Hyperfininteraktioner

En annan mycket viktig faktor i EPR är hyperfininteraktioner. Förutom det applicerade magnetfältet B0 är den förening som innehåller de oparade elektronerna känslig för sin lokala ”mikro”-miljö. Ytterligare information kan erhållas från den så kallade hyperfininteraktionen. Atomkärnorna i en molekyl eller ett komplex har vanligtvis sina egna fina magnetiska moment. Sådana magnetiska moment kan skapa ett lokalt magnetfält som är tillräckligt intensivt för att påverka elektronen. En sådan växelverkan mellan elektronen och det lokala magnetfält som kärnorna producerar kallas hyperfin växelverkan. Elektronens energinivå kan då uttryckas som:

E = gmBB0MS + aMsmI (6)

I vilken a är hyperfinkopplingskonstanten, mI är kärnspinnkvantumtalet. Hyperfininteraktioner kan användas för att ge en mängd information om provet, t.ex. antalet och identiteten av atomer i en molekyl eller förening samt deras avstånd från den oparade elektronen.

Tabell 1. Bioövergångsmetallers kärnspinn och EPR hyperfinmönster

Reglerna för att bestämma vilka kärnor som kommer att interagera är desamma som för NMR. För isotoper som har jämna atom- och jämna masstal är grundtillståndets kärnspinnkvantumtal, I, noll, och dessa isotoper har inga EPR- (eller NMR-) spektra. För isotoper med udda atomnummer och jämna masstal är värdena för I hela tal. Exempelvis är spinnet hos 2H 1. För isotoper med udda masstal är värdena för I bråkdelar. Exempelvis är 1H:s spinn 1/2 och 23Na:s spinn 7/2. Här finns fler exempel från biologiska system:

Tabell 2. Bioligandatomernas kärnspinn och deras EPR-hyperfinmönster

Antalet linjer från hyperfininteraktionen kan bestämmas med hjälp av formeln: 2NI + 1. N är antalet likvärdiga kärnor och I är spinnet. Till exempel upplever en oparad elektron på en V4+ I=7/2 från vanadiumkärnan. Vi kan se 8 linjer i EPR-spektrumet. Vid koppling till en enskild atomkärna har varje linje samma intensitet. Vid koppling till fler än en kärna bestäms den relativa intensiteten för varje linje av antalet interagerande kärnor. För de vanligaste I=1/2-kärnorna följer intensiteten för varje linje Pascals triangel, som visas nedan:

För exempelvis -CH3 delas radikalens signal till 2NI+1= 2*3*1/2+1=4 linjer, förhållandet mellan varje linjes intensitet är 1:3:3:3:1. Spektrumet ser ut så här:

Om en elektron kopplar till flera uppsättningar kärnor tillämpar vi först kopplingsregeln på de närmsta kärnorna, sedan delar vi upp var och en av dessa linjer genom att koppla dem till nästa närmsta kärnor, och så vidare. För metoximetylradikalen H2C(OCH3) finns det (2*2*1/2+1)*(2*3*1/2+1)=12 linjer i spektrumet, spektrumet ser ut så här:

För I=1 följer de relativa intensiteterna denna triangel:

EPR-spektra har mycket olika linjeformer och egenskaper beroende på många faktorer, t.ex. interaktionerna i spinnhamiltonianen, provernas fysiska fas, dynamiska egenskaper hos molekyler. För att få information om struktur och dynamik från experimentella data är spektralsimuleringar mycket viktiga. Man använder simulering för att studera spektralegenskapernas beroende av de magnetiska parametrarna, för att förutsäga den information vi kan få från experiment eller för att extrahera exakta parametrar från experimentella spektrum.