Содержание
Содержание , 2
Введение В
Глава 1. История развития и современные методы спектроскопии 12
импульсного ЭПР
1.1. Предыстория: открытие ЭПР 12
1.2. Начало: наблюдение электронного спинового эхо и спада свободной 15 индукции
1.3. Появление новых методов импульсной ЭПР-спектроскопии 16
1.4. Расширение области приложения импульсной ЭПР-спекгроскопии 19
1.5. Формирование ЭСЭ и когерентные механизмы возникновения 21 модуляции ЭСЭ
1.6. Спонтанные механизмы модуляции ЭСЭ 24
1.7. Квантово-механическая формулировка механизма образования ЭСЭ 26
1.8. Импульсный ЭПР-спектрометр в трехсантиметровом диапазоне 29 длин волн
1.9. Специальные методы импульсного ЭПР для исследования 32 магнитных взаимодействий между спинами неспаренных электронов.
1.9.1. Двухимпульсное (первичное) ЭСЭ: электрон-электронная 33 модуляция и мгновенная диффузия.
1.9.2. Метод «2+1» 34
1.9.3. Двухчастотный ДЭЭР 35
1.9.4. ДЭЭР с импульсным переключением магнитного поля 35
1.9.5. Двухквантовый ЭПР 36
2
1.9.6. Метод 81ГГЕК 37
1.9.7. Селективное выжигание провала в спектре ЭПР 38
1.9.8. ДЭЭР с использованием многофотонных резонансов 39
1.10. Методы импульсного ЭПР для исследования подвижности молекул 41
1.10.1. Исследование либраций спиновых зондов методом эхо- 41 детектируемого ЭПР
1.10.2. Перенос намагниченности в импульсном ЭПР 42
1.10.3. Инверсия-восстановление ЭСЭ 43
1.10.4. Изучение ядерной спиновой релаксации с помощью 43
импульсного ДЭЯР
1.11. ЭСЭ вне фазы в спин-коррслированых радикальных парах 45
1.12. Больше, чем спектроскопия: перспективы практического 47
использования импульсного ЭПР.
1.13. Постановка задачи 48
Глава 2. Спектроскопия ЯШМЕ (усиление дипольной модуляции 50
вследствие релаксации)
2.1. Дискретная спектральная диффузия в дипольной спектроскопии 50
2.2. Эффект ЯШМЕ для модельного бирадикала в ЭСЭ в 51
трехсантимстровом диапазоне
2.2.1. Введение 51
2.2.2. Эксперимент 55
2.2.3. Результаты 56
2.3. Электрон-электронная дипольная модуляция ЭСЭ в высоких 59
магнитных полях
2.3.1. Введение 59
2.3.2. Эксперимент 59
2.3.3. Результаты 60
3
2.4. Управление релаксацией электронных спинов в эксперименте ЮПМЕ
2.4.1. Введение
2.4.2. Эксперимент
2.4.3. Теория
2.4.4. Результаты
2.5. Определение расстояния между кофакторами в №*-гранслоцирующей 1МЛОН:хинон оксидоредуктазе
2.5.1. Введение
2.5.2. Эксперимент
2.5.3. Результаты
Выводы к главе 2
Глава 3. Исследование свойств спиновых меток и зондов с помощью новых подходов в импульсном ЭПР
3.1. Двойной электрон-электронный резонанс с переключением магнитного поля
3.1.1 Введение
3.1.2. Эксперимент
3.1.3. Определение межспинового расстояния в жестком бирадикале
3.1.4. Гибкий бирадикал: оценка межспинового расстояния и ширины его распределения
3.1.5. Ориентационное упорядочение бирадикалов жидким кристаллом
3.2. Импульсный двойной электрон-ядерный резонанс на ядре 15К нитроксильного спинового зонда
3.2.1. Введение
3.2.2. Теория
3.2.3. Эксперимент
3.2.4. Спскгры ЭД ЭПР и 151М-ДЭЯР нитроксильного спиновог о зонда
64
64
65
66 68 74
74
75
76
85
*
86
86
90
94
98
101
103
103
104 106 107
4
3.2.5. Температурная зависимость компонент тензора СТВ 113
нитроксильного спинового зонда
3.3. Модуляция ЭСЭ, вызванная медленными внутримолекулярными 115 движениями
3.3.1. Введение 115
3.3.2. Теория 115
3.3.3. Эксперимент 118
3.3.4. Модуляция стимулированного ЭСЭ, вызванная медленным 119 вращением метильных групп нитроксильных радикалов
3.4. Модуляция ЭСЭ, вызванная спин-рсшеточной релаксаций ядерных 125 спинов вследствие быстрого вращения метильных групп
