طیف بینی رزونانس اسپین الکترون (ESR)

  طیف بینی رزونانس اسپین الکترون (Electron Spin Resonance, ESR) به نام های رزونانس پارامغناطیسی الکترون (Electron Paramagnetic Resonance, EPR) یا رزونانس مغناطیسی الکترون (Electron Magnetic Resonance, EMR) نیز شناخته می شود.

 مفاهیم اولیه روش طیف بینی رزونانس اسپین الکترون یا ESR مشابه روش NMR است اما در این روش اسپین الکترون ها به جای اسپین هسته ها برانگیخته می شوند. اساس طیف بینی ESR جذب تابش مایکروویو توسط یک الکترون جفت نشده یک اتم یا یک مولکول (گونه های پارامغناطیس) است وقتی که در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرند. طیف رزونانس اسپین الکترون یک رادیکال آزاد یا کمپلکس کئوردینانسی با یک الکترون جفت نشده ساده ترین حالت برای طیف بینی ESR است. به طور کلی این تکنیک ابزار قوی در مطالعه و آنالیز ترکیبات زیر است:

• رادیکال های آزاد: اتم ها، مولکول ها یا یون های حاوی یک الکترون جفت نشده در فاز جامد، مایع یا گاز
• فلزات انتقالی شامل یون های اکتنید: به طور معمول این ترکیبات ممکن است تا پنج یا هفت الکترون جفت نشده داشته باشند.
• انواع نواقص نقطه ای در جامدات: مانند عیوب موضعی
• سیستم هایی با بیش اک الکترون جفت نشده: مانند فلزات و نیمه هادی ها

اصول طیف بینی رزونانس اسپین الکترون

   پدیده رزونانس اسپین الکترون بر پایه این حقیقت است که یک الکترون، ذره بارداری ست که به دور محور خود می چرخد و این سبب می شود مانند یک آهن ربای کوچک عمل کند. به زبان علمی تر یعنی الکترون گشتاور مغناطیسی (magnetic moment) دارد و وقتی یک ترکیب یا مولکول با یک الکترون جفت نشده در یک میدان مغناطیسی قوی قرار گیرد، الکترون خود را در راستای میدان اعمالی هم تراز می کند.

   طبق اصول مکانیک کوانتوم الکترون فقط می تواند در جهت میدان اعمال شده و یا خلاف جهت آن هم تراز (Alignment) شود. بنابراین اسپین یک الکترون جفت نشده (unpaired) در یک ترکیب یا سیستم می تواند در دو راستای مختلف قرار گیرد و بنابراین دو حالت اسپینی متفاوت، m_s=±1/2، ایجاد کند. دژنرسی  (Degeneracy) حالت های اسپینی الکترون با عدد کوانتومی m_s بیان می شود. این شکافتگی به دو تراز انرژی برهم کنش زیمن (Zeeman) الکترونی نیز نامیده می شود.

 شکل 1 سطوح انرژی یک الکترون جفت نشده با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی را نشان می دهد.

شکل 1- سطوح انرژی یک الکترون جفت نشده با اعمال میدان مغناطیسی خارجی (ESR)

 

اگر هم ترازی در راستای میدان مغناطیسی (موازی با میدان) باشد، مطابق با سطح انرژی پایین تر، m_s=-1/2، است و اگر هم ترازی بر خلاف جهت میدان مغناطیسی اعمالی باشد، مطابق با سطح انرژی بالاتر، m_s=1/2، خواهد بود. بنابراین دو تراز با دو سطح انرژی مختلف  ایجاد می شود که این اختلاف انرژی سبب دژنرسی در حالت های اسپینی الکترون می شود. این اختلاف انرژی با رابطه زیر بدست می آید:

ΔE=E_1/2-E_-1/2=hν=gμ_BB                                 (1)

   در این رابطه E_1/2 و E_-1/2 به ترتیب انرژی سطوح بالا و پایین انرژی، h ثابت پلانک با مقدار ثابت، ν فرکانس تابش، μ_B مگنتون بور و B قدرت میدان مغناطیسی اعمالی در واحد تسلا (Tesla,T) است. واحد گوس (Gauss, G)، که معادل با 0.0001 تسلا است، نیز واحد اولیه و متداولی ست که در بسیاری از متون علمی هم چنان استفاده می شود.

h=6.626×10^-34 J s^-1      μ_B=9.274 × 10^-24 J T^-1        1G=10^-4 T

   اتم یا مولکول با الکترون جفت نشده وقتی به تراز بالاتر برانگیخته می شود که فرکانس تابش منبع مطابق با فرکانس حاصل از اختلاف انرژی بین دو سطح شکافته شده باشد. چنین تهییجی را جذب رزونانس مغناطیسی گویند. از آن جایی که اتم یا مولکول محیط متفاوتی در نمونه های مختلف دارند، و رفرکانس رزونانس مغناطیسی متاثر از محیط محلی اتم یا مولکول است، بنابراین طیف بینی ESR می تواند ابزار قوی برای شناسایی سیستم های مختلف اتمی یا مولکولی و محیط اطراف آنها باشد.

