamaño de la muestra.
Por tanto, se obtiene una gran sensibilidad con un límite de detección bajo y una gran cantidad de giros. Por tanto, los parámetros necesarios son:
- Una alta frecuencia de espectrómetro para maximizar la ecuación. 2. Las frecuencias comunes se analizan a continuación.
- Una temperatura baja para disminuir el número de espines al alto nivel de energía como se muestra en la Ec. 1. Esta condición explica por qué los espectros a menudo se registran en la muestra en el punto de ebullición del nitrógeno líquido o del helio líquido .
Parámetros espectrales
En los sistemas reales, los electrones normalmente no son solitarios, sino que están asociados con uno o más átomos. Hay varias consecuencias importantes de esto:
- Un electrón no apareado puede ganar o perder momento angular, lo que puede cambiar el valor de su factor g , haciendo que difiera de. Esto es especialmente significativo para los sistemas químicos con iones de metales de transición.
- Los sistemas con múltiples electrones no apareados experimentan interacciones electrón-electrón que dan lugar a una estructura "fina". Esto se realiza como división de campo cero y acoplamiento de intercambio , y puede ser de gran magnitud.
- El momento magnético de un núcleo con un espín nuclear distinto de cero afectará a los electrones no apareados asociados con ese átomo. Esto conduce al fenómeno de acoplamiento hiperfino , análoga a J acoplamientoo en RMN, la división de la señal de resonancia EPR en dobletes, tripletes y así sucesivamente. Las escisiones adicionales más pequeñas de núcleos cercanos se denominan a veces acoplamiento "superhiperfino".
- Las interacciones de un electrón desapareado con su entorno influyen en la forma de una línea espectral EPR. Las formas de las líneas pueden proporcionar información sobre, por ejemplo, la velocidad de las reacciones químicas. [5]
- Estos efectos ( factor g , acoplamiento hiperfino, división de campo cero, acoplamiento de intercambio) en un átomo o molécula pueden no ser los mismos para todas las orientaciones de un electrón desapareado en un campo magnético externo. Esta anisotropía depende de la estructura electrónica del átomo o molécula (p. Ej., Radical libre) en cuestión y, por tanto, puede proporcionar información sobre el orbital atómico o molecular que contiene el electrón desapareado.
El factor g
El conocimiento del factor g puede proporcionar información sobre la estructura electrónica de un centro paramagnético. Un electrón no apareado responde no solo al campo magnético aplicado de un espectrómetropero también a cualquier campo magnético local de átomos o moléculas. El campo efectivo experimentado por un electrón se escribe así
dónde incluye los efectos de los campos locales (puede ser positivo o negativo). Por lo tanto, los La condición de resonancia (arriba) se reescribe de la siguiente manera:
La cantidad se denota y se llama simplemente factor g , de modo que la ecuación de resonancia final se convierte en
Esta última ecuación se utiliza para determinar en un experimento EPR midiendo el campo y la frecuencia a la que se produce la resonancia. Si no es igual , la implicación es que la relación entre el momento magnético de espín del electrón desapareado y su momento angular difiere del valor del electrón libre. Dado que el momento magnético de espín de un electrón es constante (aproximadamente el magnetón de Bohr), entonces el electrón debe haber ganado o perdido momento angular a través del acoplamiento espín-órbita . Debido a que se conocen bien los mecanismos del acoplamiento espín-órbita, la magnitud del cambio proporciona información sobre la naturaleza del orbital atómico o molecular que contiene el electrón desapareado.
