2-Mavzu. Epr va Yamr usullarining biologiya va tibbiyotda qo’llanilishi. Magnit rezonans

2-Mavzu. EPR va YaMR usullarining biologiya va tibbiyotda qo’llanilishi.


Magnit rezonans - moddaning maʼlum bir uzunlikdagi elektromagnit toʻlqinlarni tanlab yutishi. Bunga sabab — elektronlar yoki atom yadrolarining magnit momentlari oʻz yoʻnalishini oʻzgartiradi. Magnit maydonga tushirilgan atom o’zidan bir necha xil chastotada nurlar chiqaradi va magnit maydon orqali qo’zg’algan elektron rezonans holatiga kelib signal hosil bo’ladi. Moddalarning turi va xususiyatlariga ko’ra, magnit rezonans hodisasi, asosan, 4 ga boʻlinadi:

• 
  yadroviy magnit rezonans (toʻlqinlar amplitudasining kuchli kattalashishi);
  
• 
  elektron paramagnit rezonans;
  
• 
  ferromagnit rezonans;
  
• 
  antiferromagnit rezonans.
  

a) yadroviy magnit rezonansda elektromagnit toʻlqinlarning yutilishi (nisbatan juda kuchsiz yutilishi) radiochastotali magnit maydoni taʼsiridagi kuchli oʻzgarmas magnit maydonida kuzatiladi. Atom yadrosi magnit "tashuvchi" boʻlib xizmat qiladi va xossalari koʻrilayotgan hodisaning rezonansligini belgilaydi;
b) radiochastotali elektromagnit maydon energiyasining paramagnit moddalarda tashqi magnit maydon taʼsirida rezonans yutilishi elektron paramagnit rezonansdir; v) turli chastotali ikki oʻzgaruvchi elektromagnit maydonning modsaga bir vaqtda rezonans taʼsirida juft rezonans hodisasi roʻy beradi. Paramagnit kvant kuchaytirgichlarning ishi shu hodisaga asoslangan, ferromagnit rezonans ferromagnitlardagi elektron magnit rezonans deb ham ataladi. Ferromagnit modda oʻziga xos magnitlanish xususiyatiga ega, yaʼni ferromagnitda tashki magnit maydon yoʻq holda ham ichki magnit maydon boʻladi. Ferromagnit modda elektronlari oʻrtasidagi taʼsir kuchlari shunchalik katta boʻladiki, hatto issiklik harakati natijasida elek-tronlar spinining harakat yoʻnalishi ham oʻzgarmaydi. Bu hodisaga, asosan, oʻta yuksak chastotali asboblar (ferrit generatorlari va kuchaytirgichlari) yasaladi;
g) antiferromagnit rezonans elektromagnit energiyaning antiferromagnitda rezonans yutilishidir. Bu hodisa yuksak chastota diapazoni (odatda, mm li toʻlqinlar diapazoni) da kuzatiladi. Antiferromagnit rezonans hodisasini kuzatishda radiospektroskoplardan foydalaniladi.
Elektron paramagnit rezonans (EPR) Yevgeniy Konstantinovich Zavoiskiy tomonidan 1944 yilda Qozon universitetida ixtiro qilingan. U doimiy magnit maydonga (4 mT) joylashtirilgan bitta kristall ma'lum chastotali (taxminan 133 MGts) mikroto'lqinli nurlanishni yutishini payqadi. Bu ta'sirning mohiyati quyidagicha. Moddalardagi elektronlar o'zini mikroskopik magnit kabi tutadi. Agar siz moddani doimiy tashqi magnit maydoniga joylashtirsangiz va unga radiochastota maydoni bilan harakat qilsangiz, u holda har xil moddalarda ular har xil yo'nalishda yo'naltiriladi va energiyaning yutilishi selektiv bo'ladi. Elektronlarning asl yo'nalishiga qaytishi, elektronlarning xossalari va ularning muhiti haqida ma'lumot olib boruvchi radiochastota signallari bilan birga keladi.
EPR hodisasini quyidagi holatlarda kuzatish mumkin:

• 
  orbitallarida elektronlar soni toq bo'lgan atomlar va molekulalar - H, N, NO₂ va boshqalar;
  
• 
  har xil zaryadli holatdagi kimyoviy elementlar, bunda tashqi orbitallardagi barcha elektronlar kimyoviy bog'lanish hosil bo'lishida qatnashmaydi- birinchi navbatda bu d- va f-elementlar;
  
