Химическая поляризация ядер

Химически индуцированная динамическая поляризация ядер (ХИДПЯ) — неравновесная заселенность ядерных магнитных уровней, возникающая в термических или фотохимических радикальных реакциях и детектируемая спектроскопией ЯМР в виде усиленных сигналов поглощения или испускания. Ядерная намагниченность, детектируемая в продуктах реакций, может превышать равновесную в несколько сотен раз. Аналогичные явления обнаружены также в спектрах ЭПР. Они являются признаком неравновесной поляризации электронов, вызванной химическими реакциями (химическая поляризация электронов, ХПЭ).

Механизм явления

Для создания ХИДПЯ необходимы сильные и зависящие от времени магнитные взаимодействия ядерной спиновой системы с другими степенями свободы молекул. Такие взаимодействия существуют в парамагнитных частицах (ионах или радикалах), в которых суммарный электронный спин не равен нулю, а электронно-ядерное взаимодействие достаточно сильное. Явление ХИДПЯ появляется при рождении (диссоциация молекул), существовании (эволюция заселённостей спинами состояний) и гибели молекул-радикалов (синтез молекул конечных продуктов химической реакции). Наиболее существенным механизмом создания ХИДПЯ является интеркомбинационная синглет-триплетная конверсия в радикальных парах.

Где используется

Химия

Химическая поляризация ядер используется для изучения короткоживущих радикалов и механизмов радикальных реакций.

Ядерный магнитный резонанс

Для усиления ядерной намагниченности в экспериментах ЯМР.

Изучение структуры белков

В последнее время ХИДПЯ также активно используется для изучения поверхностной структуры белков, в которых ароматические аминокислоты гистидин, тирозин и триптофан могут быть поляризованы в фотохимических реакциях с флавинами и другими азотсодержащими ароматическими соединениями. В результате фотохимической реакции в молекуле белка поляризуются только те аминокислоты, которые располагаются на поверхности молекулы и доступны второму реагенту. ХИДПЯ, таким образом, дает информацию о поверхностной структуре белка, как в нативном, так и в частично развернутом состоянии, а также позволяет изучать взаимодействие белков с лигандами, модифицирующими структуру поверхности.

Магнитобиология

ХИДПЯ позволяет объяснить причины влияния магнитных полей на скорости протекания химических и биологических процессов. Магнитное поле способно изменять вероятности протекания элементарных химических актов. Магнитное поле может влиять на вероятность химических реакций, которые протекают через состояния с разной спиновой мультиплетностью. Оно индуцирует интеркомбинационные переходы между этими состояниями или изменяет вероятности этих переходов.

Библиография

• Бучаченко А.Л. Химическая поляризация ядер и электронов. М., Наука, 1974, 246 с.
• Бучаченко А.Л., Сагдеев Р.З., Салихов К.М. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск, Наука, 1978, 327 с.
• Воронов В.К., Подоплелов А.В. Современная физика: Учебное пособие. - М., КомКнига, 2005. - 512 с., ISBN 5-484-00058-0, гл. 6. Строение и динамика молекул. п. 6.1 Магнитный резонанс. пп. 6.1.13 Химическая поляризация ядер и электронов.
• L.T. Muus, P.W. Atkins, K.A. McLauchlan, J.B. Pedersen (ed.), Chemically induced magnetic polarisation, D. Reidel, Dordrecht, 1977.
• M. Goez, Photochemically induced dynamic nuclear polarization, Adv. Photochem. 23 (1997) 63-163.
• R. Kaptein, Photo-CIDNP studies of proteins, Biol. Magn. Res. 4 (1982) 145-191.
• R. Kaptein, K. Dijkstra, K. Nicolay, Laser photo-CIDNP as a surface probe for proteins in solution , Nature 274 (1978) 293-294.
• P.J. Hore, R.W. Broadhurst, Progr. NMR Spec. 25 (1993) 345-402.
• I. Kuprov, P.J. Hore, J. Magn. Res. 168 (2004) 1-7.