Электронный парамагнитный резонанс и его применение в аналитической химии

Метод ЭПР в сельском хозяйстве

При исследовании зараженного вредителями  ячменя было установлено, что парамагнитных центров в нем больше, чем в здоровом. Наблюдается пропорциональная зависимость между степенью зараженности зерна и интенсивностью сигнала в спектре ЭПР. Концентрация парамагнитных центров в зараженном зерне определяется фазой развития сельскохозяйственного вредителя — зерновой моли или амбарного долгоносика.

Метод ЭПР опробован на горохе, зараженном гороховой зерновкой, на пшенице и овсе, зараженных зерновой молью. Интенсивность спектра ЭПР зараженных зерен всегда больше, чем здоровых.

Метод ЭПР может использоваться не только для определения степени зараженности зерна и контроля его сохранности в зернохранилищах, но и для систематического контроля при искусственном разведении энто-мофагов (трихограмм) — эффективной биологической защиты от вредителей сельского и лесного хозяйства.

В ближайшие  годы сфера практического применения метода ЭПР, несомненно, будет расширяться.

Метод  ЭПР в медико-биологических исследованиях.

Применения  метода ЭПР в биологии и медицине весьма разнообразны. Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, сколько и в какие структурные положения электронов входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой. С помощью метода ЭПР впервые были исследованы механизмы действия ионизирующих (радиоактивных) излучений на живые организмы. Изучая магнитное поле, мы выяснили, что живые организмы состоят в основном, из диамагнетиков. Т.е. эти вещества не будут поглощать электромагнитное излучение радиодиапазона, используемого в ЭПР. Под действие радиации происходит образование возбуждённых молекул, ионов и свободных радикалов, которые обладают парамагнитными свойствами. В результате для их качественного и количественного изучения возможно применение метода ЭПР. ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ.

 Рассмотрим лишь два примера, иллюстрирующие возможности использования метода ЭПР в медико-биологических исследованиях.

Оксид азота в биологических системах. Двухатомная молекула оксида азота NO играет исключительно важную роль в качестве универсального регулятора клеточного и тканевого метаболизма. Многочисленные исследования последних лет показали, что молекула NO используется в системе регуляции кровяного давления, в развитии иммунной реакции и, вероятно, является важным биохимическим компонентом в системе долговременной памяти. Сравнительно недавно было обнаружено, что оксид азота является нейромедиатором, то есть выполняет роль переносчика сигналов в нервной системе. Установлено, в частности, что образование избыточного количества NO может быть связано с возникновением некоторых патологических состояний центральной нервной системы, включая судорожные расстройства. Понятно, почему все больший интерес к изучению свойств и механизмов регуляторного действия NO радикалов проявляют биохимики, физиологи и медики. Ученые были поражены тем, что такие важные функции в организме выполняет простая молекула двухатомного газа. Не случайно в 1992 году молекула NO была удостоена звания "Молекула года" [16]

Решающую  роль в обнаружении NO в клетках и тканях различных животных и микроорганизмов сыграл метод ЭПР. Связано это с тем, что окись азота содержит неспаренный электрон (химическая формула этой молекулы JN=O) и поэтому обладает парамагнитными свойствами, благодаря которым появление NO в клетке можно зарегистрировать по сигналу ЭПР. Молекула NO представляет собой короткоживущий радикал, который обладает высокой реакционной способностью, поэтому концентрация свободных молекул NO в клетке очень мала. Для улавливания NO радикалов обычно используют специальные химические ловушки, которые связывают NO, образуя стабильные парамагнитные нитрозильные комплексы. Эти комплексы дают характерные сигналы ЭПР, по которым судят об образовании в клетках и тканях NO радикалов.

