Spektroskopia EPR

Spektroskopia EPR (spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego, zwana również elektronowym rezonansem spinowym, ESR, dla odróżnienia od rezonansu cyklotronowego) – technika spektroskopii pozwalająca na wykrycie i uzyskanie informacji o otoczeniu danej próbki spinowej (tj. niesparowanych elektronów) w substancjach takich jak wolne rodniki, jony metali przejściowych, pierwiastki ziem rzadkich, aktynowce, defekty w dielektrykach i węglu oraz elektrony przewodnictwa w metalach i półprzewodnikach.

Podstawowe fizyczne założenia techniki są analogiczne do tych wykorzystywanych w spektroskopii NMR, ale badane są spiny elektronów, a nie spiny jąder atomowych. Z powodu różnic w masie pomiędzy jądrami a elektronami, w technice EPR używane są słabsze pola magnetyczne i wyższe częstotliwości promieniowania mikrofalowego niż w spektroskopii NMR. Dla elektronów, rezonans paramagnetyczny w polu magnetycznym o wartości ok. 0,3 T zachodzi przy częstotliwości ok. 10 G Hz (tzw. pasmo X).

Spektroskopia EPR jest wykorzystywana m.in. w fizyce ciała stałego, w chemii do badań przebiegu reakcji oraz w biologii i medycynie do badania wolnych rodników poprzez śledzenie znaczników spinowych. Metoda EPR jest też stosowana do datowania w badaniach archeologicznych, np. wieku szkliwa zębów ( hydroksyapatyt pochodzenia biologicznego).

Ponieważ wolne rodniki są bardzo reaktywne i krótko żyjące, nie występują one w układach biologicznych w wysokich stężeniach. Aby badać układy biologiczne zaprojektowano małoreaktywne molekuły (tzw. pułapki spinowe) mogące wiązać się w specyficznych miejscach w komórce czy białku.

Wstęp historyczny

Badania rezonansu magnetycznego rozpoczyna praca Isaaka I. Rabiego z 1937 roku - Space Quantization in a Gyrating Magnetic Field [1]. Natomiast pierwsza obserwacja magnetycznego rezonansu została zaobserwowana w 1938 roku, w związku z techniką wiązek molekularnych [2]. Przez analogię poszukiwano podobnego zjawiska w układzie spinów jądrowych. Próbował to osiągnąć Cornelius Gorter, ale udało się dopiero Jewgienijowi Zawojskiemu w 1944 roku. Zawojski w swoich badaniach w Kazaniu po raz pierwszy zaobserwował absorpcję rezonansową w solach metali przejściowych. Wyniki doświadczeń Zawojskiego objaśnił Jakow Frenkel jako elektronowy rezonans paramagnetyczny (1945). Już w pierwszych swoich pracach Zawojski stwierdził, że rezonansowa częstotliwość zmian pola jest proporcjonalna do częstotliwości pola mikrofalowego. Dla CrCl3 przy dwóch różnych częstotliwościach mikrofalowych: pierwszej = 2190 MHz i drugiej = 2760 MHz, uzyskano rezonans odpowiednio w polach o natężeniu 0,08 T i 0,1 T. Stąd uzyskano bardzo ważny związek między częstotliwością pola wysokich częstotliwości i natężeniem rezonansowego pola magnetycznego:

Stała a uzyskana w doświadczeniu Zawojskiego wyniosła 27,5 GHz/T, co jest wartością zbliżoną do wartości 28 GHz/T, charakteryzującej elektron swobodny.

Inne języki
беларуская (тарашкевіца)‎: Электронны парамагнітны рэзананс
norsk nynorsk: Elektronspinnresonans
srpskohrvatski / српскохрватски: Elektronska paramagnetna rezonanca