EPR
Zjawisko rezonansu elektronowego ma wiele cech wspólnych z rezonansem jądrowym. Przewidziane teoretycznie w latach dwudziestych XX stulecia, również długo czekało na odkrycie eksperymentalne. Zostało odkryte w ZSRR przez Zawojskiego na Uniwersytecie w Kazaniu w roku 1944, to znaczy w rok przed odkryciem jądrowego rezonansu magnetycznego. Elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR - ang. electron paramaqnetic resonance) występuje tylko w substancjach paramagnetycznych, a więc takich, które mają niesparowane elektrony. Dlatego nazwa "rezonans paramagnetyczny" wydaje się lepsza niż rozpowszechniona w literaturze anglosaskiej nazwa "rezonans spinowy (ang. electron spin resonance).
Niesparowane elektrony występują w różnych typach cząstek. Pierwszym typem centrów paramagnetycznych są rodniki i jonorodniki. Rodniki powstają wskutek rozerwania wiązania chemicznego w molekule pod wpływem wysokiej temperatury (dysocjacja termiczna), promieniowania nadfioletowego (fotoliza), promieniowania a, b lub g (radioliza), w procesach elektrodowych (elektroliza), w procesach chemicznych itp. Dwa elektrony walencyjne tworzące wiązanie zostają po jego rozerwaniu podzielone między fragmenty molekuły i oba fragmenty, ponieważ mają niesparowany elektron, stają się paramagnetyczne. Rodniki są tworami nie trwałymi, żyjącymi krótko. Spotykając się ze sobą ulegają rekombinacji, czyli ich niesparowane elektrony ulegają sparowaniu, odtwarzając wiązanie chemiczne, i powstaje molekuła diamagnetyczna. Rodnik może powstać również przez oderwanie elektronu (jonizację) od obojętnej molekuły, wtedy będzie on jednocześnie dodatnim jonem. Przyłączenie elektronu do obojętnej molekuły prowadzi do powstania jonorodnika ujemnego. Łatwo jest doprowadzić do przyłączenia elektronu do molekuł aromatycznych, np. w reakcji z metalem alkalicznym
Drugim typem centrów paramagnetycznych są jony metali przejściowych i ziem rzadkich. W elektronowej powłoce d lub f tych jonów może być kilka niesparowanych elektronów. Centra paramagnetyczne tego typu są trwałe. Trzecim typem centrów są defekty sieci krystalicznej w ciałach stałych. Defekty sieci krystalicznej mogą być wywołane przez obróbkę mechaniczną, działanie promieniowania wysokoenergetycznego itp. Na przykład z węzła sieci zostaje wybity jon ujemny, powstaje w węźle pułapka, do której trafia jakiś elektron i pozostaje w niej niesparowany. Albo z węzła sieci zostaje wybity jon dodatni i razem z nim elektron sąsiedniego jonu, powstaje dziura elektronowa niesparowana (pozyton), która podobnie jak elektron ma kwantową liczbę spinową s = ~i moment magnetyczny. Takie i im podobne defekty sieci krystalicznej nadają ciału stałemu cechy paramagnetyzmu. Czwartym typem centrów paramagnetycznych są molekuły, które z natury swej budowy elektronowej mają niesparowane elektrony. Przykładem takich molekuł są tlenki azotu NO i NO2. Suma wszystkich elektronów jest w nich nieparzysta, więc jeden z elektronów musi być niesparowany. Tendencja do sparowania elektronów tłumaczy łatwość tworzenia dimerów diamagnetycznych. Do tego typu należą też molekuły, których podstawowy stan elektronowy jest stanem tryplet owym Przykładem jest molekuła O2 mająca dwa niesparowane elektrony (tlen jest paramagnetyczny). Ostatnim typem centrów paramagnetycznych są elektrony przewodnictwa w metalach, graficie, sadzy itp. Wszystkie centra paramagnetyczne przejawiają się w widmie EPR, natomiast substancje diamagnetyczne nie dają w ogóle tego widma.
