Биофизические методы исследования в судебной медицине

Ã.À.ÏÀØÈÍßÍ, Ã.Í.ÍÀÇÀÐÎÂ

ÁÈÎÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß Â ÑÓÄÅÁÍÎÉ ÌÅÄÈÖÈÍÅ

Èæåâñê “Ýêñïåðòèçà” 1999

ÏÀØÈÍßÍ Ã.À. - çàñëóæåííûé äåÿòåëü íàóêè ÐÔ, äîêòîð ìåä. íàóê, ïðîôåññîð ÍÀÇÀÐΠÃ.Í. - êàíäèäàò ìåä. íàóê, äîöåíò

Ïàøèíÿí Ã.À., Íàçàðîâ Ã.Í. Áèîôèçè÷åñêèå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ â ñóäåáíîé ìåäèöèíå. – Èæåâñê: “Ýêñïåðòèçà”, 1999.178 ñ.

 êíèãå ïðèâåäåíû äàííûå îá àïðîáàöèè íåêîòîðûõ áèîôèçè÷åñêèõ ìåòîäîâ (ýëåêòðîííûé ïàðàìàãíèòíûé ðåçîíàíñ, õåìèëþìèíåñöåíöèÿ, ýëåêòðîïðîâîäíîñòü, êîìïëåêñíàÿ îòíîñèòåëüíàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü è ïðîâîäèìîñòü, êîýôôèöèåíò ïîëÿðèçàöèè, òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòü è òåïëîïðîâîäíîñòü) ïðè ðåøåíèè ðÿäà íàèáîëåå àêòóàëüíûõ âîïðîñîâ (óñòàíîâëåíèå äàâíîñòè íàñòóïëåíèÿ ñìåðòè, ïðèæèçíåííîñòè è äàâíîñòè ïðè÷èíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé òðàâìû) íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì è ïðàêòè÷åñêîì ñóäåáíî-ìåäèöèíñêîì ìàòåðèàëàõ. Èçëîæåíû ïðàêòè÷åñêèå ðåêîìåíäàöèè ïî ïîäãîòîâêå è èññëåäîâàíèþ áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ, îöåíêå ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèÿ. Êíèãà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ñóäåáíî-ìåäèöèíñêèõ ýêñïåðòîâ, ïðåïîäàâàòåëåé êàôåäð ñóäåáíîé ìåäèöèíû, þðèñòîâ.

Èçäàòåëüñêàÿ ëèöåíçèÿ ËÓ ¹ 066 îò 05.04.99 ã. Áåç îáúÿâë.

© Ïàøèíÿí Ã.À., Íàçàðîâ Ã.Í. © “Ýêñïåðòèçà”

ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ Ââåäåíèå……………………………………….……….......................…4 Ãëàâà 1. Ìåòîä ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà…...6 1.1. Ýëåìåíòû òåîðèè ÝÏÐ………………………………………….....8 1.2. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ÝÏÐ-ñïåêòðîñêîïèè…………….......…16 1.3. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÝÏÐ â áèîëîãèè…………………….....24 1.4. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÝÏÐ â ìåäèöèíå…………………....…36 1.5. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÝÏÐ â ñóäåáíîé ìåäèöèíå……...…46 1.5.1. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÝÏÐ ïðè óñòàíîâëåíèè ÄÍÑ…...46 1.5.2. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÝÏÐ ïðè óñòàíîâëåíèè ïðèæèçíåííîñòè è äàâíîñòè ïðè÷èíåíèÿ òåëåñíûõ ïîâðåæäåíèé.....54 1.6. Ïîäãîòîâêà îáðàçöîâ è èññëåäîâàíèå ìåòîäîì ÝÏÐ....…69 Ãëàâà 2. Ìåòîä õåìèëþìèíåñöåíöèè………………....................75 2.1. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû ìåòîäà õåìèëþìèíåñöåíöèè….....76 2.2. Èíòåíñèâíîñòü õåìèëþìèíåñöåíöèè â çàâèñèìîñòè îò íåêîòîðûõ ñîñòîÿíèé îðãàíèçìà………………………………......…81 2.3. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà õåìèëþìèíåñöåíöèè â ñóäåáíîé ìåäèöèíå……………...….............................................................83 Ãëàâà 3. Ìåòîä èçìåðåíèÿ ýëåêòðîïðîâîäíîñòè………...........116 Ãëàâà 4. Äðóãèå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ áèîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ îðãàíîâ è òêàíåé ÷åëîâåêà è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ æèâîòíûõ…....................................................................................126 4.1. Ìåòîä îïðåäåëåíèÿ êîìïëåêñíîé îòíîñèòåëüíîé äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè è ïðîâîäèìîñòè â äèàïàçîíå ñâåðõâûñîêèõ ÷àñòîò…………………………………………............126 4.2. Ìåòîä îïðåäåëåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïîëÿðèçàöèè áèîëîãè÷åñêîé òêàíè……………………………………………..................140 4.3. Ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ òåïëîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ…………………………………………….............152 Çàêëþ÷åíèå………………………………………..............................161 Ëèòåðàòóðà…………………………………………........................….166

Ââåäåíèå

Ñòð. 4 Ââåäåíèå

 ïîñëåäíèå ãîäû ïîâûøåííîå âíèìàíèå ìíîãèõ îòå÷åñòâåííûõ è çàðóáåæíûõ èññëåäîâàòåëåé áûëî îáðàùåíî íà àïðîáàöèþ è âíåäðåíèå â ðàçëè÷íûå ìåäèöèíñêèå ñïåöèàëüíîñòè øèðîêîãî êðóãà ñîâðåìåííûõ ëàáîðàòîðíûõ ìåòîäîâ, îñíîâàííûõ íà äîñòèæåíèÿõ áèîëîãèè, áèîôèçèêè, ìîðôîëîãèè, ìàòåìàòèêè è äðóãèõ íàóê, ñ öåëüþ ðåøåíèÿ ìíîãèõ àêòóàëüíûõ ïðîáëåì.  ñóäåáíîé ìåäèöèíå ê òàêèì íåðåøåííûì ïðîáëåìàì ñëåäóåò îòíåñòè óñòàíîâëåíèå äàâíîñòè íàñòóïëåíèÿ ñìåðòè, îïðåäåëåíèå ïðèæèçíåííîñòè è äàâíîñòè ïðè÷èíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé òðàâìû, â îñîáåííîñòè â ñëó÷àÿõ ãíèëîñòíîé òðàíñôîðìàöèè òðóïà. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ïðèìåíÿåìûõ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìåòîäîâ ÿâëÿåòñÿ îãðàíè÷åííàÿ èíôîðìàòèâíîñòü èëè íåâîçìîæíîñòü èõ ïðèìåíåíèÿ â îòäàëåííûå ñðîêè, ïðîøåäøèå ïîñëå íàñòóïëåíèÿ ñìåðòè. Çíà÷èòåëüíûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ, ïîçâîëÿþùèå îïðåäåëÿòü ôóíêöèîíàëüíîå ñîñòîÿíèå îðãàíîâ è òêàíåé òðóïà íà ìîëåêóëÿðíîì è ñóáìîëåêóëÿðíîì óðîâíå ïðè ðàçëè÷íûõ âîçäåéñòâèÿõ. Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ ñóäåáíîé ìåäèöèíû íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûìè ÿâëÿþòñÿ áèîôèçè÷åñêèå ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ áèîõåìèëþìèíåñöåíöèè, àêòèâíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, íèçêî÷àñòîòíîé ýëåêòðè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè, êîýôôèöèåíòà ïîëÿðèçàöèè, êîìïëåêñíîé îòíîñèòåëüíîé äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè, ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà, êîýôôèöèåíòà ïîëÿðèçàöèè, ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ òåïëîâîãî èìïóëüñà è äð. Ñ êîíöà 60-õ ãîäîâ â ëèòåðàòóðå ïî ñóäåáíîé ìåäèöèíå âñòðå÷àþòñÿ ïóáëèêàöèè îòå÷åñòâåííûõ ó÷åíûõ ñ ðåçóëüòàòàìè ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé áèîôèçè÷åñêèìè ìåòîäàìè. Íà êàôåäðàõ ñóäåáíîé ìåäèöèíû 2 Ìîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî ìåäèöèíñêîãî èíñòèòóòà èì. Í.È.Ïèðîãîâà (íûíå Ðîññèéñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî ìåäèöèíñêîãî óíèâåðñèòåòà) è Ìîñêîâñêîãî ìåäèöèíñêîãî ñòîìàòîëîãè÷åñêîãî èíñòèòóòà ïîä ðóêîâîäñòâîì ïðîôåññîðà Ã.À.Ïàøèíÿíà áûë îñóùåñòâëåí öèêë íàó÷íûõ áèîôèçè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, çàâåðøèâøèõñÿ óñïåøíîé çàùèòîé 10 êàíäèäàòñêèõ äèññåðòàöèé. Îñíîâíàÿ íàøà çàäà÷à çàêëþ÷àëàñü â îáîáùåíèè ðåçóëüòàòîâ ïðîâåäåííûõ íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé è â äåìîíñòðàöèè èõ ïðèìåíåíèÿ â ïðàêòèêå ñóäåáíî-ìåäèöèíñêîé ýêñïåðòèçû.

Ââåäåíèå

Ñòð. 5

Èñïîëüçîâàíèå áèîôèçè÷åñêèõ ìåòîäîâ ïðè ðåøåíèè çàäà÷ ñóäåáíîé ìåäèöèíû âî ìíîãîì çàâèñèò îò òåõíè÷åñêîé îñíàùåííîñòè è íàëè÷èÿ â ñóäåáíî-ìåäèöèíñêèõ ó÷ðåæäåíèÿõ ïîäãîòîâëåííûõ ñïåöèàëèñòîâ, âëàäåþùèõ ýòèìè ìåòîäàìè. Ìîíîãðàôèÿ áóäåò ïîëåçíà ñóäåáíî-ìåäèöèíñêèì ýêñïåðòàì è ðàáîòíèêàì ïðàâîîõðàíèòåëüíûõ îðãàíîâ. Çà âñå êðèòè÷åñêèå çàìå÷àíèÿ è ïîæåëàíèÿ àâòîðû çàðàíåå ïðèíîñÿò ñâîþ áëàãîäàðíîñòü.

