Espectroscopia de ressonância paramagnética electrónica

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Espectro de ressonância paramagnética electrónica típico de uma sonda de spin de radical nitroxilo.
Disambig grey.svg Nota: Para outros significados de EPR, veja EPR (desambiguação).

A espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica ou de ressonância de spin eletrônico (RPE, ou EPR, do inglês electron paramagnetic resonance ou ainda ESR, do inglês electron spin resonance) é uma técnica espectroscópica que detecta espécies contendo elétrons desemparelhados, ou seja, espécies paramagnéticas. Em geral, esta condição verifica-se quando a espécie é um radical livre, se é uma molécula orgânica, ou quando possui metais de transição, em complexos inorgânicos ou metaloproteínas. Esta técnica é menos usada que a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) porque a maioria das moléculas possui uma configuração eletrônica de valência completa, sem elétrons desemparelhados (orbitais incompletos).

A teoria subjacente à técnica é análoga à de RMN, havendo lugar à excitação dos spins dos electrões, ao invés dos spins dos núcleos atómicos. Campos magnéticos menos intensos e frequências mais elevadas são usadas em RPE que em RMN devido à diferença de massa entre núcleos e electrões. Para electrões num campo magnético de 0,3 tesla, a ressonância de spin ocorre cerca de 10 Ghz.

A espectroscopia de RPE é usada na Física do estado sólido, em Química na identificação e quantificação de radicais e na identificação de vias de reacção química, em Biologia e Medicina na marcação de moléculas com sondas de spin e em Bioquímica na identificação e caracterização estrutural de centros metálicos em metaloproteínas.

Para detectar alguns detalhes mais subtis em alguns sistemas, é necessário utilizar espectroscopia de ressonância paramagnética electrónica em campo alto e usando frequências elevadas (high-field-high-frequency). Enquanto o espectrómetro de RPE é relativamente fácil de adquirir por um grupo de investigação académico, apenas alguns centros científicos no mundo inteiro podem oferecer este tipo especial de espectroscopia.

Teoria de RPE[editar | editar código-fonte]

Unidades e constantes[editar | editar código-fonte]

Um campo magnético é descrito por algumas constantes e unidades:

Também são importantes as seguintes constantes:

  • Constante de Planck: h = 6,63 x 10-34 J.s
  • Constante de Boltzmann: k = 1,38 x 10-23 J.K-1
  • Magnetão de Bohr: μB = 9,27 x 10-24 J.T-1

Teoria básica[editar | editar código-fonte]

Um electron tem um momento magnético associado igual ao magneton de Bohr, μB. Quando colocado num campo magnético externo de intensidade B0, esse momento magnético pode tomar duas orientações: paralela e antiparalela ao sentido do campo magnético. A orientação paralela encontra-se num estado de menor energia que a antiparalela (o chamado efeito de Zeeman), sendo a diferença de energia entre os dois estados, ΔE, dada por

ΔE = geμBB0,

em que ge é a razão giromagnética do electrão (a razão entre o seu momento magnético dipolar e o seu momento magnético angular). Para passar do nível mais baixo de energia para o mais elevado, o electrão tem de absorver radiação electromagnética de energia ΔE:

ΔE = = geμBB0,

sendo esta a equação fundamental na espectroscopia de RPE.

O centro paramagnético é colocado num campo magnético, provocando a ressonância do electrão entre os dois estados; a energia absorvida é monitorizada e convertida num espectro de RPE.

Um electrão livre, ou seja, teoricamente não influenciado por qualquer factor externo, tem um valor ge igual a 2,002319304386. Isto significa que, ao usar uma radiação de frequência 9,5 GHz (a frequência normalmente usada na chamada banda X de RPE), ocorre ressonância à volta de 3400 G (0,34 tesla).

Os sinais de RPE podem ser gerados por medições de absorção de energia feitas a diferentes valores de campo magnético, B, mantendo o valor da frequência ν constante. Também é possível fazer o inverso, ou seja, obter espectros a diferentes frequências mantendo fixa a intensidade de campo magnético (tal como acontece em espectroscopia de RMN). Por razões de ordem técnica, a forma mais frequente de medir RPE é a primeira. Isto significa que os espectrómetros de RPE são construídos de forma a ter uma fonte de radiação electromagnética de frequência fixa e ímans que possibilitam a variação da intensidade do campo magnético (dentro de determinados limites). O espectro resultante é normalmente desenhado tendo a intensidade do campo magnético no eixo das abcissas (eixo dos x) e a intensidade do sinal resultante no eixo das ordenadas (eixo dos y).