En general, el factor g no es un número sino un tensor de segundo rango representado por 9 números dispuestos en una matriz de 3 × 3 . Los ejes principales de este tensor están determinados por los campos locales, por ejemplo, por la disposición atómica local alrededor del espín no apareado en un sólido o en una molécula. La elección de un sistema de coordenadas apropiado (digamos, x , y , z ) permite "diagonalizar" este tensor, reduciendo así el número máximo de sus componentes de 9 a 3: g xx , g yy y g zz . Para un solo espín que experimenta solo la interacción Zeeman con un campo magnético externo, la posición de la resonancia EPR está dada por la expresión g xx B x + g yy B y + g zz B z . Aquí B x , B y y B z son los componentes del vector de campo magnético en el sistema de coordenadas ( x , y , z ); sus magnitudes cambian a medida que se gira el campo, al igual que la frecuencia de la resonancia. Para un gran conjunto de espines orientados aleatoriamente, el espectro EPR consta de tres picos de forma característica en las frecuencias g xx B 0 , g yy B 0 y g zz B 0 : el pico de baja frecuencia es positivo en los espectros de primera derivada, el el pico de alta frecuencia es negativo y el pico central es bipolar. Tales situaciones se observan comúnmente en polvos y, por lo tanto, los espectros se denominan "espectros de patrón de polvo". En los cristales, el número de líneas EPR está determinado por el número de orientaciones cristalográficamente equivalentes del espín EPR (llamado "centro EPR").
Acoplamiento hiperfino
Dado que la fuente de un espectro EPR es un cambio en el estado de espín de un electrón, el espectro EPR para un radical (sistema S = 1/2) consistiría en una línea. Surge una mayor complejidad porque el espín se acopla con espines nucleares cercanos. La magnitud del acoplamiento es proporcional al momento magnético de los núcleos acoplados y depende del mecanismo del acoplamiento. El acoplamiento está mediado por dos procesos, dipolar (a través del espacio) e isotrópico (a través del enlace).
Este acoplamiento introduce estados de energía adicionales y, a su vez, espectros de múltiples líneas. En tales casos, el espacio entre las líneas espectrales EPR indica el grado de interacción entre el electrón desapareado y los núcleos perturbadores. La constante de acoplamiento hiperfina de un núcleo está directamente relacionada con el espaciado de línea espectral y, en los casos más simples, es esencialmente el espaciado en sí. [6]
Dos mecanismos comunes por los cuales los electrones y los núcleos interactúan son la interacción de contacto de Fermi y la interacción dipolar. El primero se aplica en gran medida al caso de interacciones isotrópicas (independientemente de la orientación de la muestra en un campo magnético) y el segundo al caso de interacciones anisotrópicas (espectros que dependen de la orientación de la muestra en un campo magnético). La polarización de espín es un tercer mecanismo para las interacciones entre un electrón desapareado y un espín nuclear, siendo especialmente importante para-Radicales orgánicos de electrones, como el anión radical benceno. Los símbolos " a " o " A " se utilizan para las constantes de acoplamiento hiperfinas isotrópicas, mientras que " B " se emplea habitualmente para las constantes de acoplamiento hiperfinas anisotrópicas. [7]
En muchos casos, se puede predecir el patrón de escisión hiperfina isotrópica para un radical que gira libremente en una solución (sistema isotrópico).
Multiplicidad
- Para un radical que tiene M núcleos equivalentes, cada uno con un espín de I , el número de líneas EPR esperado es 2 MI + 1. Como ejemplo, el radical metilo, CH 3 , tiene tres núcleos 1 H, cada uno con I = 1 / 2, por lo que el número de líneas esperado es 2 MI + 1 = 2 (3) (1/2) + 1 = 4, que es como se observa.
- Para un radical que tiene núcleos equivalentes a M 1 , cada uno con un espín de I 1 , y un grupo de núcleos equivalentes a M 2 , cada uno con un espín de I 2 , el número de líneas esperado es (2 M 1 I 1 + 1) ( 2 M 2 I 2 + 1). Como ejemplo, el radical metoximetilo, H
2C (OCH
3) tiene dos núcleos 1 H equivalentes , cada uno con I = 1/2 y tres núcleos 1 H equivalentes, cada uno con I = 1/2, por lo que el número de líneas esperadas es (2 M 1 I 1 + 1) (2 M 2 I 2 + 1) = [2 (2) (1/2) + 1] [2 (3) (1/2) + 1] = 3 × 4 = 12, nuevamente como se observa. - Lo anterior se puede ampliar para predecir el número de líneas para cualquier número de núcleos.
