рук. А.В. Фионов, ХФ МГУ
Старикова 11Х (презентация)
Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто Е.К. Завойским в 1944 году. ЭПР-спектроскопия представляет собой метод исследования структуры веществ, обладающих парамагнитными свойствами. Примерами подобных соединений могут служить свободные радикалы – частицы с неспаренными электронами. Такими являются и меланины, которые составляют группу высокомолекулярных пигментов, содержащихся в человеческих волосах. Естественный оттенок определяется соотношением чёрно-коричневого эумеланина и красно-жёлтого феомеланина.
Суть явления заключается в поглощении неспаренными электронами, находящимися в магнитном поле, электромагнитного излучения в микроволновой области, при котором происходит переход электронов на более высокий энергетический уровень. Поглощение возможно лишь в том случае, если энергия кванта излучения соответствует интервалу между энергетическими уровнями (уравнение энергии поглощения: ΔE=hν=gμBB, где h – постоянная Планка, h=6,63∙10-34 Дж∙с, ν – частота излучения, g – g-фактор Ланде (безразмерная величина; коэффициент, отражающий отношение электронного магнитного момента к полному угловому моменту), μB – магнетон Бора, μB=9,27∙10-24 А∙м2 (Дж/Тл), B – индукция магнитного поля).
Спектрометр ЭПР регистрирует сигнал в виде первой производной зависимости интенсивности спектра поглощения от напряженности поля. Число парамагнитных частиц в изучаемом образце пропорционально площади под кривой поглощения, от которой берётся первая производная.
В настоящее время ЭПР-спектроскопия в работе с биоматериалом актуальна для медицины и биофизики. Она применяется для изучения патогенеза и для диагностики ряда заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, меланома и другие. Благодаря неинвазивному подходу, меланин в волосах человека, структурно похожий на нейромеланин в тканях головного мозга, становится удобным объектом исследования.
Цель работы – сравнить содержание пигментных парамагнитных частиц в волосах различных оттенков методом ЭПР.
Задачи:
- Собрать образцы человеческих волос различных оттенков: тёмные, русые, рыжие, седые, а также окрашенные.
- Получить спектры поглощения с помощью спектрометра ЭПР.
- Установить взаимосвязь между интенсивностью природной окраски образцов и количественным содержанием меланина в них.
В ходе работы были получены спектры поглощения 11 образцов при помощи спектрометра Bruker EMX-6 при частоте 9.8 ГГц (X-диапазон), амплитуде модуляции 1 Гс, мощности 0,6347 мВт. Измерения проводились при комнатной температуре. Спектр рыжих волос оказался асимметричен, что свидетельствует о присутствии феомеланина. Спектры как тёмных, так и более светлых волос симметричны, что говорит о преобладании в них эумеланина. Образец тёмного оттенка (женский пол, 16 лет) содержал меланины нескольких типов, так как спектр был ассиметричным. Показатели g-фактора для чёрных и рыжих волос отличались. Для образца рыжих волос получены 2 значения, что соответствует осевой симметрии: перпендикулярный g-фактор равен 2,0050, параллельный – 2,0024. Чистый эумеланин содержался в чёрных волосах (мужской пол, 5 лет), их спектр симметричен: g-фактор образца равен 2,0040.
Была определена концентрация парамагнитных частиц в каждом из образцов. Максимальное число парамагнитных центров обнаружено в волосах чёрного цвета, меньшее – в русых и седых. Минимальная концентрация соответствовала окрашенным седым волосам.
Таким образом, удалось доказать, что интенсивность природной окраски волос напрямую зависит от концентрации меланина в них: наиболее тёмные образцы имеют наибольшее количество частиц с парамагнитными свойствами. Было установлено, что волосы рыжего цвета содержат феомеланин, а образцы тёмных, русых, седых оттенков – преимущественно пигмент эумеланин.
Список литературы:
- Завойский Е.К. Парамагнитная абсорбция в перпендикулярных и параллельных полях для солей, растворов и металлов. – Докт. дис. М.: ФИАН, 1944. – 84 с.
- Ito S., Wakamatsu K. Diversity of human hair pigmentation as studied by chemical analysis of eumelanin and pheomelanin // Journal of the European Academy of Dermatology and Venereology, 2011, 25, 1369–1380.
- Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. – М.: Мир, 1975. – 550 с.
- Joao V. Paulin, Carlos F. O. Graeff, Bernardus Mostert A. Decoding eumelanin’s spin label signature: a comprehensive EPR analysis // Mater. Adv., 2024, 5, 1395.