Elektronen magnetische resonantie studie van...

Jeroen Denoo

stralingsgeïnduceerde radicalen in lactoseElektronen magnetische resonantie studie van

Academiejaar 2010-2011Faculteit Ingenieurswetenschappen en ArchitectuurVoorzitter: prof. dr. Paul MatthysVakgroep Vaste-Stofwetenschappen

Master in de ingenieurswetenschappen: toegepaste natuurkundeMasterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: Hendrik De Cooman, Mihaela Adeluta TarpanPromotor: prof. dr. Freddy Callens

Voorwoord

Terwijl ik dit dankwoord schrijf, denk ik niet alleen terug aan dit laatste jaar, waarin ik aandeze masterproef gewerkt heb, maar ook aan de zes jaar die ik aan de UGent gestudeerd heb enaan de grote en “kleine” momenten die me hier gebracht hebben.Eerst en vooral wil ik mijn promotor, prof. dr. Callens, bedanken. Niet alleen omdat hij mijde kans heeft gegeven om mij een jaar in het gebied van EMR te verdiepen, maar ook voorzijn kritische blik tijdens het nalezen van deze masterproef en de vele aanwijzingen die daaropvolgden.Niet in het minst ben ik ook Hendrik De Cooman dank verschuldigd. Hij heeft me met be-smettelijk enthousiasme ingewijd in de principes van EMR en dankzij zijn intensieve begeleidingtijdens het afgelopen jaar is deze masterproef geworden wat hij nu is.Verder vermeld ik ook Adela, Henk, Dmitry en Olivier die me bijstonden wanneer een experi-ment in het honderd liep.Zeker wil ik ook mijn familie, en vooral mijn ouders, niet vergeten omdat ze me altijd steunen,ook als het moeilijk gaat. Maar ik bedank hen ook voor hun oneindige interesse in deze mas-terproef, hoewel ik er niet in geslaagd ben om hen de inhoud en de principes ervan duidelijk temaken.Ten slotte wil ik ook mijn afgestudeerde vrienden en studiegenoten bedanken, om tijd vrij temaken in hun drukke werkleven om deze achtergebleven student wat afleiding te bezorgen.

i

“De auteur(s) geeft(geven) de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar testellen en delen van de masterproef te kopieren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valtonder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichtingde bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.”

Gent, juni 2011

Jeroen Denoo

ii

Elektronen magnetische resonantie studie vanstralingsgeınduceerde radicalen in lactose

Jeroen Denoo

Promotor: prof. dr. Freddy CallensBegeleiders: Hendrik De Cooman, Mihaela Adeluta Tarpan

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad vanMaster in de ingenieurswetenschappen: toegepaste natuurkunde

Vakgroep Vaste-StofwetenschappenVoorzitter: prof. dr. Paul MatthysFaculteit Ingenieurswetenschappen en ArchitectuurAcademiejaar 2010-2011

Samenvatting - In deze masterproef worden stabiele X-stralingsgeınduceerde radicalen in α-lactose monohydraat bestudeerd met elektronen magnetische resonantie technieken (EMR), metname elektronen paramagnetische resonantie (EPR), electron-kern dubbele resonantie (ENDOR)en ENDOR-geınduceerde EPR (EIE).In het eerste hoofdstuk wordt de relevantie en de doelstellingen van dit soort onderzoek uit-gelegd en worden de fysische processen die van belang zijn bij vorming van stralingsschade inorganische materialen kort belicht.In het tweede hoofdstuk wordt de theoretische achtergrond van magnetische resonantiemetingensamengevat. Er wordt dieper ingegaan op site splitting, het opsplitsen van EMR-signalen vanchemisch equivalente radicalen ten gevolge van een verschillende orientatie ten opzichte van hetmagneetveld.De werking en opbouw van de apparatuur die tijdens deze masterproef werd gebruikt, wordtverklaard in hoofdstuk drie. Daarnaast wordt ook de kristalstructuur van α-lactose monohy-draat beschreven en de voorbereiding van de samples voor de metingen overlopen.Het vierde hoofdstuk omvat een literatuurstudie van het EPR-onderzoek op en de radicaal-structuren in lactose en chemisch verwante structuren (glucose, galactose, maltose, cellobiose ensucrose).In het laatste hoofdstuk worden de experimentele resultaten van deze masterproef besproken.Eerst wordt de dosis- en tijdsafhankelijkheid van het poeder EPR-spectrum bestudeerd. Ver-der worden de dominante radicalen gekarakteriseerd en de hyperfijntensoren van deze radicalenworden bepaald via EPR-, ENDOR-, en EIE-metingen op eenkristallen. Ten slotte worden eenaantal mogelijke structuren voor de waargenomen radicalen besproken.

