Rezonanță electronică de spin

Rezonanța Electronică de Spin (RES)--care include și Rezonanța Electronică Paramagnetică (REP)-- este fenomenul fizic de absorbție rezonantă de microunde de la o sursă de microunde de către un sistem cu spini electronici „neîmperecheați” (adică, ce nu sunt cu spini anti-paraleli) dintr-o probă macroscopică în prezența unui câmp magnetic extern care ridică degenerarea nivelelor (energetice) electronice de spin. (Câmpul magnetic nuclear este însă mult prea slab pentru a obține spectrele de RES prin despicarea nivelelor electronice de spin de către campul magnetic al unui nucleon, de exemplu, dar duce însă la despicarea hyperfină în spectrele de RES care se obțin în anumite condiții experimentale speciale. Echipament ENDOR („electron-nuclear double resonance”) special cuplează experiențe de RES cu RMN/NMR[1] pentru a obține astfel de informații suplimentare de cuplaj între spinul electronic și cel nuclear.)

Istorie

REP a fost descoperit și raportat la Universitatea statului Kazan de fizicianul rus Evgenii Zavoisky în 1944, iar independent fenomenul RES a fost observat în același timp de dr. Brebis Bleaney^⁠(d) la Universitatea din Oxford din Marea Britanie (Regatul Unit).

Principiul fizic și teoria RES

Originea semnalului de absorpție RES

Orice electron are un moment magnetic și o valoare a numărului de spin s = 1/2 , cu componenti magnetici m_s = +1/2 și m_s = –1/2 în prezența unui câmp magnetic extern de intensitate B₀, momentul magnetic al electronului se aliniază fie (m_s = –1/2 paralel, fie antiparalel (m_s = +1/2) cu acest câmp magnetic aplicat. Aceste două alinieri a spinului electronic corespund la două nivele de energie electronică de spin diferite (vezi și Efectul Zeeman). Separarea în energie dintre cele două stări/nivele de spin electronic este dată de ecuația fundamentală a teoriei RES:

${\displaystyle \Delta }$E = g_eμ_BB₀,

unde g_e este numit „factorul giromagnetic” G-factor^⁠(d) al electronului (vezi și factorul Landé), iar μ_B este [[:Magneton Bohr-Procopiu|magnetonul Bohr. Această ecuație spune că separarea sau despicarea („splitting”) dintre cele două nivele de energie este strict proportională cu intensitatea câmpului magnetic aplicat, așa cum este ilustrat fenomenul în următoarea figură:

Spectroscopia de rezonanță electronică de spin (RES)

Corespunzînd deci acestui fenomen este Spectroscopia de RES care constă în înregistrarea și analiza detailată a spectrelor RES pe calculatoare. Exemple de spectre RES, precum și de analize de spectre RES se găsesc spre exemplu în Abragam și Bleaney[2].

Tehnologia RES dezvoltă aparate RES foarte sensibile pentru înregistrarea și amplificarea de spectre RES, fie cu surse de microunde continui, fie mai recent cu pulsuri de microunde, urmate de transformări de tip Fourier (FFT sau FFT= FT foarte rapide) pe calculatoare electronice dedicate spectrometrului RES. In termeni de sensibilitate, spectroscopia RES ocupa un loc intermediar între spectroscopia de infraroșu apropiat (NIR, sau IRA) pulsată (FT-NIR), fluorescență—pe de o parte- și spectroscopia RMN/NMRI pe de altă parte, (cu un factor de o sută pînă la o mie de ori mai mare în comparație cu cele din urmă, cel puțin pînă în prezent!). Această detectare de cantități extrem de mici de spini electronici neîmperecheați face ca tehnica RES să fie extrem de utilă în studiul radicalilor liberi in chimie, ionilor paramagnetici in chimia fizică, diferitelor efecte biochimice și biofizice în medicină și fiziologie.

Unde de spin excitate rezonant de microunde

În straturi subțiri la temperaturi joase și în sisteme feromagnetice de sticle metalice (de exemplu in sticle metalice de Fe₃B, Co₄P, FeNiPB, ș.a.m.d) se observă spectre asemănătoare spectrelor de rezonanța feromagnetică (SRF) ale feromagneților masivi; însă în cazul sticlelor metalice feromagnetice cum ar fi Fe₃B și al straturilor subțiri cu electroni neîmperecheați aceste rezonanțe sunt produse de unde de spin excitate la rezonanță (feromagnetică) de microunde (USERF;FSWR))[3]—care au dependențe de temperatură foarte diferite de cele ale corpurilor masive de feromagneți[4].

Aplicații ale spectroscopiei RES in știință, medicină, tehnologie și industrie

Această detectare de cantități extrem de mici de spini electronici neîmperecheați, adică cu spin total differit de zero, face ca tehnica RES să fie extrem de utilă în studiul radicalilor liberi în chimie, ionilor paramagnetici în chimia fizică, diferitelor efecte biochimice și biofizice în medicină și fiziologie.