3.4.1. Введение 125
3.4.2. Эксперимент 126
3.4.3. Результаты 127
3.4.4. Обсуждение 135
3.5. Влияние ориентационной подвижности нитроксильных радикалов в 139 молекулярных стеклах на релаксацию стимулированного ЭСЭ
3.5.1. Введение 139
3.5.2. Разделение быстрых и медленных движений спиновых зондов 140
3.5.3. Результаты 142
Выводы к главе 3 154
Глава 4. Исследование бактериальных фотосинтетических 157
реакционных центров с помощью ЭСЭ и спада свободной индукции вне фазы
4.1. Стимулированное ЭСЭ вне фазы в спин-коррелированных 157
фотосинтетических триплет-радикальных парах
4.1.1. Введение 157
4.1.2. Теория 158
5
4.1.3. Эксперимент . 163
4.1.4. Результаты 164
4.2. Изучение температурных изменений конформации 168 фотосинтетических РЦ с помощью модуляции ЭСЭ вне фазы
4.3. Селективное возбуждение и спад свободной индукции в импульсном 171 ЭПР спин-коррслированных триплет-радикальных пар
Выводы к главе 4 176
Глава 5. Исследование электронной структуры кислород- 177
выделяющего комплекса в фотосистеме II
5.1. Введение 177
5.1.1 Строение Фотосистемы II и механизм ее функционирования 177
5.1.2. Исследование КВК спектроскопическими методами 181
5.2. Теория 184
5.2.1. Спин-гамильтониан КВК в общем виде 185
5.2.2. Расчет энергии расщепления Л между основным и первым 186 возбужденным состояниями
5.2.3. Расчет спектров ЭПР и Мп-ДЭЯР 187
5.2.4. Расчет спиновых проекционных матриц 189
5.3. Исследование КВК в состоянии 82 с помощью импульсного ЭПР, 191 Мп-ДЭЯР и ДЭЭР-детектируемого ЯМР в трехеанти.метровом диапазоне
5.3.1. Метод ДЭЭР-детектируемого ЯМР 191
5.3.2. Эксперимент 192
5.3.3. Результаты и обсуждение 194
5.4. Спектры ЭПР и Мп-ДЭЯР состояний Бо и Бг КВК в 203 восьмимиллиметровом диапазоне
5.4.1. Эксперимент 203
5.4.2. Моделирование спектров 205
5.5. Спин-решеточная релаксация электрона в состоянии Бо КВК 220 фотосистемы II и двухядерных модельных марганцевых комплексах
6
5.5.1. Механизмы электронной спин-решсточной релаксации в КВК и 220 в модельных комплексах
5.5.2. Эксперимент 225
5.5.3. Результаты 225
5.5.4. Механизм спин-рсшеточной релаксации электронного спина 234
состояния So
5.6. Определение электронной структуры МтцОхСа комплекса в КВК 238
5.6.1. Протокол поиска возможных окислительных состояний ионов 238 марганца в состояниях S2 и So КВК
5.6.2. Проверка моделей обменного взаимодействия спинов ионов 239 марганца в КВК
5.6.3. Общий поиск окислительных состояний ионов марганца в- 241 состояниях S2 и So КВК
5.6.4. Подробный поиск возможных схем обменного взаимодействия 244
спинов ионов Мп в состояниях S2 и So КВК
Выводы к главе 5 247
Результаты и выводы 248
Литература 251
Список сокращений 287
Благодарности 289
7
Введение
Электронное спиновое эхо (ЭСЭ) - основной сигнал, регистрируемый в широком классе экспериментов, объединяемых общим названием «имульсный ЭПР» (электронный парамагнитный резонанс). Под «импульсным ЭГ1Р» обычно подразумевают эксперимент, в котором регистрируется зависящее от времени СВЧ-излучсние, возникающее как отклики системы, содержащей электронные спины, на последовательность СВЧ-импульсов, резонансных с переходами между электронными спиновыми подуровнями (ЭПР-переходы). В некоторых разновидностях импульсного ЭПР на систему оказываются другие импульсные воздействия. Например, в импульсном Двойном Электрон-Ядерном Резонансе (ДЭЯР) прикладывается импульсное радиочастотное поле, вызывающее переходы между ядерными спиновыми подуровнями.