Trefwoorden - Elektronen paramagnetische resonantie, lactose, hyperfijnkoppeling, radicalen,X-straling

iii

Electron magnetic resonance study ofradiation-induced radicals in lactose

Jeroen Denoo

Supervisor(s): Freddy Callens, Hendrik De Cooman, Mihaela Adeluta Tarpan

Abstract— Electron paramagnetic resonance (EPR), electron-nucleardouble resonance (ENDOR) and ENDOR-induced EPR (EIE) experimentsare used to study radiation-induced radicals in X-irradiated α-lactosemonohydrate. The time and dose dependence of the powder EPR-spectrumis studied and measurements on single crystals reveal at least three andprobably four stable radicals (R1-R4). Six hyperfine tensors could be deter-mined for three of those (R1-R3). Plausible H-abstracted carbon-centeredradical structures on C2’ for R1 and R2 and on C4 for R3 are suggested.

Keywords—Electron magnetic resonance, lactose, hyperfine, radical, ra-diation

I. INTRODUCTION

In the electron magnetic resonance (EMR) research groupin Gent radiation-induced radicals in solids of small organicmolecules are studied to get a better understanding of the mecha-nisms of radiation damage in organic materials. The results canalso be relevant for more complex systems (eg DNA). In thiswork, lactose (Fig. 1) X-irradiated at room temperature (RT) isstudied using EMR techniques.

Fig. 1. α-lactose

The relevant energy levels in EMR experiments in this typeof systems are described by the spin hamiltonian:

HS = µB~B · g · ~S +

N∑

k=1

~S ·Ak · ~Ik −N∑

k=1

gN,kµN~B · ~Ik (1)

where ~B is the external magnetic field, ~S is the spin of the un-

paired electron (S = 1/2) and ~Ik are the neighboring nuclearspins (in this system protons I = 1/2). The Bohr magneton µB

and the nuclear magneton µN are physical constants, the nuclearg-factors gN,k are dependent of the interacting nucleus and theg-tensor g and the hyperfine (HF) tensors Ak parameterize theinteraction between the magnetic field and the electron spin andbetween the electron spin and the nuclear spin respectively.

Electron paramagnetic resonance (EPR) experiments measureelectron spin-flips for a varying magnetic field, while nuclearspin-flips are measured in nuclear magnetic resonance (NMR)experiments. EPR gives information about the g-tensor and the

HF tensors, but suffers from a composite spectrum from dif-ferent radical species. Electron-nuclear double resonance (EN-DOR) spectra show the NMR transitions for one radical species,which gives information about the HF tensors. In ENDOR-induced EPR (EIE) the EPR spectrum of a single radical speciesis isolated.

II. EXPERIMENTAL METHODS

α-lactose monohydrate powder was obtained from Sigma-Aldrich. Single crystals were grown in supersaturated ae-quous solutions at 30◦C and by evaporation of a saturated so-lution at RT. The crystal structure of α-lactose monohydrate ismonoclinic with two molecules in the unit cell (a=0.7937 nm,b=2.1568 nm, c=0.4815 nm en β=109.77◦ [1]). The a*-axis isdefined orthogonal to the b and c-axis and the orthogonal a*bccoordinate system is used in this work. The samples were irra-diated at RT using a Philips PW 1730 X-ray source.

The EPR measurements were performed using a Q-band (mi-crowave frequency of 34 GHz) spectrometer at RT and 20 K.Because of low signal intensity at higher temperatures, ENDORand EIE spectra were measured at 20 K.

III. RESULTS

A. Time and dose dependence of the powder EPR spectrum

The EPR spectrum of lactose powder at RT is recorded forradiation doses ranging from 4 to 600 kGy. There are clearchanges in the shape of the EPR spectra. The intensity is com-pletely saturated for doses higher than 100 kGy.