Ãëàâà 1

Ñòð. 6 Ãëàâà 1. ÌÅÒÎÄ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÃÎ ÏÀÐÀÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÐÅÇÎÍÀÍÑÀ.

Áèîôèçè÷åñêèå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ íàøëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå â êëèíè÷åñêîé è ýêñïåðèìåíòàëüíîé ìåäèöèíå ïðè èçó÷åíèè îðãàíèçìà ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ íà ñèñòåìíîì, îðãàííîì, êëåòî÷íîì è ñóáêëåòî÷íîì óðîâíÿõ. Áóðíîå ðàçâèòèå ôèçèêè è õèìèè çà ïîñëåäíèå ÷åòâåðòü âåêà îòêðûëè íîâûå, ïîèñòèíå íåáûâàëûå âîçìîæíîñòè äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â áèîëîãè÷åñêèõ è ìåäèöèíñêèõ èññëåäîâàíèÿõ ôèçè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ìåòîäîâ, êîòîðûå ïîçâîëÿëè íàóêàì áèîëîãè÷åñêîãî ïðîôèëÿ ïåðåéòè íà ìîëåêóëÿðíûé óðîâåíü èçó÷åíèÿ æèâîé è ìåðòâîé ìàòåðèè. Ñòðóêòóðà îðãàíè÷åñêèõ ìîëåêóë, èõ áèîëîãè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü è âçàèìîîòíîøåíèÿ ìåæäó íèìè îïðåäåëÿþòñÿ â ïåðâóþ î÷åðåäü êîíôèãóðàöèÿìè ýëåêòðîííûõ îðáèòàëåé è èõ èçìåíåíèÿìè.  ñâÿçè ñ ýòèì ëþáîé ìåòîä, ïîçâîëÿþùèé ïðîíèêíóòü â ïðèðîäó ñòðîåíèÿ ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê, èìååò îñíîâàíèå ñòàòü âàæíûì îðóäèåì áèîëîãè÷åñêîãî è ìåäèöèíñêîãî ýêñïåðèìåíòà. Îñíîâó ìàãíèòîðåçîíàíñíûõ ìåòîäîâ ñîñòàâëÿåò ïîãëîùåíèå ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí ìèêðîâîëíîâîãî è ðàäèî÷àñòîòíîãî äèàïàçîíîâ â ïðèñóòñòâèè âíåøíåãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïåðâûå ýêñïåðèìåíòû íà êîíäåíñèðîâàííûõ îáðàçöàõ áûëè âûïîëíåíû Çàâîéñêèì â 1944 ãîäó. Äàëüíåéøåå áûñòðîå ðàçâèòèå ýòè ìåòîäû ïîëó÷èëè áëàãîäàðÿ óñïåõàì, äîñòèãíóòûì â ìèêðîâîëíîâîé òåõíèêå. Îäíèì èç íàèáîëåå øèðîêî ïðèìåíÿåìûõ ìåòîäîâ â áèîõèìè÷åñêèõ è áèîôèçè÷åñêèõ èññëåäîâàíèÿõ ÿâëÿåòñÿ ìåòîä ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà (ÝÏÐ). Îí õîðîøî çàðåêîìåíäîâàë ñåáÿ ïðè èññëåäîâàíèè áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ, ïðîñò â èñïîëíåíèè, òðåáóåò ìàëîé çàòðàòû âðåìåíè è ïðîáû èññëåäóåìîãî ìàòåðèàëà, îáëàäàåò âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ.  50-å ãîäû ìåòîä áûë óæå ïðèìåíåí äëÿ áèîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé (Áëþìåíôåëüä Ë.À., Êàëìàíñîí Ë.Ý., 1957; Commoner B., Taungend J.F., Pake J., 1954). Ïðè ïîìîùè ÝÏÐ ìîæíî èçó÷àòü ëèøü îáúåêòû, îáëàäàþùèå íåñïàðåííûìè ýëåêòðîíàìè; òàêîâûìè ÿâëÿþòñÿ ñâîáîä-

Ãëàâà 1

Ñòð. 7

íûå ðàäèêàëû è ñîåäèíåíèÿ, âêëþ÷àþùèå èîíû ïåðåõîäíûõ ìåòàëëîâ (Äàâèä Ð., 1982).  çàâèñèìîñòè îò èçó÷àåìîãî îáúåêòà ìîæíî âûäåëèòü òðè îñíîâíûõ òèïà èññëåäîâàíèé: ∙ àíàëèç ñâîáîäíûõ ðàäèêàëîâ, â íîðìå ïðèñóòñòâóþùèõ â æèâîì îðãàíèçìå; ∙ èññëåäîâàíèÿ ìåòàëëîïðîòåèäîâ (áåëêîâ, ñîäåðæàùèõ èîíû ìåòàëëîâ, ãëàâíûì îáðàçîì æåëåçà, ìåäè è ðåæå ìàðãàíöà); ∙ èññëåäîâàíèÿ ïàðàìàãíèòíûõ êëåòîê, èñêóññòâåííî ââîäèìûõ â èçó÷àåìóþ ñèñòåìó, ñ òåì, ÷òî áû óñòàíîâèòü ìåõàíèçì ðåàêöèè èëè ìåñòî ñâÿçûâàíèÿ îïðåäåëåííîãî ñîåäèíåíèÿ (íàïðèìåð, âûÿâèòü ïðèðîäó àêòèâíîãî öåíòðà). Ìåòîä ñïèíîâûõ ìåòîê - ñîåäèíåíèÿ, êîòîðûå îáû÷íî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ðàçëè÷íûå íèòðîêñèëüíûå ðàäèêàëû, ÿâëÿåòñÿ ñâîåãî ðîäà ñïîñîáîì “çîíäèðîâàíèÿ” êðóïíûõ ìîëåêóë. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ìåòêàìè ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå (ðèñ. 1):

Ðèñ. 1. (ïîÿñíåíèå â òåêñòå) Ïðè íàëîæåíèè âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ E íàáëþäàåòñÿ ðåçîíàíñíîå ïîãëîùåíèå ýíåðãèè íåñïàðåííûìè ýëåêòðîíàìè ðàäèêàëà, êîòîðîå ïðîèñõîäèò ïðè ÷àñòîòå v, òàêîé, ÷òî EO=hn=gb BO, ãäå EO - ïîãëîùàåìàÿ ýíåðãèÿ ìèêðîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ.  ðàñòâîðå âðåìÿ êîððåëÿöèè (îáû÷íî ìåíÿþùååñÿ îò 10-6 äî 10-1 ñ) ñâÿçàíî ñ àáñîëþòíîé òåìïåðàòóðîé è âÿçêîñòüþ ñëåäóþùèì îáðàçîì:

t=

4pha 3 3kT

,

(1)

Ãëàâà 1

Ñòð. 8

ãäå à - ðàäèóñ ìîëåêóëû. Ìåòîäû èñïîëüçîâàíèÿ ìåòîê òàêæå ðàçëè÷àþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò îáúåêòîâ èññëåäîâàíèÿ. Äëÿ èçó÷åíèÿ ïåðåõîäîâ ìåæäó ìåçîìîðôíûìè ôàçàìè (êàê ïðàâèëî, äèàìàãíèòíûìè) â íèõ âíåäðÿþò ñïèíîâûå ìåòêè è ñëåäÿò çà ðåçêèìè èçìåíåíèÿìè ñèãíàëà ÝÏÐ, ñîïðîâîæäàþùèìè ôàçîâûå ïåðåõîäû. Ïðè èññëåäîâàíèè ôîñôîëèïèäîâ, íàïðèìåð ëåöèòèíà èëè ôîñôàòèäèëõîëèíà, èõ âìåñòå ñ ìåòêîé ðàñòâîðÿþò â CH3OH èëè â CHCl 3, à çàòåì èñïàðÿþò ðàñòâîðèòåëü, íàíåñÿ ðàñòâîð íà ïîäëîæêó èç äèàìàãíèòíîãî ìàòåðèàëà. Ïðè èññëåäîâàíèè áèîëîãè÷åñêèõ ìåìáðàí ìåòîä ñïèíîâûõ ìåòîê èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçó÷åíèÿ îäíîãî èç âíóòðèìîëåêóëÿðíûõ ñâîéñòâ óãëåâîäîðîäíûõ öåïî÷åê ìîëåêóë ôîñôîëèïèäîâ, õîòÿ ïðè ïîìîùè ÝÏÐ ìîæíî èññëåäîâàòü è ýòè ìîëåêóëû â öåëîì, ñëåäèòü çà èõ ïðîíèêíîâåíèåì â ìåìáðàíó, ÷òî ïðåäñòàâëÿåò áîëüøîé áèîëîãè÷åñêèé èíòåðåñ. Ïðè èçó÷åíèè ôîðìû ñïåêòðà ÝÏÐ óäàåòñÿ ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ î ñòðîåíèè ïàðàìàãíèòíûõ öåíòðîâ, î âçàèìîäåéñòâèè èõ ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé è î ñàìîé ýòîé ñðåäå. Äëÿ ïðàâèëüíîãî ïîíèìàíèÿ ñóùíîñòè ìåòîäà ÝÏÐ è èíòåðïðåòàöèè ïîëó÷àåìûõ ñ åãî ïîìîùüþ äàííûõ, ìû ïîñ÷èòàëè öåëåñîîáðàçíûì ðàññìîòðåòü íåêîòîðûå ýëåìåíòû òåîðèè âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîíîâ ñ âíåøíèì ìàãíèòíûì ïîëåì. 1.1. Ýëåìåíòû òåîðèè ÝÏÐ ßâëåíèÿ ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà çàêëþ÷àåòñÿ â ðåçîíàíñíîì ïîãëîùåíèè ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ â ðàäèî÷àñòîòíîì äèàïàçîíå ÷àñòèöàìè ïàðàìàãíèòíîãî âåùåñòâà ïðè äåéñòâèè íà íåãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Óñòàíîâëåíî, ÷òî íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû ñîäåðæàò áîëüøîå êîëè÷åñòâî áèîëîãè÷åñêè àêòèâíûõ âåùåñòâ, êîòîðûå îáëàäàþò ïàðàìàãíèòíûìè ñâîéñòâàìè. Ñëåäîâàòåëüíî, èõ ó÷àñòèå â áèîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ è èõ ñîñòîÿíèå ìîæåò áûòü èññëåäîâàíî ìåòîäîì ÝÏÐ. Êàæäûé íåñïàðåííûé ýëåêòðîí îáëàäàåò ìàãíèòíûì ìîìåíòîì, ñâÿçàííûì ñî ñïèíîì. Ñïèíîì íàçûâàþò ñîáñòâåííûé ìîìåíò êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ ýëåêòðîíà âîêðóã îñè âðàùåíèÿ. Ïðè íàëîæåíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ (H) íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû ðàñïðåäåëÿþòñÿ ïî äâóì ðàçëè÷íûì ýíåðãåòè÷åñ-