  میدان های مغناطیسی تا 15000G با الکترومگنت های با هسته آهن به راحتی بدست می آید. تابش های با عدد موجی 1.4cm^-1 (معادل فرکانس کمتر از 42GHz و طول موج بیشتر از 0.71cm) برای این روش استفاده می شوند. این محدوده طول موجی در ناحیه مایکروویو قرار دارد. امواج مایکروویو معمولا با موج برهایی (wave-guides) که برای انتقال تابش در یک محدوده باریک فرکانسی طراحی شده اند، به کار می روند. موج برها معمولا لوله های فلزی هستند که برای انتقال امواج مایکروویو به کار می روند، به نحوی که با کمترین از دست رفتگی انرژی همراه با محدود کردن انرژی در یک یا دو بعد، انتقال امواج صورت می گیرد.

 در عمل برای طیف بینی ESR، موج برها نمی توانند خیلی کوچک (1cm-) یا خیلی بزرگ (10cm) باشند. جدول 1 فرکانس، طول موج و قدرت مغناطیسی برای محدوده های معمول موج برهای مورد استفاده برای طیف بینی ESR را نشان می دهد. هر کدام از این باندها با فرکانس های بالاتر یا پایین تر با توجه به سیستم پارامغناطیسی مورد مطالعه مزایای مختلفی دارند. اما با در نظر گرفتن قدرت تفکیک، شدت و سهولت استفاده، معمول ترین انتخاب باند Xه (X-band) است که محدوده طول موجی آن cmه3.3-3  (فرکانس تقریبی GHzه10-9 ) با رزونانس الکترون آزاد 3400G است

جدول 1- فرکانس های معمول مورد استفاده برای ESR

نام	cm) λ)	(ν (GHz	(B (G
L	27	1.1	390
S	10	3	1070
X	3.2	9.5	3400
K	1.2	24	8600
Q	0.85	35	12500
W	0.031	95	34000
-	0.083	360	128000

دستگاهوری طیف بینی رزونانس اسپین الکترون

   همان طور که قبلا گفته شد اصول و مبانی طیف بینی ESR کاملا مشابه طیف بینی NMR است.  اما از آن جایی که گشتاور مغناطیسی الکترون دو تا سه برابر بزرگ تر از گشتاور مغناطیسی هسته است، طیف سنج های ESR در میدان های مغناطیسی کوچک تر و در نتیجه فرکانس های بالاتر نسبت به یک طیف سنج NMR کار می کنند. برای فراهم آوردن پرتو با فرکانس بالاتر (امواج مایکروویو) تکنولوژی متفاوتی برای طیف سنج ESR مورد نیاز است. اگر چه دستگاهوری این روش در طی سالها دچار تغییراتی شده است ولی اکثر طیف سنج ESR تولیدشده بر اساس دیاگرام کلی شکل 2 طراحی و ساخته می شوند.

شکل 2. دیاگرام کلی یک طیف سنج ESR

Klystron

    Klystron یک لامپ الکترونی ست که برای تولید یا تقویت تابش الکترو مغناطیسی در ناحیه مایکروویو، به‌وسیله مدوله کردن (modulation) سرعت، به کار می‌رود. لوله Klystron متشکل از سه الکترود است: یک کاتد داغ که از آن الکترون ساطع می شود، یک آند برای جمع آوری الکترون ها و یک الکترود بازتابنده بسیار منفی که الکترون هایی که از طریق یک سوراخ به سمت آند آمده اند را مجددا به طرف آند برگشت می دهد. حرکت الکترون های باردار از سوراخ آند به الکترود بازتابنده و برگشت آنها به سمت آند یک میدان الکتریکی نوسانی و در نتیجه تابش الکترومغناطیس تولید می کند. زمان عبور الکترون ها از سوراخ آندی به سمت الکترود بازتابنده و برگشت آن به آند برابر با دوره نوسان (ν) است. بنابراین فرکانس مایکروویو می تواند، حتی در یک محدوده کوچک، با تنظیم فاصله بین آند و الکترود بازتابنده یا تنظیم ولتاژ الکترود بازتابنده تنظیم شود. در واقع می توان آن را منببع تابش مایکروویو با فرکانس ثابت برای طیف سنج ESR در نظر گرفت.