For two doses (4.2 and 75 kGy) the EPR-spectra is recordedat various times during the first month after irradiation (Fig 2).For both doses the spectrum is relatively stable, but part of thesignal disappears during the first hours which is most clearlyvisible at the right-hand side of the spectra . The intensity alsodecreases with time which points towards one or more unstableradical species that decay into diamagnetic species.

B. Determination of the HF tensors

EPR, ENDOR and EIE measurements for two orientationsof the crystal with respect to the magnetic field revealed thepresence of three radicals (R1-R3), and probably a fourth (R4)(Fig. 3). R1 and R2 exhibit a spectrum caused by three HF cou-plings, and R3 and R4 have a doublet spectrum. Most of theEPR spectral features can be explained by radicals R2 and R3.

The ENDOR spectra were then recorded in four planes (theac-plane and three tilted planes) at 10◦ intervals in each plane.For six HF interactions (three for R1, two for R2 and one for

Fig. 2. EPR spectra of X-irradiated lactose powder 20 minutes and one monthafter irradiation for doses of 4.2 and 75 kGy.

Fig. 3. RT EPR spectrum (first derivative) and the EIE spectra (absorption) at20 K for the different radical species R1-R4 measured on a lactose singlecrystal for a specific orientation of the magnetic field.

R3) sufficient resonance frequencies could be determined to al-low for fitting of the HF tensors (Fig. 4) using a self-writtenMATLAB program. These tensors are shown in Table I.

Fig. 4. Simulated (lines) and experimental (dots) ENDOR-frequencies of sixHF interactions in four planes. The simulations were performed using thetensors in Table I.

IV. RADICAL MODELS

Radical R1 has two interactions with the characteristics of aβ-proton bound to carbon (HF1 and HF2) and one of a β-proton

TABLE ITHE HF TENSORS (IN MHZ) OF R1, R2 AND R3.

AIso AAnisoPrincipal directions

a* b c

R1

-3.74 0.936 0.033 -0.350HF1 89.44 -3.12 0.304 0.423 0.854

6.86 0.176 -0.906 0.386-4.05 0.694 0.285 0.662

HF2 47.45 -2.49 0.593 0.297 -0.7496.54 -0.410 0.912 0.037-8.87 0.749 0.175 -0.640

HF3 -8.45 -6.86 0.647 0.023 0.76315.72 -0.148 0.984 0.096

R2

-3.71 0.985 0.175 0.015HF1 87.08 -3.41 -0.073 0.330 0.941

7.12 0.159 -0.928 0.338-4.15 0.617 0.282 0.735

HF2 58.90 -2.48 0.669 0.305 -0.6786.63 -0.415 0.910 0.000

R3-4.60 0.601 0.158 -0.784

HF1 71.07 -2.20 0.513 -0.828 0.2276.79 0.613 0.539 0.578

bound to oxygen (HF3). The HF tensors of R2 have very similaranisotropy and principal directions as HF1(R1) and HF2(R2).This means that R1 and R2 probably are different configurationsof the same radical structure. R3 has one interaction with a β-proton bound to carbon.

The limited g-anisotropy of the EPR angular variation indi-cates all radicals are alkyl radicals. By comparing the principaldirections with the pristine crystal lattice and using the Heller-McConnell relation [2], H-abstracted radicals at C2’ for R1 andR2 and on C4 for R3 appear to be plausible models. In the caseof R1 there are large deviations for HF3, which means that thesuggested radical structure can only be correct if the hydroxy-group undergoes significant reorganisation.

Further research by determination of the g-tensors, densityfunctional theory (DFT) calculations or EMR measurements of2H- or 13C- labeled lactose is necessary to conclusively confirmor reject the suggested structures.

V. CONCLUSIONS

The EPR-spectrum of X-irradiated α-lactose monohydratepowder shows a limited time dependence during the first hoursafter irradiation. The spectra for different doses are clearly dif-ferent immediately after irradiation, but become very similar af-ter a few hours. The intensity saturates for doses higher than 100kGy. The spectrum consists of components of at least three andprobably four radicals. The HF tensors of three radicals were de-termined. For these radicals H-abstracted carbon-centered radi-cals were suggested on C2’ for R1 and R2 and on C4 for R3.