Ãëàâà 1

Ñòð. 9

êèì óðîâíÿì ñ àíòèïàðàëëåëüíûì íàïðàâëåíèåì ñïèíà. Ïîñêîëüêó íå âñå âåùåñòâà ñîäåðæàò ñîáñòâåííî ïàðàìàãíèòíûå öåíòðû, òî äëÿ ïîëó÷åíèÿ âîçìîæíîñòè èõ èññëåäîâàòü ìåòîäîì ÝÏÐ òàêèå öåíòðû ñòàëè ââîäèòü èçâíå è íàçûâàòü ñïèíîâûìè çîíäàìè èëè ìåòêàìè, à ñàìó óêàçàííóþ òåõíèêó - ìåòîäîì ñïèíîâîãî çîíäà èëè ñïèíîâîé ìåòêè. Ñïèíîâûìè ìåòêàìè ìîæíî ñ÷èòàòü íèòðîêñèëüíûå ðàäèêàëû, êîâàëåíòíûìè ñâÿçÿìè õèìè÷åñêè ïðî÷íî ñâÿçàííûå ñ áèîëîãè÷åñêè àêòèâíûìè ìîëåêóëàìè. Åñëè èìååòñÿ ëèøü ôèçè÷åñêîå âçàèìîäåéñòâèå ñ èññëåäóåìûìè ìîëåêóëàìè, òî òàêèå ðàäèêàëû íîñÿò íàçâàíèå ñïèíîâûõ çîíäîâ. Ýëåêòðîíû äâóõ ðàçëè÷íûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé áóäóò îáëàäàòü ðàçëè÷íîé ýíåðãèåé, òàê êàê ïðè îðèåíòàöèè ìàãíèòíîãî ìîìåíòà ïàðàëëåëüíî ìàãíèòíîìó ïîëþ ýíåðãèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ óìåíüøàåòñÿ, à ïðè îðèåíòàöèè âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïðîèñõîäèò ðàñùåïëåíèå ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Åñëè íà îáúåêò, ñîäåðæàùèé íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû, ïîìåùåííûé â ñèëüíîå îäíîðîäíîå ìàãíèòíîå ïîëå (H=3000 ýðñòåä), ïîäàòü ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå òàêîé çàäàííîé ÷àñòîòû, ÷òîáû êâàíò ýíåðãèè hn áûë ðàâåí ðàçíîñòè ìåæäó äâóìÿ ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè îáåèõ ãðóïï, òî ýòî è áóäåò òàê íàçûâàåìîé ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòîé. Çà ñ÷åò ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû, íàõîäÿùèåñÿ íà íèçêîì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå, ïåðåõîäÿò íà áîëåå âûñîêèé ñ îäíîâðåìåííûì èçìåíåíèåì íàïðàâëåíèÿ ñïèíà. Ýòî ïîãëîùåíèå ýíåðãèè ýëåêòðîíàìè ìîæåò áûòü îáíàðóæåíî ïî èçìåíåíèþ ìîùíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ñèñòåìó, è çàðåãèñòðèðîâàíî êàêèì-ëèáî ñïîñîáîì, ïðèíÿòûì â àáñîðáöèîííîé ðàäèîñïåêòðîìåòðèè. Ñïåêòðû ÝÏÐ õàðàêòåðèçóþòñÿ òðåìÿ îñíîâíûìè ïàðàìåòðàìè: èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâíîñòüþ, øèðèíîé ëèíèè è äð., gôàêòîðîì ñïåêòðîñêîïè÷åñêîãî ðàñùåïëåíèÿ. Âåùåñòâà, ñîäåðæàùèå íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû, ïîãëîùàþò ïàäàþùåå íà íèõ ìèêðîâîëíîâîå èçëó÷åíèå, êîòîðîå ïðîïîðöèîíàëüíî ðàçíèöå “çàñåëåííîñòè” ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ âåëè÷èíà ïîãëîùåíèÿ ýëåêòðîíîâ çàâèñèò îò èõ êîëè÷åñòâà, ÷òî ïîçâîëÿåò ñóäèòü î êîíöåíòðàöèè íåñïàðåííûõ ýëåêòðîíîâ â îáðàçöå. Äâå ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ñ îäíîé è òîé æå èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâíîñòüþ ìîãóò èìåòü ñîâåðøåííî ðàçíóþ ôîðìó: îäíà ìîæåò áûòü ïîëîãîé è “ðàç-

Ãëàâà 1

Ñòð. 10

ìàçàííîé”, äðóãàÿ - óçêîé è àññèìåòðè÷íîé. Òàêèì îáðàçîì, øèðèíà ëèíèè ÿâëÿåòñÿ äîïîëíèòåëüíûì ïàðàìåòðîì, õàðàêòåðèçóþùèì óñëîâèÿ ïîãëîùåíèÿ. Ñóùåñòâóåò äâà âèäà âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîíîâ, îêàçûâàþùèõ íà óøèðåíèå ðåçîíàíñíîé ëèíèè îïðåäåëåííîå âëèÿíèå. Èìè ÿâëÿþòñÿ ñïèí-ðåøåòî÷íîå è ñïèí-ñïèíîâîå âçàèìîäåéñòâèå. Øèðèíà ëèíèè íåïîñðåäñòâåííî îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíèöåé ìåæäó ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè, çàíèìàåìûõ íåñïàðåííûìè ýëåêòðîíàìè è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîçâîëÿåò ñóäèòü î ðåàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê íåèçáåæíîìó “ðàçìàçûâàíèþ” ëèíèè. Äðóãèì âàæíûì ïàðàìåòðîì, õàðàêòåðèçóþùèì ëèíèþ ïîãëîùåíèÿ, ÿâëÿåòñÿ ïîëîæåíèå òî÷êè ìàêñèìàëüíîãî ïîãëîùåíèÿ. Èñõîäÿ èç ôîðìóëû (1):

hn = g b H ,

(2)

î÷åâèäíî, ÷òî åñëè ìèêðîâîëíîâàÿ ÷àñòîòà ïîääåðæèâàåòñÿ ïîñòîÿííîé, òî åäèíñòâåííûìè ïàðàìåòðàìè, êîòîðûå ìîãóò èçìåíÿòü óñëîâèÿ ðåçîíàíñà (1), ÿâëÿþòñÿ íàïðÿæåííîñòü ïðèëîæåííîãî èçâíå ìàãíèòíîãî ïîëÿ (H) è âåëè÷èíà g-ôàêòîðà. Ñëåäîâàòåëüíî, çíà÷åíèå ïîëÿ, ïðè êîòîðîì èìååò ìåñòî ðåçîíàíñ, îïðåäåëÿåò âåëè÷èíó g-ôàêòîðà äëÿ äàííîãî ñâîáîäíîãî íåñïàðåííîãî ýëåêòðîíà èëè íåñïàðåííîãî ýëåêòðîíà, ñâÿçàííîãî ñ àòîìîì èëè ìîëåêóëîé. Òåîðåòè÷åñêè äîêàçàíî, ÷òî âåëè÷èíà g-ôàêòîðà ñâîáîäíîãî íåñïàðåííîãî ýëåêòðîíà ðàâíà 2,0023. Âî ìíîãèõ ñâîáîäíûõ ðàäèêàëàõ, ó êîòîðûõ íåñïàðåííûé ýëåêòðîí âðàùàåòñÿ ïî ñèëüíî äåëîêàëèçîâàííûì îðáèòàëÿì, çíà÷åíèÿ g-ôàêòîðà î÷åíü áëèçêè ê ýòîé âåëè÷èíå, ÷òî óêàçûâàåò íà î÷åíü ñëàáóþ ñâÿçü ñïèíîâîãî è îðáèòàëüíîãî ìîìåíòîâ. Åñëè æå íåñïàðåííûé ýëåêòðîí ñâÿçàí ñ êàêèì-ëèáî àòîìîì èëè ìîëåêóëîé ñèëüíî, òî çíà÷åíèÿ gôàêòîðà áóäóò îòëè÷àòüñÿ îò çíà÷åíèé g-ôàêòîðà ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíà. Èçìåðÿÿ âåëè÷èíó g-ôàêòîðà, ìîæíî ïîëó÷àòü ïîäðîáíóþ èíôîðìàöèþ î õàðàêòåðå âíóòðèìîëåêóëÿðíûõ ñâÿçåé. Îïèñàííûå âûøå òðè îñíîâíûõ ïàðàìåòðà, õàðàêòåðèçóþùèå ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ÝÏÐ-ñïåêòðîâ, ïðèìåíèìû, â îñíîâíîì, äëÿ ñèíãëåòíûõ ëèíèé. Áîëüøèíñòâî æå èññëåäîâàíèé, äàþùèõ âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ áîëåå äåòàëüíîé èíôîðìàöèè êàê îá ýíåðãåòè÷åñêîì ñîñòîÿíèè íåñïàðåííûõ ýëåêòðîíîâ, òàê è îá èõ ëîêàëèçàöèè, îñíîâàíî íà ÿâëåíèè ðàñùåïëåíèÿ ëèíèé ïîãëîùåíèÿ.