Aparatura do rejestracji widm EPR Zasada działania aparatury do rejestracji widm EPR jest identyczna jak do rejestracji widm NMR. Próbkę umieszcza się między nabiegunnikami elektrornagnesu we wnęce rezonansowej. W polu magnetycznym spiny niesparowanych elektronów orientują się równolegle lub antyrównolegle do kierunku pola i następuje absorpcja doprowadzonego promieniowania o częstości pasującej do różnicy energii tych orientacji, co wywołuje zmianę tych orientacji. Warunek rezonansu jest określony wzorem Osiągnięcie warunku rezonansu uzyskujemy przez przemiatanie widma zmienną indukcją pola magnetycznego Bo przy stałej częstości promieniowania v.
Mikrofale są generowane przez klistron i prowadzone falowodami. W spektrometrach EPR stosowane są wymiennie trzy wstęgi mikrofalowe: wstęga X o częstości 9,4 GHz i długości fali 3,2 cm, wstęga K o częstości 24 GHz i długości fali 1,25 cm oraz wstęga Q o częstości 35 GHz i długości fali 0,85 cm. Większość spektrometrów pracuje na wstędze X. Częstość mikrofalowego promieniowania klistronu jest stała, a zmieniającą się indukcję przemiatającego pola Bo mierzy zamontowany w spektrometrze magnetometr i skaluje oś odciętych widma.
Współczynnik rozszczepienia spektroskopowego g ma wartość równą 2 dla większości centrów paramagnetycznych. Dla swobodnego elektronu po uwzględnieniu poprawki relatywistycznej g = 2,0023. Na wstędze X warunek rezonansowy spełnia pole Bo = 0,31 T. Przemiatanie polem musi mieć jednak bardzo duży zakres, aby objąć wszystkie spotykane wartości g. W spektrometrach fabrycznych stosuje się różne zakresy przemiatania np. 1,0; 2,5; 10; 25; 50; 200 mt. Naturalna szerokość sygnałów EPR jest rzędu 0,1-10 mt. W porównaniu z protonowym rezonansem magnetycznym sygnały EPR są o trzy rzędy wielkości szersze. Stąd wymagania stawiane jednorodności pola magnetycznego są znacznie mniejsze niż w przypadku NMR. Do otrzymania dobrych widm EPR wystarcza jednorodność pola rzędu 10-5. Dlatego nie stosuje się wirowania próbki uśredniającego niejednorodności pola.
Metodyka badań widm EPR Zasadniczo nie ma ograniczeń odnośnie do stanu skupienia substancji badanej. W spektrometrze EPR można badać próbki w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Ograniczenia wynikają raczej z nietrwałości centrów paramagnetycznych. Większość rodników jest tak nietrwała (czas życia poniżej 10-6 s), że trzeba je "zamrażać", czyli więzić w ciele stałym w niskiej temperaturze, aby zapobiec ich dyfuzji i rekombinacji. Zamrażanie rodników dokonywane jest przeważnie w temperaturze ciekłego azotu, 77 K. Rodniki generowane w gazach są również zamrażane na ściankach naczynia chłodzonych ciekłym azotem. Temperaturę 77 K utrzymuje się we wnęce spektrometru, stosując kwarcowe naczynie Dewara w kształcie kielicha, którego nóżka wprowadzana jest do wnęki rezonansowej. Kielich jest wypełniony ciekłym azotem i do wewnętrznego otworu nóżki wprowadza się szklaną lub kwarcową rurkę z badaną próbką zanurzoną w ciekłym azocie. Trzeba się przy tym upewnić, że stosowane szkło i kwarc nie mają własnych centrów paramagnetycznych. Nie można też do chłodzenia stosować ciekłego powietrza ze względu na paramagnetyczność tlenu. Bardzo dobrym i tanim materiałem na naczynie Dewara okazał się styropian (spieniony polistyren), który można formować w kształcie kielicha z kanałem na kuwetę w nóżce. http://www.unige.ch/sciences/chifi/epr/