История открытия радикалов NO в биологических системах и выяснения их важной регуляторной роли весьма интересна и поучительна. Сигнал ЭПР, обусловленный радикалом NO, был открыт в нашей стране в 1963 году. А.Ф. Ванин и Р.М. Налбандян, работавшие в то время в лаборатории Л.А. Блюменфельда в Институте химической физики АН СССР в Москве, обнаружили в пекарских дрожжах новый сигнал ЭПР (рис. 4), который имел вид дублета и среднее значение g-фактора, равное 2,03 (благодаря чему источник сигнала получил название "комплекс 2,03" ). Позже были обнаружены парамагнитные центры, дающие такой же сигнал ЭПР, в тканях животных. Первоначально авторы открытия предположили, что источником сигнала являются серные радикалы. Однако в ходе дальнейших исследований А.Ф. Ванин убедительно доказал, что "сигнал 2,03" принадлежит нитрозильным комплексам железа (Fe-NO). Сигналы ЭПР нитрозильных комплексов были обнаружены в различных биологических тканях и микроорганизмах. На основании полученных многочисленных экспериментальных данных А.Ф. Ванин предположил, что появление NO радикалов связано с определенными процессами клеточного метаболизма. Оказалось, что нарушения нормальных процессов жизнедеятельности приводят к увеличению концентрации "комплексов 2,03". Впоследствии были доказано, что NO радикалы играют ключевую роль в регуляции многих важнейших биологических процессов, о которых шла речь выше. Метод ЭПР, позволяющий регистрировать сигналы NO радикалов и их комплексов, сыграл в этом решающую роль.

Сигналы ЭПР, вызванные радиационными повреждениями. Наряду с биологическими парамагнитными центрами естественного происхождения, к которым, в частности, относятся рассмотренные электронные переносчики хлоропластов и NO радикалы, в биологических системах могут возникать парамагнитные центры, вызванные радиационными повреждениями биомолекул. Методом ЭПР были обнаружены свободные радикалы и ион-радикалы, появляющиеся под действием ионизирующего излучения в целых клетках и тканях, изолированных белках и нуклеиновых кислотах. Нет необходимости говорить о большой научной и практической значимости исследований в области радиационной биофизики. В рамках короткой статьи невозможно осветить все аспекты этой исключительно важной темы, поэтому ограничимся лишь одним примером практического применения метода ЭПР в области дозиметрии ионизирующих излучений.

Одной из важных практических задач радиационной биофизики является проведение биодозиметрических обследований населения, пострадавшего при радиоактивном загрязнении окружающей среды, в частности после аварии на Чернобыльской АЭС и многолетних испытаний ядерного оружия. Население, проживающее вблизи ядерных полигонов или аварийных АЭС, подвергалось неконтролируемому облучению ионизирующими излучениями, однако подавляющее большинство людей, как правило, не имели дозиметров. Поэтому в настоящее время приходится определять поглощенные дозы облучения ретроспективно, используя биодозиметры, созданные природой. В основе метода биодозиметрии лежит тот факт, что под действием ионизирующего излучения в некоторых биологических тканях и материалах накапливаются долгоживущие парамагнитные центры, количество которых пропорционально поглощенной дозе. Такие стабильные радиационно-индуцированные парамагнитные центры возникают, в частности, в эмали зубов и костях. Эмаль зубов имеет минеральную основу в виде изоморфных кристаллов апатита, в которую включены некоторые органические соединения. Образующиеся при радиационном облучении эмали зубов парамагнитные центры исключительно стабильны. По некоторым оценкам, их времена жизни составляют 109 лет! Это неудивительно, поскольку парамагнитные центры, возникающие при облучении в твердой минеральной основе эмали зубов, жестко фиксированы и не могут рекомбинировать друг с другом. Поэтому на протяжении всей жизни животных и человека в эмали их зубов накапливаются устойчивые парамагнитные центры, возникающие под действием ионизирующего излучения. Чем выше полученная доза, тем больше образуется таких парамагнитных центров. Иными словами, каждый человек, имеющий хотя бы один зуб, обладает своеобразным природным дозиметром ионизирующего излучения.