Si bien es fácil predecir el número de líneas, el problema inverso, desentrañar un espectro EPR complejo de múltiples líneas y asignar los distintos espacios a núcleos específicos, es más difícil.
En el caso frecuente de I = 1/2 núcleos (p. Ej., 1 H, 19 F, 31 P), las intensidades de línea producidas por una población de radicales, cada uno de los cuales posee M núcleos equivalentes, seguirán el triángulo de Pascal . Por ejemplo, el espectro de la derecha muestra que los tres núcleos 1 H del radical CH 3 dan lugar a 2 MI + 1 = 2 (3) (1/2) + 1 = 4 líneas con un 1: 3: 3: 1 proporción. El espaciado de línea da una constante de acoplamiento hiperfino de un H = 23 G para cada uno de los tres 1 núcleos H. Tenga en cuenta de nuevo que las líneas de este espectro son las primeras derivadas de las absorciones.
Como segundo ejemplo, el radical metoximetilo, H 3 COCH 2 . el centro OC H 2 dará un patrón EPR general 1: 2: 1, cada componente del cual se divide aún más por los tres hidrógenos metoxi en un patrón 1: 3: 3: 1 para dar un total de 3 × 4 = 12 líneas , un triplete de cuartetos. Se muestra una simulación del espectro EPR observado y está de acuerdo con la predicción de 12 líneas y las intensidades de línea esperadas. Tenga en cuenta que la constante de acoplamiento más pequeña (espacio entre líneas más pequeño) se debe a los tres hidrógenos metoxi, mientras que la constante de acoplamiento más grande (espacio entre líneas) es de los dos hidrógenos unidos directamente al átomo de carbono que lleva el electrón desapareado. A menudo ocurre que las constantes de acoplamiento disminuyen de tamaño con la distancia del electrón desapareado de un radical, pero hay algunas excepciones notables, como el radical etilo (CH 2 CH 3 ).
Definición de ancho de línea de resonancia
Los anchos de línea de resonancia se definen en términos de la inducción magnética B y sus unidades correspondientes, y se miden a lo largo del eje x de un espectro EPR, desde el centro de una línea hasta un punto de referencia elegido de la línea. Estos anchos definidos se denominan medios anchos y poseen algunas ventajas: para líneas asimétricas, se pueden dar valores de medio ancho izquierdo y derecho. La mitad de anchoes la distancia medida desde el centro de la línea hasta el punto en el que el valor de absorción tiene la mitad del valor de absorción máximo en el centro de la línea de resonancia . Anchura de la primera inclinaciónes una distancia desde el centro de la línea hasta el punto de máxima inclinación de la curva de absorción. En la práctica, se utiliza una definición completa de ancho de línea. Para líneas simétricas, medio anchoy ancho de inclinación total .
Aplicaciones
La espectroscopia EPR / ESR se utiliza en diversas ramas de la ciencia, como la biología , la química y la física , para la detección e identificación de radicales libres en estado sólido, líquido o gaseoso, [8] y en centros paramagnéticos como los centros F . EPR es un método sensible y específico para estudiar tanto los radicales formados en reacciones químicas como las reacciones en sí mismas. Por ejemplo, cuando el hielo (H 2 O sólido ) se descompone por exposición a radiación de alta energía, se producen radicales como H, OH y HO 2 . Dichos radicales pueden ser identificados y estudiados por EPR. Los radicales orgánicos e inorgánicos se pueden detectar en sistemas electroquímicos y en materiales expuestos a la luz ultravioleta . En muchos casos, las reacciones para formar los radicales y las reacciones posteriores de los radicales son de interés, mientras que en otros casos se usa EPR para proporcionar información sobre la geometría de un radical y el orbital del electrón desapareado. La espectroscopia EPR / ESR también se utiliza en geología y arqueología como herramienta de datación. Puede aplicarse a una amplia gama de materiales como carbonatos, sulfatos, fosfatos, sílice u otros silicatos. [9]
La resonancia paramagnética de electrones (EPR) ha demostrado ser una herramienta útil en la investigación de catálisis homogénea para la caracterización de complejos paramagnéticos e intermedios reactivos . [10] La espectroscopia EPR es una herramienta particularmente útil para investigar sus estructuras electrónicas , que es fundamental para comprender su reactividad .
