WPŁYW MOCY MIKROFALOWEJ NA WIDMA EPR MELANIN Z DROSOPHILA MELANOGASTER. Ewa Buszman, Barbara Pilawa, Małgorzata Latocha, Tadeusz Wilczok

Transkrypt

1 WPŁYW MOCY MIKROFALOWEJ NA WIDMA EPR MELANIN Z DROSOPHILA MELANOGASTER Ewa Buszman, Barbara Pilawa, Małgorzata Latocha, Tadeusz Wilczok Śląska Akademia Medyczna, Wydział Farmaceutyczny, Katedra Biochemii i Biofizyki, Sosnowiec, ul. Narcyzów 1 Biopolimery melaninowe znane są ze ewych zdolności do tworzenia kompleksów z jonami metali in vitro i in vivo [1-3]. Własności te są wynikiem znacznej zawartości wolnych rodników w tych biopolimerach. Trwały paramagnetyzm melanin, wynikający z obecności niesparowanych elektronów na orto-semichinonowych grupach indolowych podjednostek polimeru, umożliwia wykorzystanie do wykrywania i charakterystyki tych pigmentów techniki elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) [4]. Melaniny wyizolowane ze szczepów Drosophila melanogaster o różnym zabarwieniu ciała wykazują odmienne zdolności do kompleksowania jonów Cd +. Własności wolnorodnikowe tych melanin, całych much i melaniny syntetycznej z DOPA analizowano techniką spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego. Badano zawartość centrów paramagnetycznych w próbkach oraz ich oddziaływania spin-spin i sp5.n-sieć. CHARAKTERYSTYKA BADANYCH MELANIN Izolowanie melanin z trzech szczepów Drosophila melanogaster: "egl" - czarne, "w" - szare, "yw" - żółte przeprowadzono metodą 24-godz. hydrolizy w 6 N HC1. Melaninę syntetyczną otrzymano metodą autooksydacyjnej polimeryzacji 3,4-dihydroksyfenyloalaniny (DOPA) w buforze fosforanowym o ph=8.0. POMIARY EPR Analizie poddano próbki suchych melanin. Pomiary wykonano za pomocą spektrometru EPR w paśmie X (9.3 GHz), produkcji RADIOPAN-Poznań. Stosowano modulację pola magnetycznego 100 khz. Widma EPR próbek melanin będących w kontakcie z tlenem atmosferycznym rejestrowano w szerokim zakresie mocy mikrofalowej, PL

2 Dla badanych melanin wyznaczono: koncentrację centrów paramagnetycznych, parametry linii EPR (współczynnik rozszczepienia spektroskopowego g i szerokość linii) oraz zależność amplitudy i szerokości linii od mocy mikrofalowej. Jako wzorzec koncentracji centrów paramagnetycznych stosowano ultramarynę. Wartość pola powierzchni pod krzywą absorpcji otrzymano przez dwukrotne całkowanie jej pierwszej pochodnej za pomocą programu komputerowego INTER. Współczynnik rozszczepienia spektroskopowego g wyznaczono bezpośrednio z warunku rezonansu, uwzględniając wartość pola rezonansowego i rejestrowaną miernikiem typu MCM 101 częstotliwość promieniowania mikrofalowego. WYNIKI EKSPERYMENTALNE W melaninach izolowanych z Drosophila melanogaster występują wolne rodniki o niesparowańym elektronie zlokalizowanym na atomie tlenu. Wartości współczynnika rozszczepienia spektroskopowego g dla tych rodników, ze względu na dużą wartość stałej sprzężenia spinorbita, są w zakresie Podobną wartość współczynnika g= wyznaczono dla orto-semichinonowych wolnych rodników modelowej melaniny syntetyzowanej z DOPA. Koncentracja wolnych 19 rodników w melaninie z muchy żółtej (1.1x10 spin/g) jest taka sama jak w DOPA-melaninie (1.0x10 spin/g), a w melaninie z muchy czarnej (2.7x10 spin/g) i szarej (2.2x10 spin/g) około dwukrotnie wyższa. Zdolność wiązania jonów metalu (np. Cd + ) do melanin z trzech szczepów Drosophila melanogaster maleje w szeregu: melanina z "egl" > melanina z "w" > melanina z "yw". W podobnej kolejności maleje koncentracja centrów paramagnetycznych tych melanin. Duże wartości szerokości linii EPR badanych melanin, rzędu 0.55mT mT, przemawiają za silnymi oddziaływaniami dipolowymi blisko siebie rozmieszczonych niesparowanych elektronów w tych próbkach. Poszerzające oddziaływania dipolowe niesparowanych elektronów w modelowej DOPA- melaninie są słabsze, a szerokość jej linii EPR wynosi 0.45 mt. Najsilniejsze oddziaływania dipolowe występują w przypadku niesparowanych elektronów całych much, których wartości szerokości linii EPR są z zakresu 0.61 mt mt. Badania zmiany parametrów linii EPR melanin z Drosophila meianogaster w zależności od mocy mikrofalowej wykazały jednorodne poszerzenie sygnałów absorpcji rezonansowej. Amplituda linii EPR melanin rośnie ze wzroste.n mocy mikrofalowej. Po osiągnięciu wartości maksymalnej intensywność sygnału maleje, ponieważ w wyniku asa

