doc - UFSM

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
CURSO DE FARMÁCIA
Ressonância
Paramagnética
Eletrônica
FILLIPE BRISOLLA
LAÍS SCHEEREN
LUMA ELSENBACH
ROSANGELA MULLER
THIAGO DOMINGUES
SANTA MARIA, 18 DE JUNHO, 2009.
RESSONÂNCIA PARAMAGNÉTICA
A espectroscopia de ressonância paramagnética electrónica ou de
ressonância de spin eletrônico (RPE, ou EPR, do inglês electron paramagnetic
resonance ou ainda ESR, do inglês electron spin resonance) foi descoberta por
Zavoisky, 1945 e 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.
A teoria subjacente à técnica é análoga à de RMN, havendo lugar à
excitação dos spins dos elétrons, ao invés dos spins dos núcleos atômicos.
Campos magnéticos menos intensos e freqüências mais elevadas são usadas em
RPE que em RMN devido à diferença de massa entre núcleos e elétrons. Para
elétrons 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 reação
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 eletrônica em campo alto e
usando freqüências elevadas. Enquanto o espectrômetro de RPE é relativamente
fácil de adquirir por um grupo de investigação acadêmico, apenas alguns centros
científicos no mundo inteiro podem oferecer este tipo especial de espectroscopia.
A RPE têm-se desenvolvido rapidamente e vem sendo aplicada em um
grande número de áreas de pesquisa. Essencialmente ela forma um ramo da
espectroscopia de alta resolução usando frequências na região de microondas
para analisar a estrutura químicas destes. Ela é também considerada uma
ferramenta extremamente valiosa em pesquisas fósseis, sistemas complexos e
esclarecer os mecanismos de ligações envolvidos.
A absorção de microondas é medida em função do campo magnético pelo
aparelho espectroscópio de RPE.
As informações que obtém-se experimentalmente por RPE de análises das
amostras incluem:
-comportamento de saturação;
-concentração de spin eletrônico;
-Identificação de radicais livres orgânicos.
RPE é um sensível e específico método para o estudo de radicais formados
em reações químicas e das próprias reações químicas. Por exemplo, quando H2O
sólido é decomposto pela explosição a uma alta energia de radiação, radicais
como H, OH e HO2 são produzidos. Estes radicais podem ser identificados e
estudados por RPE. Radicais orgânicos e inorgânicos podem ser detectados em
sistemas eletroquímicos e em materiais expostos a luz UV. Em muitos casos o
RPE é usado para prover informações sobre a geometria e o orbital do elétron
desemparelhado do radical.
O destaque de RPE é pelo fato de que suas medidas são várias ordens de
intensidade mais sensíveis do que muitas outras técnicas espectroscópicas e
requer relativamente pouca quantidade de amostra.
PARAMAGNETISMO
O paramagnetismo consiste na tendência que os dipolos magnéticos
atômicos têm de se alinharem paralelamente com um campo magnético externo.
Este efeito ocorre devido ao spin mecânico-quântico, assim como o momento
angular orbital dos elétrons. Caso estes dipolos magnéticos estejam fortemente
unidos então o fenômeno poderá ser o ferromagnetismo ou o ferrimagnetismo.
Este alinhamento dos dipolos magnéticos atômicos tende a se fortalecer e é
descrito por uma permeabilidade magnética relativa maior do que a sua unidade
(ou, equivalentemente, uma susceptibilidade magnética positiva e pequena).
O paramagnetismo requer que os átomos possuam, individualmente,
dipolos magnéticos permanentes, mesmo sem um campo aplicado, o que
geralmente implica um átomo desemparelhado com os orbitais atômicos ou
moleculares. No paramagnetismo puro, estes dipolos atômicos não interagem uns
com os outros e são orientados aleatoriamente na ausência de um campo externo,
tendo como resultado um momento líquido zero. No caso de existir uma interação,
então podem espontaneamente se alinhar ou antialinhar-se, tendo como resultado
o ferromagnetismo ou o antiferromagnetismo, respectivamente.
