Ressonância paramagnética de elétrons - Electron paramagnetic resonance

Electron paramagnético ressonância ( EPR ) ou ressonância de spin electrónico ( ESR ) espectroscopia é um método para o estudo de materiais com electrões desemparelhados . Os conceitos básicos do EPR são análogos aos da ressonância magnética nuclear (RMN), mas os spins excitados são os dos elétrons em vez dos núcleos atômicos . A espectroscopia EPR é particularmente útil para estudar complexos metálicos e radicais orgânicos. O EPR foi observado pela primeira vez na Universidade Estadual de Kazan pelo físico soviético Yevgeny Zavoisky em 1944, e foi desenvolvido de forma independente ao mesmo tempo por Brebis Bleaney na Universidade de Oxford .

Teoria

Origem de um sinal EPR

Cada elétron tem um momento magnético e um número quântico de spin , com componentes magnéticos ou . Na presença de um campo magnético externo com força , o momento magnético do elétron se alinha antiparalelo ( ) ou paralelo ( ) ao campo, cada alinhamento tendo uma energia específica devido ao efeito Zeeman :

Onde

  • é o de electrões assim chamado g de factor-a (ver também a Landé g factor-a ), para o electrão livre,
  • é o magneto Bohr .

Portanto, a separação entre o estado inferior e superior é para elétrons livres desemparelhados. Esta equação implica (uma vez que e são constantes) que a divisão dos níveis de energia é diretamente proporcional à força do campo magnético , conforme mostrado no diagrama abaixo.

Divisão de estados de spin do elétron

Um elétron desemparelhado pode alterar seu spin de elétron absorvendo ou emitindo um fóton de energia de forma que a condição de ressonância ,, seja obedecida. Isso leva à equação fundamental de EPR espectroscopia: .

Experimentalmente, esta equação permite uma grande combinação de valores de frequência e campo magnético, mas a grande maioria das medições EPR são feitas com microondas na região de 9000–10000 MHz (9–10 GHz), com campos correspondentes a cerca de 3500 G (0,35 T ) Além disso, os espectros de EPR podem ser gerados variando a frequência de fótons incidente em uma amostra enquanto mantém o campo magnético constante ou fazendo o inverso. Na prática, geralmente é a frequência que é mantida fixa. Uma coleção de centros paramagnéticos , como os radicais livres, é exposta a microondas em uma frequência fixa. Ao aumentar um campo magnético externo, a lacuna entre os estados de energia e é alargada até que corresponda à energia das microondas, conforme representado pela seta dupla no diagrama acima. Nesse ponto, os elétrons desemparelhados podem se mover entre seus dois estados de spin. Como normalmente há mais elétrons no estado inferior, devido à distribuição de Maxwell-Boltzmann (veja abaixo), há uma absorção líquida de energia, e é essa absorção que é monitorada e convertida em um espectro. O espectro superior abaixo é a absorção simulada para um sistema de elétrons livres em um campo magnético variável. O espectro inferior é a primeira derivada do espectro de absorção. A última é a maneira mais comum de registrar e publicar espectros EPR de onda contínua.

EPR lines.png

Para a frequência de microondas de 9388,2 MHz, a ressonância prevista ocorre em um campo magnético de cerca de = 0,3350 T = 3350 G

Por causa das diferenças de massa elétron-nuclear, o momento magnético de um elétron é substancialmente maior do que a quantidade correspondente para qualquer núcleo, de modo que uma frequência eletromagnética muito maior é necessária para provocar uma ressonância de spin com um elétron do que com um núcleo, em idêntica intensidades do campo magnético. Por exemplo, para o campo de 3350 G mostrado acima, a ressonância de spin ocorre perto de 9388,2 MHz para um elétron em comparação com apenas cerca de 14,3 MHz para 1 H núcleos. (Para espectroscopia de NMR, a equação de ressonância correspondente é onde e depende do núcleo em estudo.)

