Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор: Исследование молекулярных движений методом ЭПР 5
1.1 Динамика молекул в стеклах 5
1.2 Скорость анизотропной релаксации и параметры движения 12
1.3 Связь молекулярной подвижности зонда и матрицы 14
1.4 Применение ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов 16
1.5 Методы расчета спектров ЭПР нитроксильных радикалов 18
1.5.1 Медленные движения: уравнение Лиувилля 19
1.5.2 Медленные движения: расчет процесса спектральной диффузии . 21
1.5.3 Быстрые движения 23
1.6 Дополнительные механизмы спиновой релаксации для нитроксильных радикалов в стеклах 26
1.7 Постановка задачи 28
2 Теоретическое описание спектров ЭД ЭПР нитроксильных радикалов 30
2.1 Спектры стационарного ЭПР 31
2.2 Спектры ЭД ЭПР 35
2.2.1 Либрационное движение 38
2.2.2 Изотропное движение 38
2.2.3 Скачки между двумя положениями 39
2.2.4 Флуктуации главных значений g-тензора 40
2.3 Программа расчета и подгонки
спектров стационарного и ЭД ЭПР 40
3 Определение времени корреляции движения. Мультичастотный ЭД ЭПР . 42
3.1 Экспериментальная часть 47
3.2 Результаты и обсуждение 48
3.3 Заключение 56
4 Динамика молекул в стеклах: зависимость от размера и формы нитроксильного радикала, свойств матрицы 58
4.1 Экспериментальная часть 60
4.2 Результаты: влияние структуры и размера зонда, свойств стекла и температуры на динамику молекул 64
4.3 Обсуждение 68
4.4 Заключение 72
5 Исследование коллективных молекулярных двиэкений в пептидах 73
5.1 Расчет спектров ЭД ЭПР нитроксильных бирадикалов 76
5.2 Спектры ЭД ЭПР нитроксильных бирадикалов 80
5.3 Экспериментальная часть 82
5.4 Результаты и обсуждение 83
5.5 Заключение 93
Результаты и выводы
- Применение ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов
- Флуктуации главных значений g-тензора
- Результаты и обсуждение
- Результаты: влияние структуры и размера зонда, свойств стекла и температуры на динамику молекул
Введение к работе
lQCfl
Актуальность проблемы. Динамика молекул в неупорядоченных средах - стеклах и полимерах имеет иерархический характер и происходит в широком диапазоне времен корреляции. Построение полной картины молекулярных движений в неупорядоченных средах необходимо для решения фундаментальной задачи статистической физики -построения теории фазового перехода стекло-жидкость. Кроме того, понимание закономерностей молекулярной динамики в стеклах и полимерах имеет большое значение для решения практических задач материаловедения. Детальное исследование динамики молекул в неупорядоченных средах требует развития физических методов специфически чувствительных к молекулярным движениям в различных временных диапазонах.
Работа посвящена развитию и применению метода детектирования молекулярных движений при помощи эхо-детектированого электронного парамагнитного резонанса (ЭД ЭПР) нитроксильных спиновых зондов. Метод ЭД ЭПР обладает большим потенциалом для исследования ориентащюнной динамики молекул в диапазоне времен корреляции 10"6 -10"" с и позволяет исследовать движение радикальных примесных частиц, иммобилизованых в стеклах. В комбинации с методом спинового зонда позволяет получать уникальную информацию о локальной молекулярной подвижности спин меченых молекул белков и биополимеров.
Информация о молекулярных движениях извлекается на основании анализа вызванной движением спиновой релаксации. Интерпретация данных ЭД ЭПР требует развития теории спиновой релаксации вызванной движением и разработки способов определения параметров молекулярных движений.
Многочисленные данные нейтронного рассеяния, рамановской инфракрасной спектроскопии указывают на наличие в стеклах и полимерах коллективных мод движения -одновременных смещений большого количества молекул. Теория фазового перехода, разработанная Адамом и Гиббсом, также использует концепцию одновременно перестраивающихся кластеров для описания фазового перехода стекло жидкость1. Большой интерес представляет развитие экспериментальных методик позволяющих детектировать коллективные движения, определять их корреляционную длину.