3 nasycenia spiny z górnego poziomu energetycznego nie są zdolne do powrócenia n* niższy poziom dostatecznie szybko, żeby utrzymać bollzmanowski rozkł-ad obsadzeń. Amplitudy linii EPR badanych melanin nasycają się dla stosunknwo niskich wartości mocy mikrofalowej, a więc ich niesparowane elektrony charakteryzuje długi czas oddziaływań spin-sieć. Szerokość linii EPR melanin rośnie 7.P wzrostem mocy mikrofalowej. Poszerzenie to jost wynikiem skrócenia czasu życia spinu wskutek generowania szybszych przejść spinowych przez wyższe moce mikrofalowe. Przykładowo wpływ mocy mikrofalowej na amplitudę i szerokość linii EPR melaniny izolowanej z much czarnych (rys. la,b) oraz występującej w muchach cznrnych (rys.2a,b) przedstawiono na rysunkach 1-2, 16.(10 -r a ' 10 H U i n/m/mo a X Pyf) i.jo V 0.60 M/Mo' Wpływ mocy mikrofalowej na amplitudę (a) i szerokość li>) linii EPR melaniny wyizolowanej z much czarnych. 2ł8

4 a. o CL, S Ilo I n. Q fm/mo' 1.00 Hyn.?. Wpływ mocy mikrofal o»r na amplitudę (a) ł P7erokoS<* (b) linii BPR mucli czarnych. LITERATURA (]) FronciBz w.. Sarna T., Hyde J.S., Arch. Biooliem. Biophys. 1980, 131 Sarna T., Froncisz W., Hyde J.S., Arch. Biochem. Biophys. I960, 200, RiiRzman E., KwafSniak B., Dzierżewicz Z., wilczok T. Stud. Biophys. 1987, 122, ] Buszman R., Rozprawa habilitacyjna, Katowice 1994.

