Медико-биологические применения электронного парамагнитного резонанса.
Одно из медико–биологических применений метода ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов. Так, например, спектры ЭПР облученных белков позволили объяснить механизм образования радикалов и в связи с этим проследить изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения.
ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ.
С санитарно – гигиенической целью метод ЭПР используют для определения концентрации радикалов в воздушной среде.
Сравнительно недавно специально для изучения биологических молекул был предложен метод спин – меток, сущность которого состоит в том, что с молекулой исследуемого объекта связывается парамагнитное соединение с хорошо известной структурой. По спектрам ЭПР находят положение такой спин - метки в молекуле. Вводя метки в различные части молекул, можно установить расположение различных групп атомов, их взаимодействия, изучать природу и ориентацию химических связей и обнаруживать молекулярное движение. Присоединение к молекуле не одной, а нескольких спин – меток, например двух, позволяет получить сведения о расстояниях меченых групп и их взаимной ориентации.
Используются также и спиновые зонды – парамагнитные частицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР – спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии окружающих его молекул. С увеличением температуры уменьшается вязкость глицерина, и это изменяет вид спектра ЭПР. Таким образом, по форме спектра ЭПР можно определить микровязкость – вязкость ближайшего окружения спинового зонда. Так, в частности, удается определить микровязкость липидного слоя мембран.
В целом исследования биологических объектов методом ЭПР имеют широкую область применений.
Ядерный магнитный резонанс.
Ядерный магнитный резонанс не относится к разделу физики атомов и молекул однако рассматривается в одной главе с ЭПР как явление магнитного резонанса.
Магнитный момент ядер суммируется их магнитных моментов нуклонов.
Обычно этот момент выражается в ядерных магнетонах (ɲя): ɲя = 5,05 * 10-27 А*м2. Магнитный момент протона приближенно равен рmp = 2,79 ɲя , а нейтрона рmn = -1,91 ɲя . Знак « - »означает, что магнитный момент нейтрона ориентирован противоположно спину.
Магнитный момент ядра, помещенного в магнитное поле, может принимать лишь дискретную ориентацию. Это означает, что энергии ядра соответствовать подуровни, расстояние между которыми зависит от индукции магнитного поля.
Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля, необходимо выполнение условия, аналогичного:
hv = gя ɲя В,
где gя – ядерный множитель Ланде.
Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом.
В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения.
Для химических соединений, в которых наблюдается ЯМР ядер занимающих химически эквивалентные места в молекуле, наблюдается одиночная линия. Соединения более сложного строения дают спектры из многих линий.
По химическому сдвигу, числу и положению спектральных линий можно установить структуру молекул.
Химики и биологи широко используют метод ЯМР для исследования структуры от простейших молекул неорганических веществ до сложнейших молекул живых объектов, а также при решении многих задач, связанных с протеканием химических реакций, изучением структур исходных веществ и получающихся в результате реакций продуктов. Одним из преимуществ этого анализа является то, что он не разрушает объектов исследования, как это происходит, например, при химическом анализе.
Очень интересные возможности для медицины может дать определение параметров спектра ЯМР во многих точках образца. Постепенно, послойно проходя весь образец (сканируя), можно получить полное представление о пространственном распределении молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора.
ЯМР – интроскопия.
ЯМР – интроскопия или магнито – резонансной томографией (МРТ). Он позволяет различать кости, сосуды нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР – интроскопия позволяет различать изображение мягких, например, отличает изображение серого вещества мозга от белого, опухолевых клеток от здоровых, при этом минимальные размеры патологических «включений» могут составлять доли миллиметра. Можно ожидать, что ЯМР – интроскопия станет эффективным методом диагностики заболеваний, которые связаны с изменением состояний органов и тканей.
Частота электромагнитных волн, вызывающих переходы между энергетическими состояниями при ЭПР и ЯМР, соответствует радиодиапазону. Поэтому оба этих явлений относятся к радиоспектроскопии.