Особый интерес представляет применение метода ЭД ЭПР для исследования динамики молекул в пептидах и белках. Развитие методов детектирования молекулярных движений в белках и белковых комплексах необходимо для понимания механизмов действия и каталитических функции белков в живых организмах". —————__
'^- национальная!
I БИБЛИОТЕКА | 3
«"2W/J
Основные цели работы:
-
Определение времен корреляции ориентационных движений молекул нитроксильных радикалов в органических стеклах при помощи метода ЭД ЭПР. Предполагалось определить масштаб времен корреляции и амплитуд, а также геометрию молекулярных движений методом сравнения экспериментальных ЭД ЭПР спектров с теоретическим расчетом.
-
Выявление связи между молекулярной динамикой спиновых зондов и движением молекул стеклообразной матрицы. Выявление зависимости параметров молекулярных движений от размеров и структуры нитроксильных спиновых зондов, стекла растворителя и температуры. Исследование коллективного характера молекулярных движений.
-
Применение метода ЭД ЭПР для исследования молекулярной динамики пептидов в белков. Изучение молекулярной динамики пептида трихогин при помощи ЭД ЭПР однократно и дважды меченых пептидов.
Научная новизна работы. Предложен метод определения масштаба времен корреляции ориентационных движений, который основан на сравнительном анализе спектров ЭД ЭПР различных ЭПР диапазонов. Впервые при использовании современных методов импульсного ЭПР в высоких полях определен масштаб времен корреляции ориентационных движений нитроксильного спинового зоида (соли Фреми в глицерине вблизи температуры стеклования), равный 10'7 - 10"10 с. При помощи разработанной программы для расчета и подгонки спектров ЭД ЭПР нитроксильных радикалов для ряда моделей ориентационных движений проведен расчет формы спектров ЭД ЭПР. Достигнуто согласие экспериментов и теоретических расчетов.
Впервые при помощи ЭД ЭПР продемонстрирован коллективный характер ориентационных движений молекул в стеклах. Исследована зависимость скорости анизотропной поперечной релаксации нитроксильных спиновых зондов от размера и свойств зонда, структуры нитроксильного кольца, размера и структуры заместителей, а также свойств стекла растворителя и темпертуры.
Исследованы молекулярные движения пептида трихогин GA IV однократно и двукратно меченого нитроксильной спиновой меткой. Впервые продемонстрирована возможность исследования локальных и коллективных мод движения пептидов при помощи ЭД ЭПР однократно и дважды меченных пептидов.
Практическая ценность работы. Разработаный метод может быть использован для исследования молекулярной подвижности в стеклах и полимерах различного состава, а также при исследовании динамики белковых молекул. Созданная программа расчета и подгонки спектров ЭД ЭПР может быть применена для анализа экспериментальных данных
импульсного ЭПР различных диапазонов и позволяет определять параметры молекулярных движений и геометрию молекулярных движений. Полученные результаты о коллективном характере молекулярных движений в стеклах могут иметь большое значение при сравнении с теоретическими предсказаниями.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях и симпозиумах: VI International Voevodsky Conference «Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes», (Новосибирск, Россия, 21-25 июля 2002), International School on EPR spectroscopy and Free Radical Research (Мумбай, Индия, 17-20 ноября, 2004) Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fur Biophysik (Фрайбург, Гермапия, 12-15 сентяря, 2004), 5* Meeting of the European Federation of EPR Groups (Лисабон, Португалия, 7-11 сентября, 2003), 9th Chianti workshop, (Тиррения (Пиза), Италия 26 мая -1 июня, 2001), Specialized Colloque AMPERE: «EPR and ENDOR Spectroscopy of Metal Proteins and Spin-Labelled Proteins» (Лейден, Нидерланды 29 июня - 1 июля, 2005), EUROMAR conference EENC 2005 «Magnetic Resonance for the Future»( Вельтхофен, Нидерланды, 3-8 июля 2005), Final report clloquium of the DFG Priority Programme SPP 1051 High-field EPR in Biology and Physics (Хюнельд, Германия, 16-18 февраля, 2005), Euro-Summer School «Modern EPR Spectroscopy methodology and application in Physics, Chemistry and Biology» (Рити, Бельгия, 1-7 декабря, 2002), симпозиум «Современная химическая физика», (Туапсе, Россия, 18-29 сентября, 2000), Молодежная научная школа «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений», (Казань, 20-22 ноября, 2002).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 4 статьях и 10 тезисах научных конференций и симпозиумов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов и списка цитируемой литературы, включающего 70 наименований. Работа изложена на 104 страницах, содержит 5 таблиц и 29 рисунков.
