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Elektronenspinresonanz Mit Hilfe der kurz ESR oder englisch electron paramagnetic resonance EPR wird die resonante Mikro

Elektronenspinresonanz

Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (kurz ESR oder englisch electron paramagnetic resonance, EPR) wird die resonante Mikrowellenabsorption einer Probe in einem äußeren Magnetfeld gemessen. Dies macht sie zu einer hervorragend geeigneten Methode zur Untersuchung von Proben, die über ein permanentes magnetisches Moment (ungepaarte Elektronen) verfügen.

ESR-Spektrometer

Geschichte Bearbeiten

Das erste ESR-Experiment wurde von Jewgeni Konstantinowitsch Sawoiski in Kasan 1944 durchgeführt. Unabhängig davon erfolgte die Entwicklung in Großbritannien durch Brebis Bleaney. Sawoiski beobachtete bei paramagnetischen Salzen wie Kupfersulfat und Mangan(II)-chlorid Resonanzabsorption der eingestrahlten Energie bei definierten Verhältnissen der Stärke des statischen Magnetfeldes zur Frequenz. Auch David Halliday und Robert Cummerow in Pittsburgh entdeckten unabhängig die ESR und veröffentlichten darüber 1946.

Hintergrund Bearbeiten

Bringt man eine Probe mit permanentem magnetischen Moment in ein Magnetfeld, so spalten sich die entarteten Energiezustände auf (Zeeman-Effekt). Oft wird der Zeemaneffekt anhand von Übergängen zwischen Niveaus unterschiedlicher Hauptquantenzahl untersucht; bei der ESR werden dagegen Übergänge zwischen Niveaus gleicher Hauptquantenzahl beobachtet: Durch Bestrahlung mit einer Mikrowelle, deren Energie der Aufspaltung der Niveaus entspricht, kommt es zur Absorption.

In der Praxis wird die zu untersuchende Probe in einem veränderlichen Magnetfeld mit einer Mikrowelle fester Frequenz bestrahlt. Das aufgezeichnete Absorptionsspektrum erlaubt Rückschlüsse auf die magnetische Umgebung der magnetischen Momente (siehe g-Faktor).

In der ESR-Spektroskopie können nur Substanzen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen untersucht werden. Typische Beispiele hierfür sind:

Anwendung Bearbeiten

ESR-Spektroskopie wird beispielsweise in der Biophysik und in der Halbleiterphysik angewendet. ESR kann an natürlichen biologischen Proben durchgeführt werden. Damit kann krankes Gewebe untersucht werden und mittels der Radikal-Konzentration Aussagen über bestrahltes Material getroffen werden.

ESR ist außerdem eine Untersuchungsmethode in der Materialforschung. So können in der Photovoltaik Verunreinigungen des Materials durch Charakterisierung paramagnetischer Defekte eingeschränkt werden.

Zur Strukturaufklärung von Makromolekülen, wie beispielsweise Proteine, Lipide, DNA oder RNA, eignet sich die ESR, wenn man die Makromoleküle vorher mit Spinmarkern koppelt. Als Spinmarker für Proteine werden Nitroxide verwendet, die ein ungepaartes, über die N-O-Bindung delokalisiertes Elektron enthalten und die eine Bindung mit Cystein in einer Aminosäuresequenz eingehen. Aus den ESR-Spektren lassen sich Abstände zwischen zwei gebundenen Spinmarkern ermitteln und damit Rückschlüsse auf z. B. die Faltung von Proteinsträngen ziehen. Ein etabliertes Verfahren hierzu ist die Doppel-Elektron-Elektron-Resonanz (DEER), eine gepulste Variante der ESR, bei der nicht überlappende Pulse bei unterschiedlichen Frequenzen eingestrahlt werden. Die Methode eignet sich auch für Untersuchungen zu Protein-Membran-Wechselwirkungen.

Die schmalbandige Elektronenspinresonanz von einkristallinem Yttrium-Eisen-Granat im Magnetfeld wird zur Herstellung von Mikrowellenfiltern (YIG-Filter) und -resonatoren eingesetzt.

Resonanz-Absorption Bearbeiten

Ein statisches (meist homogenes) Magnetfeld, in dem sich Atome oder Moleküle mit nicht abgeschlossenen elektronischen Schalen befinden, hebt die energetische Entartung der Zustände auf (Zeeman-Effekt). Diese Aufspaltung ist in erster Näherung proportional zum angelegten Magnetfeld :

mit

Jedes magnetische Energieniveau besitzt deshalb den Abstand vom nächsten benachbarten Zustand (äquidistante Aufspaltung). Zwischen den Zuständen sind magnetische Dipolar-Übergänge zwischen benachbarten Niveaus möglich ().