También existen aplicaciones médicas y biológicas de EPR. Aunque los radicales son muy reactivos, por lo que normalmente no se encuentran en altas concentraciones en biología, se han desarrollado reactivos especiales para marcar por rotación moléculas de interés. Estos reactivos son particularmente útiles en sistemas biológicos. Las moléculas de radicales no reactivas especialmente diseñadas pueden unirse a sitios específicos en una célula biológica , y los espectros de EPR pueden proporcionar información sobre el entorno de estos llamados marcadores de espín o sondas de espín . Los ácidos grasos marcados con espín se han utilizado ampliamente para estudiar la organización dinámica de los lípidos en las membranas biológicas, [11] las interacciones lípido-proteína [12] y la temperatura de transición del gel a las fases cristalinas líquidas. [13]
Se ha diseñado un tipo de sistema de dosimetría para patrones de referencia y uso rutinario en medicina, basado en señales EPR de radicales de α- alanina policristalina irradiada (el radical de desaminación de alanina, el radical de abstracción de hidrógeno y el (CO-
(OH)) = C (CH
3)NUEVA HAMPSHIRE+
2radical). Este método es adecuado para medir rayos gamma y X , electrones, protones y radiación de alta transferencia de energía lineal (LET) de dosis en el rango de 1 Gy a 100 kGy. [14]
La espectroscopía EPR / ESR solo se puede aplicar a sistemas en los que el equilibrio entre la desintegración y la formación de radicales mantiene la concentración de radicales libres por encima del límite de detección del espectrómetro utilizado. Este puede ser un problema particularmente severo al estudiar reacciones en líquidos. Un enfoque alternativo es ralentizar las reacciones mediante el estudio de muestras mantenidas a temperaturas criogénicas , como 77 K ( nitrógeno líquido ) o 4,2 K ( helio líquido ). Un ejemplo de este trabajo es el estudio de reacciones radicales en monocristales de aminoácidos expuestos a rayos X, trabajo que a veces conduce a energías de activación y constantes de velocidad para reacciones radicales.
El estudio de los radicales libres inducidos por radiación en sustancias biológicas (para la investigación del cáncer) plantea el problema adicional de que el tejido contiene agua y el agua (debido a su momento dipolar eléctrico ) tiene una fuerte banda de absorción en la región de microondas utilizada en los espectrómetros EPR. [ cita requerida ]
Los arqueólogos también han utilizado EPR / ESR para la datación de dientes. El daño por radiación durante largos períodos de tiempo crea radicales libres en el esmalte dental, que luego pueden ser examinados por EPR y, después de una calibración adecuada, fechados. Alternativamente, el material extraído de los dientes de las personas durante los procedimientos dentales se puede utilizar para cuantificar su exposición acumulativa a la radiación ionizante. Las personas expuestas a la radiación del desastre de Chernobyl han sido examinadas con este método. [15] [16]
Los alimentos esterilizados por radiación se han examinado con espectroscopía EPR, con el objetivo de desarrollar métodos para determinar si una muestra de alimento en particular ha sido irradiada y en qué dosis. [ cita requerida ]
El EPR se puede utilizar para medir la microviscosidad y la micropolaridad dentro de los sistemas de administración de fármacos, así como para la caracterización de portadores de fármacos coloidales. [17]
La espectroscopía EPR / ESR se ha utilizado para medir las propiedades del petróleo crudo , en particular, el contenido de asfaltenos y vanadio . La medición de EPR del contenido de asfaltenos es una función de la densidad de espín y la polaridad del solvente. Trabajos anteriores que datan de la década de 1960 han demostrado la capacidad de medir el contenido de vanadio a niveles inferiores a ppm. [ cita requerida ] [18]