REFERENCES

[1] J. H. Noordik, P. T. Beurskens, P. Bennema, R. A. Visser, and R. O. Gould.Crystal structure, polarity and morphology of 4-O-β-D-galactopyranosyl-α-D-glucopyranose monohydrate (α-lactose monohydrate): a redetermina-tion. Zeitschrift fur Kristallographie, 168(1-4):59–65, 1984.

[2] C. Heller and H. M. McConnell. Radiation damage in organic crystals .2.Electron spin resonance of (CO2H)CH2CH(CO2H) in beta-succinic acid.Journal of Chemical Physics, 32:1535–1539, 1960.

Inhoudsopgave

Voorwoord i

Extended abstract iv

Inhoudsopgave vi

Lijst van afkortingen viii

1 Inleiding 11.1 Interactie van straling met materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Ioniserende straling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Interactie van X-straling met materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Stralingsschade in DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.1 Structuur van DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Stralingseffecten in DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Relevantie van het onderzoek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Theoretische achtergrond 52.1 Spinhamiltoniaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Elektronische Zeemaninteractie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.3 Hyperfijninteractie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4 Nucleaire Zeemaninteractie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Magnetische resonantiemetingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1 EPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Saturatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.3 NMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.4 ENDOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.5 EIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Analyse van de spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.1 Definitie van het assenstelsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.2 Bepalen van de HF-tensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.3 Schonlandambiguıteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.4 Site splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

vi

3 Experimentele methoden 213.1 Specimenpreparatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1 Eenkristallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.1.2 Poeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 De EPR-spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2.1 De caviteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.2 De microgolfbrug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.3 De elektromagneet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.4 Veldmodulatie en fasegevoelige detectie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.5 Uitbreiding tot een ENDOR-spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2.6 Cryogenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Verwerken van de EPR-spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4 Literatuurstudie 344.1 Kristalgroei en kristalstructuur van lactose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1.1 α-lactose monohydraat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.1.2 Andere kristalstructuren van lactose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2 Naamgeving van radicalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.3 EMR-onderzoek op α-lactose monohydraat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4 Radicalen in gerelateerde moleculen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4.1 Glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4.2 Galactose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.4.3 Maltose en cellobiose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.4.4 Sucrose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Experimentele resultaten 485.1 Verwerking van de spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.2 Dosis- en tijdsafhankelijkheid van bestraald poeder . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.2.1 Tijdsafhankelijkheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.2.2 Dosisafhankelijkheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3 Metingen op eenkristallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3.1 Angulaire variatie van het EPR-spectrum in het ac-vlak bij KT . . . . . . 545.3.2 EPR-, ENDOR- en EIE-analyse in het ac-vlak bij 20 K . . . . . . . . . . 555.3.3 Angulaire variatie van de ENDOR-frequenties . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.4 Bepalen van de HF-tensoren van radicalen R1, R2 en R3 . . . . . . . . . . . . . . 695.5 Bespreking van de mogelijke radicaalstructuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Besluit 75

A Fysische constanten 76

B Programma voor het fitten van de tensoren 77B.1 HYPERfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77B.2 HYPERfit2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

vii

Lijst van afkortingen

A Adenine

C Guanine

DFT Dichtheidsfunctionaaltheorie (Density functional theory)

DNA Desoxyribonucleınezuur (Deoxyribonucleic acid)

DSB Dubbele strengbreuk

EIE ENDOR-geınduceerde EPR (ENDOR-induced EPR)

EMR Elektronen magnetische resonantie

ENDOR Elektron-kern dubbele resonantie (Electron-nuclear double resonance)