Применение ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов
Важнейшим приложением описанного метода исследования ориентационных движений при помощи ЭД ЭПР спиновых зондов является исследование молекулярной динамики в неупорядоченных средах - молекулярных стеклах и полимерах.
В работе [17] нитроксильные спиновые зонды были применены для исследования молекулярной динамики в яонополимерах. Нитроксильные ион радикалы концентрируются в местах скопления положительных зарядов в гетерополимерах, что было использовано для исследования характера молекулярной динамики в полимерах различного состава. Эти исследования особенно актуальны, поскольку нитроксильные радикалы широко используются в качестве пластификаторов полимеров.
Наряду с исследованием молекулярной динамики стеклующихся сред метод может быть применен для исследования большого класса различных объектов. Наличие интенсивных ориентационных молекулярных движений является, по-видимому, характерной особенностью стеклообразного состояния среды. Анизотропия поперечной релаксации для нитроксильных радикалов иммобилизованых в кристаллах исчезающе мала [27], [28}, Вследствие этого наличие анизотропной релаксации может быть использовано в качестве индикатора фазового состояния среды. В работе [19], [29] метод ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов применен к исследованию фазового состояния внур-тиклеточного вещества семян и пыльцы гороха. Образцы семян и пыльцы, высушенные после набухания в буферном растворе нитроксильного радикала, были исследованы при помощи ЭД ЭПР. Было показано, что нитроксильные радикалы, иммобилизованные в межклеточном веществе, участвуют в интенсивном ориентационном движении. Сделан вывод о том, что межклеточное вещество семян находится в стеклообразном состоянии.
Важная структурная информация может быть извлечена из геометрии ориентацион-ного движения. Форма спектров ЭД ЭПР и вид зависимости скорости релаксации от положения в спектре позволяют сделать вывод о преимущественной оси переориен таций молекул. На основании геометрии ориентационного движения можно судить о локализации радикала и структуре образованных им водородных связей. Так в работе [20] методом ЭД ЭПР была исследована динамика нктроксильной спиновой метки имобилизованой в макроскопически ориентированой липидной мембране. Температурная зависимость формы спектра ЭД ЭПР объяснена ориентационым движением , нитроксильной метки. Проведено сравнение экспериментальных спектров с расчетом спектров ЭД ЭПР в рамках модели быстрого ограниченного ориентационного движения для разных направлений оси ориентационных колебаний радикала. Определенный из эксперимента угол между осью либрационного движения и нормалью к поверхности мембраны позволил определить угол упорядочевания липидов в мембране. В работе [30] при помощи ЭД ЭПР определен механизм движения нитроксильных радикалов, адсорбированных на каталитических центрах алюмосиликатного катализатора. Показано, что молекулярное движение может быть наилучшим образом описано при помощи модели одноосных ориентационных колебаний вокруг оси сорбции. Определена ориентация оси сорбции относительно молекулярных осей нитроксильного зонда. А работе [24] исследована динамика кофакторов убихинонов в фотосинтетическом центре. Ключевой процесс фотосинтеза - разделение и трансмембранный перенос заряда - сопровождается конформационными изменениями в положениях кофакторов QA И QB- Ранее было высказано предположение, что последняя стадия переноса электрона с убихинона QA на убихинон QB возможна лишь благодаря ориентационным флукту-ациям последнего между несколькими положениями в клетке окружающего протеина, характеризующимися различной конфигурацией водородных связей. Исследования анизотропной релаксации убихинонов QA И QB продемонстрировали, что оба хинона участвуют в интенсивном ориентационном движении [24]. Определена ось водородного связывания радикала.
