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光电物理基础课程设计 自旋在现代科学中的应用 教 师：蒋向东 学 生：骆 骏 学 号：2010051060023 2012.6.9 摘要 电子自旋共振(electronspinresonance，ESR)是检测自由基最直接最有效的方法，是自由生物学和医学不可缺少的重要研究技术。本文综述ESR、自旋标记、自旋捕集ESR成像技术的必威体育精装版发展及ESR技术在细胞膜、蛋白质结构和一些重大疾病如心脏病、老年痴呆症、帕金森综合症和中风等疾病研究及辐射损伤和植物疾病研究中的应用。 二．电子自旋共振(ESR)技术 电子自旋共振(electronspinresonance，ESR)又称电子顺磁共振(electronparamag—neticresonance，EPR)，是研究电子自旋能级跃迁的一门学科，是检测自由基最直接最有效的方法。自由基在生物体系发挥着重要作用 ，体内自由基的产生和清除应当是平衡的，或者说体内氧化和还原应当是平衡的，这样人体才能保持健康。如果自由基产生过多和清除 自由基的能力下降，体内就会有多余的自由基，特别是氧自由基，会损伤细胞成分，但并不出现疾病的症状。但是如果不加以调整，继续发展下去就会导致疾病和衰老的发生。因此自由基和多种疾病有关，比如癌症、心脑血管疾病、老年痴呆症和帕金森综合症等疾病。这样ESR就是自由基生物学和医学不可缺少的重要研究技术，在生物会医学领域有着广泛的应用。 ESR在生物医学研究中的技术发展 ESR虽然是研究自由基的最直接和最有效的技术，但是这些自由基必须是相稳定的，而且要达到一定浓度才能用ESR技术检测和研究。而生物体系中产生的自由基大部分是不稳定的，因为自由基本身的特点就是活泼和反应性强，只有少数自由基是稳定的。ESR的另外一个局限性是只能检测顺磁性物质，但是大部分生物物质都不是顺磁性的。这就限制了ESR的应用。为了克服ESR技术的这些局限性，一方面对仪器进行改进，另一方面近年来发展起来的自旋标记和自旋捕集技术解决了这些问题，为 ESR应用开辟 了一个新天地，获得了迅速的发展 和广泛的应用，也为自由基研究作出了重要贡献。 1.1． 自旋标记技术 ESR的最大局限性是只能检测顺磁性物质，但是大部分生物物质，例如细胞膜、蛋 白质、核酸等都不是顺磁性的。这就大大限制了ESR 的应用范围。1965年McConnell等人引入自旋标记的概念和方法，为ESR应用开辟了一个新天地，也可以说自旋标记技术把ESR 的应用范围从一个有限范围扩展到了无限。所谓自旋标记，就是将一顺磁性报告基团加到被研究体系，借助报告基团的ESR波谱特征反映该基团周围环境的物理和化学性质及其变化和规律。自旋标记技术包括自旋标记物的合成、自旋标记ESR波谱解析和应用。到目前为止已经合成100多种自旋标记物。现在自旋标记技术已经广泛应用于生物学的各个领域，特别是在细胞膜的流动性、蛋白质的结构和动力学性质、药理学及ESR成像方面研究中的应用。 1.1.1．自旋标记物的选择 自旋标记物应当符合以下条件：足够稳定，能够以某种方式结合或嵌入到被研究物质的某个位置，其ESR波谱对被研究物质及其周围环境的物理化学性质和变化极为敏感，而报告基团本身对体系的扰动甚微。氮氧自由基化合物是最符合以上条件的自旋标记物，它有几个共同的特点，一是都有氮氧自由基，在氮氧之间有一个未成对电子，这是报告基团，可以用ESR检测到ESR信号；二是在氮氧自由基周围都有2～4个甲基，这些甲基像保护伞一样为未成对电子提供了一个空间保护屏障，使得氮氧自由基保持长期稳定；三是都有一个功能基团R，这个R基团可以是能与其他物质共价结合活性基团，就是自旋标记物，也可以是不与其他物质共价结合活性基团，而仅仅是与被研究物质非共价结合的，就是自旋探针。1.1.2．自旋标记的波谱特征 氮氧自由基自旋标记的波谱比较简单，一般都是三线谱，在不同环境其线形和线宽 发生变化。在溶液中的波谱为各向同性的波谱，可以得到3条等强度的共振谱。在单晶中，改变单晶和外磁场的相对取向，就可以得到不同ESR波谱。自旋标记物在轴对称体系，例如细胞膜，其ESR波谱就是轴对称的。自旋标记物被紧紧地固定在一个位置不能自由运动就会出现强固定化波谱，如结合在蛋白质上就是这种情况，其ESR波谱明显加宽和不对称。一些紧紧结合在蛋白质的狭小活性位置内的自旋标记也给出这种波谱。如果自旋标记物还可以做某些运动这时就给出弱固定化波谱，有时会出现2种波谱同时存在的情况。 1.2．自旋捕集技术 ESR是研究自由基的最直接和最有效的方法和技术，但是这些自由基必须是相对稳 定的，而且要达到一定浓度才能用ESR技术检测和研究。而生物体系和化学反应中产生的自由基大部分是不稳定的，因为自由基本身的特点就是活泼和反应性强，只有少数自由基是稳定的。如羟基自