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EPR技術情報

EPR 101

フリーラジカルの解明

電子スピン共鳴(ESR)としても知られている、電子常磁性共鳴(EPR)分光法は、不対電子(つまり常磁性体)を有する原子や分子を検出することによって、普通は目に見えない現象についてさまざまな知見をもたらしてくれます。従来の分光法と異なるのは、EPRのみがその種の原子や分子を正確に検出して、偽陽性を排除することができるという点です。
EPRは感度と特異性の高い分光法なので、さまざまな材料や化学サンプル、生体系の静態や動態の研究を可能にします。

EPR分光法の用途には次のようなものがあります。

  • フリーラジカルの検出、同定、定量
  • 分子の構造・配列・動態の精査
  • 生体系内原位置での標識種の観察
  • 酸化還元過程や反応速度などの把握

EPRは、有機/無機ラジカル、遷移金属錯体、金属タンパク質、ビラジカルなど、常磁性電子を有する化学種であればどんなものでも検出可能です。

フリーラジカルは、一電子移動反応により、自然界でごく頻繁に発生しています。多くの場合、遷移金属イオンは常磁性体です。次に示しているのは、日常生活においてごく普通に目にする常磁性物質のEPRスペクトルの例です。

epr-example-spectra

EPRの長所

EPR分光計は、不対電子と結合している原子核の数と種類をじかに測定することが可能です。NMRに効果的な改良が加えられており、EPR分光法はどのような分析施設にも以下のような機能をもたらします。

  • 感度-最大でNMRの1000倍
  • 特異性-不対電子を含んでいる分子領域のみを検出
  • 高時間分解能-寿命の短い化学種であっても観察可能
  • 非破壊測定-サンプルを傷つけることなく追加分析が可能
  • 定量分析

1950年代に初めて市販されたEPRは、現代レーダー技術の発展の恩恵もあって、以前に比べるとずいぶん利用しやすくなりました。卓上型EPRシステムは使い勝手が大幅に向上しており、その所有コストは下っています。また、小型化されつつ、性能も向上しています。

The Bruker EMXNano™ benchtop EPR spectrometer.
ブルカーEMXNano™卓上型EPR分光計

EPRのメカニズム

EPR分光法はNMR分光法に似ていますが、決定的に異なる点があります。NMRが原子核の磁性を調べるのとは違い、EPRは不対電子の磁性を調べて測定をおこないます。(NMR101を参照)

運動している荷電粒子である電子はどれも、磁気モーメントを帯びています。サンプル内の不対電子が磁場に置かれると、その磁気モーメントは磁場に沿うか反発する配列になります。外部磁場は線形掃引され、サンプルが一定周波数のマイクロ波照射に曝露します。磁場とマイクロ波周波数がEPR共鳴(または吸収)を生み出すのに「最適」になっている状態は、磁場に対する電子モーメントの方向が変化する共鳴条件として知られています。

特定の常磁性化学種は特有の「共鳴」周波数においてエネルギーを吸収しますが、磁場の強度によってその周波数は変化します。電磁石は比較的容易に幅広い強度を掃引するので、ほとんどのEPR実験では、磁場強度に応じて吸収されるエネルギーの測定中には周波数を一定にします。実験結果の吸光度スペクトルからは、サンプル中の自由電子の有無や環境について詳細なことがわかります。

Change in the EPR spectrum for a nitroxide radical with increased measurement frequency. (Image by Mikhail Ryazanov [Public Domain], via Wikimedia Commons.)
測定周波数の上昇にともなうニトロキシドラジカルのEPRスペクトルの変化(画像: Mikhail Ryazanov[パブリックドメイン]、ウィキメディア・コモンズより)。
作業工程の概略は以下のとおりです。

サンプル投入

サンプルは最小限の前処理を施した後、プローブヘッド内部にある「共鳴器(空洞)」にセットします。プローブヘッドは順次電磁石内に配置されます。EPRは多くの場合、一瞬の反応を捉えられるように、液体ヘリウムや液体窒素を冷却剤として使用して低温環境でおこなわれます。

A multipurpose EPR resonator
多目的EPR共鳴器

データ取得

共鳴器は、マイクロ波の波長で共鳴する(マイクロ波エネルギーを蓄積して凝集させる)物理構造をしており、例えるなら音波で共鳴するオルガンのパイプのようなものです。適度なマイクロ波周波数と磁場を加えられたサンプルがマイクロ波を吸収する際に、マイクロ波が共鳴空洞から反射されてEPR信号が検出されます。

データ解釈

多くの分光法と違って、マイクロ波の吸収は1次微分スペクトルとして示されます。それは、EPRでは磁場変調とロックイン検出をおこなう技術を用いて、最高の検出感度と優れた信号分解能を実現しているからです。

Idealized absorbance data (top), converted to an EPR spectrum by taking the first derivative (below). (By Mikhail Ryazanov [Public domain], via Wikimedia Commons.)
理想的な吸光度データ(上)と、1次微分によってEPRスペクトルに変換されたデータ(下)(Mikhail Ryazanov[パブリックドメイン]、ウィキメディア・コモンズより)

もし、サンプル中の自由電子がとりうる状態が、例えば「励起状態」(光子を吸収した後)と「緩和状態」など、2つしかないとしたら、EPRスペクトルを表すグラフは上記の理想形のように単一のゼロ交差波の形になるはずです。しかし実際には、複数の電磁力の影響でさまざまなエネルギー状態が発生する可能性があり、それに対応する線がEPRスペクトルに表れます。そのパターンによってサンプル中に存在する化学種の詳細がわかります。EPRパラメーターの中でも極めて重要なものの一つである「g因子」には、電子の軌道角運動量とスピン角運動量間の相互作用が反映されます。超微細相互作用と呼ばれている電子と磁性核の相互作用からは、分子の構造と同一性について有益な情報が得られます。

EPRの応用例

常磁性化学種に対して独自の視点をもたらしてくれることから、EPRはさまざまな分野や産業の研究、開発、品質管理において貴重な存在となっています。例えば、次のような例が挙げられます。

生物学/医学

  • 代謝機能に関連する金属タンパク質の研究
  • 活性酸素種(フリーラジカル)の形成と反応性の測定
  • スピン標識を使用した、膜タンパク質の研究やタンパク質・脂質相互作用の動態の研究

材料科学/物理科学

  • 金属酸化物内の結晶欠陥の同定
  • 半導体の開発と検査

化学工業/石油化学工業

  • 反応速度、触媒反応、光化学などの研究
  • フリーラジカル含有アスファルテン類の有無を確認するための原油のリアルタイム検査

食品飲料の品質管理

  • 製品保存期間の追跡
  • 酸化・温度・光学に関する安定性の評価
  • 放射線照射食品に含まれるフリーラジカルの同定

詳細について

現在EPRが実際に利用されている事例の詳細については、次の記事をご覧ください。

次の無料ウェビナーで、さらにEPRの可能性を掘り下げていきましょう。