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 una variedad de modalidades, principalmente en las áreas de biofísica y catálisis heterogénea .
En el experimento de onda continua estándar (cwENDOR), se coloca una muestra en un campo magnético y se la irradia secuencialmente con microondas y luego con radiofrecuencia . Los cambios se detectan luego monitoreando las variaciones en la polarización de la transición de resonancia paramagnética electrónica saturada (EPR). [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 electrónica (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 del electrón y el campo magnético aplicado. La interacción Zeeman nuclear 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 solo en núcleos con I>1/2.
Los espectros ENDOR contienen información sobre el tipo de núcleos en la vecindad del electrón desapareado (NZ y EZ), sobre las distancias entre núcleos y sobre la distribución de densidad de espín (HFS) y sobre el gradiente del 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 hiperfino isótropo en hercios (Hz). Este diagrama indica las divisiones Zeeman del electrón, Zeeman nuclear e hiperfino. En un experimento ENDOR en estado estacionario, una transición EPR (A, D), llamada observador, está parcialmente saturada por radiación de microondas de amplitud mientras que un campo de radiofrecuencia (rf) impulsor de amplitud , llamado bomba, induce transiciones nucleares. [5] Las transiciones ocurren en frecuencias y y obedecen las reglas de selección de RMN y . Son estas transiciones de RMN las que se detectan mediante ENDOR a través de los cambios de intensidad en la transición EPR irradiada simultáneamente. Tanto la constante de acoplamiento hiperfino (a) como las frecuencias nucleares de Larmor ( ) 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 el núcleo respectivamente. es el campo magnético del observador, que es radiación de microondas, mientras que es el campo magnético de la bomba, que es radiación de radiofrecuencia. y son el tiempo de relajación espín-red 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 transiciones de ENDOR en función del campo magnético. Mientras el campo magnético recorre el espectro de la EPR, la frecuencia sigue la frecuencia Zeeman del núcleo. Los espectros EI-EPR se pueden recopilar 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, que se muestra como una función del campo magnético. Debido a esto, los espectros corresponden a una sola especie. [5]
La resonancia doble electrón-nuclear-doble (Double ENDOR) requiere la aplicación de dos campos de radiofrecuencia (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 ajustables que se pueden ajustar de forma independiente entre sí. [8] En los experimentos de desacoplamiento de espín, [9] la amplitud del campo de desacoplamiento debe ser lo más grande posible. Sin embargo, en estudios de transición cuántica múltiple, ambos campos de radiofrecuencia 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 alta frecuencia en cristales, así como para separar las señales superpuestas.
La técnica CP-ENDOR utiliza campos de radiofrecuencia polarizados circularmente. Se generan dos campos polarizados linealmente mediante corrientes de radiofrecuencia en dos cables orientados en paralelo al campo magnético. A continuación, los cables se conectan en semibucles que se cruzan en un ángulo de 90 grados. Esta técnica fue desarrollada por Schweiger y Gunthard para simplificar la densidad de líneas ENDOR en un espectro paramagnético. [11]
El ENDOR modulado por polarización (PM-ENDOR) utiliza dos campos de RF perpendiculares con unidades de control de fase similares a las del 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 soluciones congeladas, 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 observación 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 de fase líquida donde las relaciones espaciales no son posibles. Tales disposiciones espaciales requieren que los espectros ENDOR se registren en diferentes configuraciones de campo magnético dentro del patrón de polvo EPR. [12]
La convención tradicional de resonancia magnética prevé que los paraimanes se alineen con el campo magnético externo; sin embargo, en la práctica es más sencillo tratar los paraimanes como fijos y el campo magnético externo como un vector. Especificar las relaciones posicionales requiere tres piezas de información separadas pero relacionadas: un origen, la distancia desde dicho origen y una dirección de esa distancia. [13] El origen, para los fines de esta explicación, puede considerarse como la posición del electrón desapareado localizado de una molécula. Para determinar la dirección hacia el núcleo con espín activo desde el electrón desapareado localizado (recuerde: los electrones desapareados son, en sí mismos, espín activos) 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-dipolar. Dicha aproximación tiene en cuenta las interacciones magnéticas a través del espacio de los dos dipolos magnéticos. El aislamiento de R da la distancia desde el origen (electrón desapareado localizado) hasta el núcleo de espín activo. Las aproximaciones punto-dipolares se calculan utilizando la siguiente ecuación a 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; cúmulos metálicos que producen materiales magnéticos; radicales atrapados introducidos como sondas para revelar las propiedades ácidas/básicas de la superficie; centros de color y defectos como en el azul ultramar y otras gemas; e intermediarios de reacción atrapados formados catalíticamente que detallan el mecanismo. La aplicación de ENDOR pulsado a muestras sólidas proporciona muchas ventajas en comparación con ENDOR CW. Dichas ventajas son la generación de formas de línea 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 de espín electrónico y nuclear y la potencia aplicada (dadas tasas de relajación lo suficientemente largas). [12]
La ENDOR pulsada de alta frecuencia se aplica generalmente a sistemas modelo biológicos y relacionados. Las aplicaciones se han dirigido principalmente a la biología, con un fuerte enfoque en radicales relacionados con la fotosíntesis o centros de iones metálicos paramagnéticos en mataloenzimas o metaloproteínas. [14] Otras aplicaciones se han dirigido a agentes de contraste para imágenes por resonancia magnética . La ENDOR de alta frecuencia se ha utilizado como herramienta de caracterización de materiales porosos, para las propiedades electrónicas de donantes/aceptores en semiconductores y para las propiedades electrónicas de fulerenos endoédricos. La sustitución de la estructura con ENDOR de banda W se ha utilizado para proporcionar evidencia experimental de que un ion metálico se encuentra 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. La ENDOR aplicada a radicales atrapados se ha utilizado para estudiar el NO con iones metálicos en química de coordinación, catálisis y bioquímica. [12]
