Elektron-Kern-Doppelresonanz

Die Elektron-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) ist eine Magnetresonanztechnik zur Aufklärung der molekularen und elektronischen Struktur paramagnetischer Spezies. ^{[ 1 ]} Die Technik wurde ursprünglich zur Auflösung von Wechselwirkungen in Elektronenspinresonanz- (ESR)-Spektren eingeführt. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Sie findet heute in verschiedenen Anwendungsbereichen Verwendung, vor allem in der Biophysik und der heterogenen Katalyse .

Im Standard-CWENDOR-Experiment (cwENDOR) wird eine Probe in ein Magnetfeld eingebracht und nacheinander mit Mikrowellen und anschließend mit Hochfrequenzstrahlung bestrahlt . Die Veränderungen werden dann durch die Überwachung der Variationen in der Polarisation des gesättigten EPR-Übergangs ( Elektronenparamagnetische Resonanz ) detektiert. ^{[ 4 ]}

ENDOR wird anhand eines Zwei-Spin-Systems veranschaulicht, das aus einem Elektron (S=1/2) und einem Proton (I=1/2) besteht, die mit einem angelegten Magnetfeld wechselwirken.

Der Hamiltonoperator für das oben erwähnte Zwei-Spin-System kann wie folgt beschrieben werden:

${\displaystyle {\mathcal {H}}_{\mathrm {0} }={\mathcal {H}}_{\mathrm {EZ} }+{\mathcal {H}}_{\mathrm {NZ} }+{\mathcal {H}}_{\mathrm {HFS} }+{\mathcal {H}}_{\mathrm {Q} }}$

Die vier Terme in dieser Gleichung beschreiben die Zeeman -Wechselwirkung der Elektronen (EZ), die Zeeman-Wechselwirkung der Atomkerne (NZ), die Hyperfeinwechselwirkung (HFS) bzw. die Quadrupolwechselwirkung der Atomkerne (Q). ^{[ 4 ]}

Die Zeeman-Wechselwirkung zwischen Elektronen beschreibt die Wechselwirkung zwischen dem Spin eines Elektrons und einem angelegten Magnetfeld. Die Zeeman-Wechselwirkung zwischen Kernen beschreibt die Wechselwirkung des magnetischen Moments des Protons mit einem angelegten Magnetfeld. Die Hyperfeinwechselwirkung ist die Kopplung zwischen dem Elektronenspin und dem Kernspin des Protons. Die Kernquadrupolwechselwirkung tritt nur in Kernen mit I > 1/2 auf.

ENDOR-Spektren enthalten Informationen über die Art der Kerne in der Nähe des ungepaarten Elektrons (NZ und EZ), über die Abstände zwischen den Kernen und über die Spindichteverteilung (HFS) sowie über den elektrischen Feldgradienten an den Kernen (Q).

Die rechte Abbildung zeigt das Energiediagramm des einfachsten Spinsystems, wobei a die isotrope Hyperfeinkopplungskonstante in Hertz (Hz) ist. Dieses Diagramm verdeutlicht die Zeeman- und Kernaufspaltungen sowie die Hyperfeinaufspaltung. In einem stationären ENDOR-Experiment wird ein EPR-Übergang (A, D), der sogenannte Beobachter, durch Mikrowellenstrahlung der Amplitude teilweise gesättigt , während ein anregendes Hochfrequenzfeld (HF-Feld) der Amplitude , die sogenannte Pumpe, Kernübergänge induziert. ^{[ 5 ]} Diese Übergänge finden bei den Frequenzen ω_A und ω_D statt und gehorchen den NMR-Auswahlregeln ω_A und ω_D. Es sind diese NMR-Übergänge, die von ENDOR über die Intensitätsänderungen des gleichzeitig bestrahlten EPR-Übergangs detektiert werden. Sowohl die Hyperfeinkopplungskonstante (a) als auch die Kern-Larmor-Frequenzen (ω_L ) werden mit der ENDOR-Methode bestimmt. ^{[ 6 ]}${\displaystyle \mathrm {B} _{\mathrm {1} }}$${\displaystyle \mathrm {B} _{\mathrm {2} }}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {1} }}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {2} }}$${\displaystyle \Delta M_{I}=\pm 1}$${\displaystyle \Delta M_{S}=0}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {n} }}$

${\displaystyle \nu _{\mathrm {1} }=|\nu _{\mathrm {n} }-a/2|}$

${\displaystyle \nu _{\mathrm {2} }=|\nu _{\mathrm {n} }+a/2|}$

Eine Voraussetzung für ENDOR ist die partielle Sättigung sowohl der EPR- als auch der NMR-Übergänge, die durch