Modulação de campo

O campo oscila entre B 1 e B 2 devido ao campo de modulação sobreposto a 100 kHz. Isso faz com que a intensidade de absorção oscile entre I 1 e I 2 . Quanto maior a diferença, maior a intensidade detectada pelo detector sintonizado em 100 kHz (observe que isso pode ser negativo ou mesmo 0). À medida que a diferença entre as duas intensidades é detectada, a primeira derivada da absorção é detectada.

Como mencionado anteriormente, um espectro EPR é geralmente medido diretamente como a primeira derivada da absorção. Isso é feito usando a modulação de campo. Um pequeno campo magnético oscilante adicional é aplicado ao campo magnético externo a uma frequência típica de 100 kHz. Ao detectar a amplitude de pico a pico, a primeira derivada da absorção é medida. Ao usar a detecção sensível à fase, apenas sinais com a mesma modulação (100 kHz) são detectados. Isso resulta em relações sinal-ruído mais altas. Observe que a modulação de campo é exclusiva para medições EPR de onda contínua e os espectros resultantes de experimentos pulsados ​​são apresentados como perfis de absorção.

Distribuição Maxwell-Boltzmann

Na prática, as amostras de EPR consistem em coleções de muitas espécies paramagnéticas, e não em centros paramagnéticos isolados. Se a população de radicais está em equilíbrio termodinâmico, sua distribuição estatística é descrita pela equação de Maxwell-Boltzmann :

onde é o número de centros paramagnéticos ocupando o estado de energia superior, é a constante de Boltzmann e é a temperatura termodinâmica . A 298 K, as frequências de microondas da banda X ( ≈ 9,75 GHz) fornecem ≈ 0,998, o que significa que o nível de energia superior tem uma população ligeiramente menor do que a inferior. Portanto, as transições do nível inferior para o superior são mais prováveis ​​do que o inverso, razão pela qual há uma absorção líquida de energia.

A sensibilidade do método EPR (ou seja, o número mínimo de giros detectáveis ) depende da frequência do fóton de acordo com

onde é uma constante, é o volume da amostra, é o fator de qualidade descarregado da cavidade de microondas (câmara de amostra), é o coeficiente de enchimento da cavidade e é a potência de microondas na cavidade do espectrômetro. Com e sendo constantes, ~ , ou seja, ~ , onde ≈ 1,5. Na prática, pode mudar variando de 0,5 a 4,5 dependendo das características do espectrômetro, condições de ressonância e tamanho da amostra.

Uma grande sensibilidade é, portanto, obtida com um limite de detecção baixo e um grande número de giros. Portanto, os parâmetros necessários são:

  • Uma alta frequência do espectrômetro para maximizar a Eq. 2. Frequências comuns são discutidas abaixo
  • Uma temperatura baixa para diminuir o número de giros no nível alto de energia, conforme mostrado na Eq. 1. Esta condição explica porque os espectros são frequentemente registrados na amostra no ponto de ebulição do nitrogênio líquido ou do hélio líquido .

Parâmetros espectrais

Em sistemas reais, os elétrons normalmente não são solitários, mas estão associados a um ou mais átomos. Existem várias consequências importantes para isso:

  1. Um elétron desemparelhado pode ganhar ou perder momento angular, o que pode alterar o valor de seu fator g , fazendo com que seja diferente de . Isso é especialmente significativo para sistemas químicos com íons de metal de transição.
  2. Sistemas com múltiplos elétrons desemparelhados experimentam interações elétron-elétron que dão origem a uma estrutura "fina". Isso é realizado como divisão de campo zero e acoplamento de troca , e pode ser de grande magnitude.
  3. O momento magnético de um núcleo com spin nuclear diferente de zero afetará todos os elétrons desemparelhados associados a esse átomo. Isto leva ao fenómeno de acoplamento hiperfina , análogo ao J -coupling em RMN, a divisão do sinal de ressonância EPR em dupletos, tripletos e assim por diante. Separações menores adicionais de núcleos próximos às vezes são chamadas de acoplamento "super-hiperfino".
  4. As interações de um elétron desemparelhado com seu ambiente influenciam a forma de uma linha espectral EPR. As formas das linhas podem fornecer informações sobre, por exemplo, taxas de reações químicas.
  5. Esses efeitos ( fator g , acoplamento hiperfino, divisão de campo zero, acoplamento de troca) em um átomo ou molécula podem não ser os mesmos para todas as orientações de um elétron desemparelhado em um campo magnético externo. Essa anisotropia depende da estrutura eletrônica do átomo ou molécula (por exemplo, radical livre) em questão e, portanto, pode fornecer informações sobre o orbital atômico ou molecular que contém o elétron desemparelhado.

