Hyperfininteraktioner

En anden meget vigtig faktor i EPR er hyperfininteraktioner. Ud over det anvendte magnetfelt B0 er den forbindelse, der indeholder de uparrede elektroner, følsomme over for deres lokale “mikro”-miljø. Yderligere information kan opnås fra den såkaldte hyperfininteraktion. Atomkernerne i et molekyle eller kompleks har normalt deres egne fine magnetiske momenter. Sådanne magnetiske momenter kan frembringe et lokalt magnetfelt, der er stærkt nok til at påvirke elektronerne. En sådan vekselvirkning mellem elektronen og det lokale magnetfelt, som kernen frembringer, kaldes hyperfin vekselvirkning. Elektronens energiniveau kan derefter udtrykkes som:

E = gmBB0MS + aMsmI (6)

Hvor a er hyperfin koblingskonstanten, mI er kernespinkvantumtallet. Hyperfininteraktioner kan bruges til at give et væld af oplysninger om prøven, såsom antallet og identiteten af atomer i et molekyle eller en forbindelse samt deres afstand til den uparrede elektron.

Tabel 1. Bioovergangsmetallers kernespins og EPR-hyperfinemønstre

Reglerne for bestemmelse af, hvilke kerner der vil interagere, er de samme som for NMR. For isotoper, som har lige atom- og lige massetal, er grundtilstandens kernespinkvantetal, I, nul, og disse isotoper har ingen EPR- (eller NMR-)spekter. For isotoper med ulige atomnumre og lige massetal er værdierne af I hele tal. F.eks. er 2H’s spin 1. For isotoper med ulige massetal er værdierne for I brøkdele. F.eks. er 1H’s spin 1/2, og 23Na’s spin er 7/2. Her er flere eksempler fra biologiske systemer:

Tabel 2. Bio-ligandatomkernespins og deres EPR-hyperfinemønstre

Tallet af linjer fra hyperfininteraktionen kan bestemmes ved hjælp af formlen: 2NI + 1. N er antallet af ækvivalente kerner, og I er spin. For eksempel oplever en uparret elektron på en V4+ I=7/2 fra vanadiumkernen. Vi kan se 8 linjer fra EPR-spektret. Ved kobling til en enkelt kerne har hver linje den samme intensitet. Ved kobling til mere end én kerne er den relative intensitet af hver linje bestemt af antallet af vekselvirkende kerner. For de mest almindelige I=1/2 kerner følger intensiteten af hver linje Pascals trekant, som er vist nedenfor:

For eksempel for -CH3 er radikalets signal opdelt i 2NI+1= 2*3*1/2+1+1=4 linjer, og forholdet mellem hver linjes intensitet er 1:3:3:3:1. Spektret ser således ud:

Hvis en elektron kobler til flere sæt kerner, anvender vi først koblingsreglen på de nærmeste kerner, derefter deler vi hver af disse linjer ved at koble dem til de næste nærmeste kerner og så videre. For methoxymethylradikalet, H2C(OCH3), er der (2*2*1/2+1)*(2*3*1/2+1)=12 linjer i spektret, spektret ser således ud:

For I=1 følger de relative intensiteter denne trekant:

EPR-spektre har meget forskellige linjeformer og karakteristika afhængigt af mange faktorer, såsom vekselvirkningerne i spin Hamiltonianen, prøvernes fysiske fase, molekylernes dynamiske egenskaber. For at få oplysninger om struktur og dynamik fra eksperimentelle data er spektralsimuleringer meget vigtige. Man bruger simulering til at studere afhængigheden af spektrale træk af de magnetiske parametre, til at forudsige de oplysninger, vi kan få fra eksperimenter, eller til at udtrække nøjagtige parametre fra eksperimentelle spektrer.