Resonancia paramagnética electrónica

Técnica para estudiar materiales que tienen electrones desapareados.

La espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica ( EPR ) o resonancia de espín electrónico ( ESR ) es un método para estudiar materiales que tienen electrones desapareados . Los conceptos básicos de la EPR son análogos a los de la resonancia magnética nuclear (RMN), pero los espines excitados son los de los electrones en lugar de los de los núcleos atómicos . La espectroscopia EPR es particularmente útil para estudiar complejos metálicos y radicales orgánicos. El 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 .

Configuración típica para registrar espectros EPR. El usuario se sentaría junto al generador de RF, el imán y los controles de temperatura de la muestra.

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 ya sea antiparalelo ( ) o paralelo ( ) al campo, teniendo cada alineación una energía específica debido al efecto Zeeman : ${\displaystyle s={\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle m_{\mathrm {s} }=+{\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle m_{\mathrm {s} }=-{\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle B_{\mathrm {0} }}$ ${\displaystyle m_{\mathrm {s} }=-{\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle m_{\mathrm {s} }=+{\tfrac {1}{2}}}$

${\displaystyle E=m_{s}g_{e}\mu _{\text{B}}B_{0},}$

dónde

• ${\displaystyle g_{e}}$es el llamado factor g del electrón (ver también el factor g de Landé ), para el electrón libre, ^[3] ${\displaystyle g_{\mathrm {e} }=2.0023}$
• ${\displaystyle \mu _{\text{B}}}$es el magnetón de Bohr .

Por lo tanto, la separación entre el estado inferior y superior es para electrones libres no apareados. Esta ecuación implica (ya que ambos y son constantes) que la división de los niveles de energía es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético , como se muestra en el siguiente diagrama. ${\displaystyle \Delta E=g_{e}\mu _{\text{B}}B_{0}}$ ${\displaystyle g_{e}}$ ${\displaystyle \mu _{\text{B}}}$

Un electrón desapareado puede cambiar su espín absorbiendo o emitiendo un fotón de energía de modo que se cumpla la condición de resonancia . Esto lleva a la ecuación fundamental de la espectroscopia EPR: . ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle h\nu =\Delta E}$ ${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{\text{B}}B_{0}}$

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 de los fotones incidentes 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. Un conjunto de centros paramagnéticos , como los radicales libres, está expuesto a microondas a una frecuencia fija. Al aumentar un campo magnético externo, la brecha entre los estados de energía y se amplía hasta que coincide con la energía de las microondas, como lo representa la doble flecha en el diagrama de arriba. En este punto, los electrones desapareados 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 de 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. ${\displaystyle m_{\mathrm {s} }=+{\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle m_{\mathrm {s} }=-{\tfrac {1}{2}}}$

Para la frecuencia de microondas de 9388,4 MHz, la resonancia prevista se produce en un campo magnético de aproximadamente = 0,3350 T = 3350 G ${\displaystyle B_{0}=h\nu /g_{e}\mu _{\text{B}}}$

Debido a las diferencias de masa entre el electrón y el núcleo, el momento magnético de un electrón es sustancialmente mayor que la cantidad correspondiente para cualquier núcleo, de modo que se necesita una frecuencia electromagnética mucho mayor para provocar una resonancia de espín con un electrón que con un núcleo, a idénticas condiciones. 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 donde y depende del núcleo en estudio). ${\displaystyle h\nu =g_{\mathrm {N} }\mu _{\mathrm {N} }B_{0}}$ ${\displaystyle g_{\mathrm {N} }}$ ${\displaystyle \mu _{\mathrm {N} }}$

Modulación de campo

El campo oscila entre B ₁ y B ₂ debido al campo de modulación superpuesto a 100 kHz. Esto hace que la intensidad de absorción oscile entre I ₁ y I ₂ . Cuanto mayor sea la diferencia, mayor será la intensidad detectada por el detector sintonizado a 100 kHz (tenga en cuenta que esto puede ser negativo o incluso 0). A medida que se detecta la diferencia entre las dos intensidades, se detecta la primera derivada de la absorción.

