תהודה מגנטית אלקטרונית

תהודה מגנטית אלקטרונית (או: תהודה פראמגנטית אלקטרונית; תמ"א) היא שיטה ספקטרוסקופית לאפיון חומרים פאראמגנטיים. השיטה משמשת לחקר מבניהם ותכונותיהם של מאקרו-מולקולות ביולוגיות (כגון חלבונים^{[1][2][3][4][5]}, דנ"א^[6][7][8][9], רנ"א^[10][11][12]), רדיקלים אורגניים^{[13][14][15][16][17][18][19]} ואנאורגניים^[20][21][22], פגמים נקודתיים במוצקים גבישיים^{[23][24][25][26]}, קומפלקסים של מתכות מעבר^{[27][28][29][30]}, חומרים מזופורוזיביים^[31][32][33], ממברנות פוספוליפידים^{[34][35][36][37][38][39]} ועוד.

השיטה מבוססת על אינטראקציות בין אלקטרונים בלתי-מזווגים לבין שדות מגנטיים: אלקטרון בלתי מזווג הנמצא בשדה מגנטי מסוגל בתנאים מסוימים לבלוע קרינת מיקרוגל. מתוך מדידת התנאים בהם מתרחשת בליעה ניתן להסיק על הסביבה הפיזיקלית והכימית שבה נמצא אותו אלקטרון, וכך ללמוד על מבנה החומר שמכיל את האלקטרון הזה.

תופעת התמ"א התגלתה על ידי הפיזיקאי הסובייטי יבגני זאבויסקי (אנ') מאוניברסיטת קאזאן ב-1944.

סקירה היסטורית

ב-1896 גילה פיטר זימן את האינטראקציה בין חלקיקים לשדות מגנטיים סטאטיים (אפקט זימן). ב-1922 גילו אוטו שטרן ווולטר גרלך(אנ')^[40] את המומנט המגנטי הקוונטי של אלקטרון בלתי מזווג (ניסוי שטרן-גרלך). וולפגנג פאולי תיאר "דרגת חופש דו ערכית" של אלקטרון ב-1924, וב-1925 הציעו ראלף קרוניג (אנ'), ומעט לאחר מכן ג'ורג' אולנבק (אנ') וסמואל גודסמיט (אנ')^[41], כי מהותה הפיזיקלית של אותה דרגת חופש היא תנע זוויתי אינטרינזי(אנ'). פאולי, שהתנגד בתחילה לרעיון, ניסח את תורת הספין על בסיס מכניקת הקוונטים ב-1927.

ב-1938 תיאר איזידור רבי מעברים בין רמות אנרגיה בתגובה לשדה מגנטי מתנודד^[42] – התיאור הראשון של תהודה מגנטית גרעינית. ב-1944 היה יבגני זבויסקי הראשון לאתר תהודה מגנטית אלקטרונית, בה צפה במלחי נחושת ומגנזיום^[43] פרנקל תרם לפירוש תוצאות אלה^[44]. כמעט באותו הזמן גילה ברביס בליני (אנ') מאוקספורד את אותה התופעה.

השימוש הנרחב בציוד לקרינת מיקרוגל במלחמת העולם השנייה תרם להתפתחות התמ"א. מן התאורטיקנים הראשונים שתרמו תרומות תאורטיות חשובות ניתן להזכיר את אנטול אברגם (en:Anatole Abragam) מהקולז' דה פראנס, ברביס בליני, מוריס פרייס (en:Maurice Pryce) מאוקספורד, וג'והן ואן-ולק מהרווארד, אם להזכיר רק אחדים. ספקטרומטר התמ"א התעשייתי הראשון הוצג ב-1956 על ידי יצרנית מיכשור מדעי בשם וריאן (Varian).