Krótko żyjące rodniki wytwarzane w reakcjach chemicznych jako produkty przejściowe można badać również w zestawach przepływowych. Na przykład można w ten sposób rejestrować widmo EPR bardzo nietrwałych rodników OH. Jeśli przepływ mieszających się cieczy będzie dostatecznie szybki, to we wnęce rezonansowej powstanie pewne stacjonarne stężenie rodników.oh wystarczające do zarejestrowania ich sygnału. Wadą metody przepływowej jest konieczność zużycia dużych ilości substancji badanych. Trwałe centra paramagnetyczne, np. jony metali przejściowych i niektóre rodniki organiczne, nie wymagają zamrażania. Wykrywalność rodników jest w metodzie EPR niezwykle duża. Pod tym względem żadna inna metoda nie jest w stanie dorównać EPR. W przypadku wąskich sygnałów wykrywalność sięga 10-12 mola rodników w objętości próbki, a w przeliczeniu na stężenie molowe - 10-8 mol/dm 3.
Szerokie sygnały EPR często w dużym stopniu się nakrywają. Na konturze absorpcyjnym trudno jest wtedy zauważyć strukturę multipletową sygnału. Dlatego wprowadzono jako zasadę w spektrometrach EPR rejestrację pierwszej pochodnej krzywej absorpcji. Znaczenie pochodnej w uwidocznieniu subtelności konturu ilustruje rys. Kontur pojedynczego sygnału absorpcji ma kształt krzywej dzwonowej. Jego pierwsza pochodna ma przebieg następujący: wzrost do punktu, w którym krzywa pierwotna na największe nachylenie, następnie spadek do zera, gdy na krzywej pierwotnej jest maksimum (lub w ogóle ekstremum), po przejściu maksimum pochodna od zera przechodzi do wartości ujemnych itd. Odległość ekstremów pochodnej wzdłuż osi rzędnych, lo, nazywamy amplitudą pochodnej, odległość zaś ekstremów pochodnej wzdłuż osi pola Bo nazywamy szerokością sygnału w punktach o maksymalnym nachyleniu, DB max Ten ostatni parametr związany jest z szerokością połówkową sygnału zależnością
Mankamentem rejestracji pochodnych sygnału jest też utrudnienie powrotu do konturu pierwotnego i do jego powierzchni czyli do intensywności integralnej sygnału, stanowiącej podstawę analizy ilościowej centrów paramagnetycznych.
W celu wyznaczenia parametrów sygnału i przeprowadzenia analizy próbki stosuje się przeważnie wzorce zewnętrzne. Są to bardzo trwałe centra paramagnetyczne rozcieńczone w substancji diamagnetycznej. Najczęściej używanym wzorcem jest trwały rodnik 1-1-difenylo-2-pikrylohydrazyl, zwany w skrócie DPPH. Substancja ta, otrzymana drogą syntezy w postaci ciała stałego, jest rozcieńczona przez mieszanie ze zmielonym suchym NaCI lub np. z cukrem. DPPH w tym stanie polikrystalicznym daje wąski pojedynczy sygnał o szerokości połówkowej 0,27 mt i o współczynniku g = 2,0036 ± 0,0003. Kontur pierwotny sygnału ma kształt zbliżony do krzywej Lorentza. Wśród innych rozpowszechnionych wzorców należy wymienić odpowiednio spreparowany węgiel otrzymany np. przez zwęglenie cukru; następnym wzorcem jest CuSO4 z paramagnetycznym jonem miedzi, wreszcie odpowiednio rozcieńczona ultramaryna jako wzorzec dla bardzo szerokich sygnałów. Wzorce służą do dwóch celów. Jeżeli znamy ich współczynniki rozszczepienia spektroskopowego g, to możemy przez interpolację położeń sygnałów wyznaczyć wartości g badanych centrów paramagnetycznych.