Особенный интерес представляет возможность использования нитроксильных спино-вых меток для исследования молекулярной динамики белков и пептидов. Молекулярная динамика играет важную роль при функционировании белков [3], [31], [32]. Конформационные переходы обеспечивают изменение свойств протеина после об разования комплекса с субстратом, под действием света или при изменении рН. Например, конформационные переходы в молекуле миоглобина позволяют этому белку выступать в роли запасника кислорода, высвобождая его при необходимости [31], [33]. Кроме того колебательные состояния служат энегретическим бассейном для процессов переноса и реорганизации белковой молекулы. Так, недавно было показано, что молекулярные флуктуации могут играть регулирующую роль в процессе переноса электрона в фотосинтетическом центре [34]. В связи с этим представляет большой интерес применение метода ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов к исследованию колебательной динамики пептидов и белков. Исследование возможностей метода ЭД ЭПР для изучения динамики молекул в белках является важной целью настоящей работы. В главе 5 метод ЭД ЭПР нитроксильных спиновых зондов был применен для исследования молекулярных движений однократно и дважды меченного пептида трихогин
Флуктуации главных значений g-тензора
Главные значения g-тензора и тензора СТВ чувствительны к свойствам локального окружения нитроксильного радикала. Флуктуации локальных электрических полей в месте нахождения радикального фрагмента N — О-, могут приводить к флуктуациям главных значений тензоров g- и СТВ. Эти процессы приводять к продольной и поперечной релаксации, причем скорость релаксации зависит от положения в епектре ЭПР. Особенно эффективны эти процессы могут быть для W- и G- диапазонов. Для того чтобы учесть процесс флуктуации значений g-тензора мы предположили, что флуктуации вызваны флуктуациями электрического поля, направленного параллельно молекулярной оси х. Известно, что в этом случае основной эффект электрического поля заключается в изменении gsx компоненты g-тензора, наиболее чувствительной к окружению. Предполагая малость величины Адхх: где Адхх амплитуда флуктуации величин g-тензора. Для автоматизации расчета и подгонки спектров стационарного и ЭД ЭПР нами была создана программа в среде программирования MATLAB.
Пользователь задает параметры системы - рабочую частоту спектрометра, диапазон магнитных полей, главные значения тензора СТВ АХХ) Ат, Azx и g-тензора дхх, дт, gzz, параметры ширины и формы неоднородной линии, задает тип интересующего спектра (стационарный или ЭД), модель движения и времена задержки между имульсами для спектра ЭД ЭПР. Используя заданные параметры, вычисляется спектр ЭПР. В программе реализован следующий алгоритм расчета спектров: четверть сферы 9 = 0..7г/2, кр = 0..тг/2 покрыта сеткой dip — TT/2N, dcosfl = 1/N. На каждом узле сетки вычисляется значение резонансных полей В"{6п, (рт) для ЭПР переходов, согласно выражению 2.6, вероятности переходов используя выражение 2.7 и скорость поперечной релаксации І/Зг тУт)) используя выражение 2.16. Для каждого значения внешнего магнитного поля Вщ и величины времени задержки между импульсами т интенсивность сигнала эха вычисляется при помощи выражения 2.13, где интегрирование по углам в, р заменено суммированием по всем всем узлам сетки.