Na prática, os electrões encontram-se associados a átomos, com consequências importantes para a experiência:

  • O electrão pode ganhar ou perder momento angular (através do fenómeno denominado acoplamento spin-órbita), o que afecta o valor de g. Este valor é frequentemente diferente de 2,0023, especialmente em compostos contendo metais de transição.
  • O factor g muda de acordo com a orientação do átomo paramagnético no campo magnético aplicado, ou seja, o momento angular do electrão não é igual para todas as orientações possíveis do átomo ou molécula no campo magnético. Este fenómeno é denominado anisotropia. Como a anisotropia depende da estrutura electrónica do átomo em questão, é possível obter informação sobre as orbitais contendo o electrão desemparelhado.
  • Se o átomo contendo o electrão desemparelhado tiver ele próprio um spin nuclear diferente de zero, o átomo possui um pequeno campo magnético associado que também influencia o electrão. Acontece então o fenómeno de acoplamento hiperfino (análogo ao acoplamento que existe em RMN), que causa o splitting do sinal em dubletos, tripletos, etc. (ou seja, uma ressonância divide-se em duas, três, etc.).

Na realidade, nunca se tem um único centro paramagnético isolado, mas antes uma numerosa população de centros. Como os electrões, a dado momento, podem estar em diferentes estados energéticos (em equilíbrio termodinâmico), a população inteira é descrita estatisticamente pela distribuição de Boltzmann:

= exp=exp

em que é o número de centros paramagnéticos ocupando o nível de energia , k é a constante de Boltzmann e T a temperatura em Kelvin.

Quando ν=10 GHz (banda X), à temperatura ambiente = 0,998. Existem mais electrões no nível de energia mais baixo que no mais alto; por esta razão, existe predominantemente absorção, e não emissão, de energia.

Parâmetros espectrais em RPE[editar | editar código-fonte]

O factor g[editar | editar código-fonte]

A partir do factor g, é possível obter informação acerca da estrutura electrónica do centro paramagnético. Como referido anteriormente, um electrão desemparelhado sofre não só a acção do campo magnético aplicado, B0, mas também o efeito de campos magnéticos locais, como o de átomos com spin nuclear. Assim, o campo efectivo sofrido pelo electrão, Beff é dado por:

Beff = B0(1 – σ)

em que σ é o termo relacionado com o efeito de campos magnéticos locais (podendo ser positivo ou negativo). A condição de ressonância torna-se então

ΔE = = geμBBeff = geμBB0(1 - σ)

A quantidade geμBB0(1 - σ) é denominada factor g, logo

ΔE = = BB0

Com esta equação, obtém-se o valor g a partir da experiência de RPE medindo-se o campo B0 (usando a frequência ν) ao qual ocorre ressonância (ou seja, que se observa um sinal no espectro). Frequentemente, g difere de ge (2,0023), implicando que a razão entre momento magnético e momento angular difere da do electrão livre. Como o momento magnético do electrão é constante (como foi dito acima, é igual ao magnetão de Bohr), então o electrão teve de ganhar ou perder momento angular. Isto acontece com o acoplamento spin-órbita, e como este fenómeno é bem compreendido, a extensão da diferença medida é usada para dar informação acerca da natureza da orbital atómica (ou molecular) em que o electrão desemparelhado se encontra.

Princípio Básico Da Dosimetria Por RPE[editar | editar código-fonte]

A ressonância paramagnética eletrônica (RPE) é uma técnica espectroscópica que pode ser usada como um método dosimétrico medindo a concentração de radicais livres estáveis produzidos pela radiação ionizante. Os radicais livres podem ser armadilhados na rede cristalina do material, possibilitando sua medida. A estabilidade dos radicais depende especialmente da estrutura do cristal, vizinhança molecular e da temperatura.

Em soluções ou material orgânico aquoso, o tempo de vida dos elétrons desemparelhados é muito pequeno, mas em certos materiais cristalinos, os radicais formados são relativamente estáveis. A medida da concentração dos radicais livres é dada pela absorção de micro-ondas, sendo a intensidade proporcional à dose absorvida. A dosimetria por RPE têm se tornado uma técnica promissora devido a sua natureza não destrutiva da detecção, alta sensibilidade, facilidade de manuseio e boa reprodutibilidade. Seus estudos na área de datação, dosimetria retrospectiva, dosimetria de emergência e recentemente em dosimetria clínica, a caracteriza como uma técnica promissora e de alta confiabilidade.

A medida da concentração dos radicais livres é dada pela absorção de micro-ondas, sendo a intensidade proporcional à dose absorvida. A dosimetria por RPE têm se tornado uma técnica promissora devido a sua natureza não destrutiva da detecção, alta sensibilidade, facilidade de manuseio e boa reprodutibilidade. Seus estudos na área de datação, dosimetria retrospectiva, dosimetria de emergência e recentemente em dosimetria clínica, a caracteriza como uma técnica promissora e de alta confiabilidade. 