Спектроскопия электронного спинового эха - стремительно развивающаяся область исследований. С каждым годом в России прибавляется количество работающих импульсных ЭПР-спекгрометров. Получают распространение импульсные ЭПР-спектрометры, работающие в восьми-, трех и двух-милллиметровом диапазонах длин волн, и даже более коротковолновых диапазонах с соответствующим увеличением постоянного магнитного ноля. Становятся доступны для исследования новые объекты биологической природы, содержащие парамагнитные частицы. Наиболее интересными из них являются спин-меченые биологические молекулы (белки, ДНК, РНК, липиды и другие), а ' также металлоферменты, имеющие парамагнитные ионы металлов в активном центре. Спектроскопия импульсного ЭПР является уникальным инструментов, в ряде случаев позволяющим пролить свет на структуру и механизм биологического действия этих молекул. Парамагнитные интермедиаты часто встречаются и могут быть стабилизированы в фотосинтетических реакционых центрах бактерий и
8
фотосистемах высших растений. Их изучение весьма ценно для пониманиям механизма фотосинтеза на молекулярном уровне.
Нитроксильные спиновые метки в настоящее время широко используются для структурных исследований в биологии. Расстояние между метками, а значит, и между помеченными участками биологических молекул в манометровом диапазоне может быть надежно установлено, если известна величина магнитного диполь-диполыюго взаимодействия между спинами неспаренных электронов, принадлежащих этим меткам. Неоценимое преимущество этого подхода состоит в том, что он не требует кристаллизации образца, в отличие от рентгеновской кристаллографии. Кроме того, в отличие от методов структурных исследований в ЯМР, техника определения расстояния между спиновыми метками не имеет ограничения сверху по размеру исследуемой макромолекулы ^сясИке & Ро1уЬасЬ 2007]. Однако, измерение величина диполыюго взаимодействия между спиновыми метками обычно бывает затруднено наличием большого числа других магнитных взаимодействий в спиновой системе. Во многих случаях ее определение традиционными методами спектроскопии импульсного ЭПР оказывается невозможным. Поэтому, развитие новых методов дипольной спектроскопии ЭПР имеет особую актуальность.
Кроме того, нитроксильные спиновые метки широко используются в качестве зондов, дающих информацию о подвижности молекул в неупорядоченных средах различной природы, а также локальном значении pH, полярности окружения спиновой метки и других характеризующих ее параметрах. При этом следует отличать проявления внутримолекулярных процесов в нитроксильных радикалах от эффектов, определяемых средой, в которую он погружен, например, ориентационных колебаний радикала как целого вместе со своим локальным окружением. Спектроскопия ЭСЭ может быть подходящим орудием для решения такой задачи.
Однако, зачастую существующие методы импульсного ЭПР, в силу собственных ограничений, оказываются неадекватными для исследования
9
парамагнитных систем, представляющих интерес. Поэтому весьма актуальной становится задача развития новых методов спектроскопии ЭСЭ.
В данной работе ставилась задача - уточнить и дополнить понятия об ЭСЭ и спаде свободной индукции в импульсном ЭПР и развить на этой основе новые спектроскопические методы, более тонкие, чем существующие ранее. «Тонкость» методов подразумевает возможность выделить с их помощью интересующее исследователя магнитное взаимодействие из большого числа взаимодействий, одновременно присутствующих в сложной спиновой системе и дающих вклад в ее спин-гамильтониан. Эти методы отрабатывались на спиновых метках: нитроксильных радикалах и бирадикалах. Для исследователя желательно также, чтобы новые спектроскопические методы были удобными и надежными, то есть свободными от артефактов. Для этого они должны быть достаточно просты в использовании, на что в данной работе делался основной упор. Для проверки эффективности развиваемых методов в данной работе с их помощью исследовались сложные биологические системы, представляющие «вызов» для спектроскопии. Особое внимание при этом было уделено исследованию нестабильных фотовозбужденных систем.
Работа состоит из пяти глав. Первая глава содержит краткий исторический очерк развития импульсной спектроскопии ЭПР и является обзором литературы, относящейся к этой теме. В ней рассмотрены исторические корни понятия об ЭПР, а также современные методы дипольной спектроскопии и изучения подвижности молекул с помощью импульсного ЭПР. Вторая глава посвящена спектроскопии RIDME (Relaxation-Induced Dipolar Modulation Enhancement, или усиление дипольной модуляции вследствие релаксации). Описаны сс методические основы и приложения. В третьей главе описан метод импульсного двойного элёктрон-электронного резонанса с переключением магнитного поля для изучения взаимодействия спинов неспаренных элекгронов в модельных нитроксильных бирадикалах. В ней также описано использование 1 ^-замещенного спинового зонда для исследования либрационных движений в стеклообразных матрицах с
10
помощью двойного электрон-ядерного резонанса на ядре ,5Ы. Кроме того, рассмотрена модуляция ЭСЭ, возникающая в результате дискретной спектральной диффузии в нитроксильных радикалах. В этой главе также описано родственное явление - анизотропная релаксация стимулированного ЭСЭ, возникающая из-за малоугловых переориентаций молекул нитроксильных радикалов в стеклообразных средах. В четвертой главе исследованы спин-поляризованные радикальные пары и триплст-радикальные пары, возникающие при свстоиндуцированном разделении зарядов в фотосинтетических бакгериальных реакционных центрах. При этом наблюдалось первичное (двухимпуяьсное) и стимулированное (трехимпульсное) ЭСЭ вне фазы, а также спад свободной индукции вне фазы в импульсном ЭПР. И, наконец, пятая глава посвящена исследованию электронной структуры кислород-выделяющего комплекса (КВК) в Фотосистеме II растений с помощью импульсного двойного элекгрон-ядерного резонанса на ядрах марганца, анализа температурной зависимости скорости продольной релаксации электронного спина КВК и других методов спектроскопии ЭСЭ.