Для спектров стационарного ЭПР производная спектральной интенсивности по магнитному поля вычисляется численно двухточечным разностным методом или при помощи процедуры псевдомодуляции магнитного поля.
Программа позволяет производить подгонку экспериментальных спектров ЭПР по любому колличеству параметров. Экспериментальные данные сравниваются с результатом расчета при заданных параметрах. Подгонка экспериментальных спектров методом наименьших квадратов проведена при помощи пятишагового градиентного спуска.
Центральным вопросом исследования динамики молекул является определение временной шкалы движений. В методе ЭД ЭПР характерные времена извлекаются из анализа скорости релаксации, вызванной молекулярным движением. При этом, вследствие немонотонной зависимости скорости релаксации от времени корреляции движения, данные ЭД ЭПР допускают неоднозначную интерпретацию и могут быть объяснены как медленными, так и быстрыми ориентационными движениями (см. раздел 1.2). В этой главе показано, что диапазон времен корреляции молекулярных движений может быть определен из сравнительного анализа кинетик спада сигнала эха записанных при различных значениях внешнего магнитного поля, и рабочей частоты спектрометра по аналогии с мультичастотными методами, используемым при исследовании молекулярной динамики в ЯМР [53]. Сравнивая кинетики затухания эха, записаные для нит-роксильного радикала соль Фреми в стекле глицерина в S-(0.12 Т/3 ГГц), Х- (0.35 Т/9.5 ГГц), W-(3.5 Т/95 ГГц) и G- (6 Т/180 ГГц) диапазонах ЭПР, мы определили временной мастштаб движения при температурах вблизи температуры стеклования.
Для релаксационных процессов, вызванных флуктуациями эффективного g-тензора, амплитуда флуктуации ларморовской частоты увеличивается при увеличении величины внешнего магнитного поля. Это позволяет, измеряя кинетики спада сигнала эха при различных полях, исследовать зависимость времени фазовой памяти Тт от амплитуды флуктуации ларморовской частоты Да 2. Зависимость Тт от До;2 различна для режима быстрых и медленных движений, что дает возможность определить временную шкалу движений.
В разделе 1.5 были описаны теоретические подходы, развитые для расчета кинетик спада в случае ориентационных движений радикалов для ряда моделей движения. Проанализируем, какова зависимость времени фазовой релаксации и кинетики спада эха от амплитуды флуктуации ларморовской частоты, предсказываемая теоретически для режима быстрых и медленных молекулярных движений.
Как было показано в разделе 1.5.3, быстрые движения всегда приводят к экспоненциальной кинетике затухания спинового эха. Зависимость времени поперечной релаксации от амплитуды флуктуации ларморовской частоты и времени корреляции движения определяется выражением 1.8, т.е. (в случае малости скоростей продольной релаксации) l/Тг прямо пропорционально среднему квадрату амплитуды либрационного движения. В случае медленных движений кинетика затухания сигнала эха часто неэкспоненциальна, время фазовой релаксации определяется типом случайного процесса (см. разделы 1.5.2, 1.5.1). Хотя общее выражение, определяющее зависимость времени фазовой релаксации от времени корреляции и амплитуды движения, не может быть получено, критерий для экспериментального различия медленных и быстрых процессов может быть построен на том факте, что медленные движения никогда не приводят к одновременно экспоненциальной кинетики спада эха и квадратичной зависимости времени фазовой релаксации от Дал Такой вывод может быть сделан на основании анализа теоретических расчетов кинетик спада сигнала эха для медленных процессов, приведенных в таблице
Результаты и обсуждение
Скорость релаксации спинового эха в спектральных позициях W- и G-диапазоне ЭПР вызванной ориентационным движением нитроксильных спиновых зондов (см. рисунок 3.1), которое модулирует обе части спин Гамильтониана - СТВ и g-тензор. Для определения временной шкалы ориентационного движения необходимо проверить экспоненциальность кинетик спада эха и квадратичность зависимости скорости релаксации от величины магнитного поля для высокопольных диапазонов. Экспоненциальность спада эха была проверена при помощи фитирования кннетик спада эха моноэкспоненциальной функцией.