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 de 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 relaciones señal-ruido más altas. 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.

La misma idea subyace a la técnica de Pound-Drever-Hall para el bloqueo de frecuencia de láseres en una cavidad óptica de alta delicadeza.

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 distribución de Boltzmann :

${\displaystyle {\frac {n_{\text{upper}}}{n_{\text{lower}}}}=\exp {\left(-{\frac {E_{\text{upper}}-E_{\text{lower}}}{kT}}\right)}=\exp {\left(-{\frac {\Delta E}{kT}}\right)}=\exp {\left(-{\frac {\epsilon }{kT}}\right)}=\exp {\left(-{\frac {h\nu }{kT}}\right)}}$

donde es el número de centros paramagnéticos que ocupan el estado energético superior, es la constante de Boltzmann y es 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 el inferior. Por tanto, las transiciones del nivel inferior al superior son más probables que a la inversa, motivo por el cual se produce una absorción neta de energía. ${\displaystyle n_{\text{upper}}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle n_{\text{upper}}/n_{\text{lower}}}$

La sensibilidad del método EPR (es decir, el número mínimo de espines detectables ) depende de la frecuencia del fotón según ${\displaystyle N_{\text{min}}}$ ${\displaystyle \nu }$

${\displaystyle N_{\text{min}}={\frac {k_{1}V}{Q_{0}k_{f}\nu ^{2}P^{1/2}}},\qquad {\text{(Eq. 2)}}}$

donde 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. Siendo y constantes, ~ , es decir, ~ , donde ≈ 1,5. En la práctica, puede variar entre 0,5 y 4,5 dependiendo de las características del espectrómetro, las condiciones de resonancia y el tamaño de la muestra. ${\displaystyle k_{1}}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle Q_{0}}$ ${\displaystyle k_{f}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle k_{f}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle N_{\text{min}}}$ ${\displaystyle (Q_{0}\nu ^{2})^{-1}}$ ${\displaystyle N_{\text{min}}}$ ${\displaystyle \nu ^{-\alpha }}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha }$

Se obtiene así una gran sensibilidad con un límite de detección bajo y un gran número de espines. Por tanto, los parámetros requeridos son: ${\displaystyle N_{\text{min}}}$

• Una alta frecuencia del espectrómetro para minimizar la ecuación. 2. Las frecuencias comunes se analizan a continuación.
• Una temperatura baja para disminuir el número de espines en el alto nivel de energía como se muestra en la ecuación. 1. Esta condición explica por qué los espectros a menudo se registran en muestras en el punto de ebullición del nitrógeno líquido o del helio líquido .

Parámetros espectrales

En los sistemas reales, los electrones normalmente no están solitarios, sino que están asociados con uno o más átomos. Hay varias consecuencias importantes de esto:

1. Un electrón desapareado 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 sistemas químicos con iones de metales de transición. ${\displaystyle g_{e}}$
2. Los sistemas con múltiples electrones desapareados 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.
3. El momento magnético de un núcleo con un espín nuclear distinto de cero afectará a los electrones desapareados asociados con ese átomo. Esto conduce al fenómeno de acoplamiento hiperfino , análogo al acoplamiento J en RMN, que divide la señal de resonancia EPR en dobletes, tripletes, etc. Las escisiones adicionales más pequeñas de núcleos cercanos a veces se denominan acoplamiento "superhiperfino".
4. Las interacciones de un electrón desapareado con su entorno influyen en la forma de una línea espectral EPR. Las formas de líneas pueden proporcionar información sobre, por ejemplo, velocidades de reacciones químicas. ^[5]
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 desapareado responde no sólo al campo magnético aplicado de un espectrómetro sino también a cualquier campo magnético local de átomos o moléculas. El campo efectivo experimentado por un electrón se escribe así ${\displaystyle B_{0}}$ ${\displaystyle B_{\text{eff}}}$

