EPR w Biologii i Medycynie. Tomasz Okólski Tomasz Rosmus

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "EPR w Biologii i Medycynie. Tomasz Okólski Tomasz Rosmus"

Bogna Sowa
7 lat temu
Przeglądów:

1 EPR w Biologii i Medycynie Tomasz Okólski Tomasz Rosmus

2 Czym jest EPR? Bardzo dokładna technika badawcza Dedykowana określonej grupie materiałów Pozwala na badanie ilościowe oraz jakościowe Charakteryzuje się krótkim czasem pomiarów Nie wymaga skomplikowanego przygotowania próbki Może być wykorzystywna niemal we wszystkich dziedzinach nauki

3 Cząstki paramagnetyczne Defekty sieci krystalicznych w metalach Jony metali przejściowych oraz ziem żadkich (np. Mn2+, Fe3+, Cu2+). Elektrony przewodnictwa Trwałe molekuły o niesparowanych elektronach (np. NO, NO2, O2) Wolne rodniki

4 Podstawy fizyczne EPR Zjawisko EPR jest związane głównie ze spinem wolnego elektronu oraz jego rozszczepieniem Zeemanowskim. Spin elektronu może bowiem ustawić się równolegle bądź prostopadle do lini pola magnetycznego. Zeemanowskie rozszczepienie energetyczne spinu w polu magnetycznym o indukcji B

5 Rozszczepienie Zeemanowskie Ze względu na kwantyzację spinu elektornu S obserwujemy również kwantyzację spinowego momentu magnetycznego, co oznacza, że obie te wartości mogą przyjąć jedynie określone dyskretne wartości, wynika to ze wzoru: μ s = g e e 2m e S(M S ) (1) Każda cząsteczka o momencie magnetycznym umieszczona w zewnętrznym polu magnetycznym posiada energię daną wzorem: E = μ μb cos < ( μ B) = μ z B (2) μ z - rzut wektora μ na kierunek pola B μ z = μ B g e M s (3) μ B = 9, J T M s = ± dwie orientacje spinu μ B g e i 1 2 μ B g e

6 Rozsczepienie Zeemanowskie Ze wzorów (2) i (3) wynika, że energia elektronów w polu magnetycznym również ulega kwantyzacji: E E(M s ) (4) E M s = g e Bμ B M s (5) E M s = 1 2 = 1 2 g ebμ B, E M s = 1 2 = 1 2 g ebμ B (6),(7) Ulegając rozszczepieniu na energetyczne poziomy Zeemanowskie

7 Pochłanianie energii fali elektromagnetycznej oraz obsadzenie poziomów Zeemanowskich Przejście spinu elektronu z poziomu niższego na wyższy zachodzi pod wpływem pochłaniania energii mikrofalowej spełniającej warunek rezonansu: E = g e Bμ B (8) Obsadzenie obu poziomów energetycznych opisane jest prawem Boltzmana: n 2 = e E kt (9) n 1 A wystąpieniu zjawiska nasycenia (n 1 =n 2 ) zapobiegają procesy tzw. relaksacji (oddziaływania międzycząsteczkowe).

8 Budowa i działanie ERP Spektroskop EPR składa się z trzech głównych bloków: - Bloku mikrofalowego, w którym znajduje się generator mikrofal - Bloku pola magnetycznego, w którym znajdują się dwa duże magnesy oraz wnęka rezonansowa z umieszczoną w niej próbką - Bloku detekcji wyposażonego w specjalną technologię LOCK IN służacą wydobycia sposród szumów sygnału właściwego

9 Blok mikrofalowy Do generacji mikrofal używa się najczęściej klistronów emitujących promieniowanie o częstotliwościach Ghz. W zależności od badanej próbki korzysta się z różnych częstotliwości. Można stosować zarówno falę ciągłą (Continous Wave CW) jak i krótkie silne impulsy promieniowania. Najczęściej stosowane jest promieniowanie z pasma X mikrofal (9-10 GHz) oraz tryb CW

10 Blok pola magnetycznego Zjawisko rezonansu otrzymuje się dopasowując do siebie dwa parametry: częstotliwość promieniowania mikrofalowego oraz indukcję pola magnetycznego Ze względu na stałe rozmiary wnęki rezonansowej, w której umieszczona jest próbka, częstotliwość fali promieniowania jest stała, a rezonans wywołujemy zmianą indukcji pola W większości komercyjnych spektroskopów stosuje się polę o indukcji ok. 0,35 T

11 Blok detekcji W ostatnim etapie pracy spektroskopu EPR rejestrowane jest widmo absorbcji energii fali elektromagnetycznej, a dokładniej jego pierwsza pochodna Otrzymaniu pierwszej pochodnej sygnału służy specjalny układ modulujący współpracujący z elektroniką odczytu typu LOCK IN (wzmacniacz fazoczuły) dającą na wyjściu dużo korzystniejszy stosunek sygnału do szumu.

12 Jako wynik pomiaru otrzymujemy pierwszą pochodną widma absorbcji promieniowania mikrofalowego. Na widmie EPR możemy zidentyfikować poszczególne współczynniki rozszczepienia spektroskopowego informujące nas o zawartych w próbce cząsteczkach. Podwójne całkowanie pozwala policzyć pole powierzchni sygnau, które jest wprost proporcjonalne do stężenia centrów paramagnetycznych. Szerokość pików mówi nam o oddziaływaniach międzycząsteczkowych w próbce. Im szerszy pik, tym czasy relaksacji są krótsze co świadczy o silniejszych oddziaływaniach w próbce Widmo EPR

13 Zastosowanie Badanie mechanizmu działania leków Badanie rodnikowych produktów sterylizacji radiacyjnej Kontrolowane uwalnianie leku Tlenometria EPR Badanie statusu redoks w organizmie Procesy metaboliczne o mechanizmie rodnikowym Badanie struktury enzymów z centrum paramagnetycznym

14 Współczynnik rozszczepienia spektroskopowego h stała Plancka, h= 6, [J s] ν częstotliwość mikrofal g = hν βb 0 β magneton Bohra β= 9, [J/T] B 0 indukcja magnetyczna

15 Badania krwi za pomocą EPR Badanie krwi po terapii Tc 99m Cel: zaobserwowanie uszkodzeń hemoglobiny spowodowane promieniowaniem jonizującym Badanie krwi chorych na czerniaka Cel: porównanie widm EPR osoby zdrowej i chorej, identyfikacja otrzymanych sygnałów

16 Badanie krwi po terapii Tc 99m

17 Badanie krwi chorych na czerniaka

18 Badanie krwi chorych na czerniaka zależność amplitudy sygnału od saturacji transferryny

19 Bibliografia Katarzyna Zawada Zastosowanie spektroskopii EPR w farmacji i medycynie Zakład Chemii Fizycznej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego M. Polakovs, EPR and FTIR Spectroscopies Study of Human Blood after Irradiation Institute of Solid State Physics Ryszard Krzyminiewski EPR Study of Iron Ion Complexes in Human Blood

Podobne dokumenty

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan Spis zagadnień Fizyczne podstawy zjawiska NMR Parametry widma NMR Procesy relaksacji jądrowej Metody obrazowania Fizyczne podstawy NMR Proton, neutron,