Дозу  излучения, поглощенного эмалью зубов, нетрудно рассчитать, если с помощью  спектрометра ЭПР измерить концентрацию радиационно-индуцированных парамагнитных  центров. На рис. 5, а показан спектр ЭПР небольшого кусочка эмали зуба. На фоне сравнительно широкого сигнала, принадлежащего органическим компонентам (сигнал 1 ), выделяется более узкий сигнал, индуцированный радиационным облучением (сигнал 2 ). Величина узкого сигнала 2 от радиационных парамагнитных центров (РПЦ) определяется всей предысторией образца. У животных и людей, подвергшихся ионизирующему облучению, интенсивность этого сигнала выше, чем у животных и людей, которые на протяжении своей жизни подвергались лишь воздействию естественного фонового излучения. Интенсивность узкого сигнала 2, как видно из рис. 5, б, возрастает прямо пропорционально дозе дополнительного облучения образца. Естественно, что индивидуальная чувствительность такого "зубного" дозиметра может быть различной у разных людей. Однако можно определить эту чувствительность используя зависимость интенсивности сигнала 2 в образце от дозы дополнительного облучения (рис. 5, б ). Крутизна этой кривой пропорциональна радиационной чувствительности "зубного" дозиметра. Экстраполируя эту зависимость к нулевой величине сигнала 2, можно найти суммарную дозу излучения, поглощенного организмом к тому моменту времени, когда образец зубной эмали был взят для исследования. Таким образом, измеряя интенсивность радиационно-индуцированного сигнала ЭПР, можно определить дозу ионизирующего излучения, поглощенного организмом в течение всей его жизни. К сожалению, для того чтобы приготовить стандартный образец зубной эмали и провести соответствующие измерения методом ЭПР, пациенту обычно приходится жертвовать своим зубом.

В настоящее  время электронный парамагнитный  резонанс, помимо его применения для исследования строения вещества, используется в медицинских целях. Устройство, основанное на этом явлении, называется томографом, его изображение приведено на рис. Электронный парамагнитный томограф позволяет на ранних стадиях диагностировать заболевания различных органов человека

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы аналитической химии. В 2 т. Т.2:учеб. для студ. учреждений О-753 высш. проф. образования / [Н. В. Алов и др.]; под ред. Ю.А. Золотова.— 4-е изд., перераб. и  доп. —  М.: Издательский центр «Академия», 2010.— 416 с.
2. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.
3. Инграм Д. Электронный парамагнитный резонанс в свободных радикалах. М.: Изд-во иностр. лит., 1961.
4. Блюменфельд Л.А., Воеводский В.В., Семенов А. Применение электронного парамагнитного резонанса в химии. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962.
5. КеррингтонА., Маклечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии. М.: Мир, 1970.
6. Альтшулер С. А., Козырев Б. M., Электронный парамагнитный резонанс. М.: Физматгиз, 1961.
7. Вертц Дж., Болтон Дж., Теория и практические приложения метода ЭПР, М., 1975
8. Соложенкин П. М., Баратова 3. Р. Определение изотопного состава элементов методом ЭПР.— Деп. в ВИНИТИ 3 мая 1984 г. № 28449-84 Деп.
9. Соложенкин П. М., Классен И. Г., Швенглер Ф. А. Определение серебра,ртути и палладия с парамагнитным иминоксилксантогенатом калия методом ЭПР.-Журн. аналит. химии, 1977, т. 32, № 10, с. 2080-2084;
10. Золотое Ю. А., Бодня В. А.,Келарева М. П. и др. Спин-меченое оксиазосоединение как экстрагент и реагент дляопределения металлов методом ЭПР.— Журн. аналит. химии, 1982, с. 37, № 6, 
    с. 981-986.
11. Соложенкин П. М., Малявин И. С, Шалухина Л. М. и др. Контроль зараженности зерна вредителями методом электронного парамагнитного резонанса.—Докл. АН ТаджССР, 1983, т. 26, № 8, с. 506-509.
12. Белоногое А. М., Богачев Ю. В., Волнягин Д. П. и др. Комплекс аппаратуры ЭПР для экспресс-анализа веществ.- В кн.: Современные методы ЯМР и ЭПР в химии твердого тела. Тез. докл. III Всесоюзного координац. совещания. Черноголовка, изд. ОИХФ АН СССР, 1982, с, 111-113.
13. Куликовский В. Е., Линев В. И., Фурса Е. Я. Датчик малогабаритного радиоспектрометра электронного парамагнитного резонанса.— ПТЭ, 1980, № 6,с. 114-116.
14. Линев В. Н., Мочальский В. В., Муравский В. А. и др. Регистрация спектров ЭПР с переменной скоростью развертки магнитного поля. Вестник БГУ, сер. 1,1982, № 3, с. 8-12.
15. Эмануэль Н. М., Кузьмин М. Г. Электронный парамагнитный резонанс. – Москва: Издательство Московского университета.1985.
16. Koshland D.E., Jr. The Molecule of the Year // Science. 1992. Vol. 258. P. 1861