Interacțiuni hiperfine

Un alt factor foarte important în EPR este reprezentat de interacțiunile hiperfine. Pe lângă câmpul magnetic aplicat B0, compusul care conține electronii nepereche este sensibil la „micro” mediul lor local. Informații suplimentare pot fi obținute din așa-numita interacțiune hiperfină. Nucleii atomilor dintr-o moleculă sau dintr-un complex au, de obicei, propriile momente magnetice fine. Apariția unor astfel de momente magnetice poate produce un câmp magnetic local suficient de intens pentru a afecta electronul. O astfel de interacțiune între electron și câmpul magnetic local produs de nuclee se numește interacțiune hiperfină. Atunci nivelul energetic al electronului poate fi exprimat sub forma:

E = gmBB0MS + aMsmI (6)

În care a este constanta de cuplaj hiperfin, mI este numărul cuantic de spin nuclear. Interacțiunile hiperfine pot fi folosite pentru a furniza o multitudine de informații despre eșantion, cum ar fi numărul și identitatea atomilor dintr-o moleculă sau compus, precum și distanța acestora față de electronul nepereche.

Tabelul 1. Spinii nucleari ai metalelor de tranziție bio și modelele hiperfine EPR

Regulele pentru determinarea nucleelor care vor interacționa sunt aceleași ca și în cazul RMN. Pentru izotopii care au numere atomice pare și numere masice pare, numărul cuantic de spin nuclear în stare fundamentală, I, este zero, iar acești izotopi nu au spectre EPR (sau RMN). Pentru izotopii cu numere atomice impare și numere de masă pare, valorile lui I sunt numere întregi. De exemplu, spinul lui 2H este 1. Pentru izotopii cu numere de masă impare, valorile lui I sunt fracții. De exemplu, spinul lui 1H este 1/2 și spinul lui 23Na este 7/2. Iată mai multe exemple din sistemele biologice:

Tabelul 2. Spinii nucleari ai atomilor de ligand biologic și modelele hiperfine EPR ale acestora

Numărul de linii din interacțiunea hiperfină poate fi determinat cu ajutorul formulei: 2NI + 1. N este numărul de nuclee echivalente, iar I este spinul. De exemplu, un electron neperecheat pe un V4+ experimentează I=7/2 din partea nucleului de vanadiu. Putem observa 8 linii din spectrul EPR. Atunci când se cuplează cu un singur nucleu, fiecare linie are aceeași intensitate. Atunci când se cuplează cu mai mult de un nucleu, intensitatea relativă a fiecărei linii este determinată de numărul de nuclee care interacționează. Pentru cele mai frecvente nuclee I=1/2, intensitatea fiecărei linii urmează triunghiul lui Pascal, care este prezentat mai jos:

De exemplu, pentru -CH3, semnalul radicalului este împărțit în 2NI+1= 2*3*1/2+1=4 linii, raportul de intensitate al fiecărei linii fiind de 1:3:3:3:1. Spectrul arată în felul următor:

Dacă un electron se cuplează la mai multe seturi de nuclee, mai întâi aplicăm regula de cuplaj la nucleele cele mai apropiate, apoi împărțim fiecare dintre aceste linii prin cuplarea lor la nucleele cele mai apropiate următoare, și așa mai departe. Pentru radicalul metoximetil, H2C(OCH3), există (2*2*1/2+1)*(2*3*1/2+1)=12 linii în spectru, spectrul arată în felul următor:

Pentru I=1, intensitățile relative urmează acest triunghi:

Spectrele EPR au forme și caracteristici foarte diferite ale liniilor, în funcție de mulți factori, cum ar fi interacțiunile din Hamiltonianul de spin, faza fizică a probelor, proprietățile dinamice ale moleculelor. Pentru a obține informații despre structură și dinamică din datele experimentale, se apelează foarte mult la simulări spectrale. Oamenii folosesc simularea pentru a studia dependențele caracteristicilor spectrale de parametrii magnetici, pentru a prezice informațiile pe care le putem obține din experimente sau pentru a extrage parametrii exacți din spectrele experimentale.

.