O comportamento paramagnético pode também ser observado nos
materiais ferromagnéticos que estão acima da temperatura de Curie, e nos
antiferromagnéticos acima da temperatura de Néel. Em átomos sem dipolo
magnético, um momento magnético pode ser induzido em uma direção antipararela a um campo aplicado, este efeito é chamado de diamagnetismo. Os
materiais paramagnéticos podem também exibir o diamagnetismo, mas
tipicamente com valores fracos. Os materiais paramagnéticos em campos
magnéticos sofrem o mesmo tipo de atração e repulsão que os ímãs normais, mas
quando o campo é removido o movimento Browniano rompe o alinhamento
magnético. No geral os efeitos paramagnéticos são pequenos (susceptibilidade
magnética na ordem entre 10-3 e 10-5).
METAIS DE TRANSIÇÃO
A ocupação sistemática dos orbitais d por elétrons em metais de transição
leva, na maioria das vezes, a compostos paramagnéticos, isto é, àqueles que são
atraídos por campos magnéticos devido à presença, nos compostos, de um ou
mais elétrons desemparelhados. Portanto, o estudo das propriedades magnéticas
dos compostos de metais de transição sempre foi muito importante para o
desenvolvimento da nossa compreensão da química desses materiais.
Os elementos de transição apresentam uma grande tendência em formar
compostos de coordenação com bases de Lewis, isto é, com grupos capazes de
doar um par eletrônico. Esses grupos, que chamaremos de ligantes, podem ser
moléculas ou íons. Essa capacidade excepcional dos elementos do bloco para
formarem complexos está relacionada com o fato de formarem íons pequenos
com carga elevada, contendo orbitais vazios de baixa energia, capazes de receber
pares de elétrons dos grupos ligantes.
Muitos dos compostos dos elementos de transição são paramagnéticos, isto
é, podem ser atraídos por um campo magnético, pois contêm níveis eletrônicos
semipreenchidos. Em particular, Fe, Co e Ni são ferromagnéticos, isto é, são
magnetizados por um ímã - os átomos se alinham e apontam todos para uma
mesma direção.
METALOPROTEINAS
Uma metaloproteína é uma proteína que contém um ou mais íons metálicos
na sua estrutura, seja diretamente ligado à cadeia polipeptídica, seja inseridos
numa molécula não protéica covalentemente ligada à cadeia polipeptídica.
Muitas metaloproteínas são enzimas (metaloenzimas), em particular
oxidorredutases. Uma grande parte são proteínas de transferência electrônica,
servindo como meio de transpote de elétrons para outras metaloenzimas.
O metal de transição mais encontrado em metaloproteínas é o ferro. Outros
metais de transição de relevo incluem o zinco, o cobre e o molibdênio. Também se
consideram metaloproteínas aquelas contendo os metais alcalino-terrosos
magnésio e cálcio.
RADICAIS LIVRES
São espécies químicas que apresentam um elétron desemparelhado,
portanto são
detectáveis pela técnica de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE).
Em muitos destes radicais livres, os elétrons estão livres para moverem-se por
toda a molécula e com isso interagir com muitos momentos nucleares,
apresentando interação superhiperfina.
Denomina-se radical livre toda molécula que possui um elétron ímpar em
sua órbita externa, fora de seu nível orbital, gravitando em sentido oposto aos
outros elétrons. Este elétron livre favorece a recepção de outras moléculas, o que
torna os radicais livres extremamente reativos, inclusive com moléculas orgânicas.
MATERIAIS PARAMAGNÉTICOS
Sódio Na [11] (metal alcalino)
Magnésio Mg [12] (metal alcalino-terroso)
Cálcio Ca [20] (metal alcalino-terroso)
Estrôncio Sr [38] (metal alcalino-terroso)
Bário Ba [56] (metal alcalino-terroso)
Alumínio Al [13] (metal terroso) É o material paramagnético preferido para
aplicações em catapultas eletromagnéticas lunares, utilizando rególito como
minério.
Oxigênio O [8] (ametal calcogênio) Na forma líquida.
Tecnécio Tc [43] (metal de transição externa) (elemento artificial)
Platina Pt [78] (metal de transição externa) (metal nobre)
Disprósio Dy [66] (metal de transição interna) (lantanídeo)
Urânio U [92] (metal de transição interna) (actinídeo)
I) Pequenos imãs na ausencia de campo magnético;
II) Pequenos imãs sobre um campo magnético fraco;
III) Pequenos imãs sobre um campo magnético forte.