${\displaystyle \gamma _{e}^{2}B_{1}^{2}T_{1e}T_{2e}\geq {1}}$

Und

${\displaystyle \gamma _{n}^{2}B_{2}^{2}T_{1n}T_{2n}\geq {1}}$^{[ 5 ]}

Dabei sind und das gyromagnetische Verhältnis von Elektron bzw. Atomkern. ist das Magnetfeld des Beobachters (Mikrowellenstrahlung), während das Magnetfeld der Pumpe (Hochfrequenzstrahlung) ist. und sind die Spin-Gitter-Relaxationszeiten für Elektron bzw. Atomkern. und sind die Spin-Spin-Relaxationszeiten für Elektron bzw. Atomkern. ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {e} }}$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {n} }}$${\displaystyle B_{1}}$${\displaystyle B_{2}}$${\displaystyle T_{\mathrm {1e} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {1n} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {2e} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {2n} }}$

Die ENDOR-induzierte EPR (EI-EPR) zeigt ENDOR-Übergänge in Abhängigkeit vom Magnetfeld. Beim Durchlaufen des EPR-Spektrums mit einem Magnetfeld folgt die Frequenz der Zeeman-Frequenz des Atomkerns. EI-EPR-Spektren können auf zwei Arten aufgenommen werden: (1) Differenzspektren ^{[ 7 ]} und (2) frequenzmoduliertes Hochfrequenzfeld ohne Zeeman-Modulation.

^{Diese von Hyde [ 7 ]} entwickelte Technik eignet sich besonders zur Trennung überlappender EPR-Signale, die von verschiedenen Radikalen, Molekülkonformationen oder magnetischen Zentren herrühren. EI-EPR-Spektren erfassen Änderungen der Amplitude einer ENDOR-Linie der paramagnetischen Probe in Abhängigkeit vom Magnetfeld. Daher entspricht das Spektrum jeweils nur einer Spezies. ^{[ 5 ]}

Die Doppel-Elektronen-Kern-Doppelresonanz (Double ENDOR) erfordert das Anlegen zweier Hochfrequenzfelder (RF1 und RF2) an die Probe. Die Änderung der Signalintensität von RF1 wird beobachtet, während RF2 durch das Spektrum variiert wird. ^{[ 5 ]} Die beiden Felder sind senkrecht zueinander ausgerichtet und werden durch zwei abstimmbare Resonanzkreise gesteuert, die unabhängig voneinander eingestellt werden können. ^{[ 8 ]} In Spin-Entkopplungsexperimenten ^{[ 9 ]} sollte die Amplitude des Entkopplungsfeldes so groß wie möglich sein. Bei Untersuchungen von Mehrfachquantenübergängen hingegen sollten beide Hochfrequenzfelder maximiert werden.

Diese Technik wurde erstmals von Cook und Whiffen ^{[ 10 ]} vorgestellt und wurde so konzipiert, dass die relativen Vorzeichen der hf-Kopplungskonstanten in Kristallen bestimmt und überlappende Signale getrennt werden können.

Die CP-ENDOR-Technik nutzt zirkular polarisierte HF-Felder. Zwei linear polarisierte Felder werden durch HF-Ströme in zwei parallel zum Magnetfeld ausgerichteten Drähten erzeugt. Die Drähte werden zu Halbschleifen verbunden, die sich in einem 90°-Winkel kreuzen. Diese Technik wurde von Schweiger und Günthard entwickelt, um die Dichte der ENDOR-Linien in einem paramagnetischen Spektrum zu vereinfachen. ^{[ 11 ]}

Polarisationsmodulierte ENDOR (PM-ENDOR) verwendet zwei zueinander senkrechte HF-Felder mit ähnlichen Phasensteuereinheiten wie CP-ENDOR. Es wird jedoch ein linear polarisiertes HF-Feld verwendet, das sich in der xy-Ebene mit einer Frequenz dreht, die unterhalb der Modulationsfrequenz des HF-Trägers liegt. ^{[ 5 ]}

In polykristallinen Medien oder gefrorenen Lösungen kann ENDOR räumliche Beziehungen zwischen den gekoppelten Atomkernen und Elektronenspins aufzeigen. Dies ist in Festphasen möglich, da das EPR-Spektrum durch die Beobachtung aller Orientierungen paramagnetischer Spezies entsteht und somit von großen anisotropen Wechselwirkungen dominiert wird. In flüssigen Proben ist dies nicht der Fall, da hier keine räumlichen Beziehungen möglich sind. Solche räumlichen Anordnungen erfordern die Aufnahme der ENDOR-Spektren bei verschiedenen Magnetfeldstärken innerhalb des EPR-Pulverdiagramms. ^{[ 12 ]}