Для проверки квадратичности зависимость времени попречной релаксации от величины внешнего магнитного поля, т.е. от Аш2, мы сравнили скорость анизотропной релаксации в W- и G-диапазонах, где анизотропия спин-гамильтониана определяется в основном анизотропией зеемановского взаимодействия, а значит Аы2 квадратично зависит от величины внешнего магнитного поля.
Для того чтобы количественно охарактеризовать скорость анизотропной релаксации, мы использовали разницу между скоростями релаксации в канонической и промежуточной ориентации. Таким образом, мы исключаем из рассмотрения вклад изотропных релаксационных процессов. В таблице 3.1 приведены скорости попречной релаксации канонической спектральной позиции gw и промежуточной позиции 1/2(( +9уу) измеренные в W-(95 ГГц) и G- (180 Ггц)- диапазонах. Как видно из таблицы 3.1, разница между скоростями релаксации в позициях gw и 1/2( - + д у) изменяется от (6.6 ±0.1) 105 с-1 (W-диапазон) до (4.7 ±0.5) 10s с"1 (G-диапазон). Рабочая частота и магнитное поле спектрометра W-диапазона в 1.9 раз меньше, чем частота/магнитное поле спектрометра диапазона G. Увеличение магнитного поля в 1.9 раз привело к увеличению скорости анизотропной релаксации в 4.7/1.3 = 3.6 раз, что находится в согласии с фактором 1.892 = 3.6, предсказанным теорией Редфилда (см. соотношение 1.8). Изменение скорости анизотропной релаксации при переходе от S- к Х- и к W-диапазону также подтверждает предсказание теории Редфилда. Однако прямое сравнение скоростей релаксации для спектров Х- и W- диапазонов затруднено, поскольку механизм уширения линии и ориентационная селективность различны. Поэтому для сравнения этих диапазонов необходима полная симуляция спектров ЭД ЭПР обоих диапазонов. На основании эксперименталиных данных мы можем заключить, что анизотропная релаксация вызвана быстрыми ориентационными флуктуациями молекул, время корреляции и амплитуда движения которых удовлетворяют условию AUJTC 1, а значит тс g.Ti — 10"6 с. Нижнее ограничение для значения времени корреляции может быть получено, если принять во внимание, что во всех использованных диапазонах время продольной релаксации на два порядка превышает время поперечной релаксации. Согласно соотношению 2.17 это означает, что выполняется условие шотс 3 1, где и а лармо-ровская частота электрона. Для наименьшего значения лароморовской частоты 3 Ггц (S -диапазон), это условие дает ге » 10 10 с. Таким образом, получаем верхнюю и нижнюю границы для времени корреляции либрационного движения 10-:ос -С тс С Ю-7 с. Качественное сравнение расчетных спектров на рисунке 3.1с экспериментально полученными спектрами W- и G- диапазонов (см. рис.3.4) позволяет сделать заключение о геометрии ориентационного движения. В спектрах обоих диапазонов скорость релаксации спектральной позиции х, l/T c, больше, чем 1/72V, и l/Tbz - скорости релаксации спектральных позициях у и z соответственно. Либрационное движение вокруг молекулярных осей х и z не может быть процессом вызывающим релаксацию. Либрационное движение вокруг осей х или z привело бы к 1/Т2ж g; 1/, 1/T2z И l/Tzz І/ТЬя, 1/X2j, соответственно, в противоположность экспериментальным наблюдениям. Флуктуации g-тензора также не могут быть доминирующим релаксационным механизмом. Как видно из рисунка 3.1 (Д), этот механизм релаксации не приводит к ускоренной релаксации в промежуточных ориентациях, как это наблюдается в эксперименте. Кроме того, флуктуации абсолютных величин g-тснзора не могут объяснить анизотропную релаксацию, наблюдаемую в S- и Х-диапазонах. Тем ни менее, нельзя исключить присутствие этого релаксационного механизма в дополнение к ориентационому движению, что может объяснить ускоренную реаксацию в канонической ориентации х.