RESSONÂNCIA
Em Física, Ressonância é a tendência de um sistema a oscilar em máxima
amplitude em certas freqüências, conhecida como 'freqüências ressonantes'.
Nessas freqüências, até mesmo forças periódicas pequenas podem produzir
vibrações de grande amplitude, pois o sistema armazena energia vibracional.
Quando o amortecimento é pequeno, a freqüência de ressonância é
aproximadamente igual à freqüência natural do sistema, o que é a freqüência de
vibrações livres.
O fenômeno da ressonância ocorre com todos os tipos de vibrações ou
ondas; mecânicas (acústicas), eletromagnéticas, e funções de onda quântica.
Sistemas ressonantes podem ser usados para gerar vibrações de uma
freqüência específica, ou para obter freqüências específicas de uma vibração
complexa contendo muitas freqüências.
Também se pode destacar a área da espectroscopia em que a energia
radiante incidente é absorvida, refletida ou ainda transmitida pela amostra,
fornecendo como resultado um espectro que é a informação da energia absorvida
em função do comprimento de onda (ou da freqüência) em forma de um gráfico.
TEORIA BÁSICA
Um elétron tem um momento magnético associado igual ao magnetão de
Bohr, μB. Quando colocado num campo magnético externo de intensidade B 0,
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 elétron (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 elétron tem de absorver radiação
electromagnética de energia ΔE:
ΔE = hν = geμBB0,
sendo esta a equação fundamental na espectroscopia de RPE.
O centro paramagnético é colocado num campo magnético, provocando a
ressonância do elétron entre os dois estados; a energia absorvida é monitorizada
e convertida num espectro de RPE. Um elétron livre, ou seja, teoricamente não
influenciado por qualquer fator 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 espectrômetros 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 elétrons encontram-se associados a átomos, com consequências
importantes para a experiência:
O elétron pode ganhar ou perder momento angular (através do fenômeno
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 fator g muda de acordo com a orientação do átomo paramagnético no
campo magnético aplicado, ou seja, o momento angular do elétron 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 electrônica do átomo em questão, é possível obter informação sobre as
orbitais contendo elétron desemparelhado.
Se o átomo contendo o elétron desemparelhado tiver ele próprio um spin
nuclear diferente de zero, o átomo possui um pequeno campo magnético
associado que também influencia o elétron. Acontece então o fenômeno 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.).
ESPECTROSCOPIA
Em Química e Física o termo espectroscopia é a designação para toda
técnica de levantamento de dados físico-químicos através da transmissão,
absorção ou reflexão da energia radiante incidente em uma amostra.
Por extensão, o termo espectroscopia ainda é usado na técnica de
espectroscopia de massas, onde íons moleculares monovalentes são defletidos
por um campo magnético.
O resultado gráfico de uma técnica espectroscópica qualquer é chamado espectro.
Sua impressão gráfica pode ser chamada espectrograma ou, por comodidade,
simplesmente espectro.
TÉCNICA ESPECTROSCOPICA
Toda técnica espectroscópica baseia-se na detecção e análise de um feixe
de radiação eletromagnética vinda de uma amostra do material que está sendo
investigado. Essa radiação pode ser parte de um feixe que incidiu sobre a amostra
e foi parcialmente atenuado (espectroscopia de absorção ou transmissão); pode
ser um feixe que, após incidir sobre a amostra foi espalhado ou difratado
(espalhamento); pode ainda ter se originado na própria amostra, como resultado
de diferentes processos (espectroscopia de emissão). Existem diversas variantes
desse esquema básico, mas o importante é entender que tipo de interação ocorre
entre a radiação e a matéria, e que tipo de informação pode ser obtido com cada
técnica espectroscópica.
As diferentes técnicas espectroscópicas utilizadas em Biofísica cobrem
diferentes intervalos do amplo espectro da radiação eletromagnética, desde os
raios-X até as microondas. Na região dos raios-X (comprimentos de onda da
ordem de alguns Å), a radiação interage com núcleos e elétrons, sofrendo
espalhamento, e, se houver periodicidades como estruturas cristalinas, difração.