O fator g

O conhecimento do fator g pode fornecer informações sobre a estrutura eletrônica de um centro paramagnético. Um elétron desemparelhado responde não apenas ao campo magnético aplicado de um espectrômetro, mas também a qualquer campo magnético local de átomos ou moléculas. O campo efetivo experimentado por um elétron é, portanto, escrito

onde inclui os efeitos dos campos locais ( podem ser positivos ou negativos). Portanto, a condição de ressonância (acima) é reescrita da seguinte forma:

A quantidade é denotada e chamada simplesmente de fator- g , de modo que a equação de ressonância final torna-se

Esta última equação é usada para determinar em um experimento EPR medindo o campo e a frequência na qual a ressonância ocorre. Se não for igual , a implicação é que a razão entre o momento magnético de spin do elétron desemparelhado e seu momento angular difere do valor do elétron livre. Como o momento magnético de spin de um elétron é constante (aproximadamente o magneto de Bohr), o elétron deve ter ganho ou perdido momento angular por meio do acoplamento spin-órbita . Como os mecanismos de acoplamento spin-órbita são bem compreendidos, a magnitude da mudança fornece informações sobre a natureza do orbital atômico ou molecular que contém o elétron desemparelhado.

Em geral, o fator g não é um número, mas um tensor de segunda ordem representado por 9 números arranjados em uma matriz 3 × 3 . Os eixos principais desse tensor são determinados pelos campos locais, por exemplo, pelo arranjo atômico local em torno do spin desemparelhado em um sólido ou em uma molécula. A escolha de um sistema de coordenadas apropriado (digamos, x , y , z ) permite "diagonalizar" esse tensor, reduzindo assim o número máximo de seus componentes de 9 para 3: g xx , g yy e g zz . Para um único spin experimentando apenas interação Zeeman com um campo magnético externo, a posição da ressonância EPR é dada pela expressão g xx B x + g yy B y + g zz B z . Aqui, B x , B y e B z são os componentes do vetor campo magnético no sistema de coordenadas ( x , y , z ); suas magnitudes mudam conforme o campo é girado, o mesmo ocorre com a frequência da ressonância. Para um grande conjunto de spins orientados aleatoriamente, o espectro EPR consiste em três picos de forma característica nas frequências g xx B 0 , g yy B 0 e g zz B 0 : o pico de baixa frequência é positivo nos espectros da primeira derivada, o o pico de alta frequência é negativo e o pico central é bipolar. Tais situações são comumente observadas em pós, e os espectros são, portanto, chamados de "espectros de padrão de pó". Nos cristais, o número de linhas EPR é determinado pelo número de orientações cristalograficamente equivalentes do spin EPR (denominado "centro EPR").

Acoplamento hiperfino

Como a fonte de um espectro EPR é uma mudança no estado de spin de um elétron, o espectro EPR para um radical (S = 1/2 sistema) consistiria em uma linha. Maior complexidade surge porque o spin se acopla a spins nucleares próximos. A magnitude do acoplamento é proporcional ao momento magnético dos núcleos acoplados e depende do mecanismo de acoplamento. O acoplamento é mediado por dois processos, dipolar (através do espaço) e isotrópico (através de ligação).

Este acoplamento introduz estados de energia adicionais e, por sua vez, espectros multilinhados. Em tais casos, o espaçamento entre as linhas espectrais EPR indica o grau de interação entre o elétron desemparelhado e os núcleos perturbadores. A constante de acoplamento hiperfina de um núcleo está diretamente relacionada ao espaçamento da linha espectral e, nos casos mais simples, é essencialmente o próprio espaçamento.