Legt man senkrecht zum statischen Magnetfeld ein hochfrequentes Wechselfeld an (z. B. bei X-Band-ESR 9 bis 10 GHz), so lassen sich diese Übergänge gezielt anregen. Dazu muss die magnetische Energie der Mikrowellen-Energie entsprechen. In diesem Fall wird Mikrowellen-Strahlung der Frequenz emittiert oder absorbiert – man beobachtet Resonanz-Absorption.

Bei der paramagnetischen Resonanz ergibt sich daraus die Resonanzbedingung (auch „Grundgleichung der EPR-Spektroskopie“ genannt):

Der g-Faktor (oder Landé-Faktor) verknüpft die Größe des magnetischen Moments eines Atoms mit seinem Gesamtdrehimpuls:

  • für reinen Bahnmagnetismus (d. h. Spin ) ist
  • für reinen Spinmagnetismus (d. h. Bahndrehimpuls ) gilt (genauer 2,002322).

Allgemein lässt sich folgende Beziehung angeben:

Diese Formel kann aus dem Vektormodell der Atomphysik hergeleitet werden.

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. G. Schwedt; Taschenatlas der Lebensmittelchemie; 2. vollst. überarb. u. erw. Aufl.; Wiley-VCH, Weinheim 2005.
  2. W. Hoppe et al., Biophysik, Springer Verlag, 1982.
  3. Malte Drescher: Elektronenresonanz-Spektroskopie. In: Chemie in unserer Zeit. Band 46, Nr. 3, 2012, S. 150–157, doi:10.1002/ciuz.201200581.
  4. Paramagnetische Elektronenresonanz-Spektroskopie (EPR). Abgerufen am 30. August 2012.
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Veröffentlichungsdatum:
Mit Hilfe der Elektronenspinresonanz kurz ESR oder englisch electron paramagnetic resonance EPR wird die resonante Mikrowellenabsorption einer Probe in einem ausseren Magnetfeld gemessen Dies macht sie zu einer hervorragend geeigneten Methode zur Untersuchung von Proben die uber ein permanentes magnetisches Moment ungepaarte Elektronen verfugen ESR SpektrometerInhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Hintergrund 3 Anwendung 4 Resonanz Absorption 5 Siehe auch 6 Weblinks 7 EinzelnachweiseGeschichte BearbeitenDas erste ESR Experiment wurde von Jewgeni Konstantinowitsch Sawoiski in Kasan 1944 durchgefuhrt Unabhangig davon erfolgte die Entwicklung in Grossbritannien durch Brebis Bleaney Sawoiski beobachtete bei paramagnetischen Salzen wie Kupfersulfat und Mangan II chlorid Resonanzabsorption der eingestrahlten Energie bei definierten Verhaltnissen der Starke des statischen Magnetfeldes zur Frequenz Auch David Halliday und Robert Cummerow in Pittsburgh entdeckten unabhangig die ESR und veroffentlichten daruber 1946 Hintergrund BearbeitenBringt man eine Probe mit permanentem magnetischen Moment in ein Magnetfeld so spalten sich die entarteten Energiezustande auf Zeeman Effekt Oft wird der Zeemaneffekt anhand von Ubergangen zwischen Niveaus unterschiedlicher Hauptquantenzahl untersucht bei der ESR werden dagegen Ubergange zwischen Niveaus gleicher Hauptquantenzahl beobachtet Durch Bestrahlung mit einer Mikrowelle deren Energie der Aufspaltung der Niveaus entspricht kommt es zur Absorption In der Praxis wird die zu untersuchende Probe in einem veranderlichen Magnetfeld mit einer Mikrowelle fester Frequenz bestrahlt Das aufgezeichnete Absorptionsspektrum erlaubt Ruckschlusse auf die magnetische Umgebung der magnetischen Momente siehe g Faktor In der ESR Spektroskopie konnen nur Substanzen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen untersucht werden Typische Beispiele hierfur sind paramagnetische Ubergangsmetall Ionen in Losung und im Festkorper durch ionisierende Strahlung erzeugte Radikale in Kristallen organische Molekule im Triplett Zustand organische Radikale in Losung Nachweis von Lebensmittelbestrahlung 1 Stickstoffmonoxid in Gewebe Anwendung BearbeitenESR Spektroskopie wird beispielsweise in der Biophysik und in der Halbleiterphysik angewendet ESR kann an naturlichen biologischen Proben durchgefuhrt werden Damit kann krankes Gewebe untersucht werden und mittels der Radikal Konzentration Aussagen uber bestrahltes Material getroffen werden ESR ist ausserdem eine Untersuchungsmethode in der Materialforschung So konnen in der Photovoltaik Verunreinigungen des Materials durch Charakterisierung paramagnetischer Defekte eingeschrankt