Die traditionelle Konvention der Magnetresonanz sieht vor, dass sich die Paramagnete entlang des externen Magnetfelds ausrichten. In der Praxis ist es jedoch einfacher, die Paramagnete als fixiert und das externe Magnetfeld als Vektor zu betrachten. Zur Bestimmung der Positionsbeziehungen sind drei separate, aber zusammenhängende Informationen erforderlich: ein Ursprung, der Abstand von diesem Ursprung und die Richtung dieses Abstands. ^{[ 6 ]} Der Ursprung kann in dieser Erklärung als die Position des lokalisierten ungepaarten Elektrons eines Moleküls betrachtet werden. Um die Richtung vom lokalisierten ungepaarten Elektron zum spinaktiven Atomkern zu bestimmen (ungepaarte Elektronen sind selbst spinaktiv), verwendet man das Prinzip der magnetischen Winkelselektion. Der genaue Wert von θ wird wie folgt berechnet (siehe rechts):

Bei θ = 0° enthalten die ENDOR-Spektren nur die Komponente der Hyperfeinkopplung, die parallel zu den axialen Protonen und senkrecht zu den äquatorialen Protonen verläuft. Bei θ = 90° enthalten die ENDOR-Spektren nur die Komponente der Hyperfeinkopplung, die senkrecht zu den axialen Protonen und parallel zu den äquatorialen Protonen verläuft. Der Elektron-Kern-Abstand (R) in Metern entlang der Wechselwirkungsrichtung wird durch die Punkt-Dipol-Näherung bestimmt. Diese Näherung berücksichtigt die magnetischen Wechselwirkungen der beiden magnetischen Dipole durch den Raum. Die Bestimmung von R ergibt den Abstand vom Ursprung (lokalisiertes ungepaartes Elektron) zum spinaktiven Kern. Die Punkt-Dipol-Näherungen werden mithilfe der folgenden Gleichung auf der rechten Seite berechnet:

Die ENDOR-Technik wurde zur Charakterisierung der räumlichen und elektronischen Struktur metallhaltiger Zentren eingesetzt. Beispiele hierfür sind paramagnetische Metallionen/-komplexe, die für die Katalyse eingesetzt werden; Metallcluster, die magnetische Materialien erzeugen; eingefangene Radikale, die als Sonden zur Untersuchung der Säure-Base-Eigenschaften von Oberflächen dienen; Farbzentren und Defekte, wie sie beispielsweise in Ultramarinblau und anderen Edelsteinen vorkommen; sowie katalytisch gebildete, eingefangene Reaktionszwischenprodukte, die den Reaktionsmechanismus detailliert aufklären. Die Anwendung von gepulster ENDOR auf Festkörperproben bietet gegenüber CW-ENDOR zahlreiche Vorteile. Zu diesen Vorteilen zählen die Erzeugung verzerrungsfreier Linienformen, die Manipulation von Spins durch verschiedene Pulssequenzen und die Unabhängigkeit von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Elektronen- und Kernspinrelaxationsraten und der zugeführten Leistung (bei ausreichend langen Relaxationszeiten). ^{[ 12 ]}

HF-gepulste ENDOR wird im Allgemeinen auf biologische und verwandte Modellsysteme angewendet. Die Anwendungen konzentrieren sich primär auf die Biologie, insbesondere auf photosynthesebezogene Radikale oder paramagnetische Metallionenzentren in Metalloenzymen oder Metalloproteinen. ^{[ 13 ]} Weitere Anwendungen finden sich bei Kontrastmitteln für die Magnetresonanztomographie . HF-ENDOR dient als Charakterisierungsmethode für poröse Materialien, für die elektronischen Eigenschaften von Donoren/Akzeptoren in Halbleitern und für die elektronischen Eigenschaften von endohedralen Fullerenen . Die Substitution von Metallionen im Gerüst mittels W-Band-ENDOR liefert experimentelle Belege dafür, dass sich ein Metallion im tetraedrischen Gerüst und nicht in einer Kationenaustauschposition befindet. Der Einbau von Übergangsmetallkomplexen in das Gerüst von Molekularsieben ist von Bedeutung, da er zur Entwicklung neuer Materialien mit katalytischen Eigenschaften führen könnte. ENDOR wurde, angewendet auf eingefangene Radikale, zur Untersuchung von NO mit Metallionen in der Koordinationschemie , Katalyse und Biochemie eingesetzt. ^{[ 12 ]}

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