${\displaystyle B_{\text{eff}}=B_{0}(1-\sigma ),}$

donde incluye los efectos de los campos locales ( pueden ser positivos o negativos). Por lo tanto, la condición de resonancia (arriba) se reescribe de la siguiente manera: ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{\text{B}}B_{\text{eff}}}$

${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{B}B_{\text{eff}}=g_{e}\mu _{\text{B}}B_{0}(1-\sigma ).}$

La cantidad se denota y se llama simplemente factor g , de modo que la ecuación de resonancia final se convierte en ${\displaystyle g_{e}(1-\sigma )}$ ${\displaystyle g}$

${\displaystyle h\nu =g\mu _{\text{B}}B_{0}.}$

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 a , 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 mediante el acoplamiento espín-órbita . Como los mecanismos del acoplamiento espín-órbita se conocen bien, la magnitud del cambio proporciona información sobre la naturaleza del orbital atómico o molecular que contiene el electrón desapareado. ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle g_{e}}$

La forma de un espectro EPR de patrón de polvo cambia según la distribución de los valores principales de la matriz. ${\displaystyle g}$

En general, el factor g no es un número sino 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 desapareado en un sólido o en una molécula. Elegir 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 giro que experimenta solo interacción Zeeman con un campo magnético externo, la posición de la resonancia EPR viene 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 del campo magnético en el sistema de coordenadas ( x , y , z ); sus magnitudes cambian a medida que gira el campo, al igual que la frecuencia de la resonancia. Para un conjunto grande de espines orientados aleatoriamente (como en una solución fluida), 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 .

En el espectro de primera derivada, el pico de baja frecuencia es positivo, el pico de alta frecuencia es negativo y el pico central es bipolar. Estas situaciones se observan comúnmente en los 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").

A temperaturas más altas, los tres picos se fusionan formando un singlete, correspondiente a giso _, para isotrópico. La relación entre g _iso y los componentes es:

${\displaystyle (g_{\mathrm {iso} })^{2}=(g_{xx})^{2}+(g_{yy})^{2}+(g_{zz})^{2}}$

Un paso elemental en el análisis de un espectro EPR es comparar g _iso con el factor g del electrón libre, g _e . Los radicales a base de metales g _iso suelen estar muy por encima de g _e mientras que los radicales orgánicos g _iso ~ g _e .

La determinación del valor absoluto del factor g es un desafío debido a la falta de una estimación precisa del campo magnético local en la ubicación de la muestra. Por lo tanto, los estándares del llamado factor g se miden junto con la muestra de interés. En el espectro común, la línea espectral del estándar del factor g se utiliza como punto de referencia para determinar el factor g de la muestra. Para la calibración inicial de los estándares del factor g , Herb et al. introdujo un procedimiento preciso mediante el uso de técnicas de doble resonancia basadas en el cambio de Overhauser. ^[6]

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 (S = 1/2 sistema) 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 multilínea. En tales casos, el espacio entre las líneas espectrales de 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 líneas espectrales y, en los casos más simples, es esencialmente el espaciado mismo. ^[7]

Dos mecanismos comunes por los cuales interactúan los electrones y los núcleos son la interacción de contacto de Fermi y la interacción dipolar. Lo primero se aplica en gran medida al caso de interacciones isotrópicas (independientes 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 los radicales orgánicos de electrones, como el anión radical benceno. Los símbolos " a " o " A " se utilizan para constantes de acoplamiento hiperfinas isotrópicas, mientras que " B " se emplea normalmente para constantes de acoplamiento hiperfinas anisotrópicas. ^[8] ${\displaystyle \pi }$

En muchos casos, se puede predecir el patrón de división hiperfina isotrópica de un radical que gira libremente en una solución (sistema isotrópico).

Multiplicidad

Espectros EPR simulados de los radicales metilo y metoximetilo.