Dois mecanismos comuns pelos quais elétrons e núcleos interagem são a interação de contato de Fermi e por interação dipolar. O primeiro se aplica amplamente ao caso de interações isotrópicas (independente da orientação da amostra em um campo magnético) e o último ao caso de interações anisotrópicas (espectros dependentes da orientação da amostra em um campo magnético). A polarização de spin é um terceiro mecanismo de interação entre um elétron desemparelhado e um spin nuclear, sendo especialmente importante para radicais orgânicos -elétrons, como o ânion radical benzeno. Os símbolos " a " ou " A " são usados ​​para constantes de acoplamento hiperfinas isotrópicas, enquanto " B " é geralmente empregado para constantes de acoplamento hiperfinas anisotrópicas.

Em muitos casos, o padrão de divisão hiperfino isotrópico para um radical que cai livremente em uma solução (sistema isotrópico) pode ser previsto.

Multiplicidade

Espectros EPR simulados dos radicais metil e metoximetil
  • Para um radical com M núcleos equivalentes, cada um com um spin de I , o número de linhas EPR esperadas é 2 MI  + 1. Como um exemplo, o radical metil, CH 3 , tem três núcleos 1 H, cada um com I  = 1 / 2, e assim o número de linhas esperado é 2 MI  + 1 = 2 (3) (1/2) + 1 = 4, que é como observado.
  • Para um radical com M 1 núcleos equivalentes, cada um com um spin de I 1 , e um grupo de M 2 núcleos equivalentes, cada um com um spin de I 2 , o número de linhas esperado é (2 M 1 I 1  + 1) ( 2 M 2 I 2  + 1). Como exemplo, o radical metoximetil, H
    2
    C (OCH
    3
    )
    tem dois núcleos 1 H equivalentes , cada um com I  = 1/2 e três núcleos 1 H equivalentes, cada um com I  = 1/2, e assim o número de linhas esperado é (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, novamente conforme observado.
  • O acima pode ser estendido para prever o número de linhas para qualquer número de núcleos.

Embora seja fácil prever o número de linhas, o problema inverso, desvendar um complexo espectro EPR de várias linhas e atribuir os vários espaçamentos a núcleos específicos, é mais difícil.

No caso frequentemente encontrado de I  = 1/2 núcleos (por exemplo, 1 H, 19 F, 31 P), as intensidades de linha produzidas por uma população de radicais, cada um possuindo M núcleos equivalentes, seguirão o triângulo de Pascal . Por exemplo, o espectro à direita mostra que os três núcleos 1 H do radical CH 3 dão origem a 2 MI  + 1 = 2 (3) (1/2) + 1 = 4 linhas com 1: 3: 3: 1 proporção. O espaçamento da linha dá uma constante de acoplamento hiperfina de um H = 23 L para cada um dos três 1 núcleos H. Observe novamente que as linhas neste espectro são primeiramente derivadas das absorções.

Como um segundo exemplo, o radical metoximetil, H 3 COCH 2 . o centro OC H 2 dará um padrão EPR geral 1: 2: 1, cada componente do qual é ainda dividido pelos três hidrogênios metoxi em um padrão 1: 3: 3: 1 para dar um total de 3 × 4 = 12 linhas , um tripleto de quartetos. Uma simulação do espectro EPR observado é mostrada e concorda com a previsão de 12 linhas e as intensidades de linha esperadas. Observe que a constante de acoplamento menor (espaçamento de linha menor) é devido aos três hidrogênios metoxi, enquanto a constante de acoplamento maior (espaçamento de linha) é dos dois hidrogênios ligados diretamente ao átomo de carbono que carrega o elétron desemparelhado. É comum que as constantes de acoplamento diminuam de tamanho com a distância do elétron desemparelhado de um radical, mas há algumas exceções notáveis, como o radical etil (CH 2 CH 3 ).