11
Глава 1. История развития и современные методы спектроскопии импульсного ЭПР
1.1. Предыстория: открытие ЭПР
Явление электронного парамагнитного резонанса в стационарном варианте было открыто Е. К. Завойским в 1944 году [Zavoisky 1945]. В первом успешном эксперименте было зарегистрировано зависящее от величины постоянного магнитного поля поглощение излучения на частоте 133 МГц порошкообразным образцом СиС12*2НгО. Позже Завойский проделал эксперимент ЭПР в СВЧ-дианазоне - с рабочей частотой около 3 ГГц [Zavoisky 1946]. Исгория открытия ЭПР подробно освещена в воспоминаниях и биографических очерках о Е. К. Завойском [Беляев 1994; Salikhov 2009].
Этому открытию предшествовала «подготовительная работа», проделанная в течение более чем двух десятилетий многими исследователями. Уленбск и Гоудшмит при поддержке Бора приложили много усилий для создания и разработки понятия «спин» [Uhlenbeck & Goudsmit 1926]. В отсутствие устоявшейся квантовой теории при выводе формул исследователям часто приходилось руководствоваться чутьем. При этом многие именитые ученые не признавали квантовую механику вообще и существование спина в частности.
Опыты Штерна и Герлаха с молекулярными пучками парамагнитных атомов в неоднородном магнитном поле показали расщепление пучков на 2S + 1 компоненту, где S было тогда еще предполагаемым значением некоторого квантового числа, характеризующего атом [Stern 1921; Gerlach & Stern 1924]. Эти эксперименты можно считать первой демонстрацией существования электронного спина. Эйнштейн и Эрснфест обсуждали возможность вынужденных переходов
12
между магнитными энергетическими подуровнями [Einstein & Ehrenfest 1922]. Дорфман рассмотрел возможность резонансного поглощения электромагнитных волн парамагнитными материалами [Dorfman 1923], что можно считать первым теоретическим предсказанием ЭПР.
В начале 1930-х годов магнитный момен т протона был измерен с точностью 10% в экспериментах с молекулярными пучками молекул водорода [Frisch & Stern 1933]. В 1931 Брейт и Раби получили выражение для уровней энергии электронного и ядерного спинов, связанных изотропным сверхтонким взаимодействием [Breit & Rabi 1931].
Теория парамагнитной релаксации начала развиваться в 1930-е годы [Waller 1932; Hcitlcr & Teller 1936; Fierz 1938; Kronig 1939]. В 1938 было введено понятие спиновой температуры [Casimir & du Pre 1938]. В конце 1930-х годов ван Флек описал процессы продольной спиновой релаксации, которые впоследствии были названы прямым и двухфононным [Van Vleck 1939, 1940].
В 1939 были проведены эксперименты на молекулярных пучках в магнитном поле с возбуждением ядерных спиновых переходов радиочастотным полем [Rabi et al. 1939]. Молекулы пролетали через два участка неоднородного постоянного магнитного ноля, в котором отклонялись в зависимости от проекции ядерного спина. Между этими участками находился участок с однородным постоянным магнитным полем, где и прикладывалось радиочастотное поле. Условия эксперимента были такими, что молекулы, у которых под действием радиочастотного поля изменилась проекция ядерного спина, не попадали в детектор. При развертке однородного магнитного поля в сигнале детектора наблюдались острые пики, соответствующие резонансным значениям магнитного поля. В этих опытах магнитные моменты ядер 6Li, -7Li, 19F были определены с точностью порядка 0.1%. Хотя постановка эксперимента при этом существенно отличалась от того, как принято проводить эксперименты ЯМР или ЭПР в настоящее время, эту работу можно считать первым экспериментом по магнитному
13
резонансу. В 1944 году И. Л. Раби была присуждена Нобелевская премия по физике за «резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер».