En el campo de la computación cuántica , la EPR pulsada se utiliza para controlar el estado de los qubits de espín electrónico en materiales como el diamante, el silicio y el arseniuro de galio. [ cita requerida ]
Mediciones de campo alto y alta frecuencia
A veces se necesitan mediciones de EPR de alta frecuencia de campo alto para detectar detalles espectroscópicos sutiles. Sin embargo, durante muchos años, el uso de electroimanes para producir los campos necesarios por encima de 1,5 T fue imposible, debido principalmente a las limitaciones de los materiales magnéticos tradicionales. El primer espectrómetro EPR milimétrico multifuncional con un solenoide superconductor fue descrito a principios de la década de 1970 por el grupo del profesor YS Lebedev ( Instituto Ruso de Física Química , Moscú) en colaboración con el grupo de LG Oranski (Instituto Ucraniano de Física y Técnica, Donetsk), que comenzó a trabajar. en el Instituto de Problemas de Física Química , Chernogolovka alrededor de 1975. [19] Dos décadas más tarde, un espectrómetro EPR de banda W fue producido como una pequeña línea comercial por la Compañía alemana Bruker , iniciando la expansión de las técnicas EPR de banda W a medios -Laboratorios académicos de gran tamaño.
Waveband | L | S | C | X | PAG | K | Q | U | V | mi | W | F | D | - | J | - |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
300 | 100 | 75 | 30 | 20 | 12,5 | 8.5 | 6 | 4.6 | 4 | 3.2 | 2,7 | 2.1 | 1,6 | 1.1 | 0,83 | |
1 | 3 | 4 | 10 | 15 | 24 | 35 | 50 | sesenta y cinco | 75 | 95 | 111 | 140 | 190 | 285 | 360 | |
0,03 | 0,11 | 0,14 | 0,33 | 0,54 | 0,86 | 1,25 | 1.8 | 2.3 | 2,7 | 3,5 | 3.9 | 4.9 | 6,8 | 10,2 | 12,8 |
La banda de ondas EPR está estipulada por la frecuencia o longitud de onda de la fuente de microondas de un espectrómetro (ver Tabla).
Los experimentos de EPR a menudo se realizan en las bandas X y, con menos frecuencia, en las bandas Q, principalmente debido a la rápida disponibilidad de los componentes de microondas necesarios (que originalmente se desarrollaron para aplicaciones de radar ). Una segunda razón para las mediciones de bandas X y Q generalizadas es que los electroimanes pueden generar campos de manera confiable de hasta aproximadamente 1 tesla. Sin embargo, la baja resolución espectral sobre el factor g en estas bandas de ondas limita el estudio de centros paramagnéticos con parámetros magnéticos anisotrópicos comparativamente bajos. Mediciones en > 40 GHz, en la región de la longitud de onda milimétrica, ofrecen las siguientes ventajas:
- Los espectros EPR se simplifican debido a la reducción de efectos de segundo orden en campos altos.
- Aumento de la selectividad y sensibilidad de la orientación en la investigación de sistemas desordenados.
- La informatividad y precisión de los métodos de pulso , por ejemplo, ENDOR , también aumentan con campos magnéticos elevados.
- Accesibilidad de sistemas de espín con mayor división de campo cero debido a la mayor energía cuántica de microondas h.
- La resolución espectral más alta sobre el factor g , que aumenta con la frecuencia de irradiacióny campo magnético externo B 0 . Esto se utiliza para investigar la estructura, polaridad y dinámica de microambientes radicales en sistemas orgánicos y biológicos modificados por espín a través del método de sonda y etiqueta de espín . La figura muestra cómo la resolución espectral mejora al aumentar la frecuencia.
- La saturación de los centros paramagnéticos se produce en un campo de polarización de microondas comparativamente bajo B 1 , debido a la dependencia exponencial del número de espines excitados de la frecuencia de radiación.. Este efecto se puede utilizar con éxito para estudiar la relajación y la dinámica de los centros paramagnéticos, así como del movimiento superlento en los sistemas en estudio.
