La doble resonancia nuclear electrónica (ENDOR) es una técnica de resonancia magnética para dilucidar la estructura molecular y electrónica de especies paramagnéticas. [1] La técnica se introdujo por primera vez para resolver interacciones en espectros de resonancia paramagnética electrónica (EPR). [2] [3] Actualmente se practica en diversas modalidades, principalmente en las áreas de biofísica y catálisis heterogénea .
En el experimento estándar de onda continua (cwENDOR), se coloca una muestra en un campo magnético y se irradia secuencialmente con un microondas seguido de radiofrecuencia . Luego, los cambios se detectan monitoreando las variaciones en la polarización de la transición de resonancia paramagnética electrónica (EPR) saturada. [4]
ENDOR se ilustra mediante un sistema de dos espines que involucra un electrón (S=1/2) y un protón (I=1/2) que interactúan con un campo magnético aplicado.
El hamiltoniano para el sistema de dos espines mencionado anteriormente se puede describir como
Los cuatro términos de esta ecuación describen la interacción Zeeman del electrón (EZ), la interacción Zeeman nuclear (NZ), la interacción hiperfina (HFS) y la interacción cuadrupolo nuclear (Q), respectivamente. [4]
La interacción Zeeman del electrón describe la interacción entre el espín de un electrón y el campo magnético aplicado. La interacción nuclear de Zeeman es la interacción del momento magnético del protón con un campo magnético aplicado. La interacción hiperfina es el acoplamiento entre el espín del electrón y el espín nuclear del protón. La interacción cuadrupolo nuclear está presente sólo en núcleos con I>1/2.
Los espectros ENDOR contienen información sobre el tipo de núcleos en las proximidades del electrón desapareado (NZ y EZ), sobre las distancias entre núcleos y sobre la distribución de densidad de espín (HFS) y sobre el gradiente de campo eléctrico en los núcleos (Q).
La figura de la derecha ilustra el diagrama de energía del sistema de espín más simple, donde a es la constante de acoplamiento hiperfina isotrópica en hercios (Hz). Este diagrama indica el electrón Zeeman, el Zeeman nuclear y las escisiones hiperfinas. En un experimento ENDOR de estado estacionario, una transición EPR (A, D), llamada observador, está parcialmente saturada por radiación de microondas de amplitud , mientras que un campo de amplitud de radiofrecuencia (rf) , llamado bomba, induce transiciones nucleares. [5] Las transiciones ocurren en frecuencias y obedecen las reglas de selección de RMN y . Son estas transiciones de RMN las que ENDOR detecta a través de los cambios de intensidad en la transición de EPR irradiada simultáneamente. Es importante darse cuenta de que tanto la constante de acoplamiento hiperfina (a) como las frecuencias de Larmor nuclear ( ) se determinan cuando se utiliza el método ENDOR. [6]
Un requisito para ENDOR es la saturación parcial de las transiciones EPR y NMR definidas por
y
donde y son la relación giromagnética del electrón y del núcleo respectivamente. es el campo magnético del observador que es radiación de microondas, mientras que el campo magnético de la bomba es radiación de radiofrecuencia. y son el tiempo de relajación de la red de espín para el electrón y el núcleo, respectivamente. y son el tiempo de relajación espín-espín para el electrón y el núcleo respectivamente.
La EPR inducida por ENDOR (EI-EPR) muestra las transiciones de ENDOR en función del campo magnético. Mientras el campo magnético recorre el espectro EPR, la frecuencia sigue la frecuencia de Zeeman del núcleo. Los espectros EI-EPR se pueden recolectar de dos maneras: (1) espectros de diferencia [7] (2) campo de RF modulado en frecuencia sin modulación Zeeman.
Esta técnica fue establecida por Hyde [7] y es especialmente útil para separar señales EPR superpuestas que resultan de diferentes radicales, conformaciones moleculares o sitios magnéticos. Los espectros EI-EPR monitorean los cambios en la amplitud de una línea ENDOR de la muestra paramagnética, mostrada en función del campo magnético. Por esta razón, el espectro corresponde a una sola especie. [5]
La doble resonancia electrón-nuclear (Doble ENDOR) requiere la aplicación de dos campos de rf (RF1 y RF2) a la muestra. El cambio en la intensidad de la señal de RF1 se observa mientras RF2 recorre el espectro. [5] Los dos campos están orientados perpendicularmente y están controlados por dos circuitos de resonancia sintonizables que se pueden ajustar independientemente uno del otro. [8] En experimentos de desacoplamiento de espín, [9] la amplitud del campo de desacoplamiento debe ser lo más grande posible. Sin embargo, en múltiples estudios de transición cuántica, ambos campos de RF deben maximizarse.
Esta técnica fue introducida por primera vez por Cook y Whiffen [10] y fue diseñada para que se pudieran determinar los signos relativos de las constantes de acoplamiento de hf en cristales, así como la separación de señales superpuestas.