И, наконец, немаловажным условием успешного наблюдения явления ЭПР было развитие СВЧ-техники для радаров во время второй мировой войны (подробно описано в [Poole & Farach 1998]).
14
1.2. Начало: наблюдение электронного спинового эхо и спада свободной индукции
Явление спада свободной индукции, предсказанное Блохом [Bloch 1946] впервые наблюдались Ханом в экспериментах по импульсному ЯМР на протонах воды [Hahn 1950, Nuclear induction due to free larmor precession]. Спиновое эхо в ЯМР было обнаружено несколько позднее для протонов воды, глицерина, а также других ядер [Hahn 1950, Spin echoes].
Электронное спиновое эхо и спад свободной индукции в импульсном ЭПР впервые наблюдались 1958 году на сольватированных электронах в жидком аммиаке при комнатной температуре [Blume 1958]. Эгог эксперимент проводился на рабочей частоте 17.4 МГц в довольно слабом магнитном поле В0 = 6.2 Гс при комнатной температуре. Было зарегистрировано двухимпульсное ЭСЭ, созданное импульсами длительностью 300 и 600 не. Измерения времен релаксации Г/ и Т2 были сделаны с помощью сигнала спада свободной индукции, а сигнал ЭСЭ только описывался, но не использовался для извлечения количественных данных.
В том же году в независимом исследовании было зарегистрировано ЭСЭ в кремнии, допированном парамагнитными примесями [Gordon & Bowers 1958]. Рабочая частота составляла 23 ГГц, измерения проводились при температуре 1.4К. В этом исследовании для определения времен релаксации уже использовался сигнал ЭСЭ. С тех пор ЭСЭ стало одним из основных явлений, на которых основывается спеюроскопия импульсного ЭПР. В подавляющем большинстве используемых импульсных последовательностей регистрируется именно сигнал ЭСЭ. С первых лет развития спектроскопии ЭСЭ оно широко используется для прямого определения времен релаксации электронных спинов.
В 1959 для поликристаллических образцов, содержащих различные органические радикалы, был зарегистрирован спад свободной индукции в импульсном ЭПР эксперименте в трехсантиметровом диапазоне при комнатной температуре [Kaplan & Browne 1959].
15
1.3. Появление новых методов импульсной ЭПР-спектроскопии
Исключительно важным для развития импульсной ЭПР-спектроскопии было открытие модуляции ЭСЭ. Впервые это явление наблюдалось в 1961 на монокристаллах CaW04, допированных ионами Се34 [Mims et al. 1961]. В том же году в независимом исследовании модуляция ЭСЭ наблюдалась на монокристаллах смешанного нитрата лантана и магния, допированных ионами Ссзь [Cowen & Kaplan 1961]. Модуляция ЭСЭ в этих исследованиях была обусловлена анизотропией CTB электронного спина, локализованного на ионах Се3+ с ядерными спинами IS3W ближайшего окружения.
В 1968 в году в ИХКГ СО АН впервые была обнаружена модуляция ЭСЭ в полиориентированных образцах [Жидомиров и др. 1968]. С развитием этой техники в течение последующих десятилетий модуляция ЭСЭ стала чрезвычайно мощным орудием для изучения слабых магнитных взаимодействий в твердых телах [Dikanov & Tsvetkov 1992].
В 1964 Мимс показал, что приложение внешнего электрического поля к образцу может влиять на амплитуду ЭСЭ [Mims 1964]. Хотя этот эксперимент позволяет получить уникальную информацию о симметрии парамагнитного центра, он не получил широкого распространения.
Первый эксперимент импульсного двойного электрон-ядерного резонанса (ДЭЯР) был проделан Мимсом в 1965 на ионах Се3+ в монокристаллах CaW04. В этой постановке эксперимсша для детектирования сигнала использовалось стимулированное ЭСЭ [Mims 1965]. Другой вариант импульсного ДЭЯР, основанный на последовательности инверсии-восстановления ЭСЭ, был предложен Дэвисом в 1974 [Davies 1974]. Вследствие сложности эксперимента импульсного ДЭЯР долгое время он был доступен только узкой группе исследователей. Однако в настоящее время он получил широкое распространение и стал мощным
16
средством определения констант СТВ и ЯКВ, и в этом смысле является дополнительным к методам стационарного ДЭЯР и модуляции ЭСЭ.