Ãëàâà 1

Ñòð. 11

Ñóùåñòâóþò äâà îñíîâíûõ òèïà ðàñùåïëåíèÿ, õàðàêòåðíûõ äëÿ ÝÏÐ. Îáà îíè âàæíû äëÿ èññëåäîâàíèÿ áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Ïåðâîå - òîíêîå (“ýëåêòðîííîå”) ðàñùåïëåíèå, âîçíèêàåò â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà èçó÷àåìàÿ ìîëåêóëà èëè àòîì îáëàäàþò íå îäíèì, à íåñêîëüêèìè íåñïàðåííûìè ýëåêòðîíàìè; âòîðîå - ñâåðõòîíêîå ðàñùåïëåíèå íàáëþäàåòñÿ ïðè âçàèìîäåéñòâèè íåñïàðåííûõ ýëåêòðîíîâ ñ ìàãíèòíûì ìîìåíòîâ ÿäåð, íàõîäÿùèõñÿ â ïðåäåëàõ åãî îðáèòàëè. Íåñïàðåííûé ýëåêòðîí NO-ãðóïïû çîíäà íàõîäèòñÿ íà 2ðîðáèòàëè. Íàëè÷èå ñïèíîâîãî ìîìåíòà ó ýëåêòðîíà ïðèâîäèò ê âîçäåéñòâèþ ìàãíèòíîãî ìîìåíòà, ñðåäíåå çíà÷åíèå êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ:

r r m e gbH(S) ,

(3)

ãäå S - âåêòîð ñïèíîâîãî óãëîâîãî ìîìåíòà ýëåêòðîíà; g - ôàêòîð ñïåêòðîñêîïè÷åñêîãî ðàñùåïëåíèÿ; b - ìàãíåòîí Áîðà. Åñëè ïðèëîæèòü ïîñòîÿííîå ìàãíèòíîå ïîëå H èçâíå, òî îíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ ìàãíèòíûì ìîìåíòîì ýëåêòðîíà. Ýíåðãèÿ ýòîãî âçàèìîäåéñòâèÿ îïèñûâàåòñÿ Ãàìèëüòîíèàíîì:

r r H = H × me ,

(4)

Ñîãëàñíî êâàíòîâîé òåîðèè, îðèåíòàöèè ñïèíà ýëåêòðîíà êâàíòîâàíû, ò.å. åãî ïðîåêöèè íà ëþáîå íàïðàâëåíèå, êîòîðîå çàäàåòñÿ âíåøíèì ìàãíèòíûì ïîëåì, ìîãóò èìåòü òîëüêî äèñêðåòíûå çíà÷åíèÿ. Åñëè ïðèíÿòü íàïðàâëåíèå ïîëÿ H çà îñü Z ëàáîðàòîðíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò, òî îñü Z â ýòîì ñëó÷àå áóäåò ÿâëÿòüñÿ íàïðàâëåíèåì êâàíòîâàíèÿ ýëåêòðîííîãî ñïèíà S. Êàæäîé ïðîåêöèè ñïèíà ñîîòâåòñòâóåò îïðåäåëåííîå çíà÷åíèå ýíåðãèè. Òîãäà, ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå ôîðìóëû, èìååì:

æ 1ö 1 E ç + ÷ = gb H , è 2ø 2

(5)

è

1 æ 1ö E ç - ÷ = - gb H , 2 è 2ø

(6)

Ãëàâà 1

Ñòð. 12

Ïîä äåéñòâèåì ïåðåìåííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïåðïåíäèêóëÿðíîãî ïîëþ H, ìåæäó âåðõíèì è íèæíèì ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè, áóäóò íàáëþäàòüñÿ ïåðåõîäû, ñîïðîâîæäàþùèåñÿ ïåðåîðèåíòàöèåé ýëåêòðîííîãî ñïèíà. Ïðè ýòîì ÷àñòîòà ïåðåìåííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ äîëæíà ñîîòâåòñòâîâàòü ýíåðãèè ïåðåõîäà:

æ hn = Eç + è

1ö æ 1ö ÷ - Eç - ÷ , 2ø è 2ø

hn = gbH ,

(7) (8)

ãäå h - ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, b - ìàãíåòîí Áîðà. Ïîñëåäíåå óðàâíåíèå îïðåäåëÿåò óñëîâèå ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà. Âåðîÿòíîñòü èíäóöèðîâàííûõ ïåðåõîäîâ ñ íèæíåãî óðîâíÿ íà âåðõíèé è, íàîáîðîò, ðàâíû. Îäíàêî, ïîãëîùåíèå ìèêðîâîëí â èññëåäóåìûõ ïðåïàðàòàõ âñå æå èìååò ìåñòî. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â óñëîâèÿõ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ íà íèæíåì óðîâíå, â ñîîòâåòñòâèè ñ ðàñïðåäåëåíèåì Áîëüöìàíà, âñåãäà íàõîäèòñÿ áîëüøå ýëåêòðîíîâ, ÷åì íà âåðõíåì. Ìèêðîâîëíîâîå èçëó÷åíèå ñòðåìèòñÿ âûðîâíÿòü íàñåëåííîñòè ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé, íî ýòîìó ïðåïÿòñòâóþò áåçèçëó÷àòåëüíûå ïåðåõîäû ýëåêòðîíîâ íà íèæíèå óðîâíè, êîòîðûå ïåðåäàþò ñâîþ ýíåðãèþ òåïëîâûì êîëåáàíèÿì ðåøåòêè (ñïèí-ðåøåòî÷íàÿ ðåëàêñàöèÿ), à òàêæå âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîíîâ, ïîñðåäñòâîì êîòîðûõ èõ ñïèíû îáìåíèâàþòñÿ ýíåðãèåé (ñïèí-ñïèíîâàÿ ðåëàêñàöèÿ).  îáîèõ ñëó÷àÿõ ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå æèçíè ñïèíîâûõ ñîñòîÿíèé, ÷òî ïðèâîäèò ê óøèðåíèþ ëèíèè ðåçîíàíñíîãî ïîãëîùåíèÿ.  íèòðîêñèëüíûõ ðàäèêàëàõ ýëåêòðîííûé ñïèí ïî äèïîëüäèïîëüíîìó ìåõàíèçìó ýôôåêòèâíî ðåàãèðóåò ñ ÿäåðíûì ñïèíîì àçîòà J=1, ïðîåêöèÿ êîòîðîãî íà îñü êâàíòîâàíèÿ, çàäàþùåé íàïðàâëåíèå âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèìè âåëè÷èíàìè ìàãíèòíûõ êâàíòîâûõ ÷èñåë m11=±,0.  ýòîì ñëó÷àå ñ ìàãíèòíûì ìîìåíòîì ýëåêòðîíà áóäóò âçàèìîäåéñòâîâàòü åùå òðè ëîêàëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿ. Ýíåðãèÿ òàêîãî ñâåðõòîíêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (ÑÒÂ) õàðàêòåðèçóåòñÿ àíèçîòðîïíîé êîíñòàíòîé, êîòîðàÿ çàâèñèò îò íàïðàâëåíèÿ âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îòíîñèòåëüíî NO-ãðóïïû

Ãëàâà 1

Ñòð. 13

ðàäèêàëà. Ýòî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ òðåõ ëèíèé ðàçðåøåííûõ ýëåêòðîíîâ ïåðåõîäîâ, ÷òî îïðåäåëÿåò ðàñùåïëåíèå ëèíèé ðåçîíàíñíîãî ïîãëîùåíèÿ (ðèñ. 2). Òàêèì îáðàçîì, â ñïåêòðàõ ÝÏÐ íèòðîêñèëüíûõ ðàäèêàëîâ âìåñòî îäíîé ëèíèè ïîãëîùåíèÿ âîçíèêàþò òðè ëèíèè ðàâíîé èíòåíñèâíîñòè, ñîîòâåòñòâóþùèå ðàçëè÷íûì îðèåíòàöèÿì ÿäåðíîãî ñïèíà àçîòà.

Ðèñ. 2. (ïîÿñíåíèå â òåêñòå) Ñóùåñòâóþò ñïîñîáû, ïîçâîëÿþùèå ïî ñîîòíîøåíèþ øèðèíû ýòèõ òðåõ ëèíèé, ïî ïîëîæåíèþ íà îñè íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ïî çàâèñèìîñòè îò ìîùíîñòè ìèêðîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ ðàññ÷èòûâàòü âðåìåíà êîððåëÿöèè ìåòîê â ïðåäåëàõ îò 10-11 äî 10-13 ñ.  ñëó÷àÿõ, êîãäà ìåòêà ñâÿçàíà ñ áåëêîì íå æåñòêî, èçìåíåíèå âðåìåíè êîððåëÿöèè NO-ãðóïïû ìîæåò îòðàæàòü èçìåíåíèå êîíôîðìàöèè áåëêà â îáëàñòè ïðèñîåäèíåíèÿ ìåòêè. Èññëåäîâàíèå ðåàêöèè ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ íèòðîêñèëüíûõ ðàäèêàëîâ â íàòèâíûõ òêàíÿõ èìååò çíà÷èòåëüíûå òðóäíîñòè äëÿ äàëüíåéøåé ðàñøèôðîâêè äàííûõ. Ïîýòîìó äëÿ ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé ïîäîáíîãî ðîäà ÷àùå ïðèìåíÿþò èñêóññòâåííî ñîçäàííûå ñðåäû. Àñêîðáàò íàòðèÿ âîññòàíàâëèâàåò íèòðîêñèëüíûå ãðóïïû äî äèàìàãíèòíûõ ïðîäóêòîâ, ïðåäïîëîæèòåëüíî äî ãèäðîêñèëàìèíîâ. Ñêîðîñòü âîññòàíîâëåíèÿ íèòðîêñèëîâ çàâèñèò îò íàëè÷èÿ òîãî èëè èíîãî ìàãíèòíîãî îêðóæåíèÿ. Ýòîò ìåòîä áûë èñïîëüçîâàí ïðè èçó÷åíèè äèôôóçèè ôîñôîëèïèäîâ èç âíóòðåííåãî ìîíîñëîÿ áèñëîéíûõ ìîëåêóë âî âíåøíèé ìîíîñëîé (Kornberg R.D., McConnel H.M., 1971). Ïîäîáíûì îáðàçîì ïî ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ íèòðîêñèëîâ ìîæíî èññëåäîâàòü ñêîðîñòü ïðîíèêíîâåíèÿ èîíà àñêîðáàòà â îðèåíòèðîâàííûå áèñëîè ôîñôîëèïèäîâ, ñîäåðæàùèå ñïèíîâûå çîíäû, è îöåíèâàòü îòíîñèòåëüíóþ ãëóáèíó ïîãðóæåíèÿ â áèñëîé íèòðîêñèëüíûõ ôðàã-