5 BADANIE CENTRÓW PARAMAGNETYCZNYCH W ZŁOŻONYCH CN CO ^ CO CD _l CL UKŁADACH SIARKOWO-MIEDZIOWYCH Y-Cu-S i La-Cu-S METODĄ EPR. PROBLEM WALENCYJNOŚCI MIEDZI. I.Jacyna-Onyszkiewicz, R.Krzyminiewski i S.Robaszkiewicz Wydział Fizyki, Uniwersytet im. A.Mickiewicza Poznań 1. WSTĘP Elektronowy Rezonans Paramagnetyczny jest badany dla nowo otrzymanych, złożonych chalkogenidków Y 2 S 5+ł i La 2 CuS 4+J [1,2]. Związki te ze względu na stechiometrię siarkowa wykazują bądź przewodnictwo metaliczne [1] w zakresie temperatur 4,2-300 K (fazy bliskie stechiometrycznym składom), bądź można uzyskać je o charakterze półprzewodnikowym [2). W tym przypadku mamy do czynienia z przewodnictwem elektrycznym termicznie aktywowanym o energii aktywacji E A -0,2-0,3 ev (dla próbek z nadstechiometrią siarki). Formalnie oba te związki można uważać za analogony intensywnie badanych związków miedziowo-tlenowych: La 2 CuO,, ±, i Y 2 O s Mogą tez one pełnić rolę testerów dla różnych teoretycznych modeli dyskutowanych w ramach nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Z tego punktu widzenia ważna jest relacja miedzy własnościami nadprzewodzących tlenków miedziowych (i im pokrewnym) oraz odpowiednich chalkogenidków. Podobnie jak dla wysokotemperaturowych nadprzewodników miedziowotlenowych istotne stają się badania stanów walencyjnych miedzi w tych związkach [3]. Juz eksperymenty na prostych siarczkach, takich jak np. CuS pokazały jak złożony jest to problem w układach miedziowo-siarkowych [4]. W CuS jony Cu występują w 2 stanach walencyjnych Cu +2 i Cu +1 podczas, gdy dla tlenku CuO obserwuje się tylko stan Cu* 2. Wpływ podstawień anionowych na typ struktury krystalicznej z jednej strony związany jest z zagadnieniem stabilizacji kationów polem ligandów, a z drugiej strony ze zwiększeniem anionowej polaryzacji przy przejściu od jonów O do S. Prezentowane rezultaty są kontynuacją podjętych wcześniej badań roli podukladu anionowego w nadprzewodzących tlenkach miedziowych 11,2,5]. Badania te obejmują min.

6 układy Y-Ba-Cu-S(Se), La-Cu-S 11-3] oraz A-Cu-X (A - to jednowartościowy metal alkaliczny, X = S, Se [6] i wskazują na szereg analogii pomiędzy nadprzewodzącymi układami miedziowo-tlenowymi a chalkogenidkami, takich jak: - tendencje do tworzenia niskowymiarowych struktur, - udział dziur z anionów w transporcie ładunku, - stosunkowo niskie gęstości nośników prądu, - występowanie liniowej zależności oporu od temperatury pokojowej, az do temperatur rzędu 10 K. 2. EKSPERYMENT Badania spektroskopowe zostały przeprowadzone na fazach półprzewodnikowych Y 2 S 5 łs i La2CuS«+ j, których technologię wytwarzania opisano we wcześniejszej pracy [2J. Związek Y 2 S 5+ j krystalizuje w strukturze romboedrycznej o parametrach sieci: a= 11,6978 A i a R =88 55', a objętość komórki elementarnej wynosi V= 1599,85 A 3. W przypadku układu La-Cu-S trudno jest uzyskać próbkę w pełni jednofazową. Niemniej pojawia się faza LajCuS^j o strukturze ortorombowej, podobnie jak La 2 CuO ( z parametrami sieci: a=5,3516 A, b=5,5489 A i c= 13,1632 A oraz V=390,89 A 3. W eksperymencie EPR wykorzystano standardowy spektrometr odbiciowy RADIOPAN SE/X 2547 z podwójną modulacją pola magnetycznego o częstości 100 khz, pracujący z częstością 9,4 GHz (pasmo X). Rejestrowano I pochodną absorpcji rezonansowej. Pomiary wykonano w temperaturze pokojowej na próbkach polikrystalicznych po zakończeniu procesu technologicznego i poddanych dodatkowemu wygrzewaniu w odpompowanych ampułach kwarcowych w celu zmiany stechiometrii siarkowej. Wartość współczynnika spektroskopowego rozszczepienia g obliczono ze wzoru 9 gdzie v - stała częstość promieniowania mikrofalowego, B - wartość indukcji magnetycznej przy której nastąpił rezonans, /x B -magneton Bohra.

7 3. WYNIKI I DYSKUSJA. Na rys. 1 i 2 zaprezentowano widma EPR badanych prdbek. We wszystkich przypadkach otrzymano skomplikowane linie EPR. Dlatego, dla potrzeb analizy widm, dodatkowo dołączono linie EPR dla CuS (rys.3), Y 2 O 3 (rys.4) i KCi^S, (rys.5). Y 2 S =1.966 Rys.l. Widmo EPR związku Y 2 S:s+j; a) po zakończeniu procesu technologicznego, b) po dodatkowej obróbce. Rys.2. Wpływ zmiany stechiometrii siarkowej na postać widma EPR próbek La 2 CuS 4+6 ; a) po zakończeniu procesu technologicznego, b) po dodatkowej obróbce.