Domeniul de aplicații științifice, medicale, tehnice și industriale a spectroscopiei RES este extrem de larg, de la biofizică la geofizică, medicină, farmacologie, antropologie, paleontologie, catalizatori chimici, sinetze chimice cu radicali liberi, fotosinteză naturală sau artificială, purificarea apei, inginerie nucleară, toxicologie, șamd.

Recent se dezvoltă și aplicații de imagini obținute prin RES (RESI), cu metode de transformate Fourier bidimensionale (2D-FT), oarecum analog cu 2D-FT NMRI/MRI[5] atît pentru cercetări fundamentale cît și pentru aplicații în medicină și inginerie, industrie, șamd. Unele speculații și instalații recente abordează ideea folosirii spectroscopiei 2D-FT RESI pentru calculatoare cuantice de performanță ultra-rapidă în viitor.

Note

1. Antoine Abragam and B. Bleaney. en: Electron Paramagnetic Ions, Oxford University Press, 1965;pp.895.
2. Antoine Abragam and B. Bleaney. Electron Paramagnetic Ions, Oxford University Press, 1965
3. Ferromagnetic resonance and spin wave excitations in metallic glasses: The effects of thermal ageing and long-range magnetic ordering.Baianu, I.C. (1979). Solid State Communications 29: i–xvi. doi:10.1016/0038-1098(79)91190-6.
4. Ferromagnetic Resonance and Spin Wave Excitations in Metallic Glasses.(1979). Baianu, I.C. K.A. Rubinson, J. Patterson, J. Phys. Chem. Solids 40 (12): 941–950. doi:10.1016/0022-3697(79)90122-7
5. GNUL and Common Access License by Bci2 et al. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy and Medical Imaging Applications,Minuteman Press: USA, 2010;pp.204. http://aux.planetphysics.org/files/books/368/NMRSI137pMb7.pdf^[nefuncțională]

Vezi și

• Rezonanță magnetică nucleară (RMN)

Bibliografie

• I.G. Murgulescu, V. Em. Sahini Introducere în chimia fizică vol I,2 Sructura și proprietățile moleculelor Editura Academiei RSR, București 1978
• Antoine Abragam (1965). Electron Paramagnetic Ions,. Oxford: Oxford University Press. ; pp. 895.]]
• Charles P. Slichter.1996. Principles of Magnetic Resonance. Springer: Berlin and New York, Third Edition., 651pp. ISBN 0-387-50157-6.
• R.L Haner, P.A. Keifer (2009). en: Encyclopedia of Magnetic Resonance. John Wiley. doi:10.1002/9780470034590.emrstm1085. 
• en: Magnetic Resonance Spectroscopy, Imaging and Applications: NMR, NMRI and ESR, Minuteman Press, USA, 2010;pp.204
• J.M Tyszka, S.E Fraser, R.E Jacobs (2005). „en: Magnetic Resonance Microscopy: Recent Advances and Applications.”. Current Opinion in Biotechnology. 16 (1): 93–99. doi:10.1016/j.copbio.2004.11.004. PMID 15722021. Mentenanță CS1: Nume multiple: lista autorilor (link)
• en: Nuclear Medicine, Diagnostic Tomography and Imaging, PediaPress GmbH: Mainz, Germany, 2010;p.550^[nefuncțională]
• Carrington, A. (1967). Introduction to Magnetic Resonance. London: Harper and Row. 
• Galkin, A. A. (1977). „EPR Spectrometer in 2-mm Range for Chemical Research”. Instrum. Experim. Techn. 20 (4): 1229. 
• Krinichnyi, V. I. (1995). 2-mm Wave Band EPR Spectroscopy of Condensed Systems. Boca Raton, Florida: CRC Press. 
• Lebedev, Y. S. (1994). „2”. High-Field ESR in Electron Spin Resonance. 14. Cambridge: Royal Society of Chemistry. p. 63. 
• Rhodes, C. J. (2000). Toxicology of the Human Environment - The Critical Role of Free Radicals. Taylor and Francis.  - Provides an overview of the role of free radicals in biology and of the use of electron spin resonance in their detection.
• Symons, M. (1978). Chemical and Biochemical Aspects of Electron-Spin Resonance Spectroscopy. New York: Wiley. 
• Weil, J. A. (2001). Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. New York: Wiley-Interscience. 
• Weltner, W. (1983). Magnetic Atoms and Molecules. New York: Van Nostrand Reinhold. 
• Wertz, J. E. (1972). Electron Spin Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. New York: McGraw-Hill. 
• Ursu, Ioan (1965). Rezonanța electronică de spin. București: Editura Academiei Republicii Socialiste România.  Prefață de Horia Hulubei
• Steinhoff, H.-J. (2002). „Methods for study of protein dynamics and protein-protein interaction in protein-ubiquitination by electron paramagnetic resonance spectroscopy”. Frontiers in Bioscience. 7: c97–110.  Elucidarea structurii proteinelor prin spectroscopie RES. Articol.