Ãëàâà 1

Ñòð. 14

ìåíòîâ ñïèíîâûõ çîíäîâ. Äëÿ äàííîãî ñïèíîâîãî çîíäà îòíîñèòåëüíûå çíà÷åíèÿ ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ ñëóæàò èíäèêàòîðàìè ïðîíèöàåìîñòè áèñëîÿ â ðàçíûõ óñëîâèÿõ (Butler K.W., Pharm J., 1976; Schreier-Mucello S., Marsh D.,. Smith J.C.P, 1976). Íå òîëüêî àñêîðáàò (Kornberg R.D., McConnell H.M., 1971) è ãëþòàòèîí (Morrisett J.D., Droll H.R., 1969) ñïîñîáíû âîññòàíàâëèâàòü íèòðîêñèëüíûå ðàäèêàëû, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîòåðå ïàðàìàãíåòèçìà. Ýòèì ñâîéñòâîì îáëàäàþò è íåêîòîðûå ôåðìåíòû. Òàê, êèíåòèêà âîññòàíîâëåíèÿ ñïèí-ìå÷åííîãî ôîñôàòà è 5-äîêñèëñòåàðèíîâîé êèñëîòû ìèêðîñîìàëüíûìè ìåìáðàíàìè, ñîäåðæàùèìè ãèäðîêñèëèðóþùóþ ôåðìåíòíóþ ñèñòåìó èç öèòîõðîìà P450 è öèòîõðîì P450-ðåäóêòàçû, áûëà èçó÷åíà Ñòèðîì è Ñàêìàíîì (Stier, Sackman E., 1973). Èññëåäîâàíèÿ, ïðîâîäèìûå ñ ïîìîùüþ ñïèíîâûõ ìåòîê ñî âðåìåí ïåðâûõ ðàáîò Ìàê-Êîííåëëà è ñîòð. (Ziebling D.R., McConnell H.M., 1965; Wood D.E., McConnell H.M., 1962), áëàãîäàðÿ èõ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòè è ìåòîäè÷åñêîé ïðîñòîòå ñòàëè îäíèì èç îñíîâíûõ èíñòðóìåíòîâ èññëåäîâàíèÿ áèîïîëèìåðîâ è ìåìáðàí. Îñíîâíûå óñèëèÿ ìåòîäà ñïèíîâûõ ìåòîê íàïðàâëåíû â îñíîâíîì íà ðåøåíèå ôóíäàìåíòàëüíûõ âîïðîñîâ ôåðìåíòàòèâíîãî êàòàëèçà è ôèçè÷åñêîé õèìèè áåëêîâ. Ìåòîä ïîçâîëÿåò èññëåäîâàòü òîïîãðàôèþ áåëêîâîé ïîâåðõíîñòè, èíôîðìàöèîííûå ïåðåõîäû, ëîêàëüíóþ ïîäâèæíîñòü è ìèêðîâÿçêîñòü áåëêîâîé ìàòðèöû, ñòðîåíèå è äèíàìèêó àêòèâíûõ öåíòðîâ. Ñïèí ïðè ëþáîì êâàíòîâîì ÷èñëå n âñåãäà îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì

(h / 2p)

n ( n + 1) . Ïðè ýòîì ïîëíûé óãëîâîé ìî-

ìåíò êîëåáëåòñÿ âîêðóã íåêîòîðîé ôèêñèðîâàííîé îñè òàê, ÷òî åãî óñðåäíåííàÿ ïî âðåìåíè ñîñòàâëÿþùàÿ âäîëü ýòîé îñè ðàâíà ( h / 2 p) × n , à ïåðïåíäèêóëÿðíàÿ ê îñè ñîñòàâëÿþùàÿ â ðåçóëüòàòå óñðåäíåíèÿ îáðàùàåòñÿ â íóëü.  êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè ñîñòîÿíèå íåñïàðåííîãî ýëåêòðîíà îïðåäåëÿåòñÿ ïðîåêöèåé MS åãî ñïèíà íà ýòó îñü è õàðàêòåðèçóåòñÿ âåëè÷èíîé MS= +1/2 èëè -1/2 äëÿ îäíîãî íåñïàðåííîãî ýëåêòðîíà â çàâèñèìîñòè îò îðèåíòàöèè ïîëíîãî óãëîâîãî ìîìåíòà. Äëÿ õàðàêòåðèñòèêè íåñêîëüêèõ íåñïàðåííûõ ýëåêòðîíîâ íóæíà îáùàÿ êîîðäèíàòíàÿ îñü, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü ïðè íàëè÷èè âíåøíåãî ìàãíèòíîãî èëè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ñïèíû íåñïàðåííûõ ýëåêòðîíîâ, îáëàäàþùèõ îäèíàêîâîé ýíåð-

Ãëàâà 1

Ñòð. 15

ãèåé, îðèåíòèðîâàíû ñëó÷àéíûì îáðàçîì. Ïðè íàëè÷èè âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ âîçíèêàåò îáùàÿ êîîðäèíàòíàÿ îñü, âîêðóã êîòîðîé âñå ýëåêòðîíû íà÷íóò êîëåáàòüñÿ òàê, ÷òî ïðîåêöèÿ èõ ñïèíà íà ýòó îñü - MS áóäåò ðàâíà ëèáî +1/2, ëèáî -1/2. Ýòî åäèíñòâåííûå âîçìîæíûå ñîñòîÿíèÿ, ïîä÷èíÿþùèåñÿ çàêîíó êâàíòîâàíèÿ, êîòîðûé ðàçðåøàåò òîëüêî êâàíòîâûå ñîñòîÿíèÿ ñ ðàçíèöåé èõ ÷èñåë íà îäíó åäèíèöó. Ïðè íàëîæåíèè âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû ðàçäåëÿòñÿ íà äâå ãðóïïû.  îäíîé - ñïèíû ýëåêòðîíîâ áóäóò îðèåíòèðîâàíû ïàðàëëåëüíî íàïðàâëåíèþ ïîëÿ, à â äðóãîé - àíòèïàðàëëåëüíî. Ýíåðãèÿ èõ áóäåò ðàçíîé, òàê êàê ïðè îðèåíòàöèè ìàãíèòíîãî ìîìåíòà ïàðàëëåëüíî ìàãíèòíîìó ïîëþ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà óìåíüøèòñÿ, à ïðè îðèåíòàöèè åãî â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè - âîçðàñòàåò. Òàêèì îáðàçîì, ýëåêòðîíû ðàçáèâàþòñÿ íà äâå ãðóïïû, îáëàäàþùèå ðàçíûìè ýíåðãèÿìè - ïðîèñõîäèò ðàñùåïëåíèå ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Íà ýòîì ïðèíöèïå è îñíîâàí ìåòîä ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà. Ñïèíîâûå çîíäû ÿâëÿþòñÿ àêòèâíûìè àêöåïòîðàìè ýëåêòðîíîâ. Äëÿ çàâåðøåíèÿ ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ íåîáõîäèìû ïðîòîíû.  ñðåäå, ñîäåðæàùåé ïðîòîíû, ðîëü âîññòàíîâèòåëÿ ìîãóò èãðàòü ëþáûå ñîåäèíåíèÿ ñ äîñòàòî÷íî âûñîêèì âîññòàíîâèòåëüíûì ïîòåíöèàëîì: ìóðàâüèíàÿ êèñëîòà, ãèäðàçèí, ãèäðîõèíîí, ñîåäèíåíèÿ ñ ñóëüôãèäðèëüíûìè ãðóïïàìè è äð. Ñïèíîâûå çîíäû âîññòàíàâëèâàþòñÿ äî ïðîñòðàíñòâåííî çàòðóäíåííûõ N-ãèäðîêñèëàìèíîâ, íå äàþùèõ âêëàä â ñïåêòð ÝÏÐ. Ñêîðîñòü âîññòàíîâëåíèÿ ñïèíîâîãî çîíäà òåì ìåíüøå, ÷åì äëèííåé åãî óãëåâîäîðîäíûé “õâîñò”, ÷òî, ïî-âèäèìîìó, ñâÿçàíî ñ ìåíüøåé ïîäâèæíîñòüþ ðàäèêàëîâ ñ äëèííîé óãëåâîäîðîäíîé öåïüþ. Âðàùàòåëüíàÿ òðàíñëÿöèîííàÿ ïîäâèæíîñòü ñïèíîâûõ çîíäîâ, èçìåðåííàÿ ñ ïîìîùüþ òåõíèêè ýëåêòðîííîãî ïàðàìàãíèòíîãî ðåçîíàíñà, äàåò èíôîðìàöèþ î ñòðóêòóðå, êîíôîðìàöèîííîé äèíàìèêå, ìèêðîðåëüåôå è òîïîëîãèè èññëåäóåìûõ îáúåêòîâ. Ïî ìíåíèþ Áîððà è Êîøëàíäà (Burr M., Koshland D.J., 1964), òàêàÿ ðåïîðòåðíàÿ ãðóïïà äîëæíà îáëàäàòü ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè: 1. Îíà äîëæíà, áóäó÷è ââåäåííîé â îïðåäåëåííûå ó÷àñòêè èçó÷àåìîé ñèñòåìû, ñîîáùèòü ïî èçìåíåíèþ ñîáñòâåííîé ñòðóêòóðû î õàðàêòåðå åå îêðóæåíèè.