جای نمونه (cavity)

 نمونه در cavity قرار داده می شود. نور خروجی از Klystron وارد حفره فلزی استوانه ای یا مستطیلی می شود که ابعاد آن با طول موج مایکروویو مطابقت دارد. و به عنوان مثال برای باند X ابعاد حفره cmه3×2×1 است. نمونه در منطقه ای قرار داده می شود که جزء مغناطیسی پرتو تابشی بیسترین مقدار و جزء الکتریکی  آن کمترین مقدار را داشته باشد.

 طیف سنج باید به گونه ای تنظیم شود که موج بر (waveguide) و جای نمونه (cavity) حاوی امواج ایستاده باشند و آشکارساز یک شدت ثابت را ثبت کند. یک میدان مغناطیسی ایستا توسط یک آهن ربای الکتریکی ایجاد می شود. این میدان برای به دست آوردن بهترین نتایج باید همگنی بالایی داشته باشد. هنگامی که میدان مغناطیسی برای رسیدن به شرایط رزونانسی اسکن می شود، تابش توسط نمونه جذب شده و یک کاهش کوچک در شدت تابشی ثابت آشکارساز مشاهده می شود. از آن جایی که آشکارسازی یک سیگنال AC در حضور یک زمینه بزرگ از سیگنال DC بسیار کارآمد است، میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ هایی که در دیواره cavity قرار داده شده اند مدوله می شود (معمولا در 100kHz).

 آشکارساز فاز جساس (PSD) برای شناسایی این سیگنال مدوله شده استفاده می شود. این مدوله سازی سبب می شود سیگنال به دست آمده مانند سیگنال بدست آمده از مشتق اول خط جذبی به نظر برسد.

آنالیز با ESR

  طیف ها معمولا هم در محلول و هم جامد انجام می شود. موقعیت سیگنال، الگوی جفت شدگی فوق ظریف (hyperfine coupling) ، شکل پیک و عرض آن از مشخصات ویژه و قابل مشاهده هر سیگنال است. موقعیت سیگنال ESR با فاکتور g تعریف می شود:

g=(hν)/(β_eB)                                 (2)

  β_e ثابت بور مگنتون است. B قدرت میدان مغناطیسی و  اختلاف انرژی را نشان می دهد. فاکتور g با اندازه گیری دقیق فرکانس و میدان مغناطیسی یا معمولا با استفاده از یک مرجع با مقدار مشخص g تعیین می شود. g فاکتوری ست که برای یک الکترون آزاد برابر با 2.00232 و بدون واحد است. مفهوم فاکتور g می تواند معادل تقریبی جابجایی شیمیایی در روش NMR باشد.

  تعداد کمی از مولکول های آلی یک الکترون جفت نشده داشته و به صورت رادیکال آزاد هستند که می توانند به عنوان مرجع در طیف بینی ESR استفاده شوند. یک مرجع بسیار معمول رادیکال آزاد پایدار دای فنیل پیکریل هیدرازیل (diphenylpicrylhydrazyl, DPPH)، با ساختار شیمیایی (C₆H₅)₂NN(.){C₆H₂(NO₂)₃}، است که مقدار g=2.0036 دارد. در نمونه های مایع مقدار متوسط (ایزوتروپیک) g استفاده می شود ولی در نمونه های جامد اغلب مقدار ایزوتروپیک (g_x, g_y,g_z) به کار می رود. مقدار g  برای یک الکترون آزاد برابر با 2.0023  و برای بیشتر رادیکال های آزاد به این عدد بسیار نزدیک است. بنابراین الکترون های جفت نشده سهم اربیتالی بسیار کمی در گشتاور مغناطیسی دارند. به عبارت دیگر مقادیر g برای طیف ESR کمپلکس های dⁿ و fⁿ می تواند به علت جفت شدگی اسپین-اوربیتال (Spin-orbit coupling) بسیار متفاوت تر از مقدار 2.00 باشد.

 برای به دست آوردن بهترین طیف و نتیجه در روش ESR پارامترهای اپراتوری دستگاه شامل: فرکانس مایکروویو، قدرت مایکروویو، فرکانس مدولاسیون، زمان روبش و غیره باید بهینه شود.