La técnica CP-ENDOR utiliza campos de RF polarizados circularmente. Se generan dos campos polarizados linealmente mediante corrientes de radiofrecuencia en dos cables orientados paralelos al campo magnético. Luego, los cables se conectan en medios bucles que luego se cruzan en un ángulo de 90 grados. Esta técnica fue desarrollada por Schweiger y Gunthard para poder simplificar la densidad de las líneas ENDOR en un espectro paramagnético. [11]
ENDOR con polarización modulada (PM-ENDOR) utiliza dos campos de rf perpendiculares con unidades de control de fase similares a CP-ENDOR. Sin embargo, se utiliza un campo de rf polarizado linealmente que gira en el plano xy a una frecuencia menor que la frecuencia de modulación de la portadora de rf. [5]
En medios policristalinos o solución congelada, ENDOR puede proporcionar relaciones espaciales entre los núcleos acoplados y los espines de los electrones. Esto es posible en fases sólidas donde el espectro EPR surge de la observancia de todas las orientaciones de las especies paramagnéticas; como tal, el espectro EPR está dominado por grandes interacciones anisotrópicas. Esto no es así en muestras en fase líquida donde las relaciones espaciales no son posibles. Tales disposiciones espaciales requieren que los espectros ENDOR se registren en diferentes configuraciones del campo magnético dentro del patrón de polvo EPR. [12]
La convención tradicional de resonancia magnética prevé que los paramagnetos se alineen con el campo magnético externo; sin embargo, en la práctica es más sencillo tratar los paramagnetos como fijos y el campo magnético externo como un vector. Especificar relaciones posicionales requiere tres piezas de información separadas pero relacionadas: un origen, la distancia desde dicho origen y la dirección de esa distancia. [13] El origen, a los efectos de esta explicación, puede considerarse como la posición del electrón desapareado localizado de una molécula. Para determinar la dirección al núcleo activo de espín a partir del electrón desapareado localizado (recuerde: los electrones desapareados son, en sí mismos, activos de espín), se emplea el principio de selección del ángulo magnético. El valor exacto de θ se calcula de la siguiente manera a la derecha:
En θ = 0˚, los espectros ENDOR contienen solo el componente de acoplamiento hiperfino que es paralelo a los protones axiales y perpendicular a los protones ecuatoriales. En θ = 90˚, los espectros ENDOR contienen solo el componente de acoplamiento hiperfino que es perpendicular a los protones axiales y paralelo a los protones ecuatoriales. La distancia nuclear del electrón (R), en metros, a lo largo de la dirección de la interacción se determina mediante una aproximación punto-dipolo. Esta aproximación tiene en cuenta las interacciones magnéticas a través del espacio de los dos dipolos magnéticos. El aislamiento de R proporciona la distancia desde el origen (electrón desapareado localizado) hasta el núcleo activo del espín. Las aproximaciones punto-dipolo se calculan utilizando la siguiente ecuación de la derecha:
La técnica ENDOR se ha utilizado para caracterizar la estructura espacial y electrónica de sitios que contienen metales. iones/complejos metálicos paramagnéticos introducidos para catálisis; agrupaciones metálicas que producen materiales magnéticos; radicales atrapados introducidos como sondas para revelar las propiedades ácido/base de la superficie; centros de color y defectos como en el azul ultramar y otras gemas; e intermedios de reacción atrapados formados catalíticamente que detallan el mecanismo. La aplicación de ENDOR pulsado a muestras sólidas ofrece muchas ventajas en comparación con CW ENDOR. Tales ventajas son la generación de formas de líneas sin distorsión, la manipulación de espines a través de una variedad de secuencias de pulsos y la falta de dependencia de un equilibrio sensible entre las tasas de relajación del espín nuclear y electrónico y la potencia aplicada (dadas tasas de relajación suficientemente largas). [12]
ENDOR pulsado por HF se aplica generalmente a sistemas modelo biológicos y relacionados. Las aplicaciones han sido principalmente en biología con un gran enfoque en radicales relacionados con la fotosíntesis o centros de iones metálicos paramagnéticos en mataloenzimas o metaloproteínas. [14] Otras aplicaciones han sido los agentes de contraste para imágenes por resonancia magnética . HF ENDOR se ha utilizado como herramienta de caracterización de materiales porosos, de las propiedades electrónicas de donantes/aceptores en semiconductores y de las propiedades electrónicas de fullerenos endoédricos. La sustitución de la estructura con ENDOR de banda W se ha utilizado para proporcionar evidencia experimental de que un ion metálico está ubicado en la estructura tetraédrica y no en una posición de intercambio catiónico. La incorporación de complejos de metales de transición en la estructura de tamices moleculares es importante, ya que podría conducir al desarrollo de nuevos materiales con propiedades catalíticas. ENDOR aplicado a radicales atrapados se ha utilizado para estudiar NO con iones metálicos en química de coordinación, catálisis y bioquímica. [12]