• Para un radical que tiene M núcleos equivalentes, cada uno con un espín de I , el número de líneas EPR esperadas 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 el observado.
• Para un radical que tiene M ₁ núcleos equivalentes, cada uno con un espín de I ₁ , y un grupo de M ₂ núcleos equivalentes, 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 de ^{1 H equivalentes, cada uno con} I  = 1/2 y tres núcleos de ^{1 H equivalentes cada uno con} I  = 1/2, por lo que el número de líneas esperado 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 (por ejemplo, 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 una relación 1:3:3: 1 proporción. El espaciado entre líneas da una constante de acoplamiento hiperfina de H = 23 G para cada uno de los tres núcleos _de ^{1 H.} Observe nuevamente que las líneas de este espectro son primeras derivadas de absorciones.

Como segundo ejemplo, el radical metoximetilo, H ₃ COCH ₂ ^. el centro OC H ₂ dará un patrón general de EPR 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 que concuerda con la predicción de 12 líneas y las intensidades de línea esperadas. Tenga en cuenta que la constante de acoplamiento más pequeña (espaciado entre líneas más pequeño) se debe a los tres hidrógenos metoxi, mientras que la constante de acoplamiento más grande (espaciado entre líneas) se debe a 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 desde el electrón desapareado de un radical, pero hay algunas excepciones notables, como el radical etilo (CH ₂ CH ₃ ).

Definición del ancho de línea de resonancia

Los anchos de las líneas 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 semianchos y poseen algunas ventajas: para líneas asimétricas, se pueden dar valores de semiancho izquierdo y derecho. El ancho medio es 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 . El primer ancho de inclinación es la 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 ancho y ancho de inclinación total . ${\displaystyle \Delta B_{h}}$ ${\displaystyle \Delta B_{1/2}}$ ${\displaystyle \Delta B_{1/2}=2\Delta B_{h}}$ ${\displaystyle \Delta B_{\text{max}}=2\Delta B_{1s}}$

Aplicaciones

Este ESR- STM de baja temperatura en el Centro de Nanociencia Cuántica es uno de los primeros STM a nivel mundial en medir la resonancia del espín electrónico en átomos individuales.

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, ^[9] y en centros paramagnéticos como los centros F. .

Reacciones químicas

EPR es un método sensible y específico para estudiar tanto los radicales formados en reacciones químicas como las reacciones 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 .} Estos radicales pueden identificarse y estudiarse mediante 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, la EPR se utiliza para proporcionar información sobre la geometría de un radical y el orbital del electrón desapareado.

EPR es 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 , lo cual es fundamental para comprender su reactividad .

La espectroscopia EPR/ESR sólo 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. Esto puede ser un problema particularmente grave en el estudio de reacciones en líquidos. Un enfoque alternativo es ralentizar las reacciones estudiando 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.

Médico y biológico

También existen aplicaciones médicas y biológicas del EPR. Aunque los radicales son muy reactivos, por lo que normalmente no aparecen en altas concentraciones en biología, se han desarrollado reactivos especiales para unir " etiquetas de espín ", también llamadas "sondas de espín", a moléculas de interés. Moléculas radicales no reactivas especialmente diseñadas pueden unirse a sitios específicos en una célula biológica , y los espectros de EPR luego brindan información sobre el entorno de las etiquetas 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 fases cristalinas líquidas. ^[13] La inyección de moléculas marcadas con espín permite obtener imágenes por resonancia electrónica de organismos vivos.

Se ha diseñado un tipo de sistema dosimétrico para estándares 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(CH3 ₎ NH+2radical). Este método es adecuado para medir rayos gamma y X , electrones, protones y radiación de alta transferencia lineal de energía (LET) en dosis en el rango de 1 Gy a 100 kGy. ^[14]

La 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. ^[15]

El estudio de los radicales libres inducidos por la 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 necesaria ]}

Caracterización de materiales

La espectroscopia EPR/ESR se utiliza en geología y arqueología como herramienta de datación . Se puede aplicar a una amplia gama de materiales como lutitas orgánicas, carbonatos, sulfatos, fosfatos, sílice u otros silicatos. ^[16] Cuando se aplican a las lutitas, los datos de EPR se correlacionan con la madurez del kerógeno en la lutita. ^[17]