EPR Elektronen paramagnetische resonantie

ESB Enkelvoudige strengbreuk

G Cytosine

HF Hyperfijn

KT Kamertemperatuur

NMR Nucleaire magnetische resonantie

T Thymine

XRD X-stralen diffractie (X-ray diffraction)

viii

Hoofdstuk 1

Inleiding

1.1 Interactie van straling met materie

1.1.1 Ioniserende straling

Wanneer ioniserende straling invalt op materie, wordt via fysische interacties energie overgedra-gen van de invallende straling naar de materie. Deze straling kan bestaan uit geladen deeltjes(elektronen, protonen, α-deeltjes, ...) die met de materie interageren via directe elektrische(Coulomb) interacties, maar ook uit elektromagnetische golven (fotonen) die via interactie metmaterie (zie Sectie 1.1.2) secundaire geladen deeltjes (meestal elektronen) creeren.In deze masterproef wordt gebruikt gemaakt van X-straling en daarom beperkt dit hoofdstukzich tot de interactie van X-straling met materie. X-stralen zijn elektromagnetische golven metgolflengte in het gebied 0.1 tot 10 nm. Dit bereik overlapt deels met het bereik voor γ-stralen,maar ze worden van elkaar onderscheiden op basis van hun productiemechanisme [1]: X-stralenontstaan bij transities van elektronen in de elektronenschil of door het versnellen van elektronenin een elektrisch veld, terwijl γ-stralen gecreeerd worden bij interacties van subatomaire deeltjes(vooral kernverval).

1.1.2 Interactie van X-straling met materie

Er zijn drie interactiemechanismen waardoor energie wordt overgedragen van X-straling naarmaterie: het fotoelektrisch effect, Comptonverstrooiing en paarvorming.Bij het fotoelektrisch effect wordt de totale energie van het foton overgedragen op een orbitaal-elektron van een atoom en verdwijnt het foton. Hierdoor verlaat het elektron het atoom, datgeıoniseerd (en meestal geexciteerd) achterblijft.Bij Comptonverstrooiing gedraagt het foton zich als een deeltje dat botst met een elektron.Hierbij wordt een deel van de energie van het foton overgedragen op het elektron. Als de over-gedragen energie groter is dan de bindingsenergie van het elektron, zal dit het atoom verlaten.Bij paarvorming wordt de energie van het foton omgezet in de rustenergie (1.022 MeV) van eenelektron-positronpaar en in de kinetische energie van deze deeltjes. Daarom kan paarvormingenkel voorkomen bij hoogenergetische fotonen (meer dan 1.022 MeV).

1

1.2. Stralingsschade in DNA

Welke van deze mechanismen domineert, is afhankelijk van de fotonenergie van de invallendestraling en de samenstelling van de materie. Voor stoffen die bestaan uit lichte atoomkernen(H, C, N, O) zoals lactose - dat in deze masterproef bestudeerd wordt - zal voor lage energieen(minder dan 100 keV) het fotoelektrisch effect domineren terwijl voor hogere energieen (tot 10MeV) Comptonverstrooiing domineert [2]. Voor hogere energieen is paarvorming dominant. Indeze masterproef wordt X-straling met een fotonenergie van 60 keV gebruikt en dus domineerthet fotoelektrisch effect.De bij deze processen vrijgemaakte elektronen kunnen voldoende energie bezitten om zelf ex-citaties en ionisaties te veroorzaken. Daarbij worden secundaire elektronen gecreeerd met eenlagere energie. Dit proces herhaalt zich tot de elektronen gethermaliseerd zijn wat lokaal vooreen hoge ionisatiedichtheid kan zorgen.

1.2 Stralingsschade in DNA

1.2.1 Structuur van DNA

DNA (Desoxyribonucleınezuur, Deoxyribonucleic Acid) bestaat uit twee lange polymeren (stren-gen) van nucleotiden. Deze strengen draaien om elkaar heen in de bekende dubbele helixstruc-tuur (zie Figuur 1.1). De strengen bestaan uit suiker- en fosfaatgroepen die elkaar afwisselen.Aan elke suikergroep is ook een base gebonden. De suikergroep, fosfaatgroep en de base vor-men samen een nucleotide. In DNA komen vier verschillende basen (en dus vier verschilllendenucleotiden) voor: guanine (G), adenine (A), cytosine (C) en thymine (T). De basen van deverschillende strengen zijn met elkaar verbonden via waterstofbruggen en vormen zo basenparendie de strengen samenhouden. Enkel de G-C (drie waterstofbruggen) en de A-T (twee water-stofbruggen) basenparen kunnen gevormd worden. De basen die basenparen kunnen vormen,worden complementair genoemd.De genetische informatie zit opgeslagen in de sequentie van de verschillende nucleotiden. Doorde complementariteit van beide strengen kan DNA makkelijk gekopieerd worden. Als de water-stofbruggen tussen de twee strengen gebroken worden, kunnen beide strengen gebruikt wordenvoor het bouwen van de complementaire streng en dit resulteert in een verdubbeling van deoriginele DNA-molecule.