Модуляция ЭСЭ, вызванная магнитным дипольным взаимодействием . спинов нсспаренных электронов была впервые зарегистрирована в 1969 году в Институте Химической Кинетики и Г орения (ИХКГ) СОАН СССР [Юданов и др. 1969]. Элсктрон-элсктронная модуляция ЭСЭ в этом эксперименте наблюдалась в стабилизированных радикальных нарах SO4' ... SO4' в УФ-облучснных монокристаллах K2S2O8 с использованием двухимпульсной последовательности. В 1974 году было обнаружено явление мгновенной диффузии в ЭСЭ - ускорения спада первичного ЭСЭ вследствие спектральной диффузии, возникающей из-за одновременного возбуждения СВЧ-импульсом нескольких близкорасположенных электронных спинов [Райцимринг и др. 1974].
Началом развития двумерной спектроскопии ЭСЭ следует считать эксперимент 1979 года, в котором в последовательности стимулированного ЭСЭ (тс/2 - г - тг/2 - Т - я/2 - т - echo) развертывались одновременно интервалы г и Г, и после Фурье-прсобразования получался двумерный спектр модуляции ЭСЭ [Merks & de Beer 1979]. Однако, настоящий расцвет двумерной спекгроскопии модуляции ЭСЭ начался после изобретения импульсной последовательности HYSCORE [Hofer et al. 1986]. В этом эксперименте к последовательности стимулированного ЭСЭ добавлялся я-импульс, меняющий свое положение внутри интервала Т. Это вызывает прецессию ядерной когерентности в течение двух интервалов времени. В спектре, полученном в результате двумерного преобразования Фурье модуляции ЭСЭ, хорошо различаются пики, соответствующие корреляции частот прецессии ядерных спинов при двух различных проекциях электронного спина на направление магнитного поля Вс. Из-за большого выигрыша в спектральном разрешении, обеспеченного появлением второго измерения, HYSCORE стал одним из наиболее популярных экспериментов по определению слабых констант СТВ и ЯКВ.
17
Метод импульсного двойного электрон-электронного резонанса (ДЭЭР) был разработан в ИХКГ СОАН СССР и впервые реализован в 1981 [Милов и др. 1981]. Была получена модуляция ЭСЭ, вызванная магнитным дипольным взаимодействием между спинами несиаренных электронов в модельном нитроксильном бирадикале. С тех пор импульсный ДЭЭР получил широкое распространение и признание как весьма мощный и точный метод для измерения расстояния между электронными спинами в нанометровом диапазоне и определения локальной концентрации неспаренных электронов [Tsvetkov ct al. 2008].
Также в 1981 году был предложен и опробован метод изучения молекулярных движений с помощью инверсии части спектра ЭГ1Р и регистрации переноса насыщения в другие части эхо-детектирусмого спектра ЭПР [Dzuba et al. 1981].
Первый двумерный импульсный ЭПР-эксперимент с регистрацией спада свободной индукции был проведен в 1986 году [Gorcester & Freed 1986]. Этот эксперимент, по своему духу весьма схожий с двумерными экспериментами в ЯМ? [Emst et al. 1987J, стал применяться для изучения динамики молекул в растворах и химических реакций с участием парамагнитных частиц.
Эксперимент ЭСЭ в высоком магнитном поле впервые был проделан в 1989 году в Лейденском университете [Weber et al. 1989]. В магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим магнитом, на рабочей частоте 95 ГГ ц был записан эхо-детектируемый спектр поликристаллического образца одномерного органического полупроводника. Импульсный ЭПР в высоких магнитных полях сейчас является быстроразвивающейся областью. Он привлекателен для исследователей, во-первых, высокой чувствительностью в случае образцов, имеющихся в очень небольшом количестве, и во-вторых, высокой ориентационной селективностью эксперимента, возрастающей с увеличением магнитного поля благодаря анизотропии g-тснзора.
18
1.4. Расширение области приложения импульсной ЭПР-спектроскопии
Знаменательным событием в истории импульсной ЭПР-спектроскопии стало появление в конце восьмидесятых годов двадцатого века коммерчески доступных спектрометров - первоначально это были спсктромсгры трехсантимстрового диапазона фирмы Bruker [Holczer & Schmalbein 1987]. До этого времени импульсный ЭНР оставался экзотическим видом спектроскопии ввиду того, что импульсных ЭПР-спектромстров было мало, и их нелюя было купить, а можно было только построить, что требовало высокой технической квалификации. Нели ранее импульсный ЭПР использовался в основном физиками и учеными, работающими на стыке физики и химии [Салихов и др. 1976], то после этого он стал доступен также химикам, биологам и исследователям, работающим в других предметных областях [Hoff 1989, Keijzcrs et al. 1989]. В 1990-ых и 2000-ых годах число групп, располагающих импульсными ЭГГР-спсктромстрами и использующих импульсный ЭПР в своих исследованиях, резко увеличилось. Импульсный ЭПР стал использоваться для исследования биологических систем и новых материалов практически наравне со стационарным ЭПР, который был гораздо более распространен ранее. При этом в полной мере ■ проявились преимущества импульсного ЭПР перед стационарным ЭПР. Главные из них - возможность измерять напрямую времена релаксации электронных спинов, большая чувствительность импульсного ЭПР слабым магнитным взаимодействиям (СТВ, ЯКВ, обменные и магнитно-дипольные взаимодействия ядерных спинов), возможность проводить многомерные эксперименты в импульсном ЭПР, что значительно повышает его разрешающую способность.