La espectroscopía EPR se ha utilizado para medir propiedades del petróleo crudo , como la determinación del contenido de asfaltenos y vanadio . ^[18] El componente de radicales libres de la señal EPR es proporcional a la cantidad de asfalteno en el petróleo, independientemente de los solventes o precipitantes que puedan estar presentes en ese petróleo. ^[19] Sin embargo , cuando el petróleo está sujeto a un precipitante como hexano , heptano o piridina , gran parte del asfalteno se puede extraer posteriormente del petróleo mediante técnicas gravimétricas. La medición de EPR de ese extracto será entonces función de la polaridad del precipitante que se utilizó. ^[20] En consecuencia, es preferible aplicar la medición de EPR directamente al crudo. En el caso de que la medición se realice aguas arriba de un separador (producción de petróleo) , entonces también puede ser necesario determinar la fracción de petróleo dentro del crudo (por ejemplo, si un determinado crudo contiene 80% de petróleo y 20% de agua, entonces la firma EPR será el 80% de la firma de aguas abajo del separador).

Los arqueólogos han utilizado el EPR para datar los dientes. El daño por radiación durante largos períodos de tiempo crea radicales libres en el esmalte dental, que luego pueden examinarse mediante EPR y, después de una calibración adecuada, fecharse. De manera similar, el material extraído de los dientes de las personas durante procedimientos dentales se puede utilizar para cuantificar su exposición acumulativa a la radiación ionizante. Con este método se han examinado personas (y otros mamíferos ^[21] ) expuestos a la radiación de las bombas atómicas, ^[22] del desastre de Chernóbil , ^{[23] [24]} y del accidente de Fukushima . ^[25]

Los alimentos esterilizados por radiación se han examinado con espectroscopía EPR, con el objetivo de desarrollar métodos para determinar si una muestra de alimento ha sido irradiada y en qué dosis. ^[26]

Otras aplicaciones

En el campo de la computación cuántica , el EPR pulsado se utiliza para controlar el estado de los qubits de espín de electrones en materiales como el diamante, el silicio y el arseniuro de galio. ^{[ cita necesaria ]}

Mediciones de alta frecuencia y campo alto

A veces se necesitan mediciones EPR de alta frecuencia y 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 Prof. 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 de Chernogolovka alrededor de 1975. ^[27] Dos décadas más tarde , la empresa alemana Bruker produjo un espectrómetro EPR de banda W como una pequeña línea comercial , iniciando la expansión de las técnicas EPR de banda W a niveles medios. Laboratorios académicos de gran tamaño.

Variación en el espectro EPR del radical nitróxido TEMPO a medida que cambia la banda de microondas (energía de excitación). ^[27] Tenga en cuenta la resolución mejorada a medida que aumenta la frecuencia (despreciando la influencia de la tensión g ).

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 llevan a cabo en las bandas X y, con menos frecuencia, Q, principalmente debido a la fácil disponibilidad de los componentes de microondas necesarios (que originalmente se desarrollaron para aplicaciones de radar ). Una segunda razón para las mediciones generalizadas de las bandas X y Q es que los electroimanes pueden generar de manera confiable campos 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. Las mediciones a > 40 GHz, en la región de longitud de onda milimétrica, ofrecen las siguientes ventajas: ${\displaystyle \nu }$

1. Los espectros EPR se simplifican debido a la reducción de los efectos de segundo orden en campos elevados.
2. Aumento de la selectividad y sensibilidad de la orientación en la investigación de sistemas desordenados.
3. La informatividad y la precisión de los métodos de pulsos , p. ej. ENDOR , también aumentan con campos magnéticos elevados.
4. Accesibilidad de sistemas de espín con mayor división de campo cero debido a la mayor energía cuántica de microondas h . ${\displaystyle \nu }$
5. La resolución espectral más alta sobre el factor g , que aumenta con la frecuencia de irradiación y el 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. ${\displaystyle \nu }$
6. La saturación de los centros paramagnéticos se produce en un campo polarizador de microondas B ₁ comparativamente bajo , 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 el movimiento superlento en los sistemas en estudio. ${\displaystyle \nu }$
7. La relajación cruzada de los centros paramagnéticos disminuye drásticamente en campos magnéticos elevados, lo que facilita la obtención de información más precisa y completa sobre el sistema en estudio. ^[27]