Ãëàâà 1

Ñòð. 16

2. Åå ðåãèñòðèðóåìûå ñâîéñòâà äîëæíû áûòü óíèêàëüíûìè èëè ðåçêî îòëè÷àòüñÿ îò ñâîéñòâ èññëåäóåìîé ñèñòåìû. 3. Ðåïîðòåðíàÿ ãðóïïà íå äîëæíà îêàçûâàòü âëèÿíèå íà èçó÷àåìóþ ñèñòåìó, íî ñîîáùàòü î âñåõ åå èçìåíåíèÿõ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîëó÷àþò ðàñïðîñòðàíåíèå ðàçíîîáðàçíûå íèòðîêñèëüíûå ðàäèêàëû ñ íàñûùåííûìè óãëåâîäîðîäíûìè öåïÿìè ëþáîé äëèíû. Ïðè íàëè÷èè ó ðåàãèðóþùåé ìîëåêóëû äâóõ è áîëåå ðåàêöèîííûõ ãðóïï ðåàêöèè áåç çàòðàãèâàíèÿ ñâîáîäíîé âàëåíòíîñòè ïðèâîäÿò ê ñîåäèíåíèÿì ðàäèêàëîâ ìåæäó ñîáîé è ñ îáðàçîâàíèåì áèðàäèêàëîâ è ïîëèðàäèêàëîâ. Ïðàêòè÷åñêàÿ âîçìîæíîñòü ïðîâåäåíèÿ ðåàêöèè áåç çàòðàãèâàíèÿ ñâîáîäíîé âàëåíòíîñòè îïðåäåëÿåòñÿ ñêîðîñòüþ ïðîõîæäåíèÿ â ðåàêöèîííîé ñìåñè ïàðàëëåëüíûõ ðåàêöèé. Èç êîíêóðåíòíûõ ðåàêöèé îñíîâíûìè ÿâëÿþòñÿ ðåàêöèè ñ íàñûùåííîé ñâîáîäíîé âàëåíòíîñòüþ. Òàê, íàïðèìåð, õëîðèñòûé âîäîðîä, îáðàçóþùèéñÿ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñïèðò-ðàäèêàëà ñ õëîðàíãèäðèäîì äèêàðáîíîâûõ æèðíûõ êèñëîò ñïîñîáåí âûçûâàòü ðåàêöèþ äèñïðîïîðöèîíèðîâàíèÿ ìåæäó ðàäèêàëàìè, ïðèâîäÿùóþ ê îáðàçîâàíèþ íå ïàðàìàãíèòíûõ ïðîäóêòîâ (Ðîçàíöåâ Ý.Ã., 1970). 1.2. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ÝÏÐ-ñïåêòðîñêîïèè Ìåòîä ÝÏÐ äàåò âîçìîæíîñòü ðåãèñòðèðîâàòü ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ óìåíüøåíèå ìîùíîñòè ýëåêòðîííîãî ñâåðõ ÷àñòîòíîãî èçëó÷åíèÿ (ñàíòèìåòðîâûå è ìèëëèìåòðîâûå ðàäèîâîëíû), ïîäàâàåìîãî íà âåùåñòâî, ïîìåùåííîå â îäíîðîäíîå ìàãíèòíîå ïîëå îïðåäåëåííîé íàïðÿæåííîñòè. Óìåíüøåíèå ìîùíîñòè ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç èññëåäóåìûé îáðàçåö ðàäèîâîëí îáóñëîâëåí ïîãëîùåíèåì ÷àñòè ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ ýëåêòðîíàìè âåùåñòâà. Îäíàêî íå âñå ýëåêòðîíû ìîãóò áûòü èññëåäîâàíû ïðè ïîìîùè ìåòîäà ÝÏÐ. Îí ìîæåò áûòü ïðèìåíåí òîëüêî ê õèìè÷åñêèì ñèñòåìàì, ñîäåðæàùèì ýëåêòðîíû ñ íåêîìïåíñèðîâàííûìè ñïèíîâûìè ìîìåíòàìè, ãäå, êàê ïðàâèëî, ñîäåðæèòñÿ íå÷åòíîå êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ. Òàêèì îáðàçîì, ÝÏÐ-ñïåêòðîñêîïèÿ èìååò òî ïðåèìóùåñòâî, ÷òî òîëüêî ïàðàìàãíèòíûå ìîëåêóëû (èëè ÷àñòèöû ñ íåñïàðåííûìè ýëåêòðîíàìè) â îáðàçöå ìîãóò âçàèìîäåéñòâîâàòü ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè âíåøíèìè ïîëÿìè â óñëîâèÿõ ðåçîíàíñà.

Ãëàâà 1

Ñòð. 17

Ìåòîä äàåò âîçìîæíîñòü âûÿâèòü íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû äàæå ïðè íåçíà÷èòåëüíîé èõ êîíöåíòðàöèè â ëþáîì âåùåñòâå, íå èçìåíÿÿ åãî, îõàðàêòåðèçîâàòü èõ ýíåðãåòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå è ëîêàëèçàöèþ. Äëÿ ðåãèñòðàöèè ñèãíàëà ÝÏÐ íåîáõîäèìî ñëåäóþùåå: ∙ ñîçäàòü îäíîðîäíîå ìàãíèòíîå ïîëå, äîñòàòî÷íî âûñîêîé íàïðÿæåííîñòè; ∙ èìåòü ìîíîõðîìàòè÷åñêîå ìèêðîâîëíîâîå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå; ∙ ñêîíöåíòðèðîâàòü ýòî èçëó÷åíèå íà îáðàçöå, ïîëó÷åííûé ñèãíàë ïðîäåòåêòèðîâàòü, óñèëèòü è çàðåãèñòðèðîâàòü íà ñàìîïèøóùåì óñòðîéñòâå. Çà ñ÷åò ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû, íàõîäÿùèåñÿ íà áîëåå íèçêîì ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå, ïåðåõîäÿò íà áîëåå âûñîêèé. Ñîîòâåòñòâåííî ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå íàïðàâëåíèÿ ñïèíà. Òàêîå ïîãëîùåíèå ýíåðãèè ýëåêòðîíàìè ïðè ïåðåõîäå íà âåðõíèé óðîâåíü ìîæåò áûòü îáíàðóæåíî ïî èçìåíåíèþ ìîùíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ è çàðåãèñòðèðîâàíî êàêèì-ëèáî ñïîñîáîì, ïðèíÿòûì â ðàäèîñïåêòðîñêîïèè. Ðàçíèöà â çàñåëåííîñòè äâóõ óðîâíåé è îïðåäåëÿåò èíòåíñèâíîñòü ñèãíàëà ÝÏÐ, ÿâëÿÿñü ïàðàìåòðîì, îïðåäåëÿþùèì ðàáî÷óþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ðàäèîñïåêòðîìåòðà. Ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîíîâ íà äâóõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíÿõ ìîæíî îïèñàòü âûðàæåíèåì Ìàêñâåëëà-Áîëüöìàíà:

N1 - hn =e N2 kT

,

(9)

ãäå N1 è N2 - ÷èñëî ýëåêòðîíîâ íà âåðõíåì è íèæíåì óðîâíÿõ ñîîòâåòñòâåííî; k - ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà; T - òåìïåðàòóðà. Îòñþäà ðàçíèöà ìåæäó N 1 è N2 áóäåò òåì áîëüøå, ÷åì áîëüøå hn, ñëåäîâàòåëüíî, è íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ H. Ïîýòîìó ÝÏÐ-ñïåêòðîìåòðû äîëæíû ðàáîòàòü ïðè âîçìîæíî áîëåå âûñîêèõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ìèêðîâîëíîâîé ÷àñòîòû (Èíãðåì Ä., 1972; Ðîáåðòñîí Á., 1985). Íà ðèñóíêå 3 ïðèâåäåíà ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà óñòðîéñòâà ðàäèîñïåêòðîìåòðà ÝÏÐ ïî Ë. Áåðëèíåðó (1979). Îñíîâíûìè ÷àñòÿìè ýòîãî ïðèáîðà ÿâëÿþòñÿ: êëèñòðîí (èñòî÷íèê ìèêðîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ), äâîéíîé Ò-ìîñò (èëè ìèêðîâîëíîâûé öèðêóëÿòîð), ðåçîíàòîð, áëîê äåòåêòîðà, óñèëèòåëü è

Ãëàâà 1

Ñòð. 18

çàïèñûâàþùåå óñòðîéñòâî. Êëèñòðîí, ñòàöèîíàðíûé âåíòèëü è ðåãóëèðóþùèé àòòåíþàòîð ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêàìè ïåðåìåííîãî ìèêðîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ.

Ðèñ. 3. Ñõåìà ÝÏÐ-ñïåêòðîìåòðà (îñíîâíûå ÷àñòè). (Ë.Áåðëèíåð, 1979). Ñïåêòðîìåòð ñêîíñòðóèðîâàí òàê, ÷òîáû âåëè÷èíû ñîïðîòèâëåíèé ïëå÷ 2 è 4 áûëè õîðîøî ñáàëàíñèðîâàíû è ÷òîáû íà äåòåêòîð íà ïëå÷î 3 ïàäàëà î÷åíü íèçêàÿ ìîùíîñòü.  ðå-

Ãëàâà 1

Ñòð. 19

çîíàòîðå îáðàçåö ðàñïîëîæåí â îáëàñòè ñ âûñîêèì çíà÷åíèåì íàïðÿæåííîñòè ìèêðîâîëíîâîãî ïîëÿ H1. ×àñòîòà êëèñòðîíà â õîäå ýêñïåðèìåíòîâ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé, à âåëè÷èíà ìàãíèòíîãî ïîëÿ èçìåíÿåòñÿ.  óñëîâèÿõ ðåçîíàíñà îáðàçåö ïîãëîùàåò ìèêðîâîëíîâóþ ýíåðãèþ. Ñîçäàåòñÿ ðàçáàëàíñ ìîñòà, êîòîðûé äåòåêòèðóåòñÿ êàê óâåëè÷åíèå ìîùíîñòè íà ïëå÷å 3, óñèëèâàåòñÿ è âûíîñèòñÿ íà ñàìîïèñåö. Êàòóøêè ìîäóëÿöèè ïðåâðàùàþò ïîñòîÿííûé ñèãíàë â ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå, êîòîðîå ìîæåò óñèëèâàòüñÿ ñ ïîìîùüþ ôàçî÷óâñòâèòåëüíîãî òèòðîâàíèÿ. Ìîäóëÿöèÿ äàåò âîçìîæíîñòü ïðîâîäèòü äîïîëíèòåëüíóþ ðåãóëèðîâêó èíòåíñèâíîñòè ñèãíàëà ÝÏÐ ïóòåì èçìåíåíèÿ åå àìïëèòóäû. Ïðèâîäèì òàêæå ïðèíöèïèàëüíóþ ñõåìó óñòðîéñòâà ðàäèîñïåêòðîìåòðà ÝÏÐ òèïà “Ðóáèí” îòå÷åñòâåííîãî ïðîèçâîäñòâà (ðèñ. 4).