Definição de largura de linha de ressonância

As larguras de linha de ressonância são definidas em termos da indução magnética B e suas unidades correspondentes, e são medidas ao longo do eixo x de um espectro EPR, do centro de uma linha a um ponto de referência escolhido da linha. Essas larguras definidas são chamadas de meias- larguras e possuem algumas vantagens: para linhas assimétricas, os valores de meia-largura esquerda e direita podem ser dados. A meia largura é a distância medida do centro da linha até o ponto em que o valor de absorção tem metade do valor máximo de absorção no centro da linha de ressonância . A largura da primeira inclinação é a distância do centro da linha até o ponto de inclinação máxima da curva de absorção. Na prática, uma definição completa de largura de linha é usada. Para linhas simétricas, meia largura e largura total de inclinação .

Formulários

Este ESR- STM de baixa temperatura no Center for Quantum Nanoscience é um dos primeiros STMs globalmente a medir a ressonância do spin do elétron em átomos individuais.

Espectroscopia de RPE / VHS é utilizada em vários campos da ciência, tal como a biologia , a química e física , para a detecção e identificação de radicais livres no estado sólido, líquido ou gasoso, e em centros paramagnéticos, tais como F-centros .

Reações químicas

O EPR é um método específico e sensível para estudar os radicais formados em reações químicas e as próprias reações. Por exemplo, quando o gelo (H 2 O sólido ) é decomposto pela exposição à radiação de alta energia, radicais como H, OH e HO 2 são produzidos. Esses radicais podem ser identificados e estudados por EPR. Radicais orgânicos e inorgânicos podem ser detectados em sistemas eletroquímicos e em materiais expostos à luz ultravioleta . Em muitos casos, as reações para formar os radicais e as reações subsequentes dos radicais são de interesse, enquanto em outros casos o EPR é usado para fornecer informações sobre a geometria de um radical e o orbital do elétron desemparelhado.

EPR é útil na pesquisa de catálise homogênea para caracterização de complexos paramagnéticos e intermediários reativos . A espectroscopia EPR é uma ferramenta particularmente útil para investigar suas estruturas eletrônicas , o que é fundamental para entender sua reatividade .

A espectroscopia EPR / ESR pode ser aplicada apenas a sistemas nos quais o equilíbrio entre o decaimento do radical e a formação do radical mantém a concentração de radicais livres acima do limite de detecção do espectrômetro usado. Este pode ser um problema particularmente grave no estudo de reações em líquidos. Uma abordagem alternativa é desacelerar as reações estudando amostras mantidas em temperaturas criogênicas , como 77 K ( nitrogênio líquido ) ou 4,2 K ( hélio líquido ). Um exemplo desse trabalho é o estudo de reações radicais em monocristais de aminoácidos expostos aos raios X, trabalho que às vezes leva a energias de ativação e constantes de taxa para reações radicais.

Médico e biológico

Também existem aplicações médicas e biológicas de EPR. Embora os radicais sejam muito reativos, por isso não ocorrem normalmente em altas concentrações na biologia, reagentes especiais foram desenvolvidos para anexar " marcadores de spin ", também chamados de "sondas de spin", às moléculas de interesse. Moléculas radicais não reativas especialmente projetadas podem se ligar a locais específicos em uma célula biológica , e os espectros de EPR fornecem informações sobre o ambiente dos marcadores de spin. Os ácidos graxos marcados com spin têm sido amplamente usados ​​para estudar a organização dinâmica de lipídios em membranas biológicas, interações lipídio-proteína e temperatura de transição de gel para fases cristalinas líquidas. A injeção de moléculas rotuladas com spin permite a imagem por ressonância eletrônica de organismos vivos.

Um tipo de sistema de dosimetria foi projetado para padrões de referência e uso rotineiro na medicina, com base em sinais EPR de radicais de α- alanina policristalina irradiada (o radical de desaminação de alanina, o radical de abstração de hidrogênio e o (CO-
(OH)) = C (CH
3
) NH+
2
radical). Este método é adequado para medir raios gama e raios-X , elétrons, prótons e radiação de transferência de energia linear alta (LET) de doses na faixa de 1 Gy a 100 kGy.

