спинового зонда метод
СПИНОВОГО ЗОНДА МЕТОД (метод парамагнитного зонда)
метод исследования мол. подвижности и разл. структурных превращений в конденсир. средах по спектрам электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) стабильных радикалов (зондов), добавленных к исследуемому веществу. Если стабильные радикалы химически связаны с частицами исследуемой среды, их называют метками и говорят о методе спиновых (или парамагнитных) меток. В качестве зондов и Меток используют гл. обр. нитроксильные радикалы, которые устойчивы в широком интервале температур (до 100–200 °C), способны вступать в хим. реакции без потери парамагнитных свойств, хорошо растворимы в водных и орг. средах. Наиб. часто применяют радикалы формулы I.
Высокая чувствительность метода ЭПР позволяет вводить зонды (в жидком или парообразном состоянии) в малых количествах — от 0,001 до 0,01% по массе, что не вызывает изменения свойств исследуемых объектов. Метки вводят, как правило, в макромол. системы (полимеры, биополимеры), для чего существуют разнообразные способы. Ниже перечислены наиб. простые и доступные из них.
1) Химическая "прививка" нитроксильного радикала к макромолекулам с реакционноспособными группами, как, напр., при получении спин-меченых полиметилметакрилата и белка:
2) Образование спин-меченых макромолекул полимеризацией или поликонденсацией в присутствии мономеров, содержащих нитроксильную группу или фрагмент, способный при дальнейшей обработке давать нитроксильную группу.
3) Реакции макромолекул с бирадикалами и спиновыми ловушками (соед., образующие стабильные радикалы при взаимодействии с активными радикалами). В полимер вводят бирадикал и подвергают фотолизу, радиолизу или механо-деструкции. С образующимися в полимере активными центрами бирадикалы могут связываться только одним из парамагнитных фрагментов (при сохранении второго). Спиновая ловушка в этих же условиях образует с активными центрами полимера стабильный радикал, как, напр., при взаимодействии фенил-трет-бутилнитрона с макрорадикалом полиэтилена, полученным радиолизом:
В биологии широко применяют методику специфич. встраивания (интеркаляции) в нужные участки макромолекул нитроксильного радикала с предварительно введенными в него хим. группами, имеющими сродство к исследуемым макромолекулам.
Спектры ЭПР нитроксильных радикалов в разб. растворах представляют собой три линии (см. рис.), возникающие вследствие взаимод. неспаренного электрона с ядром 14N. Соотношение ширин и интенсивностей линий в спектре, а также расстояние между ними зависят от интенсивности вращат. движения радикала, которая, в свою очередь, определяется подвижностью окружающих частиц среды. Интенсивность вращат. движения характеризуют временем корреляции т (период малоамплитудной переориентации), частотой вращения v = 1/т или коэф. вращат. диффузии
Спектры ЭПР нитроксильных радикалов в вязких средах при временах корреляции вращения 5∙10−10 с (a), 2∙10−9 с (б) и 1∙10−7 с (в).
При использовании спектроскопии ЭПР в трехсантиметровом диапазоне длин волн можно определять времена релаксации от 5∙10−11 до 10−7 с. Этот интервал подразделяют на области "быстрых" (5∙10−11 — 3∙10−9с) и "медленных" (10−9 — 10−7 с) вращении. Формы спектров и способы их обработки в разных областях различны. Для расчета т (в с) в области "быстрых" вращений обычно используют соотношение:
где ΔH(+1)-ширина спектральной линии в слабом поле, I(+1) и I(-1)- интенсивности линий в слабом и сильном полях соответственно. Определение т в области "медленных" вращений более сложно. Оценить его можно, в частности, сопоставлением экспериментальных и теоретически рассчитанных спектров ЭПР. Использование др. радиоспектроско-пич. методов (напр., спектроскопии ЭПР в двухмиллиметровом диапазоне, электронного спинового эха, ЯМР) позволяет расширить диапазон времен корреляции до интервала 10−12 — 10−3 c.
Определение трансляционной (постулат.) подвижности зондов основано на зависимости ширины линий ЭПР от концентрации радикалов, что обусловлено межмол. взаимодействием. Используют также обычные методы определения коэф. поступат. диффузии.
Метод спиновых зондов и меток применяется особенно широко для исследования синтетич. полимеров и биол. объектов. При этом можно изучать общие закономерности динамики низкомол. частиц в полимерах, когда спиновые зонды моделируют поведение разл. добавок (пластификаторы, красители, стабилизаторы, инициаторы); получать информацию об изменении мол. подвижности при хим. модификации и структурно-физ. превращениях (старение, структурирование, пластификация, деформация); исследовать бинарные и многокомпонентные системы (сополимеры, наполненные и пластифицир. полимеры, композиты); изучать растворы полимеров, в частности влияние растворителя и температуры на их поведение; определять вращат. подвижность ферментов, структуру и пространств. расположение групп в активном центре фермента, конформацию белка при разл. воздействиях, скорость ферментативного катализа; изучать мембранные препараты (напр., определять микровязкость и степень упорядоченности липидов в мембране, исследовать липид-белковые взаимод., слияние мембран); изучать жидкокристаллич. системы (степень упорядоченности в расположении молекул, фазовые переходы), ДНК, РНК, поли-нуклеотиды (структурные превращения под влиянием температуры и среды, взаимод. ДНК с лигандами и интеркалирующими соединениями). Метод используют также в разл. областях медицины для исследования механизма действия лек. препаратов, анализа изменений в клетках и тканях при разл. заболеваниях, определении низких концентраций токсичных и биологически активных веществ в организме, изучения механизмов действия вирусов.
Лит.: Атлас спектров электронного парамагнитного резонанса спиновых меток и зондов, М., 1977; Кузнецов А. Н., Метод спинового зонда, М., 1976; Метод спиновых меток. Теория и применение, под ред. Л. Берлинера, пер. с англ., М., 1979; Ажипа Я.И., Медико-биологические аспекты применения метода электронного парамагнитного резонанса, М., 1983; Вассерман A.M., Коварский А. Л., Спиновые метки и зонды в физикохимии полимеров, М., 1986.
А. Л. Коварский, Е. М. Миль