Em RPE os materiais dosimétricos devem apresentar linearidade, estabilidade, sensibilidade e reprodutibilidade, características que são encontradas na alanina .A alanina tem sido investigada há mais de 40 anos como material de dosimetria[1], possuindo muitas vantagens dosimétricas, incluindo [2] radicais induzidos por radiação persistente[3], linear sobre uma vasta gama de doses, e também para nêutrons, prótons e feixe de íons [4][5], tecido equivalência[6] [7] e a capacidade de ser usado em várias formas [8], e baixa dependência energética. [9][10].

A partir dessas considerações a alanina tornou-se dosímetro padrão pela Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA), usada no programa de padronização de doses altas.  Diferentes tipos de materiais têm surgido para atuar como dosímetro, alguns com sensibilidade maior que a alanina, tais como: 2-metil-alanina, sulfatos e lactatos de lítio e magnésio, tartarato de amônio, ácidos malônico e sulfanílico, formatos de amônio, lítio e magnésio, ditionato de lítio.[11] [12][13][14][15][16] [17][18]

Obtenção Do Espectro De RPE[editar | editar código-fonte]

Utilizando a técnica para fins dosimétricos, como resultado da medida obtém-se espectros a partir da absorção de energia na frequência de micro-ondas, com um campo magnético de intensidade controlada, no equipamento de RPE.

Para obtenção de espectro de RPE, a amostra é inserida em uma cavidade ressonante, que pode ser retangular ou cilíndrica. O equipamento é composto por eletroímãs que são capazes de gerar um campo magnético

homogêneo sobre a amostra, que, dependendo da aplicação o campo pode variar entre zero e milhares de Gauss (centenas de m.T.).

Outro componente do RPE é o Klystron, uma válvula osciladora que produz as micro-ondas, com oscilações limitadas por causa de suas dimensões geométricas.

Um Klystron típico pode oscilar de uma banda de frequência relativamente estreita, que leva a obtenção de um espectro com frequência fixa, variando somente o campo magnético. As micro-ondas geradas pelo Klystron serão transmitidas através de um guia de ondas, denominado como T-mágico,

dividindo a energia em dois braços, um que alimenta a cavidade e outro para sintonização. Há também outro braço adicional, que está perpendicular ao plano em relação aos três braços, onde está localizado um cristal detector.

O T-mágico está conectado ao Klystron através de um isolador e um atenuador. O isolador é um dispositivo que impede que as ondas refletidas voltem a entrar no Klystron, que por sua vez poderia produzir instabilidade na oscilação. O atenuador é um dispositivo que é capaz de absorver uma fração variável da potência gerada pelo Klystron, ele consiste em um material dielétrico de superfície condutora. A amostra deve ser introduzida na cavidade de tal maneira que esta coincida com o máximo do campo magnético da onda estacionária. A seguir um desenho esquemático de um equipamento de RPE.

Quando a amostra dentro da cavidade entra em ressonância, há um aumento da absorção neste braço e o equilíbrio se destrói, acarretando um envio de potência ao cristal detector. Depois de detectado, o cristal modula a energia de micro-ondas, resultando em um sinal de voltagem de 100 kHz, que posteriormente será amplificado.

O ruído que possui esse sinal será modulado por bombinhas. Essas bobinas modularam o campo magnético com uma frequência de 100 kHz e com baixa amplitude, sem comprometer a sua amplificação.A comparação entre o sinal detectado e amplificado com a modulação do campo, faz com que o sinal do circuito seja interpretado como a derivada da curva de absorção, obtendo dessa forma o sinal resultante DC, que é enviado ao computador.

Os tipos de linha são determinados pelo tipo de interação entre o sistema de spin e sua vizinhança, enquanto a largura depende da força de interação e do tempo de relaxação. As formas das linhas, geralmente, são descritas pela comparação com as formas Lorentzianas e Gaussianas.

Portanto a intensidade do sinal de RPE, é a medida de concentração de spins, produzindo um sinal associado ao valor da dupla integral deste sinal, ou como a primeira derivada da curva. Nesse último caso a medida da amplitude pico a pico do sinal App é diretamente proporcional à concentração de centros paramagnéticos.

Temos então um sistema de spin S=1/2, sendo caracterizado por um determinado valor de campo magnético da ressonância B, uma amplitude pico-a pico do sinal App, e também o valor da largura de linha pico a pico ΔApp.

Principais componentes de um equipamento de RPE

Ligações externas

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