  تکنیک ESR به دلیل طبیعت غیرمخرب، گزینش پذیری و حساسیت بالا، سرعت و سادگی در تشخیص رادیکال ها در شاخه های مختلف شامل پتروشیمی، نیمه هادی ها، مواد غذایی و پزشکی و داروسازی رشد روزافزونی در سراسر دنیا داشته است.  طیق بینی ESR تنها روش آشکارسازی الکترون های جفت نشده و رادیکال های آزاد است و توانایی کم نظیری در شناسایی ویژگی پارامغناطیسی مواد دارد در حالی که تکنیک هایی مانند فلورسانس اندازه گیری غیرمستقیمی از رادیکال های آزاد فراهم می آورند. اگرچه در کنار این مزایا، معایبی چون ناپایداری سیگنال های ضعیف، قیمت بالای دستگاه و مهارت بالا برای اپراتوری آن را نیز باید در نظر داشت.

تفاوت دو روش ESR و NMR با دیگر روش های طیف بینی

   دو تفاوت اساسی بین ESR و NMR با بقیه تکنیک های طیف بینی وجود دارد. اول اینکه جزء مغناطیسی پرتو الکترومغناطیس اعمالی (برای ESR امواج مایکروویو و برای NMR امواج رادیویی) با گشتاور مغناطیسی دائمی الکترون ( یا هسته ها در NMR) برهم کنش می کنند. در بسیاری از روش های طیف بینی گشتاور دوقطبی لحظه ای یا دائمی مولکول با جزء (مولفه) الکتریکی پرتو الکترومغناطیس برهم کنش دارد. دومین ویژگی متمایز ESR در دستگاهوری ست که بر مبنای یک منبع تابشی تک رنگ با قدرت میدان متغیر استوار است. به عبارت دیگر طیف ESR از رسم فرکانس جذب مایکروویو بر حسب شدت میدان مغناطیسی بدست می آید.

    برای هر سیستم مکانیک کوانتومی که با تابش الکترومغناطیس برهم کنش دارد، یک فوتون می تواند هم جذب و هم نشر داشته باشد. از نظر عملی جذب خالص آشکارسازی می شود که از اختلاف بین تعداد فوتون های جدب شده به نشر شده حاصل می شود. جذب متناسب با جمعیت اسپین ها در تراز پایین و نشر متناسب با جمعیت اسپین ها در تراز بالا ست. حساسیت روش ESR با تعداد کل اسپین ها، کاهش دما و افزایش قدرت میدان مغناطیسی افزایش می یابد. بنابراین میدانی که در آن جذب اتفاق می افتد متناسب با فرکانس مایکروویو است، در واقع حساسیت باید برای باندهای با فرکانس بالاتر بیشتر باشد. یعنی به نظر می رسد باند های K و Q حساسیت بیشتری از باند X  (جدول 1) داشته باشند اما از آن جایی که موج برهای باندهای k و  Q کوچک تر هستند بنابراین ضرورتا مقدار نمونه کمتر و در نتیجه جمعیت اسپینی کمتری خواهند داشت.

 تحت شرایط ایده آل یک طیف سنج باند X قدرت آشکارسازی تا 10¹² اسپین (معادل ^12-10مول) در دمای اتاق دارد. این تعداد اسپین در نمونه 1cm³ معادل غلظت در حدود ^9-10 مولار است. برای خطوط فوق ظریف که شکافتگی به چند خط صورت می گیرد حساسیت کمتر است. وقتی یک یا چند هسته مغناطیسی با الکترون جفت نشده برهم کنش کنند، ترازهای انرژی الکترونی شکافتگی بیشتری پیدا می کنند که به آنها خطوط فوق ظریف (hyperfine lines) گویند. به طور کلی ESR تکنیک حساسی به شمار می رود مخصوصا وقتی با روش NMR مقایسه شود.

نکات آنالیزی طیف بینی رزونانس اسپین الکترون

• تنها روش آنالیز مستقیم الکترون جفت نشده و رادیکال آزاد
• حساسیت بالاتری نسبت به روش NMR دارد.
• برای نمونه های جامد و مایع قابل انجام است.
• قیمت بالای دستگاه و دسترسی محدود به آن
• مهارت بالا برای اپراتوری و کار با دستگاه

کاربردهای طیف بینی رزونانس اسپین الکترون

• تعیین ساختار گونه های پارامغناطیس
• شناسایی مراکز فلزی در پروتئین ها
• تشخیص نواقص شبکه ای در کریستال ها
• کنترل کیفی و تشخیص پرتودهی مواد غذایی
• اندازه گیری دز در استرلیزه کردن وسایل پزشکی