ב-1958 ריצ'רד בלום (Richard Blume) מאוניברסיטת קולומביה דיווח לראשונה על מדידת ההד הספיני (אנ') האלקטרוני^[45] (לאחר גילוי ההד הספיני הגרעיני על ידי ארווין האן^[46] (en:Erwin Hahn)). באותה שנה דיווחו גורדון ובאוארס על הדים ספינים גרעיניים בתדרי מיקרוגל^[47]. בשנות השישים פותחה תמ"א בדפקים (להלן) בעיקר במעבדות בל, בהובלת ויליאם מימס. מעבדה זו הייתה הראשונה שדווחה על אפנון מעטפת הד ספיני אלקטרוני (Electron Spin Echo Envelope Modulation - ESEEM)^[48] ועל תהודה כפולה אלקטרונית-גרעינית בדפקים (Pulse Electron Nuclear Double Resonance – ENDOR)^[49] (ראו להלן). ESEEM ו – ENDOR מהוות כלים שימושיים בחקר סביבתם הכימית של אלקטרונים.

ב-1987 שווק ספקטרומטר הדפקים התעשייתי הראשון על ידי חברת ברוקר (en:Bruker)^[50]. ב-1996 שווק הספקטרומטר התעשייתי הראשון שפועל בשדה גבוה^[51].

רקע פיזיקלי

תופעת התהודה המגנטית האלקטרונית

בבסיס התמ"א עומד הספין – תנע זוויתי אינטרינזי – של האלקטרון הבלתי-מזווג. האלקטרון הוא בעל ספין חצי, ובתור כזה ייתכנו לו שני מצבי ספין אפשריים בכל כיוון שהוא, המסומנים כ-${\displaystyle \left|+1/2\right\rangle }$ ו-${\displaystyle \left|-1/2\right\rangle }$, או α ו-β בהתאמה. המספרים מציינים את גודל ההיטל של וקטור הספין בכיוון הנתון, ביחידות של קבוע פלאנק המצומצם, והסוגריים הם סימון מקובל למצב קוונטי. בדרך כלל, אין הבדל בין האנרגיות של שני מצבים אלה, כלומר מצבי הספין הם מנוונים. לכן באוכלוסייה גדולה של מולקולות המכילות אלקטרונים בלתי-מזווגים, שני מצבי הספין בכל שלושת הכיוונים האפשריים יאוכלסו במידה שווה.

המצב משתנה בנוכחות שדה מגנטי הפועל לאורך ציר z (לפי קונבנציה). לאלקטרון, כמו לכל חלקיק בעל ספין, יש מומנט מגנטי פרופורציונלי לספין. מומנט מגנטי שכיוונו אנטי מקביל לשדה הוא נמוך אנרגטית בהשוואה למומנט מגנטי שכיוונו מקביל לשדה. לכן בנוכחות שדה מגנטי, מוסר הניוון בין מצבי הספין לאורך ציר z: האנרגיה של מצב β יורדת עם החשיפה לשדה, בעוד שזו של מצב α עולה (אפקט זימן; ראו תמונה). כתוצאה מכך ישנו עודף אכלוס קל של מצב α על חשבון מצב β לאורך ציר z. לאורך ציר x וציר y לא חל כל שינוי, ולכן לא יהיה פער אכלוס לאורך צירים אלה.

אפקט זימאן האלקטרוני. בהיעדר שדה מגנטי, מצבי הספין α ו-β מנוונים אנרגטית. בנוכחות שדה מגנטי, האנרגיה של כל מצב ספין תלויה במספר הספין שלו: זו של מצב α עולה וזו של מצב β יורדת. פער האנרגיה בין הרמות פרופורציונלי לגודל השדה.