Essa é a região da cristalografia, do espalhamento e difração de raios-X.
Ondas eletromagnéticas com energias mais baixas que os raios-X,
correspondentes a comprimentos de onda entre 1.000 e 7.000 Å, compõem a
região do ultravioleta e visível. Essa radiação interage com os elétrons de átomos
e moléculas, promovendo-os para estados excitados e temos aqui as
espectroscopias no UV-visível: absorção ótica, fluorescência e dicroísmo circular.
Na faixa espectral seguinte, no infravermelho (comprimentos de onda da ordem de
alguns micrometros), a radiação possui energia tal que estimula vibrações e
rotações moleculares, associadas às espectroscopias no infravermelho e
espalhamento Raman.
Em comprimentos de onda maiores (comprimentos de onda de milímetros a
metros) temos as microondas e ondas de rádio. Nesse caso, a radiação pode ser
absorvida por amostras colocadas em campos magnéticos elevados, da ordem de
milhares de Gauss, devido à excitação dos spins eletrônicos e nucleares. As
técnicas espectroscópicas envolvidas aqui são a Ressonância Paramagnética
Eletrônica (RPE) e a Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Todas essas
técnicas são empregadas no estudo de sistemas de interesse biológico,
fornecendo informações que ajudam a entender os diversos níveis de
complexidade dos sistemas vivos apresentados anteriormente. Nesta
oportunidade destaco apenas algumas dessas técnicas aplicadas ao estudo de
macromoléculas biológicas, em particular das proteínas. Conforme será
apresentado a seguir, ilustro a obtenção de informações de natureza estrutural em
sistemas biológicos, utilizando essas técnicas espectroscópicas.
Banda
λ / mm
L
300
S
100
C
75
X
30
P
20
Q
8,5
U
6
V
4,6
E
4
W
3,2
F
2,7
D
2,1
1,6
J
1,1
15
K
12,
5
24
35
50
65
75
95
0,8
6
1,2
5
1,
8
2,3
2,7
3,5
14
0
4,9
19
0
6,8
285
0,5
4
11
1
3,9
0,8
3
360
ν / GHz
1
3
4
10
B0 / T
0,0
3
0,1
1
0,14 0,3
3
10,
2
12,
8
EQUIPAMENTO DE RESSONÂNCIA PARAMAGNÉTICA: ESPECTRÔMETRO
Basicamente apresenta uma fonte de microondas, eletroímã, cavidade onde
são introduzidas as amostras e sistema de coleta de dados.
A fonte de radiação, Klystron, emite microondas com freqüências próximas a 9
GHz (banda X).
Todos os espectros foram obtidos a temperatura ambiente.
Espectrômetro é um instrumento óptico utilizado para medir as
propriedades das luz em uma determinada faixa do espectro eletromagnético.
Sua estrutura basicamente se resume a existência de uma rede de difração e um
captador. A rede faz com que a luz incidente sobre a abertura do espectrômetro se
divida em feixes de onda aproximadamente monocromáticos (quanto maior a
qualidade da rede de difração melhor a aproximação para "monocromático"). Já
esses feixes incidem sobre os captadores que são sensores fotovoltaicos. Deste
modo, temos uma leitura da intensidade luminosa de cada comprimento de onda
que existe na composição de nosso feixe incidente. Com isso podemos
caracterizar uma série de materiais quanto à sua absorção luminosa,
fluorescência, transmissão entre outros.
Entre outras técnicas espectroscópicas, a ressonância paramagnética
eletrônica, RPE, em onda contínua ou pulsada, vem sendo usada na quantificação
de defeitos, tanto intrínsecos à estrutura dos nanotubos (os chamados elétrons
localizados) como extrínsecos, isto é, relacionados com a presença de carbono
não cristalino (elétrons deslocalizados)27.
Cada um desses defeitos apresenta linhas de ressonância em campos
magnéticos distintos, possibilitando sua identificação e quantificação. Todavia, a
presença do catalisador metálico, mesmo em baixa proporção, limita o uso desta
técnica, devido ao fenômeno da ressonância ferromagnética, que apresenta linhas
muito largas no espectro de RPE.