Ðèñ. 4. Ïðèíöèïèàëüíîå óñòðîéñòâî ðàäèîñïåêòðîìåòðà “Ðóáèí”.  ýòîì ïðèáîðå èñòî÷íèêîì ìèêðîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ ñëóæèò òàêæå êëèñòðîí, êîòîðûé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âàêóóìèðîâàííóþ òðóáêó, ñïîñîáíóþ ãåíåðèðîâàòü ìèêðîâîëíîâûå êîëåáàíèÿ â óçêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò. Çàâèñèìîñòü ñíèìàåìîé ìîùíîñòè îò ÷àñòîòû îïèñûâàåò çîíó ãåíåðàöèè êëèñòðîíà. ×àñòîòà ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ çàäàåòñÿ íàïðÿæåíèåì, ïðèëîæåííûì ê êëèñòðîíó. Êëèñòðîí ìîæíî ïîäñòðî-

Ãëàâà 1

Ñòð. 20

èòü íà ëþáóþ ÷àñòîòó â ïðåäåëàõ çîíû. Äëÿ ñòàáèëèçàöèè ÷àñòîòû êëèñòðîíà èìååòñÿ àâòîìàòè÷åñêàÿ ñèñòåìà êîíòðîëÿ ÷àñòîòû. Îò êëèñòðîíà ìèêðîâîëíîâîå èçëó÷åíèå ïî âîëíîâîäó ïîäàåòñÿ â ïîëîñòü ðåçîíàòîðà, ãäå îíî ìàêñèìàëüíî êîíöåíòðèðóåòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, íà îáðàçåö ïîäàåòñÿ äîñòàòî÷íî ìîùíîå îñöèëëèðóþùåå ìèêðîâîëíîâîå ìàãíèòíîå ïîëå. Ðåçîíàòîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé öåíòðàëüíóþ ÷àñòü ðàäèîñïåêòðîìåòðà. Åãî ðàáîòà ñõîäíà ñ ðàáîòîé àêóñòè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà. Îòðàæåíèå çâóêîâûõ âîëí îò ñòåíîê àêóñòè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà ïðèâîäèò ê èõ ïîãàøåíèþ â ðåçóëüòàòå èíòåðôåðåíöèè òåõ âîëí, äëÿ êîòîðûõ ïîëîâèíà äëèíû âîëíû íå êðàòíà íè îäíîìó èç ðàçìåðîâ ðåçîíàòîðà. ×àñòîòà, ïðè êîòîðîé ïîëîâèíà äëèíû âîëíû ñîîòâåòñòâóåò îäíîìó èç ðàçìåðîâ ðåçîíàòîðà íàçûâàåòñÿ îñíîâíîé ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòîé. Åå ìîæíî ðåãóëèðîâàòü, èçìåðÿÿ âíóòðåííèé îáúåì ðåçîíàòîðà. Îáúåìíûé ðåçîíàòîð ìîæíî âîçáóäèòü òàê, ÷òîáû â íåì ñîçäàëèñü ñòîÿ÷èå âîëíû, êîòîðûå ìîãóò äàòü çíà÷èòåëüíóþ êîíöåíòðàöèþ ýíåðãèè.  ìèêðîâîëíîâîì ðåçîíàòîðå, â îòëè÷èå îò àêóñòè÷åñêîãî, ñëåäóåò ó÷èòûâàòü íàëè÷èå êàê ýëåêòðè÷åñêîãî, òàê è ìàãíèòíîãî ïîëåé.  êà÷åñòâå äåòåêòîðà ÷àùå âñåãî ïðèìåíÿþò êðåìíèåâûé êðèñòàëë, ôóíêöèîíèðóþùèé êàê ìèêðîâîëíîâûé âûïðÿìèòåëü. Îòðèöàòåëüíûì äåéñòâèåì äåòåêòîðà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ïðè åãî ðàáîòå ïîÿâëÿåòñÿ áîëüøîå êîëè÷åñòâî íèçêî÷àñòîòíûõ øóìîâ, îòðèöàòåëüíî ñêàçûâàþùèõñÿ íà ðàáîòå ïðèáîðà. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ øóìîâ òðåáóþòñÿ äîâîëüíî ñëîæíûå ïðèåìû. Êà÷åñòâî äåòåêòèðóþùåãî óñòðîéñòâà è ÿâëÿåòñÿ êðèòåðèåì, îïðåäåëÿþùèì âûñîòó êëàññíîñòè ïðèáîðà. Òàêèì îáðàçîì, âåëè÷èíà òîêà, èäóùåãî ÷åðåç äåòåêòîð, ÿâëÿåòñÿ ìåðîé îòðàæåííîé ìîùíîñòè âíóòðè ðåçîíàòîðà â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. Åñëè âíóòðè ðåçîíàòîðà èìååò ìåñòî ïîãëîùåíèå, òî òîê äåòåêòîðà ñîîòâåòñòâåííî óìåíüøàåòñÿ. Âíåøíåå ìàãíèòíîå ïîëå ñîçäàåòñÿ, êàê ïðàâèëî, ýëåêòðîìàãíèòîì, òàê êàê äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðåçîíàíñà ïîëüçóþòñÿ îáû÷íî èçìåíåíèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ, à íå ÷àñòîòû. Äëÿ èçìåðåíèÿ ïîëÿ â ðàäèîñïåêòðîìåòðèè ïðèáåãàþò ê ìîäóëÿöèîííûì ìåòîäàì, îñíîâàííûì íà ïðèìåíåíèè êîëåáëþùåãîñÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ìíîãîêðàòíî ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç òî÷êó ðåçîíàíñà.  ðåçóëüòàòå íà äåòåêòîðå ñîçäàþòñÿ íèçêî- è âûñîêî÷àñòîòíûå êîëåáàíèÿ, êîòîðûå ìîæíî óñèëèòü

Ãëàâà 1

Ñòð. 21

ñ ïîìîùüþ îáû÷íûõ ðàäèîñõåì è íàáëþäàòü íà îñöèëëîãðàôå. Ïðîñòåéøàÿ ôîðìà òàêîé ìîäóëÿöèè ïîêàçàíà íà ñõåìå 2 è çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî íà ìàãíèòíîå ïîëå íàêëàäûâàþò íèçêî÷àñòîòíóþ ðàçâåðòêó, ñîçäàâàåìóþ ìîäóëÿöèîííûìè êàòóøêàìè è ïîäàþò íà âðåìåííóþ ðàçâåðòêó îñöèëëîãðàôà, îäíîâðåìåííî ïîäàâàÿ íà âåðòèêàëüíî îòêëîíÿþùèå ïëàñòèíû óñèëåííûé ñèãíàë äåòåêòîðà.  ðåãèñòðàöèè ñèãíàëîâ îò ïðèáîðà èñïîëüçóþò îñöèëëîãðàô è äâóõêîîðäèíàòíûé ñàìîïèñåö. Ëó÷ îñöèëëîãðàôà è ïåðî ñàìîïèñöà ðàçâîðà÷èâàþò ïî îñè OX ñèíôàçíî ñ ðàçâåðòêîé ìàãíèòíîãî ïîëÿ, à ïî îñè OY ëó÷ è ïåðî îòêëîíÿþòñÿ íàïðÿæåíèåì, ñíÿòûì ñ ñèíõðîííîãî äåòåêòîðà.  êà÷åñòâå îáúåìíîãî ðåçîíàòîðà â ðàäèîñïåêòðîìåòðå “Ðóáèí” ïðèìåíÿåòñÿ öèëèíäðè÷åñêèé îáúåìíûé ðåçîíàòîð ñ òèïîì êîëåáàíèé H011. Èññëåäóåìûé îáðàçåö ïîìåùàþò â ñòåêëÿííîé èëè êâàðöåâîé àìïóëå âäîëü îñè ðåçîíàòîðà, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò åãî ðàçìåùåíèþ â ïó÷íîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ðàáî÷èå õàðàêòåðèñòèêè ðàäèîñïåêòðîìåòðà “Ðóáèí” ñëåäóþùèå: ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà êëèñòðîíà K-54n ðåç =9400 ÌÃö, ÷àñòîòà Â× ìîäóëÿöèè n ìîä=100 êÃö, àìïëèòóäà ìîäóëÿöèè ðåãóëèðóåòñÿ ñòóïåí÷àòî îò 0,01 äî 10 Ãñ, íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ Ho óñòàíàâëèâàåòñÿ â ïðåäåëàõ îò 2000 äî 7000 Ý, äèàïàçîí ðàçâåðòêè ïîëÿ t=0,1±H óñòàíàâëèâàåòñÿ â ïðåäåëàõ îò 5 äî 1200 Ý, ñêîðîñòü ñâèïèðîâàíèÿ ðåãóëèðóåòñÿ ñòóïåí÷àòî îò 5 äî 500 Ý/ìèí., àòòåíþàòîð ïðåäóñìàòðèâàåò îñëàáëåíèå àìïëèòóäû ñèãíàëà ÝÏÐ îò 100 äî 1%, ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè ñàìîïèñöà ðåãóëèðóåòñÿ â ïðåäåëàõ 0,03, 0,01, 1, 3 è 10 ñ. Êîíñòàíòó ñêîðîñòè ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ ðàññ÷èòûâàþò ìåòîäîì íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ. Ïîñêîëüêó êîíñòàíòà ñêîðîñòè ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ ðàâíà:

æ Aö ÷÷ l n æç Ao ö÷ l n çç A A ø, K= è oø = è t t

(10)

òî ïî ìåòîäó íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ ïîëó÷àþò ôîðìóëó:

Ãëàâà 1

Ñòð. 22

æ æ öö ç å t × l n ç A o ÷÷ ç ÷÷ ç è A i øø è K= , n 2 lnc

(11)

Åñëè â îïûòå ïðîìåæóòêè âðåìåíè èíêóáàöèè ñîñòàâëÿþò 4 ìèí è ðåãèñòðèðóþòñÿ ÷åðåç ÷åòûðå çíà÷åíèÿ àìïëèòóäû â ñðîêè 0, 4, 8 è 12 ìèí; òî ôîðìóëà äëÿ ðàñ÷åòà êîíñòàíòû ñêîðîñòè ïðåîáðàçóåòñÿ ê âèäó:

K = Gl n A o - l n A 1 - 2l n A 2 - 3l n A (c - 1) ,

(12)