בראייה מאקרוסקופית, מקובל להגדיר וקטור מגנוט שהוא סכום וקטורי של כל וקטורֵי המומנט המגנטי של האלקטרונים בחומר. בנוכחות שדה מגנטי ובתנאי שיווי משקל, המומנטים המגנטיים לאורך ציר x וציר y הם אקראיים, כך שסכומם הווקטורי מתאפס. רק לאורך ציר z, בגלל השדה, יש פער אכלוס בין מצבי הספין, שמביא למגנטיזציה שאינה אפס, וכיוונה אנטי-מקביל לציר z. מגנטיזציה זו מבצעת תנועה המכונה נקיפת לרמור – תנועה סיבובית סביב השדה המגנטי, בתדר לרמור, שנתון על ידי ${\displaystyle \omega _{0}={\beta _{\mathrm {e} }gB_{\mathrm {0} } \over {\hbar }}}$

כאשר ${\displaystyle \beta _{\mathrm {e} }}$ הוא המגנטון של בוהר, ${\displaystyle g}$ הוא פקטור g של האלקטרון, ו-${\displaystyle B_{\mathrm {0} }}$ הוא השדה המגנטי. האנרגיה של כל אחד משני מצבי הספין נתונה על ידי ${\displaystyle E(m_{\mathrm {s} })=m_{\mathrm {s} }\omega _{0}}$ (מקובל בתחום התהודה המגנטית לבטא אנרגיה בממדים של תדירות זוויתית, על ידי חלוקה ב-${\displaystyle \hbar }$), ולכן פער האנרגיה ביניהם הוא ${\displaystyle \Delta E=\omega _{0}}$.

אלקטרון בלתי-מזווג הנמצא בשדה מגנטי מסוגל לעבור בין מצבי ספין תוך כדי בליעת קרינה אלקטרומגנטית. בליעה זו היא בליעת תהודה, שתתרחש רק כאשר תדר הקרינה זהה לפער האנרגיה בין מצבי הספין, כלומר לתדר לרמור. הקרינה המתאימה נמצאת בדרך כלל בתחום המיקרוגל. כתוצאה מהמעבר בין רמות אנרגיה שונות, המערכת נמצאת בחוסר שיווי משקל, וכאשר תיפסק הקרינה, המערכת תחזור מחדש לשיווי משקל, תוך כדי פליטת קרינה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תהודה מגנטית אלקטרונית בוויקישיתוף

• science/electron-paramagnetic-resonance-spectroscopy תהודה מגנטית אלקטרונית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• תהודת אלקטרונים פרהמגנטית, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