8 CuS 100 mt 9^2060 Rys.3 Widmo EPR próbki CuS. Rys.4. Widmo EPR próbki Y KCu 4 S 3 -Orez = GHz Rys.5. Widmo EPR dla związku KCu,Sj. W przypadku CuS, związek ten ma przewodnictwo elektryczne typu metalicznego [3], zaobserwowano izolowane centrum paramagnetyczne Cu +2 o symetrii osiowej z mała dystorsją rombową. Również widmo EPR Y 2 0s wskazuje na centrum paramagnetyczne związane z dimerem miedziowym Cu +2 -Qi +2. Natomiast dla KCu 4 S 3 bardzo słabego paramagnetyka o znacznym przewodnictwie elektrycznym, nie zaobserwowano w ogóle sygnałów EPR, w tym związanych z obecnością jonów miedzi Cu ł2. W tej sytuacji można

9 wykluczyć obecność w 300 K typowych centrów Cu +2 zarówno dla próbek Y 2 S 5M jak i La 2 CuS 4+4 Widmo EPR fazy półprzewodnikowej Y 2 S5 + o interesującej postaci, ze względu na wartość współczynników g (g <2) sugeruje pochodzenie od centrum typu -Y +3 -S- Y +2, podobnego do kompleksu -Fe ł:1 -S-Fe t2 [8,9. Jonem siarki położonym w węźle anionowym w pobliżu jonów itru mogą być zarówno S, S 2, S 2 ' i S 2 2 ", ale tylko jony S' i S3 są paramagnetyczne. Mała intensywność sygnału dowodzi niskiej koncentracji proponowanego modelu centrów. Także dla La 2 CuS 4+i można przyjąć powyższa koncepcję: -La 3+ -S-La 2+, chociaż brak pełnej jednofazowości stwarza dodatkowe trudności interpretacyjne. Pierwsze próby, jak parametr 6 wpływa na widmo EPR, wykonane w tej pracy, pokazują znaczące zmiany widm, np. zmianę szerokości linii, czy wartości rozszczepień. Wpływ stechiometrii siarkowej jest silniejszy dla układu La-Cu-S. Wyniki badań EPR znajdują częściowe potwierdzenie w badaniach podatności magnetycznej oraz w widmach XPS 11,2]. Ze względu na brak odpowiednich danych literaturowych i rangę zagadnienia (kontrowersje wokół braku sygnału EPR na jonach + w HTS) dalsze badania układów miedziowo-siarkowych są niezbędne. Pracę wykonano w ramach Projektu Badawczego KBN 2P LITERATURA 1. S.Robaszkiewicz, M.Zimpel, I.Onyszkiewiczand M.A.Obolensky, Acta Magnetica 8, 58 (1991). 2. I.Onyszkiewicz, M.Zimpel, M.A.Obolensky, Yu.B.Poltoracky, S.Starodub and S.Robaszkiewicz (przygotowana do druku). 3. M.Zimpel and S.Robaszkiewicz, Acta Magnetica 8, 35 (1991). 4. W.Liang and M.H.Whangho, Solid State Commun. 85, 405 (1993). 5. Y.Ishikawa and K.Shigematsu, J.Phys.Soc. Jpn. 61, 3067 (1992). 6. M.Zimpel, I.Onyszkiewicz, P.Czarnecki, IV National Symposium on High-Tc Superconductivity, Abstracts P-47, Poznań, 6-7 September, 1993 (p.65). 7. L.W.ter Haar, F.J.D.Salvo, H.E.Bair, R.M.Fleming, J.V.Waszczak and W.E.Hatfield, Phys.Rev.B, 35, 1932 (1987). 8. J.Fritz, R.Anderson, J.Fee, G.Palmer, R.H.Sands, W.H.Orme-Johnson, H.Beinert, J.C.Tsibris and J.C.Gunsalus, Biochim.Biophys. Acta 253, 110 (1971). 9. W.R.Dunham, G.Palmer, R.H.Sands and A.J.Bearden, Biochim.Biophys. Acta 253, 373 (1971). 2(4