1.2.2 Stralingseffecten in DNA

De stralingsschade in het DNA kan op twee manieren ontstaan. De ioniserende straling kanrechtstreeks interageren met het DNA (directe effecten), maar het is ook mogelijk dat de stra-ling interageert met moleculen (water, proteınes) in de omgeving van het DNA, waarbij radicalengecreeerd worden die in het DNA binnendringen en er schade veroorzaken (indirecte effecten).Ongeveer 60% van de stralingsschade wordt veroorzaakt door indirecte effecten en 40% doordirecte effecten [3, 4].Er bestaan diverse types van stralingsschade in een DNA-molecule zoals enkelvoudige streng-breuken (ESB), dubbele strengbreuken (DSB), het breken van een suiker-base binding of dewaterstofbruggen tussen de basen. Een ESB is een breuk van een suiker-fosfaatbinding in een

2

1.3. Relevantie van het onderzoek

Figuur 1.1: De chemische structuur van DNA (S’ is een suikergroep, F’ een fosfaatgroep en B’een base).

streng. Wanneer twee ESB’s dicht bij elkaar op de twee strengen van een DNA-molecule voor-komen, spreekt men van een DSB. In de meeste gevallen van schade kan het DNA zichzelfherstellen door de complementariteit van de twee strengen, maar in het geval van DSB’s is dekans veel groter op fouten tijdens het herstelproces.De meeste radicalen worden gevormd in de basen, maar ongeveer 12.5% van de initieel gestabili-seerde radicalen in DNA zijn radicalen in de suikergroep. Deze suikerradicalen zijn de primaireprecursoren voor strengbreuken [5].

1.3 Relevantie van het onderzoek

Om inzicht te krijgen in de fundamentele stralingsgeınduceerde processen in organische stoffen,worden de stralingsgeınduceerde radicalen in een aantal systemen met een gelijkaardige mole-culaire structuur bestudeerd. Zo wordt geprobeerd een patroon te ontdekken in de gevormderadicaalstructuren. Om paramagnetische systemen (dit zijn moleculen of atomen met een ofmeerdere ongepaarde elektronen, zoals radicalen) te bestuderen wordt vaak gebruik gemaaktvan elektronen magnetische resonantiemetingen (EMR-metingen). Deze techniek wordt toege-

3

1.3. Relevantie van het onderzoek

past op radicalen in de gasfase, in (bevroren) oplossingen, in poeders en in eenkristallen, maardoor de specifieke orientatie van de radicalen in de kristalstructuur is het in eenkristallen moge-lijk om de radicalen nauwkeuriger te karakteriseren. In de EMR-onderzoeksgroep in Gent wordtdeze techniek toegepast op suikers en andere organische systemen. Zo werden onder meer de ra-dicalen in sucrose en trehalose bestudeerd en in deze masterproef worden stralingsgeınduceerderadicalen in lactose bestudeerd.Suikers kunnen ook gebruikt worden als een modelsysteem voor meer complexe organische mate-rialen, zoals DNA. Een lactosemolecule bevat ringstructuren (zie Sectie 3.1.1.1) vergelijkbaar metdeze in de suikergroep in DNA. De twee ringen in lactose zijn verbonden door een glycosidischebinding, net zoals de suiker- en de fosfaatgroepen in de DNA-strengen. In de kristalstructuurvan lactose zijn de verschillende moleculen verbonden via waterstofbruggen, die ook veelvuldigvoorkomen in en rond de DNA-molecule. Het DNA is in de cellen opgeslagen in een zeer com-pacte, bijna kristallijne vorm omgeven door kristallijn water en proteınes. Deze structuur is hetbest te vergelijken met een vaste stof en in dat opzicht zijn α-lactose monohydraat eenkristallen(die bovendien ook kristallijn water bevatten) een goed modelsysteem.