1. Prisner, T., Rohrer, M. & MacMillan, F. PULSED EPR SPECTROSCOPY: Biological Applications. Annu. Rev. Phys. Chem. 52, 279–313 (2001).
2. Borbat, P. P., Costa-Filho, A. J., Earle, K. A., Moscicki, J. K. & Freed, J. H. Electron Spin Resonance in Studies of Membranes and Proteins. Science 291, 266 –269 (2001)
3. Borbat, P. P., Mchaourab, H. S. & Freed, J. H. Protein Structure Determination Using Long-Distance Constraints from Double-Quantum Coherence ESR:  Study of T4 Lysozyme. J. Am. Chem. Soc. 124, 5304–5314 (2002).
4. Drescher, M. et al. Antiparallel Arrangement of the Helices of Vesicle-Bound α-Synuclein. J. Am. Chem. Soc. 130, 7796–7797 (2008).
5. Lyubenova, S. et al. Multifrequency Pulsed Electron Paramagnetic Resonance on Metalloproteins. Accounts of chemical research 43, 181–189 (2009).
6. Pezeshk, A., Symons, M. C. R. & McClymont, J. D. Electron Movement along DNA Strands:  Use of Intercalators and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. J. Phys. Chem. 100, 18562–18566 (1996).
7. Sun, Y. et al. The Internal Dynamics of Mini c TAR DNA Probed by Electron Paramagnetic Resonance of Nitroxide Spin-Labels at the Lower Stem, the Loop, and the Bulge. Biochemistry 51, 8530–8541 (2012).
8. Smith, I. & Yamane, T. Spin-labeled nucleic acids. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 58, 884–887 (1967).
9. Sigurdsson, S. T. Nitroxides and nucleic acids: Chemistry and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Pure and Applied Chemistry 83, 677–686 (2011).
10. Edwards, T. E., Okonogi, T. M., Robinson, B. H. & Sigurdsson, S. T. Site-Specific Incorporation of Nitroxide Spin-Labels into Internal Sites of the TAR RNA; Structure-Dependent Dynamics of RNA by EPR Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 123, 1527–1528 (2001).
11. Schiemann, O., Weber, A., Edwards, T. E., Prisner, T. F. & Sigurdsson, S. T. Nanometer distance measurements on RNA using PELDOR. J. Am. Chem. Soc. 125, 3434–3435 (2003).
12. Zhang, X., Cekan, P., Sigurdsson, S. T. & Qin, P. Z. Studying RNA using site-directed spin-labeling and continuous-wave electron paramagnetic resonance spectroscopy. Methods in enzymology 469, 303–328 (2009).
13. Bolton, J. & Carrington, A. The electron spin resonance spectra of the toluene, p-xylene and m-xylene anions. Molecular Physics 4, 497–503 (1961).
14. Dixon, W. & Norman, R. Electron spin resonance studies of oxidation. Part IV. Some benzenoid compounds. Journal of the Chemical Society (Resumed) 4857–4860 (1964).
15. Carrington, A. & Smith, I. The electron spin resonance spectrum and spin density distribution of the benzyl radical. Molecular Physics 9, 137–147 (1965).
16. Kaiser, E. T. & Kevan, L. Radical ions. (Interscience, 1968).
17. Lewis, I. C. & Singer, L. S. Electron spin resonance spectroscopy of the 1-methylphenalenyl and the 1-phenylphenalenyl radicals. The Journal of Physical Chemistry 73, 215–218 (1969).
18. Gerson, F. & Huber, W. in Electron Spin Resonance Spectroscopy of Organic Radicals 169–209 (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2003).
19. Savitsky, A., Niklas, J., Golbeck, J. H., Moebius, K. & Lubitz, W. Orientation Resolving Dipolar High-Field EPR Spectroscopy on Disordered Solids: II. Structure of Spin-Correlated Radical Pairs in Photosystem I. The Journal of Physical Chemistry B (2013).
20. Symons, M. C. R. Electron spin resonance studies of inorganic radicals. Magn. Reson. Chem. 33, S3–S13 (1995).
21. Villamena, F. A., Locigno, E. J., Rockenbauer, A., Hadad, C. M. & Zweier, J. L. Theoretical and Experimental Studies of the Spin Trapping of Inorganic Radicals by 5,5-Dimethyl-1-Pyrroline N-Oxide (DMPO). 1. Carbon Dioxide Radical Anion. J. Phys. Chem. A 110, 13253–13258 (2006).
22. Chiesa, M., Giamello, E. & Che, M. EPR characterization and reactivity of surface-localized inorganic radicals and radical ions. Chemical reviews 110, 1320–1347 (2009).
23. He, X.-F., Manson, N. B. & Fisk, P. T. Paramagnetic resonance of photoexcited NV defects in diamond. II. Hyperfine interaction with the^{14} N nucleus. Physical Review B 47, 8816 (1993).
