Elektronų paramagnetinio rezonanso spektroskopija. Taikymas dozimetrijai

Kaip šis metodas veikia? Remiantis kvantine mechanika, elektronas turi sukinį s=1/2 ir priešingo ženklo magnetines komponentes m_s=±1/2. Elektroną galime įsivaizduoti, kaip mažą strypinį magnetą ar magnetinį dipolį. Patalpinus bandinį, turintį nesuporuotų elektronų, į išorinį magnetinį lauką magnetiniai momentai orientuojasi magnetinio lauko arba priešinga magnetiniam laukui kryptimis ir sudaro skirtingos energijos lygmenis (1 pav.).

Energijų skirtumas tarp lygmenų priklauso nuo pridėto išorinio magnetinio lauko B dydžio. Daugiau elektronų yra mažesnės energijos lygmenyje. EPR spektras matuojamas nukreipus į bandinį fiksuoto dažnio ν (arba energijos,- hν) mikrobangų spinduliuotę ir keičiant išorinio magnetinio lauko dydį. Kai energijų skirtumas tarp lygmenų sutampa su mikrobangų spinduliuotės kvanto energija, tuomet pasireiškia nesuporuotų elektronų šuoliai iš žemesnės energijos lygmens į aukštesnės energijos lygmenį dėl MB spinduliuotės sugerties. Ši sąlyga vadinama rezonansu ir užrašoma formule

kur hν- mikrobangų kvanto energija, g - vadinamas g-faktoriumi, kuris charakterizuoja dalelės ar branduolio magnetinį momentą, β_e- konstanta, vadinama Boro magnetonu, B - išorinis magnetinis laukas, ΔE - energijų skirtumas tarp lygmenų išoriniame magnetiniame lauke.

g-faktorius laisvam elektronui (kurio neveikia jokios pašalinės jėgos ir elektronas turi tik sukinio kampinį momentą) yra viena tiksliausiai teoriškai ir eksperimentiškai įvertintų fundamentalių konstantų lygi g_e=2.002319.

Elektronas, esantis molekulėje ar kristale, taip pat turi ir orbitinį magnetinį momentą. Sukinio ir orbitinis magnetiniai momentai tarpusavyje sąveikauja. Tai vadinama sukinio ir orbitos sąveika. Tuomet pilnutinis magnetinis momentas priklauso nuo sukinio ir orbitinio magnetinių momentų. Tai lemia g-faktoriaus vertės nuokrypį nuo laisvojo elektrono g_e-faktorius vertės. Sukinio ir orbitos sąveikos indėlis priklauso nuo branduolio, turinčio nesuporuotą elektroną, dydžio. Taigi, organiniai laisvieji radikalai, turintys H, O, C ir N atomus turės mažą indėlį dėl sukinio ir orbitos sąveikos. Todėl g-faktorių vertės bus artimos g_e. Tuo tarpu, didesniems elementams, pvz., metalams, g-faktorių vertės gali žymiai skirtis nuo g_e. Taigi, kiekvienas paramagnetinis centras turi sau būdingas g-faktorius vertes, pagal kurias gali būti identifikuojamas bei charakterizuojamas.

Kristale ar molekulėje esantis nesuporuotas elektronas gali sąveikauti su aplinkiniais branduoliais, ar aplinkiniais nesuporuotais elektronais. Ši sąveika įtakoja EPR spektro struktūrą ir suteikia informaciją apie aplinką, supančią paramagnetinį centrą.

EPR spektroskopija gali būti taikoma dozimetrijoje siekiant įvertinti jonizuojančiosios spinduliuotės apšvitos dozę. Šiems taikymams naudojami amino rūgšties alanino tablečių ar juostelių pavidalo dozimetrai. Alanino dozimetrus paveikus jonizuojančiąja spinduliuote sukuriami stabilūs laisvieji radikalai, kurių skaičius proporcingas apšvitos dozei. Šių laisvųjų radikalų parametrai gali būti kiekybiškai įvertinti išmatavus mikrobangų sugerties spektrą pasitelkiant EPR spektroskopiją. Tipinis apšvitintame alanine išmatuotas EPR spektras pavaizduotas 2 paveiksle. Spektre lengvai išskiriamos 5 pagrindinės linijos (kurių intensyvumų santykis 1:4:6:4:1), kurios yra nulemtos nesuporuoto elektrono sąveikos su 4 susidariusio radikalo aplinkiniais protonais. Apšvitos dozė įvertinama išmatavus spektro intensyviausios smailės amplitudę ir palyginus su kalibracinėmis signalo vertėmis.