Обнаружение короткоживущих свободных радикалов – применение спин-ловушки ЭПР (ЭПР)

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) с захватом спина представляет собой метод, который сочетает в себе метод спинового захвата с методом ЭПР для обнаружения короткоживущих свободных радикалов.

 

 

Зачем использовать технологию спинового захвата?

Свободные радикалы  — это атомы или группы с неспаренными электронами, образующиеся в результате ковалентной связи сложных молекул под воздействием внешних условий, таких как тепло и свет. Они широко распространены в природе.

С развитием междисциплинарных дисциплин, таких как биология, химия и медицина, ученые обнаружили, что многие заболевания связаны со свободными радикалами. Однако из-за своей активной и реакционной природы свободные радикалы, образующиеся в реакциях, часто нестабильны при комнатной температуре, и их трудно обнаружить напрямую с помощью обычных методов ЭПР-спектроскопии. 

 

Хотя короткоживущие свободные радикалы можно изучать с помощью методов ЭПР с временным разрешением или методов низкотемпературного быстрого замораживания, их более низкие концентрации для большинства свободных радикалов в биологических системах ограничивают применение вышеуказанных методов. С другой стороны, метод спиновой ловушки позволяет обнаруживать короткоживущие свободные радикалы при комнатной температуре косвенным методом.

 

 

Основы технологии спинового захвата

 

В эксперименте по спиновому захвату в систему добавляется спиновая ловушка (ненасыщенное антимагнитное вещество, способное улавливать свободные радикалы). После добавления спиновой ловушки нестабильные радикалы и ловушка образуют более стабильные или долгоживущие спиновые аддукты. Обнаружив спектры ЭПР спиновых аддуктов, а также обработав и проанализировав данные, мы можем инвертировать тип радикалов и, таким образом, косвенно обнаружить нестабильные свободные радикалы.

 

  Рисунок 1. Принцип метода спинового захвата (на примере ДМПО)

 

 

Выбор спиновой ловушки

 

Наиболее широко используемыми спиновыми ловушками являются в основном нитрон или нитрозосоединения, типичными спиновыми ловушками являются MNP (димер 2-метил-2-нитрозопропана), PBN (N-трет-бутил-α-фенилнитрон), DMPO (5,5-диметил-нитрон). 1-пирролин-N-оксид), а структуры показаны на рисунке 2. И отличная спиновая ловушка должна удовлетворять трем условиям.

 

1. Спиновые аддукты, образованные спиновыми ловушками с нестабильными свободными радикалами, должны быть стабильными по своей природе и долгоживущими.

2. Спектры ЭПР спиновых аддуктов, образованных спиновыми ловушками и различными нестабильными радикалами, должны быть легко различимы и идентифицируемы.

3. Спиновая ловушка легко вступает в реакцию с различными свободными радикалами и не имеет побочных реакций. Исходя из вышеперечисленных условий, спиновой ловушкой, широко используемой в различных отраслях промышленности, является ДМПО.

 

  Рисунок 2. Схематическая химическая структура МНЧ, ПБН, ДМПО.

 

Таблица 1. Сравнение распространенных спиновых ловушек

 

 

Распространенные типы свободных радикалов, захватывающих спины

 

В экспериментах по спиновой ловушке наиболее распространенными являются O- и N-центрированные радикалы, такие как активные формы кислорода (АФК) и активные формы азота (РНС), но не все АФК и РНС являются свободными радикалами, как показано на рисунке 3. Кроме того, радикалы S-центра, такие как сульфатные радикалы, также являются более распространенными свободными радикалами, которые можно изучать методами спин-ловушек.

 

  Рисунок 3. Общие ROS и RNS.

 

В экспериментах по спиновой ловушке на результаты эксперимента могут повлиять многие факторы, такие как время добавления улавливающего агента, концентрация улавливающего агента, тип растворителя и pH системы. Следовательно, для различных свободных радикалов необходимо выбрать тип и концентрацию спиновой ловушки, разработать схему эксперимента и, наконец, определить тип свободного радикала методом ЭПР-спектроскопии, а также устранить свободные радикалы химическими методами для проверки результатов.

 

  Рис. 4. Спектры ЭПР центральных радикалов O-(a), N-(b), S-(c), захваченных ДМПО.

(Данные проверены оборудованием CIQTEK EPR)

 

 

Спектрометр CIQTEK ЭПР (ЭПР)

 

Спектрометр CIQTEK EPR (ESR) с системой оптической стимуляции in-situ, высоко/низкотемпературной системой и электрохимической системой может использоваться для изучения различных типов парамагнитных молекул, таких как свободные радикалы, металлокомплексы, легированные материалы, дефектные материалы, металлопротеины. и т. д., что может удовлетворить потребность в многоуровневом обнаружении свободных радикалов.

 

Спектрометр непрерывного электронного парамагнитного резонанса X-диапазона EPR200-Plus

 

Настольный электронный парамагнитно-резонансный спектрометр ЭПР200М

 

 

Спектрометр импульсного электронного парамагнитного резонанса X-диапазона EPR100