Hyperfiinivuorovaikutukset

Toinen erittäin tärkeä tekijä EPR:ssä ovat hyperfiinivuorovaikutukset. Sovelletun magneettikentän B0 lisäksi parittomia elektroneja sisältävä yhdiste on herkkä paikalliselle ”mikro”-ympäristölleen. Niin sanotusta hyperfiinivuorovaikutuksesta voidaan saada lisätietoa. Molekyylin tai kompleksin atomien ytimillä on yleensä omat hienomagneettiset momenttinsa. Tällaisten magneettisten momenttien esiintyminen voi tuottaa paikallisen magneettikentän, joka on riittävän voimakas vaikuttamaan elektroniin. Tällaista elektronin ja ytimen tuottaman paikallisen magneettikentän välistä vuorovaikutusta kutsutaan hyperfiinivuorovaikutukseksi. Tällöin elektronin energiataso voidaan ilmaista seuraavasti:

E = gmBB0MS + aMsmI (6)

Jossa a on hyperfiinikytkentävakio, mI on ydinspinin kvanttiluku. Hyperfiinivuorovaikutusten avulla voidaan saada runsaasti tietoa näytteestä, kuten molekyylin tai yhdisteen atomien lukumäärä ja identiteetti sekä niiden etäisyys parittomasta elektronista.

Taulukko 1. Molekyylin tai yhdisteen atomien lukumäärä ja identiteetti. Biologisten siirtymämetallien ydinspiinit ja EPR-hyperfiinikuviot

Säännöt, joilla määritetään, mitkä ytimet vuorovaikuttavat, ovat samat kuin NMR:ssä. Isotoopeilla, joilla on parillinen atomi- ja parillinen massaluku, perustilan ydinspinin kvanttiluku I on nolla, eikä näillä isotoopeilla ole EPR- (tai NMR-) spektriä. Isotoopeilla, joilla on pariton atomiluku ja parillinen massaluku, I:n arvot ovat kokonaislukuja. Esimerkiksi 2H:n spin on 1. Isotooppien, joiden massaluku on pariton, I:n arvot ovat murtolukuja. Esimerkiksi 1H:n spin on 1/2 ja 23Na:n spin on 7/2. Seuraavassa on lisää esimerkkejä biologisista järjestelmistä:

Taulukko 2. Biologisten ligandiatomien ydinspinit ja niiden EPR-hyperfiinikuviot

Hyperfiinivuorovaikutuksen viivojen lukumäärä voidaan määrittää kaavalla: 2NI + 1. N on ekvivalenttien ydinten lukumäärä ja I on spin. Esimerkiksi V4+:n parittamaton elektroni kokee I=7/2 vanadiinin ytimestä. EPR-spektristä nähdään 8 viivaa. Kytkeytyessään yhteen ytimeen jokaisella viivalla on sama intensiteetti. Kytkeytyessä useampaan kuin yhteen ytimeen kunkin viivan suhteellinen intensiteetti määräytyy vuorovaikutuksessa olevien ydinten lukumäärän mukaan. Yleisimmillä I=1/2-ytimillä kunkin viivan intensiteetti noudattaa Pascalin kolmiota, joka on esitetty alla:

Esimerkiksi -CH3:n tapauksessa radikaalin signaali jakautuu 2NI+1= 2*3*1/2+1=4 viivaan, kunkin viivan intensiteetin suhde on 1:3:3:1. Spektri näyttää seuraavalta:

Jos elektroni kytkeytyy useampaan joukkoon ytimiä, sovelletaan ensin kytkentäsääntöä lähimpiin ytimiin, sitten jaetaan kukin näistä linjoista kytkeytymällä ne seuraavaksi lähimpiin ytimiin ja niin edelleen. Metoksimetyyliradikaalin, H2C(OCH3), spektrissä on (2*2*1/2+1)*(2*3*1/2+1)=12 viivaa, spektri näyttää tältä:

Jos I=1, suhteelliset intensiteetit noudattavat tätä kolmiota:

EPR-spektreillä on hyvin erilaiset viivan muodot ja ominaisuudet riippuen monista tekijöistä, kuten spin-Hamiltonian vuorovaikutuksista, näytteiden fysikaalisesta vaiheesta ja molekyylien dynaamisista ominaisuuksista. Jotta kokeellisesta datasta saataisiin tietoa rakenteesta ja dynamiikasta, tukeudutaan voimakkaasti spektrisimulaatioihin. Ihmiset käyttävät simulointia tutkiakseen spektripiirteiden riippuvuuksia magneettisista parametreista, ennustaakseen tietoa, jota saatamme saada kokeista, tai poimiakseen tarkkoja parametreja kokeellisista spektreistä.

.