Drugim ważnym zadaniem wzorców jest cechowanie skali intensywności. Integralna intensywność sygnału absorpcyjnego otrzymywana przez dwukrotne całkowanie pierwszej pochodnej konturu jest wprost proporcjonalna do stężenia centrów paramagnetycznych w próbce. Jeżeli znamy stężenie centrów paramagnetycznych wzorca, to przez dwukrotne całkowanie pierwszej pochodnej sygnałów próbki i wzorca możemy wyznaczyć stężenie N niesparowanych spinów w próbce gdzie P oznacza powierzchnię pod konturem pierwotnego sygnału. Zabieg dwukrotnego całkowania jest żmudny, dlatego stosujemy często przybliżenie i obliczamy stężenie spinów według wzoru
Anizotropia współczynnika rozszczepienia spektroskopowego W monokrysztale KNO3, na który działa promieniowanie nadfioletowe, pojawiają się paramagnetyczne molekuły. Jeśli kryształ ten umieścimy we wnęce rezonansowej tak, że linie sił pola magnetycznego będą równoległe do dwukrotnej osi symetrii NO2, osi z, to otrzymamy wartość gz = 2,006. Jeśli linie sił pola będą równoległe do osi x lub y (prostopadłych do z), to wartość gx = gy = 1,996. Przy obrocie monokryształu względem kierunku pola magnetycznego Bo zmienia się położenie sygnału EPR. Jest to oczywisty dowód anizotropii współczynnika g.
Sprzężenia spinowo-spinowe Na niesparowany elektron centrum paramagnetycznego działa w kuwecie nie tylko zewnętrzne pole magnetyczne Bo, ale również momenty jąder, z którymi niesparowany elektron się kontaktuje, czyli na których gęstość ładunku niesparowanego elektronu jest różna od zera. Następuje sprzężenie niesparowanego elektronu z jądrem spowodowane oddziaływaniem kontaktowym Fermiego, czyli sprzężenie spinowo-spinowe. są stałymi sprzężenia wyrażonymi w jednostkach indukcji magnetycznej (teslach), mierzonymi bezpośrednio w doświadczalnym widmie EPR jako odstępy między składowymi rozszczepionego sygnału.
Struktura nadsubtelna sygnałów EPR sygnał EPR zostaje rozszczepiony na liczne składowe wskutek rozszczepienia poziomów energetycznych niesparowanego elektronu przez sprzężone z nim jądra.
Jeśli niesparowany elektron znajduje się na orbitalu atomowym p, to na jądrze w atomie jego gęstość jest równa zeru, ponieważ orbital p ma na jądrze płaszczyznę węzłową. W molekule sytuacja się zmienia, gdyż elektrony wiązań oddziałują wzajemnie i wywołują polaryzację spinów, dzięki której gęstość spinowa z orbitalu molekularnego p może się przenosić na orbital s.
Struktura subtelna sygnałów EPR Strukturą subtelną sygnałów EPR nazywamy strukturę wynikającą ze sprzężeń spinowo-spinowych niesparowanych elektronów między sobą.
Zastosowania EPR w chemii Zastosowania EPR ograniczają się wprawdzie tylko do układów, w których są niesparowane elektrony, ale w takich układach metoda EPR nie ma sobie równej. Jej ogromna czułość i selektywność oddaje nieocenione usługi. Identyfikacja centrów paramagnetycznych opiera się na strukturze nadsubtelnej sygnałów. Możliwość pomiaru stężeń niesparowanych spinów, a przede wszystkim zmian stężeń w czasie przebiegu procesów, możliwość zamrażania nietrwałych rodników otwierają szerokie perspektywy badania mechanizmu i kinetyki reakcji chemicznych.