O EPR pode ser usado para medir a microviscosidade e a micropolaridade em sistemas de distribuição de drogas, bem como a caracterização de portadores de drogas coloidais.

O estudo de radicais livres induzidos por radiação em substâncias biológicas (para pesquisa de câncer) apresenta o problema adicional de que o tecido contém água, e a água (devido ao seu momento de dipolo elétrico ) tem uma banda de absorção forte na região de microondas usada em espectrômetros EPR.

Caracterização do material

A espectroscopia EPR / ESR é usada em geologia e arqueologia como uma ferramenta de datação. Pode ser aplicado a uma ampla gama de materiais, como xistos orgânicos, carbonatos, sulfatos, fosfatos, sílica ou outros silicatos. Quando aplicados a folhelhos, os dados de EPR se correlacionam com a maturidade do querogênio no folhelho.

A espectroscopia EPR tem sido usada para medir as propriedades do petróleo bruto , como a determinação do teor de asfalteno e vanádio . O componente de radical livre do sinal EPR é proporcional à quantidade de asfalteno no óleo, independentemente de quaisquer solventes ou precipitantes que possam estar presentes naquele óleo. Quando o óleo está sujeito a um precipitante como hexano , heptano , piridina , entretanto, muito do asfalteno pode ser subsequentemente extraído do óleo por técnicas gravimétricas. A medição EPR desse extrato será então função da polaridade do precipitante que foi utilizado. Consequentemente, é preferível aplicar a medição EPR diretamente ao petróleo bruto. No caso em que a medição é feita a montante de um separador (produção de petróleo) , então também pode ser necessário determinar a fração de petróleo dentro do petróleo bruto (por exemplo, se um determinado petróleo bruto contém 80% de petróleo e 20% de água, então a assinatura EPR será de 80% da assinatura a jusante do separador).

O EPR tem sido usado por arqueólogos para a datação de dentes. Danos por radiação por longos períodos de tempo criam radicais livres no esmalte dos dentes, que podem então ser examinados por EPR e, após calibração adequada, datados. Da mesma forma, o material extraído dos dentes de pessoas durante procedimentos odontológicos pode ser usado para quantificar sua exposição cumulativa à radiação ionizante. Pessoas expostas à radiação do desastre de Chernobyl foram examinadas por este método.

Alimentos esterilizados por radiação têm sido examinados com espectroscopia de EPR, com o objetivo de desenvolver métodos para determinar se uma amostra de alimento foi irradiada e em que dose.

Outras aplicações

No campo da computação quântica , o EPR pulsado é usado para controlar o estado dos qubits de spin do elétron em materiais como diamante, silício e arseneto de gálio.

Medições de alta frequência de campo alto

Às vezes, as medições EPR de alta frequência de alto campo são necessárias para detectar detalhes espectroscópicos sutis. No entanto, por muitos anos, o uso de eletroímãs para produzir os campos necessários acima de 1,5 T foi impossível, principalmente devido às limitações dos materiais magnéticos tradicionais. O primeiro espectrômetro EPR multifuncional milimetrado com um solenóide supercondutor foi descrito no início dos anos 1970 pelo grupo do Prof. YS Lebedev ( Instituto Russo de Física Química , Moscou) em colaboração com o grupo LG Oranski (Instituto Ucraniano de Física e Técnica, Donetsk), que começou a trabalhar no Instituto de Problemas de Física Química , Chernogolovka , por volta de 1975. Duas décadas depois, um espectrômetro EPR de banda W foi produzido como uma pequena linha comercial pela German Bruker Company, iniciando a expansão das técnicas de EPR de banda W para o meio acadêmico laboratórios.

Banda de ondas eu S C X P K Q você V E C 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 65 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
Variação no espectro EPR do radical de nitróxido TEMPO conforme a banda de microondas (energia de excitação) muda. Observe a resolução aprimorada conforme a frequência aumenta (negligenciando a influência da deformação g ).

A banda de onda EPR é estipulada pela frequência ou comprimento de onda da fonte de microondas de um espectrômetro (consulte a Tabela).