ãäå A0, A1, A2 è A3 - çíà÷åíèÿ àìïëèòóä â ñðîêè èíêóáàöèè 0, 4, 8 è 12 ìèí, ñîîòâåòñòâåííî. Ïîãðåøíîñòü â îïðåäåëåíèè çíà÷åíèÿ àìïëèòóäû íå ïðåâûøàåò 0,5%, ÷òî ïðèâîäèò ê íåòî÷íîñòè â îïðåäåëåíèè êîíñòàíòû ñêîðîñòè ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ íå áîëåå 1,5%. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ êîíñòàíò äëÿ êàæäîé ñåðèè â îïðåäåëåííîé ãðóïïå íàáëþäåíèé îáðàáàòûâàþò îáùåïðèíÿòûìè ñòàòèñòè÷åñêèìè ìåòîäàìè. Ðàññ÷èòûâàþò ñðåäíåå çíà÷åíèå, ïîãðåøíîñòü ñðåäíåãî. Ñðàâíåíèå ñðåäíèõ çíà÷åíèé êîíñòàíò âíóòðè ãðóïï, ìåæäó ñåðèÿìè è ìåæäó ãðóïïàìè ïðîâîäÿò ïî ôîðìóëå:

t=

M1 - M 2 m12 + m22

,

(13)

Ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå t ñðàâíèâàþò ñî çíà÷åíèåì äëÿ óðîâíåé 0,05 è 0,01. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ìåòîäîì ÝÏÐ îáû÷íî ïðèìåíÿþò íèòðîêñèëðàäèêàëû, êîòîðûå õàðàêòåðèçóþòñÿ îòíîñèòåëüíîé ñòàáèëüíîñòüþ. Ýòî îáåñïå÷èâàåòñÿ íèçêèì óðîâíåì ýíåðãèè îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ íèòðîêñèëüíîé ãðóïïû NO (>No-O), ñîäåðæàùåé íåñïàðåííûé ýëåêòðîí, è çàùèòíûì äåéñòâèåì, ñîçäàâàåìûì ìåòèëüíûìè ãðóïïàìè. Ýòè ñîåäèíåíèÿ äàþò ñïåêòðû â âèäå òðåõ óçêèõ, õîðîøî ðàçäåëåííûõ è ëåãêî òðàêòóåìûõ ëèíèé ñâåðõòîíêîé ñòðóêòóðû çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ íåñïàðåííîãî ýëåêòðîíà ñ ÿäåðíûì ñïèíîì àçîòà.

Ãëàâà 1

Ñòð. 23

Íåñïàðåííûé ýëåêòðîí â ñòàáèëüíûõ íèòðîêñèëüíûõ ðàäèêàëàõ ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ ëîêàëèçîâàí íà NO-ãðóïïå ðàäèêàëà. Ïîýòîìó íèòðîêñèëüíûå ðàäèêàëû ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç íåìíîãèõ êëàññîâ ñâîáîäíûõ ðàäèêàëîâ, êîòîðûå ó÷àñòâóþò â ðåàêöèÿõ áåç çàòðàãèâàíèÿ ñâîáîäíîé âàëåíòíîñòè. Âîçìîæíîñòü òàêèõ ðåàêöèé îïðåäåëÿåò øèðîêèé àññîðòèìåíò ñïèíîâûõ çîíäîâ è ìåòîê. Ê èñ÷åçíîâåíèþ ïàðàìàãíèòíûõ ñâîéñòâ îïèñàííûõ íèòðîêñèëüíûõ ðàäèêàëîâ ïðèâîäÿò ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿîêèñëåíèÿ. Ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ ðàäèêàëüíîãî ôðàãìåíòà ïðîòåêàþò ýôôåêòèâíî, êîãäà â ñðåäå ïðèñóòñòâóåò íå òîëüêî äîíîð ýëåêòðîíîâ, íî è äîíîð ïðîòîíîâ: >N o-O+H++e®>N-OH.  ñðåäå, ñîäåðæàùåé ïðîòîíû, äîíîðàìè ýëåêòðîíîâ ìîãóò áûòü ñîåäèíåíèÿ îðãàíè÷åñêîãî è íåîðãàíè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ, îáëàäàþùèå äîñòàòî÷íî âûñîêèì âîññòàíîâèòåëüíûì ïîòåíöèàëîì. Òàêèì ñâîéñòâîì îáëàäàåò ãèäðîõèíîí, ãèäðàçèí, ñîåäèíåíèÿ ñ ñóëüôãèäðèëüíûìè ãðóïïàìè è äðóãèå. Åñëè ðåàêöèÿ âîññòàíîâëåíèÿ ïðîèñõîäèò â âîäíîé ñðåäå, â ðîëè äîíîðîâ ïðîòîíîâ ìîãóò âûñòóïàòü ìîëåêóëû âîäû. Ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ ðàäèêàëüíîãî ôðàãìåíòà ïðîèñõîäèò â ïðèñóòñòâèè äîñòàòî÷íî ñèëüíûõ îêèñëèòåëåé, íàïðèìåð, ãàëîãåíîâ: >No-O+RClo>>N+-OH-RCl. Åñëè â èññëåäóåìîé ñðåäå íàðÿäó ñ íèòðîêñèëüíûìè ïðèñóòñòâóþò äðóãèå àêòèâíûå óãëåâîäîðîäíûå ðàäèêàëû R, âîçíèêøèå â ðåçóëüòàòå äåñòðóêöèè ìîëåêóë âåùåñòâà èëè â ïðîöåññå äðóãèõ ðåàêöèé, òî îíè ìîãóò ðåàãèðîâàòü ñ íèòðîêñèëüíûìè ðàäèêàëàìè: >No-O+Ro>>N+ -H-R.  êà÷åñòâå ñïèíîâûõ çîíäîâ òàêæå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû ïàðàìàãíèòíûå èîíû ïåðåõîäíûõ ìåòàëëîâ, èîíû ëàíòàíîèäîâ è íåêîòîðûå îðãàíè÷åñêèå ðàäèêàëû. Ñïèíîâûé çîíä ÷óâñòâèòåëåí ê òàêèì ñâîéñòâàì îêðóæåíèÿ, êàê ìîëåêóëÿðíîå äâèæåíèå, îðèåíòàöèÿ, ëîêàëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå è ìàãíèòíîå ïîëå. Îí ìîæåò ðåãèñòðèðîâàòü ñàìûå íåçíà÷èòåëüíûå èçìåíåíèÿ â áèîëîãè÷åñêèõ ñòðóêòóðàõ ïðè èõ ôóíêöèîíèðîâàíèè èëè ïðè ðàçëè÷íûõ âîçäåéñòâèÿõ íà íèõ (Êóçíåöîâ À.Í., 1976).

Ãëàâà 1

Ñòð. 24

1.3. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ÝÏÐ â áèîëîãèè ÝÏÐ - ýòî î÷åíü ÷óâñòâèòåëüíûé ìåòîä, ïîçâîëÿþùèé ïðîâîäèòü èçìåðåíèÿ ñ äîñòàòî÷íî ìàëûìè êîëè÷åñòâàìè îáðàçöà, êîòîðûé ê òîìó æå íå îáÿçàòåëüíî äîëæåí áûòü ãîìîãåííûì. Ïåðâûå ðàáîòû, ïîñâÿùåííûå èññëåäîâàíèþ áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ ìåòîäîì ÝÏÐ, áûëè îïóáëèêîâàíû ïî÷òè ÷åðåç 10 ëåò ïîñëå îòêðûòèÿ ýôôåêòà (Commoner B., Taunsend J.F., Pake J., 1954; Áëþìåíôåëüä À.Í., Êîëìàíñîí À.Ý., 1957).  êà÷åñòâå ïðèìåðà ðàññìîòðèì èññëåäîâàíèå ñ ïîìîùüþ ÝÏÐ ïå÷åíè êðûñû. Íåáîëüøîé êóñî÷åê ïå÷åíè (íåñêîëüêî ìèëëèãðàììîâ) ïîìåùàþò ñðàçó æå ïîñëå èçúÿòèÿ â æèäêèé àçîò; ýòà ïðîöåäóðà ñïîñîáñòâóåò ïîâûøåíèþ òî÷íîñòè èçìåðåíèé è ïðåäîòâðàùàåò ðàçëîæåíèå òêàíè. Íàáëþäàåìûå ëèíèè ìîæíî èäåíòèôèöèðîâàòü, îïðåäåëèâ g-ôàêòîð: ∙ åñëè g@2, òî â îáðàçöå ïðèñóòñòâóþò ëèáî ñâîáîäíûå ðàäèêàëû, ëèáî èîíû ïåðåõîäíûõ ìåòàëëîâ ñ îðáèòàëüíûì ìîìåíòîì ýëåêòðîíîâ L=0; ∙ åñëè g-ôàêòîð ñèëüíî îòëè÷àåòñÿ îò 2, ýòî ïî÷òè íàâåðíÿêà îçíà÷àåò ÷òî â îáðàçöå èìåþòñÿ èîíû ïåðåõîäíûõ ìåòàëëîâ ñ L¹0. Ïðîâîäÿ áîëåå îáñòîÿòåëüíûå èññëåäîâàíèÿ, îáû÷íî óäàåòñÿ óñòàíîâèòü ëîêàëèçàöèþ è ïðèðîäó èñòî÷íèêà ñèãíàëà. Ëîêàëèçàöèÿ. Òêàíü ãîìîãåíèçèðóþò, ïîäâåðãàþò äèôôåðåíöèàëüíîìó óëüòðàöåíòðèôóãèðîâàíèþ è èññëåäóþò êàæäóþ ôðàêöèþ ñ ïîìîùüþ ÝÏÐ: ∙ ÿäðà êëåòîê äàþò åäâà ðàçëè÷èìûé ñèãíàë â îáëàñòè g=2; ∙ ïëàçìàòè÷åñêèå ìåìáðàíû íå äàþò íèêàêîãî ñïåêòðà; ∙ íàäîñàäî÷íîé æèäêîñòè ñîîòâåòñòâóåò ñëàáûé ñèãíàë â îáëàñòè g=2; ∙ ìèòîõîíäðèè äàþò íåñêîëüêî ëèíèé, ðàñïîëîæåííûõ â èíòåðâàëå 1,5