Для того чтобы определить параметры движения, экспериментальные спектры были симулированы при помощи программы, описанной в главе 2. Подгонка экспериментальных спектров производилась в два этапа. Сначала из симуляции непрерывного спектра W-диапазона, были получены главные значения g-тензора и тензора СТВ, а также неоднородная ширина линии. Далее, методом одновременной подгонки спектров, записанных при различных величинах задержки между импульсами и в различных диапазонах ЭПР, были определены параметры движения.
Модель изотропного движения не дает удовлетворительного согласия с экспериментальными спектрами W- и G-диапазонов. Несмотря на то, что эта модель хорошо воспроизводит наблюдаемую в эксперименте большую скорость релаксации в промежуточных ориентациях, она не объясняет разницы в скорости релаксации между каноническими позициями х, у и z, наблюдаемую в эксперименте в W- и G-диапазонах. Большая скорость релаксации для канонической позиции х означает, что амплитуда флуктуации ларморовской частоты больше для этой спектральной позиции. ТЪкое возможно или для случая либрации вокруг оси у, или для процесса динамического g-стейна, которые приводят к увеличению скорости релаксации для канонической позиции х. В расчетах мы использовали две модели движения - модель изотропных ориентацион-ных флуктуации и g-стрейна, а также модель либрационного движения вокруг трех осей с большей амплитудой флуктуации вокруг оси у. Обе модели обеспечивают хорошее согласие с эксперименальными ЭД ЭПР спектрами. В левой колонке рисунка 3.1 представлены спектры ЭД ЭПР S-, Х-, W- и G-диапазонов, рассчитаные для значений времен задержек между импульсами использованных в эксперименте. Параметры, обеспечивающие наилучшее согласие с экспериментом, приведены в таблице 3.2. Расчеты хорошо воспроизводят характерные особенности изменений в спектрах ЭД ЭПР, вызванные анизотропной релаксацией
Результаты: влияние структуры и размера зонда, свойств стекла и температуры на динамику молекул
Обсудим насколько обнаруженая зависимость скорости анизотропной релаксации от характиристик системы зондгстекло согласуется с различными моделями орентацион-ных движений, которые потенциально могут приводить к анизотропной релаксации, наблюдаемой в спектрах ЭД ЭПР.
Движение протонов окружения Для начала необходимо обсудить возможное влияние движения протонов окружения на анизотропную релаксацию. Согласно литературным данным ( см. раздел 1.6), наиболее важными релаксационными процессами для нитроксильных радикалов в стеклах являются спектральная диффузии за счет флип-флопов спинов окружающих протонов и вращение метильных групп нитроксильного радикала. Скорость релаксации, вызванная этими механизмами, зависит от величины ядерного магнитного момента. Поскольку магнитный момент дейтона в шесть раз меньше магнитного момента протона, то эффективность обоих механизмов существенно меньше в дейтерированной системе по сравнению с протонированной.
Экспериментально измеренная скорость анизотропной релаксации практически не меняется при дейтерировании радикала и растворителя (см. рисунок 4.7). Небольшое увеличение скорости анизотропной релаксации в дейтерированом образце (24%) может быть объяснено уменьшением ширины индивидуальной линии, что приводит к большей ориентационной селективности. В результате вклад в кинетику спада эха от медленно релаксирующих ориентации в спектральной позиции А меньше для дейтерированого образца, что приводит к видимому увеличению времени релаксации. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что релаксационные процессы, связанные с динамикой окружающих протонов, не вносят вклад в анизотропную релаксацию.