Os experimentos de EPR geralmente são conduzidos nas bandas X e, menos comumente, nas bandas Q, principalmente devido à pronta disponibilidade dos componentes de microondas necessários (que originalmente foram desenvolvidos para aplicações de radar ). Uma segunda razão para medições das bandas X e Q generalizadas é que os eletroímãs podem gerar de forma confiável campos de até cerca de 1 tesla. No entanto, a baixa resolução espectral sobre o fator g nessas bandas de onda limita o estudo de centros paramagnéticos com parâmetros magnéticos anisotrópicos comparativamente baixos. Medições em > 40 GHz, na região do comprimento de onda milimetrado, oferecem as seguintes vantagens:

  1. Os espectros EPR são simplificados devido à redução dos efeitos de segunda ordem em campos altos.
  2. Aumento da seletividade de orientação e sensibilidade na investigação de sistemas desordenados.
  3. A informatividade e a precisão dos métodos de pulso , por exemplo, ENDOR , também aumentam em campos magnéticos altos.
  4. Acessibilidade de sistemas de spin com maior divisão de campo zero devido à maior energia quântica de micro-ondas h .
  5. A resolução espectral mais alta sobre o fator g , que aumenta com a frequência de irradiação e o campo magnético externo B 0 . Isso é usado para investigar a estrutura, polaridade e dinâmica de microambientes radicais em sistemas orgânicos e biológicos modificados por spin por meio do rótulo de spin e do método de sonda. A figura mostra como a resolução espectral melhora com o aumento da frequência.
  6. A saturação dos centros paramagnéticos ocorre em um campo B 1 de polarização de microondas comparativamente baixo , devido à dependência exponencial do número de spins excitados na frequência de radiação . Este efeito pode ser usado com sucesso para estudar o relaxamento e a dinâmica dos centros paramagnéticos, bem como do movimento superlento nos sistemas em estudo.
  7. O relaxamento cruzado dos centros paramagnéticos diminui drasticamente em campos magnéticos elevados, tornando mais fácil obter informações mais precisas e completas sobre o sistema em estudo.

Isso foi demonstrado experimentalmente no estudo de vários sistemas biológicos, poliméricos e modelo na banda D EPR.

Componentes de hardware

Ponte de microondas

A ponte de microondas contém a fonte de microondas e o detector. Os espectrômetros mais antigos usavam um tubo de vácuo chamado clístron para gerar microondas, mas os espectrômetros modernos usam um diodo Gunn . Imediatamente após a fonte de micro-ondas, existe um isolador que serve para atenuar quaisquer reflexos de volta para a fonte que resultariam em flutuações na frequência de micro-ondas. A energia de micro-ondas da fonte é então passada por um acoplador direcional que divide a energia de micro-ondas em dois caminhos, um direcionado para a cavidade e o outro para o braço de referência. Ao longo de ambos os caminhos existe um atenuador variável que facilita o controle preciso do fluxo de energia de microondas. Isso, por sua vez, permite um controle preciso sobre a intensidade das microondas submetidas à amostra. No braço de referência, após o atenuador variável, há um deslocador de fase que define uma relação de fase definida entre a referência e o sinal refletido que permite a detecção sensível à fase.

A maioria dos espectrômetros EPR são espectrômetros de reflexão, o que significa que o detector deve ser exposto apenas à radiação de microondas que volta da cavidade. Isso é feito com o uso de um dispositivo conhecido como circulador, que direciona a radiação de microondas (do ramo que segue em direção à cavidade) para dentro da cavidade. A radiação de microondas refletida (após absorção pela amostra) é então passada pelo circulador em direção ao detector, garantindo que não volte para a fonte de microondas. O sinal de referência e o sinal refletido são combinados e passados ​​para o diodo detector, que converte a potência de micro-ondas em corrente elétrica.

Braço de referência

Em baixas energias (menos de 1 μW), a corrente do diodo é proporcional à potência de microondas e o detector é conhecido como detector de lei quadrada . Em níveis de potência mais altos (maiores que 1 mW), a corrente do diodo é proporcional à raiz quadrada da potência do microondas e o detector é chamado de detector linear. A fim de obter a sensibilidade ideal, bem como informações quantitativas, o diodo deve operar dentro da região linear. Para garantir que o detector esteja operando naquele nível, o braço de referência serve para fornecer uma "polarização".