24. Meyer, B. et al. Defects in porous silicon investigated by optically detected and by electron paramagnetic resonance techniques. Applied physics letters 63, 2120–2122 (1993).
25. Von Bardeleben, H., Stievenard, D., Grosman, A., Ortega, C. & Siejka, J. Defects in porous p-type Si: An electron-paramagnetic-resonance study. Physical Review B 47, 10899 (1993).
26. Stich, B., Greulich‐Weber, S. & Spaeth, J. Electrical detection of electron paramagnetic resonance: New possibilities for the study of point defects. Journal of applied physics 77, 1546–1553 (1995).
27. Potapov, A. & Goldfarb, D. The Mn2+− Bicarbonate Complex in a Frozen Solution Revisited by Pulse W-Band ENDOR. Inorg. Chem. 47, 10491–10498 (2008).
28. Gupta, R., Taguchi, T., Borovik, A. S. & Hendrich, M. P. Characterization of Monomeric MnII/III/IV–Hydroxo Complexes from X- and Q-Band Dual Mode Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy. Inorg. Chem. 52, 12568–12575 (2013).
29. Domracheva, N. E., Pyataev, A. V., Vorobeva, V. E. & Zueva, E. M. Detailed EPR Study of Spin Crossover Dendrimeric Iron(III) Complex. J. Phys. Chem. B 117, 7833–7842 (2013).
30. Cox, N., Lubitz, W. & Savitsky, A. W-band ELDOR-detected NMR (EDNMR) spectroscopy as a versatile technique for the characterisation of transition metal–ligand interactions. Molecular Physics 1–21 (2013).
31. Ruthstein, S., Frydman, V., Kababya, S., Landau, M. & Goldfarb, D. Study of the Formation of the Mesoporous Material SBA-15 by EPR Spectroscopy. J. Phys. Chem. B 107, 1739–1748 (2003).
32. Florent, M., Xue, C., Zhao, D. & Goldfarb, D. Formation Mechanism of Cubic Mesoporous Carbon Monolith Synthesized by Evaporation-Induced Self-assembly. Chem. Mater. 24, 383–392 (2011).
33. Lin, F., Mertens, M., Cool, P. & Van Doorslaer, S. Influence of Synthesis Conditions on Properties of Ethane-Bridged Periodic Mesoporous Organosilica Materials as Revealed by Spin-Probe EPR. J. Phys. Chem. C 117, 22723–22731 (2013).
34. Marsh, D. & Smith, C. P. An interacting spin label study of the fluidizing and condensing effects of cholesterol on lecithin bilayers. Biochimica et Biophysica Acta 298, 133–144 (1973).
35. Earle, K. A., Moscicki, J. K., Ge, M., Budil, D. E. & Freed, J. H. 250-GHz electron spin resonance studies of polarity gradients along the aliphatic chains in phospholipid membranes. Biophys. J. 66, 1213–1221 (1994).
36. Fellmann, P., Zachowski, A. & Devaux, P. F. in Biomembrane Protocols 27, 161–175 (Springer, 1994).
37. Lou, Y., Ge, M. & Freed, J. H. A Multifrequency ESR Study of the Complex Dynamics of Membranes. J. Phys. Chem. B 105, 11053–11056 (2001).
38. Subczynski, W. K., Widomska, J. & Feix, J. B. Physical properties of lipid bilayers from EPR spin labeling and their influence on chemical reactions in a membrane environment. Free Radical Biology & Medicine 46, 707–718 (2009).
39. Dzikovski, B. G., Tipikin, D. S. & Freed, J. H. Conformational Distributions and Hydrogen Bonding in Gel and Frozen Lipid Bilayers: A High Frequency Spin-Label ESR Study. J. Phys. Chem. B 116, 6694–6706 (2012).
40. W. Gerlach, O. Stern, Z. Phys., 8, 110 (1921); 9, 349, 353 (1922)
41. G. E. Uhlenbeck, S. Goudsmit, Naturwissenschaften, 13, 953 (1925)
42. I. I. Rabi, J. R. Zacharias, S. Millman, P. Kusch, Phys. Rev., 53, 318 (1938)
43. E. Zavoisky, J. Phys. U.S.S.R., 9, 211, 245 (1945); ibid., 10, 170 (1946).
44. J. Frenkel, J. Phys. U.S.S.R., 9, 299 (1945).
45. Blume RJ (1958) Electron spin relaxation times in sodium-ammonia solutions. Phys Rev 109:1867
46. Hahn E (1950). Spin echoes. Phys Rev 80:580
47. Gordon, J. P.; Bowers, K. D. (1958). "Microwave Spin Echoes from Donor Electrons in Silicon". Physical Review Letters 1: 368–370
48. Mims, W. B.; Nassau, K.; McGee J. D. (1961). "Spectral Diffusion in Electron Resonance Lines". Physical Review123: 2059–2069
49. Mims, W. B. (1965). "Pulsed endor experiments".Proceedings of the Royal Society A 283: 452–457
50. Holczer K, Schmalbein D (1987) Bruker Rep 1:22
51. Höfer P, Maresch GG, Schmalbein D, Holczer K (1996) Bruker Rep 142:15