Esto se demostró experimentalmente en el estudio de varios sistemas biológicos, poliméricos y modelo en EPR de banda D. ^[28]

Componentes de hardware

Modelo 3D de un espectrómetro CW-EPR de banda X típico

Puente de microondas

El puente de microondas contiene tanto la fuente de microondas como el detector. ^[29] Los espectrómetros más antiguos utilizaban un tubo de vacío llamado klistrón para generar microondas, pero los espectrómetros modernos utilizan un diodo de Gunn . Inmediatamente después de la fuente de microondas hay un aislador que sirve para atenuar cualquier reflexión hacia la fuente que podría dar lugar a fluctuaciones en la frecuencia de microondas. ^[4] La potencia de microondas de la fuente luego pasa 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 sólo debe exponerse a la radiación de microondas que regresa 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 microondas y el detector se denomina detector de ley cuadrada . En 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 e información cuantitativa, el diodo debe funcionar dentro de la región lineal. Para garantizar que el detector esté funcionando a ese nivel, el brazo de referencia sirve para proporcionar una "sesgo".

Imán

En un espectrómetro EPR, el conjunto magnético incluye el imán con una fuente de alimentación dedicada, así como un sensor o regulador de campo, como una sonda Hall . Los espectrómetros EPR utilizan uno de dos tipos de imanes que están determinados por la frecuencia operativa de microondas (que determina el rango de intensidades de campo magnético requeridas). 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 que utilizan la frecuencia de banda Q. Para generar intensidades de campo apropiadas para la banda W y operaciones de mayor frecuencia, 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 para 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 hacia atrás. 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:

${\displaystyle Q={\frac {2\pi ({\text{energy stored}})}{({\text{energy dissipated}})}}}$

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. Se puede perder 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, lo 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 campo magnético máximo y del campo eléctrico mínimo. Cuando la intensidad del campo magnético es tal que se produce un evento de absorción, el valor de Q se reducirá debido a la pérdida adicional de energía. 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. ^[30]

Resonancia paramagnética de electrones pulsados

La dinámica de los espines de los electrones se estudia mejor con mediciones pulsadas. ^[31] Se utilizan pulsos de microondas de entre 10 y 100 ns de duración para controlar los espines en la esfera de Bloch . El tiempo de relajación de la red de espín 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 decadencia del eco de Hahn para medir el tiempo de desfase, como se muestra en la siguiente animación. El tamaño del eco se registra para diferentes espaciamientos de los dos pulsos. Esto revela la decoherencia, que el pulso no reenfoca . En casos simples, se mide una caída exponencial , que se describe en el tiempo. ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle T_{2}}$

La resonancia paramagnética de electrones pulsados ​​podría avanzar hacia la espectroscopia de doble resonancia nuclear electrónica (ENDOR), que utiliza ondas en las frecuencias de radio. Dado que diferentes núcleos con electrones desapareados 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

• Polarización nuclear dinámica
• EDMR
• Resonancia de espín dipolar eléctrico
• Imágenes por resonancia electrónica
• resonancia ferromagnética
• Resonancia magnética detectada ópticamente
• Etiquetado de giro dirigido al sitio
• Etiqueta de giro
• Trampa de giro

