Chimica Fisica - Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Lezione n. 28 EPR Esempi ed applicazioni in campo biochimico e medico 02/03/2008 Antonino Polimeno 1
Risonanza paramagnetica elettronica (1) - La Risonanza Paramagnetica Elettronica o Risonanza di Spin Elettronico, nota come EPR (dall'acronimo inglese Electron Paramagnetic Resonance) o ESR (dall'inglese Electron Spin Resonance) è una tecnica spettroscopica impiegata per individuare e analizzare specie chimiche contenenti uno o più elettroni spaiati (chiamate specie paramagnetiche), come - i radicali liberi, - gli ioni di metalli di transizione - i difetti in cristalli - le molecole in stato elettronico di tripletto fondamentale (ad es. l'ossigeno molecolare) o indotto per fotoeccitazione - I concetti basilari della tecnica EPR sono analoghi a quelli della risonanza magnetica nucleare, ma in questo caso sono gli spin elettronici ad essere eccitati al posto degli spin dei nuclei atomici. Antonino Polimeno 2
Risonanza paramagnetica elettronica (2) - Per un elettrone spaiato il numero quantico di spin vale s=1/2 e i possibili valori del numero quantico magnetico sono m s =+1, -1 - In presenza di una campo magnetico - diretto per convenzione lungo l'asse z del laboratorio - i due stati hanno energie pari a E = = p B gµ m B s, z 0 B s 0 - dove g=2.00229, µ B è il magnetone di Bohr - I valori dei fattori g dipendono da caratteristiche quantomeccaniche sofisticate; in condizioni diverse - vuoto, legami chimici - il loro valore può cambiare. Antonino Polimeno 3
Risonanza paramagnetica elettronica (3) - All'aumentare del campo aumenta quindi la differenza di energia tra i due stati. - Un elettrone spaiato può passare da un livello energetico all'altro assorbendo oppure emettendo una quantità di energia E tale che sia verificata la condizione di risonanza, con la condizione richiesta dalla regola di selezione ms =±1 - La maggioranza delle misure EPR viene effettuata in campi magnetici di circa 0.35 T con una corrispondente risonanza di spin che ricade nella regione delle microonde alla frequenza di 9-10 GHz. - In linea di principio, gli spettri EPR possono essere generati sia variando la frequenza dei fotoni incidenti su un campione mantenendo il campo magnetico costante, sia nel modo contrario. Antonino Polimeno 4
Risonanza paramagnetica elettronica (4) - Nella pratica si tende a mantenere costante la frequenza: l'insieme di centri paramagnetici, come i radicali liberi, viene esposto a microonde di frequenza fissata. - Aumentando il campo magnetico esterno, la differenza di energia tra gli stati di spin +1/2 e -1/2 tende ad aumentare fino a raggiungere il valore di risonanza con le microonde e generando un picco di assorbimento dovuto alla maggiore popolazione presente allo stato energetico inferiore (le popolazioni dei vari stati seguono la distribuzione di Boltzmann). - Un tipico spettro EPR riporta quindi un'assorbanza contro un campo magnetico - Solitamente inoltre lo spettro è presentato in derivata, cioè si rappresenta la derivata dell'assorbanza invece dell'assorbanza stessa. Antonino Polimeno 5
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Risonanza paramagnetica elettronica (5) - Le applicazioni principali della spettroscopia EPR riguardano lo studio di radicali liberi in soluzione o ioni paramagnetici in solidi cristallini. - Di particolare interesse èla tecnica detta di spin labelling, nella quale una molecola organica con un elettrone spaiato viene legata chimicamente ad una molecola oggetto di indagine. - L'analisi dello spettro consente di ottenere informazioni molto accurate sull'intorno chimico della sonda paramagnetico e quindi sulla struttura (e dinamica) della molecola ospite - In linea di principio, il segnale è presente sotto forma di picchi dovuti all'accoppiamento con alcuni nuclei (quelli a momento nucleare maggiore) presenti nell'intorno dell'elettrone spaiato - Per esempio nel caso dello spettro in soluzione del TEMPO, un radicale libero stabile molto usato in studi EPR, la presenza di un tripletto si deve all'accoppiamento con il nucleo di azoto 14 N, con I=1: i tre possibili stati dello spin nucleare schermano in modo diverso l'elettrone. - In pratica per, la forma complessiva di uno spettro EPR può dipendere in modo significativo dalla temperatura e da altri fattori, legati in modo complesso alla dinamica molecolare dell'intorno. Antonino Polimeno 7
NMR Esempi (1) Ribbon diagram della struttura cristallina di (a) AKeco e (b) AKeco in complesso con l inibitore l AP5A. Antonino Polimeno 8
Parametri sperimentali (1) (a) 15 N T 1 (b) 15 N T 2 (c) 15 N-{ 1 H} NOE (1) da dati acquisiti a 303 K at 14.10 T (blu) e 18.79 T (magenta)) in funzione del numero del residuo Antonino Polimeno 9
Dinamica di AKeco [modello dinamico (a) e modello dinamico (b)]. Dinamiche con τ < 4 ns in giallo, τ > 4 ns in rosso. Antonino Polimeno 10
NMR Esempi (2) Antonino Polimeno 11
T1 > T2 ; i tempi di rilassamento dipendono dal tipo di tessuto Antonino Polimeno 12
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Siemens 3 Tesla Magnetom Allega MR Headscanner Antonino Polimeno 15
EPR Esempi (2) Antonino Polimeno 16
1 2 Antonino Polimeno 17
131 72 69 44 Antonino Polimeno 18
Dinamica molecolare di un doppio strato di fosfatidilcolina Cristallo Gel Fluido Ac.Palmitico Acqua Azoto, Ac. Oleico, Fosforo Ossigeno Antonino Polimeno 19