EPR w Biologii i Medycynie Tomasz Okólski Tomasz Rosmus
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
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
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
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 = 9,237 10 24 J T M s = ± 1 2 - dwie orientacje spinu + 1 2 μ B g e i 1 2 μ B g e
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
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).
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
Blok mikrofalowy Do generacji mikrofal używa się najczęściej klistronów emitujących promieniowanie o częstotliwościach 0 180 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
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
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.
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
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
Współczynnik rozszczepienia spektroskopowego h stała Plancka, h= 6,63 10 34 [J s] ν częstotliwość mikrofal g = hν βb 0 β magneton Bohra β= 9,27 10 24 [J/T] B 0 indukcja magnetyczna
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
Badanie krwi po terapii Tc 99m
Badanie krwi chorych na czerniaka
Badanie krwi chorych na czerniaka zależność amplitudy sygnału od saturacji transferryny
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