werden 2 Zur Strukturaufklarung von Makromolekulen wie beispielsweise Proteine Lipide DNA oder RNA eignet sich die ESR wenn man die Makromolekule vorher mit Spinmarkern koppelt Als Spinmarker fur Proteine werden Nitroxide verwendet die ein ungepaartes uber die N O Bindung delokalisiertes Elektron enthalten und die eine Bindung mit Cystein in einer Aminosauresequenz eingehen Aus den ESR Spektren lassen sich Abstande zwischen zwei gebundenen Spinmarkern ermitteln und damit Ruckschlusse auf z B die Faltung von Proteinstrangen ziehen Ein etabliertes Verfahren hierzu ist die Doppel Elektron Elektron Resonanz DEER eine gepulste Variante der ESR bei der nicht uberlappende Pulse bei unterschiedlichen Frequenzen eingestrahlt werden Die Methode eignet sich auch fur Untersuchungen zu Protein Membran Wechselwirkungen 3 Die schmalbandige Elektronenspinresonanz von einkristallinem Yttrium Eisen Granat im Magnetfeld wird zur Herstellung von Mikrowellenfiltern YIG Filter und resonatoren eingesetzt Resonanz Absorption BearbeitenEin statisches meist homogenes Magnetfeld in dem sich Atome oder Molekule mit nicht abgeschlossenen elektronischen Schalen befinden hebt die energetische Entartung der Zustande auf Zeeman Effekt Diese Aufspaltung ist in erster Naherung proportional zum angelegten Magnetfeld H displaystyle H nbsp E Z e e g m 0 m B m J H g m B m J B displaystyle begin alignedat 2 E rm Zee amp g cdot mu 0 amp amp cdot mu mathrm B cdot m J cdot H amp g amp amp cdot mu mathrm B cdot m J cdot B end alignedat nbsp mit dem Bohrschen Magneton m B displaystyle mu mathrm B nbsp der magnetischen Flussdichte B m 0 H displaystyle B mu 0 H nbsp der magnetischen Quantenzahl m J displaystyle m J nbsp Jedes magnetische Energieniveau besitzt deshalb den Abstand E 0 g m 0 m B H displaystyle E 0 g cdot mu 0 cdot mu mathrm B cdot H nbsp vom nachsten benachbarten Zustand aquidistante Aufspaltung Zwischen den Zustanden sind magnetische Dipolar Ubergange zwischen benachbarten Niveaus moglich D m J 1 displaystyle Delta m J pm 1 nbsp Legt man senkrecht zum statischen Magnetfeld ein hochfrequentes Wechselfeld an z B bei X Band ESR 9 bis 10 GHz so lassen sich diese Ubergange gezielt anregen Dazu muss die magnetische Energie E 0 displaystyle E 0 nbsp der Mikrowellen Energie h f displaystyle h f nbsp entsprechen In diesem Fall wird Mikrowellen Strahlung der Frequenz f displaystyle f nbsp emittiert oder absorbiert man beobachtet Resonanz Absorption Bei der paramagnetischen Resonanz ergibt sich daraus die Resonanzbedingung auch Grundgleichung der EPR Spektroskopie genannt 4 g m 0 m B H h f displaystyle g cdot mu 0 cdot mu mathrm B cdot H h cdot f nbsp Der g Faktor oder Lande Faktor verknupft die Grosse des magnetischen Moments eines Atoms mit seinem Gesamtdrehimpuls fur reinen Bahnmagnetismus d h Spin s 0 displaystyle s 0 nbsp ist g 1 displaystyle g 1 nbsp fur reinen Spinmagnetismus d h Bahndrehimpuls l 0 displaystyle l 0 nbsp gilt g 2 displaystyle g 2 nbsp genauer 2 002322 Allgemein lasst sich folgende Beziehung angeben g 1 j j 1 s s 1 l l 1 2 j j 1 displaystyle g 1 frac j j 1 s s 1 l l 1 2j j 1 nbsp Diese Formel kann aus dem Vektormodell der Atomphysik hergeleitet werden Siehe auch BearbeitenKernspinresonanz NMR Ferromagnetische Resonanz FMR Antiferromagnetische Resonanz AFMR Optisch detektierte magnetische Resonanz ODMR Weblinks BearbeitenVerzeichnis von Datenbanken und Nachschlagewerken mit ESR Spektren LP Vom Kreisel zum Elektronenspin ein Modellversuch zur Elektronenspinresonanz inkl Skizzen und Video Hauptartikel LP Elektronenspinresonanz ESR Grundlegende Arbeiten zu ESR auf ESR huEinzelnachweise Bearbeiten G Schwedt Taschenatlas der Lebensmittelchemie 2 vollst uberarb u erw Aufl Wiley VCH Weinheim 2005 W Hoppe et al Biophysik Springer Verlag 1982 Malte Drescher Elektronenresonanz Spektroskopie In Chemie in unserer Zeit Band 46 Nr 3 2012 S 150 157 doi 10 1002 ciuz 201200581 Paramagnetische Elektronenresonanz Spektroskopie EPR Abgerufen am 30 August 2012 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Elektronenspinresonanz amp oldid 226289049