Magnético

Em um espectrômetro EPR, o conjunto magnético inclui o ímã com uma fonte de alimentação dedicada, bem como um sensor de campo ou regulador, como uma sonda Hall . Os espectrômetros EPR usam um dos dois tipos de ímã que é determinado pela frequência operacional de microondas (que determina a faixa de intensidades de campo magnético necessária). O primeiro é um eletroímã que geralmente é capaz de gerar intensidades de campo de até 1,5 T, tornando-os adequados para medições usando a frequência da banda Q. A fim de gerar intensidades de campo apropriadas para a banda W e operação de frequência mais alta, ímãs supercondutores são empregados. O campo magnético é homogêneo em todo o volume da amostra e tem uma alta estabilidade no campo estático.

Ressonador de microondas (cavidade)

O ressonador de micro-ondas é projetado para aumentar o campo magnético de micro-ondas na amostra, a fim de induzir transições EPR. É uma caixa de metal com formato retangular ou cilíndrico que ressoa com as microondas (como um tubo de órgão com ondas sonoras). Na frequência de ressonância da cavidade, as microondas permanecem dentro da cavidade e não são refletidas de volta. Ressonância significa que a cavidade armazena energia de microondas e sua capacidade de fazer isso é dada pelo fator de qualidade Q , definido pela seguinte equação:

Quanto mais alto for o valor de Q, maior será a sensibilidade do espectrômetro. A energia dissipada é a energia perdida em um período de microondas. A energia pode ser perdida nas paredes laterais da cavidade, pois as microondas podem gerar correntes que, por sua vez, geram calor. Uma consequência da ressonância é a criação de uma onda estacionária dentro da cavidade. As ondas estacionárias eletromagnéticas têm seus componentes de campo elétrico e magnético exatamente defasados. Isto proporciona uma vantagem que o campo eléctrico proporciona absorção não-ressonante de microondas, que por sua vez aumenta a energia dissipada e reduz Q . Para obter os maiores sinais e, portanto, a sensibilidade, a amostra é posicionada de forma que fique dentro do campo magnético máximo e do campo elétrico mínimo. Quando a intensidade do campo magnético é tal que ocorre um evento de absorção, o valor de Q será reduzido devido à perda de energia extra. Isso resulta em uma mudança de impedância que serve para impedir que a cavidade seja criticamente acoplada. Isso significa que as microondas serão refletidas de volta para o detector (na ponte de microondas) onde um sinal EPR é detectado.

Ressonância paramagnética de elétrons pulsados

A dinâmica dos spins do elétron é mais bem estudada com medições pulsadas. Pulsos de micro-ondas normalmente com 10–100 ns de comprimento são usados ​​para controlar os giros na esfera de Bloch . O tempo de relaxamento da rede de spin pode ser medido com um experimento de recuperação de inversão .

Tal como acontece com o NMR pulsado , o eco de Hahn é central para muitos experimentos EPR pulsados. Um experimento de decaimento do eco Hahn pode ser usado para medir o tempo de defasamento, conforme mostrado na animação abaixo. O tamanho do eco é registrado para espaçamentos diferentes dos dois pulsos. Isso revela a decoerência, que não é reorientada pelo pulso. Em casos simples, um decaimento exponencial é medido, o qual é descrito pelo tempo.

GWM HahnEchoDecay.gif

A ressonância paramagnética de elétrons pulsados ​​poderia ser avançada para a espectroscopia de ressonância dupla nuclear de elétrons (ENDOR), que utiliza ondas nas frequências de rádio. Como diferentes núcleos com elétrons desemparelhados respondem a diferentes comprimentos de onda, às vezes são necessárias radiofrequências. Uma vez que os resultados do ENDOR fornecem a ressonância de acoplamento entre os núcleos e o elétron desemparelhado, a relação entre eles pode ser determinada.

Veja também

Referências

links externos