Referencias

1. Zavoisky E (1945). "Resonancia magnética de espín en paramagnética". J. Física. (URSS) . 9 : 245.
2. Zavoisky E (1944). Absorción Paramagnética en Campos Perpendiculares y Paralelos para Sales, Soluciones y Metales (tesis doctoral).
3. 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.
4. Chechik V, Carter E, Murphy D (2016). Resonancia Paramagnética Electrónica . Oxford, Reino Unido: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-872760-6. OCLC  945390515.
5. Levine EN (1975). Espectroscopia molecular . Wiley & Sons, Inc. pág. 380.ISBN _ 978-0-471-53128-9.
6. Herb K, Tschaggelar R, Denninger G, Jeschke G (abril de 2018). "Calibración por doble resonancia de estándares de factor g: fibras de carbono como estándar de alta precisión". Revista de Resonancia Magnética . 289 : 100–106. Código Bib : 2018JMagR.289..100H. doi : 10.1016/j.jmr.2018.02.006 . hdl : 20.500.11850/245192 . PMID  29476927.
7. Enciclopedia de espectroscopia y espectrometría . Prensa académica. 2016. págs. 521, 528. ISBN 9780128032251.
8. Estrictamente hablando, " a " se refiere a la constante de división hiperfina, un espaciado entre líneas medido en unidades de campo magnético, mientras que A y B se refieren a constantes de acoplamiento hiperfinas medidas en unidades de frecuencia. Las constantes de división y acoplamiento son proporcionales, pero no idénticas. El libro de Wertz y Bolton tiene más información (págs. 46 y 442). Wertz JE, Bolton JR (1972). Resonancia de espín electrónico: teoría elemental y aplicaciones prácticas . Nueva York: McGraw-Hill.
9. Wertz, John y James R Bolton. Resonancia de espín electrónico: teoría elemental y aplicación práctica. Chapman y Hall, 1986.
10. Goswami, Monalisa; Chirila, Andrei; Rebreyend, Christophe; de Bruin, Bas (1 de septiembre de 2015). "Espectroscopia EPR como herramienta en la investigación de catálisis homogénea". Temas de catálisis . 58 (12): 719–750. doi : 10.1007/s11244-015-0414-9 . ISSN  1572-9028.
11. Yashroy RC (1990). "Estudios de resonancia magnética de organización dinámica de lípidos en membranas de cloroplastos". Revista de Biociencias . 15 (4): 281–288. doi :10.1007/BF02702669. S2CID  360223.
12. YashRoy RC (enero de 1991). "Desnaturalización por calor de proteínas y estudio de las interacciones lípido-proteína de membrana mediante ESR con etiqueta de espín". Revista de métodos bioquímicos y biofísicos . 22 (1): 55–9. doi :10.1016/0165-022X(91)90081-7. PMID  1848569.
13. YashRoy RC (1990). "Determinación de la temperatura de transición de la fase lipídica de la membrana a partir de intensidades de 13C-NMR". Revista de métodos bioquímicos y biofísicos . 20 (4): 353–6. doi :10.1016/0165-022X(90)90097-V. PMID  2365951.
14. Chu RD, McLaughlin WL, Miller A, Sharpe PH (diciembre de 2008). "5. Sistemas de dosimetría". Revista de la ICRU . 8 (2): 29–70. doi :10.1093/jicru/ndn027. PMID  24174520.
15. Kempe S, Metz H, Mader K (enero de 2010). "Aplicación de la espectroscopia e imágenes de resonancia paramagnética electrónica (EPR) en la investigación de la administración de fármacos: oportunidades y desafíos". Revista europea de farmacia y biofarmacia . 74 (1): 55–66. doi :10.1016/j.ejpb.2009.08.007. PMID  19723580.
16. Ikeya M (1993). Nuevas aplicaciones de la resonancia de espín electrónico . doi :10.1142/1854. ISBN 978-981-02-1199-8.