- La relajación cruzada de los centros paramagnéticos disminuye drásticamente en campos magnéticos altos, lo que facilita la obtención de información más precisa y completa sobre el sistema en estudio. [19]
Esto se demostró experimentalmente en el estudio de varios sistemas biológicos, poliméricos y modelo en EPR de banda D. [20]
Componentes de hardware
Puente de microondas
El puente de microondas contiene tanto la fuente de microondas como el detector. [21] Los espectrómetros más antiguos usaban un tubo de vacío llamado klystron para generar microondas, pero los espectrómetros modernos usan un diodo Gunn . Inmediatamente después de la fuente de microondas hay un aislador que sirve para atenuar cualquier reflejo hacia la fuente que daría lugar a fluctuaciones en la frecuencia de microondas. [22] La potencia de microondas de la fuente pasa luego a través de un acoplador direccional que divide la potencia de microondas en dos caminos, uno dirigido hacia la cavidad y el otro hacia el brazo de referencia. A lo largo de ambos caminos hay un atenuador variable que facilita el control preciso del flujo de potencia de microondas. Esto a su vez permite un control preciso sobre la intensidad de las microondas sometidas a la muestra. En el brazo de referencia, después del atenuador variable hay un desfasador que establece una relación de fase definida entre la referencia y la señal reflejada que permite la detección sensible a la fase.
La mayoría de los espectrómetros EPR son espectrómetros de reflexión, lo que significa que el detector solo debe exponerse a la radiación de microondas que proviene de la cavidad. Esto se logra mediante el uso de un dispositivo conocido como circulador que dirige la radiación de microondas (desde la rama que se dirige hacia la cavidad) hacia la cavidad. La radiación de microondas reflejada (después de la absorción por la muestra) pasa a través del circulador hacia el detector, asegurando que no regrese a la fuente de microondas. La señal de referencia y la señal reflejada se combinan y pasan al diodo detector que convierte la potencia de microondas en una corriente eléctrica.
Brazo de referencia
A bajas energías (menos de 1 μW), la corriente del diodo es proporcional a la potencia de las microondas y el detector se denomina detector de ley cuadrática . A niveles de potencia más altos (superiores a 1 mW), la corriente del diodo es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia de microondas y el detector se denomina detector lineal. Para obtener una sensibilidad óptima, así como información cuantitativa, el diodo debe estar funcionando dentro de la región lineal. Para asegurarse de que el detector está funcionando a ese nivel, el brazo de referencia sirve para proporcionar un "sesgo".
Imán
En un espectrómetro EPR, el conjunto magnético incluye el imán con una fuente de alimentación dedicada, así como un sensor de campo o regulador, como una sonda Hall . Los espectrómetros EPR utilizan uno de los dos tipos de imán que está determinado por la frecuencia de funcionamiento de microondas (que determina el rango de intensidad de campo magnético requerido). El primero es un electroimán que generalmente es capaz de generar intensidades de campo de hasta 1,5 T, lo que los hace adecuados para mediciones utilizando la frecuencia de banda Q. Con el fin de generar intensidades de campo apropiadas para el funcionamiento en banda W y frecuencia más alta, se emplean imanes superconductores. El campo magnético es homogéneo en todo el volumen de la muestra y tiene una alta estabilidad en el campo estático.