Параллельно развивались новые разновидности импульсного ЭПР, основанные на многоимпульсных последовательностях [Schweiger & Jeschke 2001], в основном в группах А. Швайгера в Лаборатории Физической Химии
19
Швейцарского федерального института технологии, Цюрих (ETH Zurich) и Дж. Фрида (National Biomedical Center for Advanced ESR Technology (ACERT), Cornell University, USA). Однако, они не получили широкого распространения, по-видимому, из-за своей сложности. Зачастую, ввиду технической сложности, они не могут быть использованы на широко распространенных коммерческих импульсных ЭПР-спектрометрах. Кроме того, во многих случаях интерпретация данных, полученных этими методами, весьма затруднена, поэтому исследователи обычно предпочитают более простые и надежные методы.
20
/
1.5. Формирование ЭСЭ и когерентные механизмы возникновения модуляции ЭСЭ
Рассмотрим механизм формирования ЭСЭ в простейшем случае ансамбля систем, состоящих из одного электронного спина (S - 1/2) со спин-
гамильтонианом Н (во вращающейся системе отсчета и в единицах частоты) [Салихов и др. 1976; Dikanov & Tsvetkov 1992; Schweiger & Jeschke 2001]:
Я = coß:, • (1.1)
где 6?,=<у0-Ц, - частота прецессии намагниченности во вращающейся системе
отсчета, соо - ларморовская частота электронного спина, Оо - частота СВЧ-поля, S -оператор спина электрона. Ось z совпадает с направлением постоянного магнитного поля Во. Если не оговаривается особо, то считается, что первоначально система находится в термодинамическом равновесии. При этом намагниченность направлена вдоль оси z.
Вначале рассмотрим двухимпульсиос ЭСЭ с помощью «векторной модели», применимой для двухуровневых систем [Салихов и др. 1976]. Будем считать длительность СВЧ-импульсов пренебрежимо малой, а магнитное поле В/ в них поляризованным вдоль оси х во вращающейся сисгеме отсчета (рис. 2.1). Первый импульс поворачивает намагниченность на угол х/2 и ориентирует ее вдоль оси >>. В течение последующего интервала т намагниченность прецессирует в плоскости ху. Благодаря распределению по cos в образце векторы намагниченности различных спиновых пакетов приобретают различные фазы прецессии, а общая намагниченность убывает и обращается в ноль, что соответствует исчезновению спада свободной индукции. В момент г прикладывается импульс с углом поворота намагниченности, равным х, который обращает ларморовскую прецессию. Легко
21
подсчитать, что в момент 2 г векторы намагниченности всех спиновых пакетов фокусируются в направлении -у. Это приводит к появлению сигнала спинового эха, амплитуда которого пропорциональна полной намагниченности.
-у
Рис. 1.1. Векторная модель формирования ЭСЭ в двухимпульсной последовательности тс/2 - г - я - г - эхо. Схематически показана эволюция векторов намагниченности нескольких спиновых пакетов в плоскости ху во вращающейся системе координат. Магнитное поле СВЧ-импульсов В, поляризовано в направлении х вращающейся системы координат.
Электронно-ядерная модуляция ЭСЭ возникает, если электронный спин взаимодействует с ядерным спином, и одновременно возбуждаются разрешенные и запрещенные спиновые переходы. В двух им пул [»спой последовательности тг/2 - г-п - г - эхо это приводит к осцилляциям интенсивности ЭСЭ при сканировании интервала т. Если система состоит из двух взаимодействующих электронных спинов, то их одновременное возбуждение СВЧ-импульсами также приводит к
22
модуляции ЭСЭ. При сканировании г в двухимпульсной последовательности интенсивность ЭСЭ модулирована с частотой элеюрон-электронного спин-спинового взаимодействия [Юданов и др. 1969J.