Внутримолекулярное движение
Внутримолекулярные процессы могут быть причиной анизотропной релаксации лишь в случае, если они приводят к переориентации нитроксильного фрагмента. Среди внутримолекулярных мод нитроксильных радикалов такими движениями являются переходы между твист-конформациями нитроксильного кольца и деформационные колебания фрагмента C-NO-C. Колебательные движения фрагмента C-NO-C могут быть исключены как возможная причина поперечной релаксации, поскольку типичные времена колебательной релаксации в твердых телах находятся в диапазоне Ю-12 с. Процессы с таким малыми временами корреляции не могут приводить к эффективной релаксации спинового эха. Энергетический барьер, разделяющий две твист-конформации, а также угол переориентации фрагмента при конформационном переходе, определяются структурой нитрок-сильного цикла. Известно, что молекула Темпона (XI) имеет две твист-конформации, тогда как большинство имидазолиновых радикалов обладает практически плоской структурой высокой жесткости [60]. Следовательно, конформационные переходы в имидазолиновых радикалах приводят к переориентации фрагмента с существенно меньшей амплитудой и существенно большим временем корреляции.
Мы обнаружили, что скорость анизотропной релаксации практически не зависит от структуры нитроксильного кольца (см. рисунок 4.3). В стекле этанола при 77 К скорости анизотропной релаксации очень близки для радикалов, содержащих пяти и шести-членные циклы. Более того, скорость анизотропной релаксации нециклического зонда соль Фреми (І) в стекле глицерина совпадает со скоростью релаксации для шестичленного радикала Темпон (XI) (см, рисунок 4.7). Таким образом, предположение о том, что ориентационное движение, приводящее к анизотропии поперечной релаксации, является внутримолекулярным конформационным переходом, не согласуется с экспериментальными данными.
То, что наблюдаемые в ЭД ЭПР ориентащгонные движения не связаны с внутримолекулярной динамикой нитроксильных радикалов, является важным условием использования нитроксильных радикалов в качестве зондов и меток для изучении динамики неупорядоченных сред.
Движение в клетке растворителя
Если размер молекулы зонда существенно превышает размер молекулы растворителя, то размер клетки определяется размером зонда. Вследствие этого можно ожидать, что амплитуда ориентационных колебаний молекул определяется их размером и формой. В наших экспериментах в стекле толуола мы изменяли размер спинового зонда от нескольких ангстрем до 50 А. Радикалы XII и XIII также имеют жесткую структуру ограничивающую подвижность в плоскости xz. Нитроксильные радикалы V, VI VII имеют в своем составе второй цикл, а также длинные алкильные фрагменты, которые затрудняют реориентацню вокруг оси х. НитроксильныЙ радикал IX содержит длинную алкильную цепь вблизи алкилыюй группы, наличие которой должно затруднить движение вокруг оси у.
Скорость анизотропной релаксации для всех исследованых спиновых зондов в стекле этанола оказалась одинаковой в пределах 30%. Аналогичный результат был получен в стекле толуола для еще большего радикала XIII. Таким образом экспериментально наблюдаемая скорость анизотропной релаксации слабо зависит от размера радикала, что не согласуется с моделью индивидуальных движений нитроксильного зонда относительно клетки растворителя.
Кооперативные движения клетки растворителя
Реориентация клетки растворителя приводит также к реориентации заключенных с клетку молекул спиновых зондов. Для этого типа движения структура спинового зонда не оказывает решающего влияния на амплитуду и время корреляции. Размер радикала также не имеет решающего значения до тех пор, пока величина молекулы зонда не превышает длину корреляции движения. Таким образом, для этого типа движения не ожидается влияния размера и формы пробы на скорость анизотропной релаксации. Амплитуда и время корреляции этого типа движения определяется, в основном, свойствами стекла.
Модель коллективных движений хорошо согласуется с экспериментальными данными. Для описанного типа движения изменение скорости анизотропной релаксации ожидается только в том случае, когда размер молекулы нитроксильного радикала достигает размера корреляционой длины движения. В наших экспериментах размер пробы менялся до 10 А в стекле этанола и до 50 А в стекле толуола, без заметного изменения скорости анизотропной релаксации.