Resonador de microondas (cavidad)
El resonador de microondas está diseñado para mejorar el campo magnético de microondas en la muestra con el fin de inducir transiciones EPR. Es una caja de metal con forma rectangular o cilíndrica que resuena con microondas (como un tubo de órgano con ondas sonoras). A la frecuencia de resonancia de la cavidad, las microondas permanecen dentro de la cavidad y no se reflejan. Resonancia significa que la cavidad almacena energía de microondas y su capacidad para hacerlo está dada por el factor de calidad Q , definido por la siguiente ecuación:
Cuanto mayor sea el valor de Q, mayor será la sensibilidad del espectrómetro. La energía disipada es la energía perdida en un período de microondas. Es posible que se pierda energía en las paredes laterales de la cavidad ya que las microondas pueden generar corrientes que a su vez generan calor. Una consecuencia de la resonancia es la creación de una onda estacionaria dentro de la cavidad. Las ondas estacionarias electromagnéticas tienen sus componentes de campo eléctrico y magnético exactamente desfasados. Esto proporciona una ventaja ya que el campo eléctrico proporciona una absorción no resonante de las microondas, que a su vez aumenta la energía disipada y reduce Q . Para lograr las señales más grandes y, por lo tanto, la sensibilidad, la muestra se coloca de manera que se encuentre dentro del máximo del campo magnético y del mínimo del campo eléctrico. Cuando la fuerza del campo magnético es tal que ocurre un evento de absorción, el valor de Q se reducirá debido a la pérdida de energía adicional. Esto da como resultado un cambio de impedancia que sirve para evitar que la cavidad se acople críticamente. Esto significa que las microondas ahora se reflejarán de regreso al detector (en el puente de microondas) donde se detecta una señal EPR. [23]
Resonancia paramagnética de electrones pulsados
La dinámica de los espines de los electrones se estudia mejor con mediciones pulsadas. [24] Los pulsos de microondas típicamente de 10 a 100 ns de largo se utilizan para controlar los giros en la esfera de Bloch . El tiempo de relajación de espín-celosía se puede medir con un experimento de recuperación de inversión .
Al igual que con la RMN pulsada , el eco de Hahn es fundamental para muchos experimentos de EPR pulsada. Se puede utilizar un experimento de caída del eco de Hahn para medir el tiempo de desfase, como se muestra en la animación a continuación. El tamaño del eco se registra para diferentes espaciamientos de los dos pulsos. Esto revela la decoherencia, que no es reenfocada por ellegumbres. En casos simples, se mide una caída exponencial , que se describe mediante la hora.
La resonancia paramagnética de electrones pulsados podría convertirse en espectroscopia de resonancia doble nuclear de electrones (ENDOR), que utiliza ondas en las radiofrecuencias. Dado que diferentes núcleos con electrones no apareados responden a diferentes longitudes de onda, a veces se requieren radiofrecuencias. Dado que los resultados del ENDOR dan la resonancia de acoplamiento entre los núcleos y el electrón desapareado, se puede determinar la relación entre ellos.
Ver también
- Resonancia de espín dipolo eléctrico
- Resonancia ferromagnética
- Polarización nuclear dinámica
- Etiqueta giratoria
- Etiquetado giratorio dirigido al sitio
- Spin trapping
- EDMR
- Resonancia magnética detectada ópticamente
Referencias
- ^ Zavoisky E (1945). "Spin-resonancia magnética en paramagnética". Fizicheskiĭ Zhurnal . 9 : 211–245.
- ^ Zavoisky E (1944). Absorción paramagnética en campos perpendiculares y paralelos para sales, soluciones y metales (tesis doctoral).
- ^ Odom B, Hanneke D, D'Urso B, Gabrielse G (julio de 2006). "Nueva medición del momento magnético del electrón utilizando un ciclotrón cuántico de un electrón". Cartas de revisión física . 97 (3): 030801. Código Bibliográfico : 2006PhRvL..97c0801O . doi : 10.1103 / PhysRevLett.97.030801 . PMID 16907490 .
- ^ Chechik V, Carter E, Murphy D (14 de julio de 2016). Resonancia paramagnética electrónica . Nueva York, NY: OUP Oxford. ISBN 978-0-19-872760-6.
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enlaces externos
- Programa de resonancia magnética de electrones Laboratorio nacional de alto campo magnético
- Resonancia paramagnética electrónica (informes periódicos especializados) Publicado por la Royal Society of Chemistry
- Uso de ESR para medir los radicales libres en aceite de motor usado