17. Bakr MI, Akiyama M, Sanada Y (1990). "Evaluación de la ESR de la maduración del kerógeno y su relación con la génesis del petróleo". Geoquímica Orgánica . 15 (6): 595–599. Código Bib : 1990OrGeo..15..595B. doi :10.1016/0146-6380(90)90104-8.
18. Yenes, TF; Erdman, JG; Saraceno, AJ (1962). "Investigación de la naturaleza de los radicales libres en asfaltenos del petróleo y sustancias relacionadas mediante resonancia de espín electrónico". Química analítica . 34 (6): 694–700. doi :10.1021/ac60186a034.
19. Lovell J, Abdullah D, Punnapala S, Al Daghar K, Kulbrandstad O, Madem S, Meza D (noviembre de 2020). "Un sistema de IoT químico para garantizar el flujo: desde aplicaciones de un solo pozo hasta la implementación de campo". SPE-203286-MS . ADIPEC. doi :10.2118/203286-MS.
20. Khulbe K, Mann R, Lu B, Lamarche G, Lamarche A (1992). "Efectos de los disolventes sobre los radicales libres de betún y asfaltenos". Tecnología de procesamiento de combustible . 32 (3): 133-141. doi :10.1016/0378-3820(92)90027-N.
21. Azumi Todaka; Shin Toyoda; Masahiro Natsuhori; Keiji Okada; Itarú ​​Sato; Hiroshi Sato; Jun Sasaki (agosto de 2020). "Evaluación de ESR de la dosis de esmalte dental de ganado criado en áreas contaminadas debido al accidente de la central nuclear de Fukushima Dai-ichi". Mediciones de radiación . 136 (106357): 106357. Código bibliográfico : 2020RadM..136j6357T. doi :10.1016/j.radmeas.2020.106357. S2CID  218993842.
22. Nori Nakamura; Yuko Hirai; Yoshiaki Kodama (2012). "Dosimetría de rayos gamma y neutrones mediante EPR y AMS, utilizando esmalte dental de supervivientes de la bomba atómica: una mini revisión". Dosimetría de Protección Radiológica . 149 (1): 79–83. doi : 10.1093/rpd/ncr478 . PMID  22267275.
23. Gualtieri G, Colacicchi S, Sgattoni R, Giannoni M (julio de 2001). "El accidente de Chernobyl: dosimetría EPR en el esmalte dental de los niños". Radiaciones Aplicadas e Isótopos . 55 (1): 71–9. doi :10.1016/S0969-8043(00)00351-1. PMID  11339534.
24. Chumak V, Sholom S, Pasalskaya L (1999). "Aplicación de dosimetría EPR de alta precisión con dientes para la reconstrucción de dosis en poblaciones de Chernobyl". Dosimetría de Protección Radiológica . 84 : 515–520. doi : 10.1093/oxfordjournals.rpd.a032790.
25. S. Toyoda; A. Kondo; K. Zumadílov; Sr. Hoshi; C. Miyazawa; A. Ivannikov (septiembre de 2011). "Medidas de VSG de dosis de fondo en dientes de residentes japoneses". Mediciones de radiación . 46 (9): 797–800. Código Bib : 2011RadM...46..797T. doi :10.1016/j.radmeas.2011.05.008.
26. Chauhan, SK; et al. (2008). "Métodos de detección de alimentos irradiados". Revisiones completas en ciencia de los alimentos y seguridad alimentaria . 8 : 4. doi : 10.1111/j.1541-4337.2008.00063.x .
27. EPR de sistemas de baja dimensión
28. Krinichnyi VI (1995). "Espectroscopia EPR de banda de ondas de 2 mm de sistemas condensados ". Boca Ratón, Florida: CRC Press.
29. Eaton GR, Eaton SS, Barr DP, Weber RT (10 de abril de 2010). EPR cuantitativo. Medios de ciencia y negocios de Springer. ISBN 978-3-211-92948-3.
30. Eaton GR, Eaton SS, Barr DP, Weber RT (2010). "Conceptos básicos del EPR de onda continua". EPR cuantitativo : 1–14. doi :10.1007/978-3-211-92948-3_1. ISBN 978-3-211-92947-6.
31. Schweiger A, Jeschke G (2001). Principios de la resonancia paramagnética de electrones de pulso . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-850634-8.

enlaces externos

• Programa de Resonancia Magnética Electrónica 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