• 
  erkin radikallar - metil radikallari, nitroksil radikallari va boshqalar;
  

21-rasm. EPR usulidagi relaksatsion effekt
EPR usulidan foydalanish ko'zoynaklar, kristallar, eritmalar tuzilishi haqida qimmatli ma'lumotlarni taqdim etdi; kimyo fanida bu usul ko'plab birikmalar tuzilishini o'rnatishga, zanjirli reaksiyalarni o'rganishga va kimyoviy reaksiyalarning paydo bo'lishi va borishida erkin radikallarning (erkin valentli molekulalar) rolini ochib berishga imkon berdi. Radikallarni sinchiklab o'rganish molekulyar va hujayra biologiyasidagi bir qancha muammolarni yechishga olib keldi.

24-rasm. EPR spektrometrining diagrammasi (a) va magnit va elektr maydon chiziqlarining rezonatorda taqsimlanishi (б). 1 - mikroto'lqinli nurlanish generatori, 2 - to'lqin o'tkazgich, 3 - rezonator, 4 - magnit, 5 - mikroto'lqinli nurlanish detektori, 6 - EPR signal kuchaytirgichi, 7 - yozib oluvchi qurilmalar (kompyuter yoki osiloskop).
Hozirgi kunga kelib, EPR usuli kimyo, fizika, biologiya, tibbiyotda katta ahamiyatga ega bo'ldi, chunki bu organik va noorganik erkin radikallarning tuzilishi va kontsentratsiyasini aniqlash imkonini beradi. Erkin radikallar kimyoviy, fotokimyoviy yoki yuqori energiyali nurlanish va reaksiyalar natijasida hosil bo'lishi mumkin. EPR spektri erkin radikallar, toq miqdordagi elektronlari bo'lgan molekulalar, organik molekulalarning uchlik holatlari, o'tish metallarining paramagnetik ionlari va ularning komplekslari tomonidan berilgan. Elektron paramagnit rezonans (EPR) usuli bilan makromolekulalar konformatsiyasini, strukturalar va gidrat qavatlarini lokal harakatchanligini ham o’ta aniqlik bilan aniqlash mumkun.
EPR usuli 20-asrning 50-yillarida biologik tadqiqotlarda qo'llanila boshlandi. Paramagnitik zarralarning tabiatini aniqlash qobiliyati va yuqori sezuvchanligi tufayli bu usul bir qator biologik jarayonlarni o'rganish uchun keng qo'llanilgan. To'qimalarda erkin radikallarning signallaridan tashqari, bir qator metallarning signallari (Fe, Cu, Mn, Ni, Co) kuzatiladi. Ushbu metallar bir qator fermentativ jarayonlarda ishtirok etadigan metalloproteidlarning bir qismidir. Temir o'z ichiga olgan oqsillar (sitoxromlar, ferredoksinlar) mitoxondriya va xloroplastlarda elektronlar tashish zanjirlarining tarkibiy qismidir.
EPR tomonidan bir qator fermentativ tizimlar o'rganildi va substratlarning erkin radikal mahsulotlari topildi. Ba'zi hollarda, fermentning faol markaziga kiritilgan metall ionlarining oksidlanish-qaytarilish o'zgarishini kuzatish mumkin bo'ldi. Fotosintezni o'rganishda EPR spektroskopiyasi keng qo'llaniladi: reaktsiya markazlarida zaryadlarni ajratishning birlamchi bosqichlari mexanizmi va elektronlarni tashish zanjiri bo'ylab elektronlarni uzatish. Parromagnit zarralar ishtirokidagi reaktsiyalar mexanizmlarini o'rganishdan tashqari, EPR usuli makromolekulalar va biomembranalarning strukturaviy va dinamik xususiyatlarini o'rganish uchun keng qo'llaniladi.
So'nggi paytlarda biologik va polimer tizimlarni o'rganish uchun "paramagnitik zond", "spin yorliqlari" va "spin tuzoqlari" usullari tez-tez qo'llanilmoqda. Ularning barchasi turli xil tuzilishdagi barqaror nitrat kislota radikallaridan foydalanishga yoki aniqrog'i, ushbu radikallarning rotatsion va translyatsion diffuziyasi natijasida hosil bo'lgan EPR spektrlarining chiziq kengligidagi o'zgarishlarni tahlil qilishga asoslangan.