Другим распространенным методом регистрации ЭСЭ является трехимпульсная последовательность стимулированного эха л/2 - г- л/2 - Т- л/2 - г-7X0. Первый импульс создает поперечную намагниченность, прецессирующую в плоскости ху. Второй импульс создает проекцию намагниченности на ось z (продольная намагниченность), которая в отсутствие релаксации сохраняется в течение интервала Т. Этот импульс создает ядериую когерентность, т.е. после его действия система описывается нестационарной суперпозицией различных электрон-ядерных состояний. Третий импульс вновь создает поперечную намагниченность, которая рефокусируется в момент / - 2г+ Т. При этом ядерные когерентности становятся наблюдаемыми, что и приводит к модуляции ЭСЭ при сканировании Т.
Расчет модуляции сигналов двух импульсного и стимулированного ЭСЭ подробно описан в классических монографиях [Салихов и др. 1976; Dikanov & Tsvetkov 1992; Schweiger & Jeschke 2001].
23
1.6. Спонтанные механизмы модуляции ЭСЭ
Обычно для электронных спинов в твердых телах время продольной релаксации Т\ намного больше, чем время поперечной релаксации ЗУ Эго позволяет сделать интервал Т в трехимпульсной последовательности достаточно продолжительным без больших потерь в интенсивности стимулированного ЭСЭ. В течение «периода эволюции» Т возможно спонтанное изменение параметров спин-гамильтониана, в том числе ларморовской частоты электронного спина. Конкретные механизмы этого изменения (спектральной диффузии) будут рассмотрены ниже. Сейчас предположим, что в течение интервала Т ларморовская частота электронного спина изменяется на Лео с вероятностью а с
вероятностью 1 - q{T) остается прежней. Если изменение произошло, то в течение первого и второго интервалов т намагниченность прецессирует с различными частотами, что приводит к неполной рефокусировке в момент / = 2r+ Т. Таким образом, сигнал эха пропорционален
Sy{2r + Т) ос I - q(T) + cj(T) cos(A^r). (1.2)
Значит, при сканировании т интенсивность ЭСЭ модулирована с частотой Лео и глубиной q(T). Всеми остальными процессами релаксации мы пока пренебрегаем. Влияние спектральной диффузии на стимулированное ЭСЭ в рамках такого подхода впервые обсуждалось в [Mims 1972].
Отметим, что сигнал ЭСЭ не зависит от конкретного момента tx изменения спин-гамильтониана, поскольку в течение интервала Т ларморовская прецессия «заморожена». Это изменение проявляется только после третьего импульса, создающего поперечную намагниченность. Таким образом, фаза прецессии, накопленная в момент формирования эха, также не зависит от tx, что создает благоприятные условия для наблюдения модуляции ЭСЭ. Иная ситуация
24
реализуется для двухимпульсной последовательности. В игом случае возможные значения /, лежат в диапазоне 0 < /* < 2т. При этом фазы намагниченности в момент 2 г оказываются зависящими от и в результате осцилляции в кинетике ЭСЭ 5^2 г) усредняются и приводят лишь к затуханию сигнала ЭСЭ [Салихов и др. 1976]. Аналогичным образом к модуляции ЭСЭ не приводит спектральная диффузия в течение интервалов г в последовательности стимулированного эха.
25
1.7. Квантово-механическая формулировка механизма образования ЭСЭ
В литературе по спектроскопии ЭПР принято считать, что СВЧ-поле поляризовано циркулярно в плоскости ху, перпендикулярной направлению В0, которое направлено вдоль оси г. Взаимодействие магнитной компоненты СВ.Ч-поля Bi(/) = (Л 1 cos (coot), D\ sin(6tyf), 0) со спиновой системой описывается зависящим от времени гамильтонианом //,(/) = ДЛ, (/)£), где у = gßl h - гиромагнитное отношение для электрона (принимаем, что g-факторы всех электронов близки к g-фактору свободного электрона), S - оператор полного спина электронов системы. При переходе во вращающуюся с частотой соо вокруг оси z систему отсчета (которой мы всегда будем пользоваться в дальнейшем) Н\ перестает зависеть от времени, так как в этой системе отсчета Bi(/) = (i?i, 0, 0), а к Но добавляется вклад, учитывающий это вращение (“эффективное магнитное поле”) Hr = -co0S..
Состояние спиновой системы наиболее полно характеризуется матрицей плотности ДО- Ее эволюцию определяет уравнение Лиувилля:
/й^ = [я,р] (1.3)
at
Если гамильтониан в течение времени (т является постоянным, то решение уравнения (1.3) находится по формуле:
Pit +L) = exp(-/7//M )/?(/) ехр(/Я/„ ) (1.4)
Экспериментально наблюдаемыми являются средние значения проекций спина во вращающейся системе координат < Sx >= Tr(Sxp(t))> < Sy >= Tr(Syp(t)).
В последнее время получил развитие метод расчета спиновой динамики -формализм произведений операторов (product operator formalism) [Ernst et al. 1987],
26
- Київ+380960830922