4

Hoofdstuk 2

Theoretische achtergrond

2.1 Spinhamiltoniaan

2.1.1 Principe

In de kwantummechanica zijn de energieniveaus van een stationair systeem de oplossingen vande tijdsonafhankelijke Schrodingervergelijking Hψ = Eψ. Hierin is de energie E de eigenwaardevan de Hamiltoniaan H voor de eigenfunctie ψ. De Hamiltoniaan van een reeel systeem is zeercomplex en heeft een groot aantal oplossingen. Bij thermisch evenwicht hebben enkel de toe-standen dicht bij de grondtoestand een significante bezetting. Verder worden bij magnetischeresonantie experimenten alleen overgangen gestimuleerd tussen een klein aantal van de laagsteenergieniveaus, opgesplitst door elektronische en nucleaire spininteracties. Daarom wordt inplaats van de totale Hamiltoniaan een effectieve Hamiltoniaan gebruikt, die het systeem be-schrijft als een geısoleerde set van die energietoestanden. Deze spinhamiltoniaan bevat enkelspinoperatoren en alle andere interacties worden gebundeld in een aantal parameters, de spin-hamiltoniaanparameters. De operatoren worden zo gekozen dat het juiste aantal energieniveausbekomen wordt en de parameters worden bepaald door te eisen dat de energieniveaus gelijk zijnaan deze van de totale Hamiltoniaan, die experimenteel worden waargenomen.In deze masterproef worden systemen bestudeerd met een ongepaard elektron (S = 1/2) en Nprotonspins (I = 1/2). Dergelijke systemen kunnen beschreven worden met volgende spinha-miltoniaan:

HS = µB ~B · g · ~S +N∑k=1

~S ·Ak · ~Ik −N∑k=1

gN,kµN ~B · ~Ik (2.1)

De eerste term is de elektronische Zeemaninteractie, de tweede term bevat de hyperfijninteractiesen de derde de nucleaire Zeemaninteracties.

2.1.2 Elektronische Zeemaninteractie

De elektronische Zeemaninteractie beschrijft de interactie van de spin van het elektron meteen uitwendig magneetveld. Als de z-as langs het magnetisch veld wordt gekozen, wordt dezeHamiltoniaan voor een vrij elektron gegeven door:

5

2.1. Spinhamiltoniaan

Figuur 2.1: Het Zeemaneffect voor een vrij elektron.

H = geµBBSz (2.2)

Hierin is ge de gyromagnetische verhouding van een vrij elektron en µB het Bohrmagneton.Een elektron heeft spin S=1/2 en de twee eigenwaarden van Sz (Ms = ±1/2) leiden tot tweeenergieniveaus. De energieopsplitsing is evenredig met de grootte van het uitwendig magneetveld(Figuur 2.1):

∆E = E+ − E− = geµBB (2.3)

Voor een ongepaard elektron in een molecule bevat de totale Hamiltoniaan onder meer volgendetermen [6]:

geµB ~B · ~S′ + λ~L · ~S′ + µB ~B · ~L

Waarin ~L het baanimpulsmoment en λ de spinbaankoppelingsconstante is. De eerste term geeft,zoals hoger besproken, de interactie van de elektronspin met het magneetveld, de tweede termis de spinbaaninteractie en de derde de interactie van het baanimpulsmoment met het magneet-veld. De laatste twee termen houden een onrechtstreekse interactie in tussen de elektronspin

6

2.1. Spinhamiltoniaan

en het magneetveld via het baanimpulsmoment. In de spinhamiltoniaan worden alle termensamengebracht in de elektronische Zeemanterm:

HEZ = µB ~B · g · ~S (2.4)

Deze term heeft dezelfde vorm als de Zeemaninteractie voor een vrij elektron, behalve dat gevervangen werd door de g-tensor

g =

gxx gxy gxz

gxy gyy gyz

gxz gyz gzz

(2.5)

Deze symmetrische tensor bevat zes parameters waarin de drie bovenstaande termen vervatzitten. Omdat de g-tensor niet voldoet aan de transformatieformule voor een tensor, is hetwiskundig gezien geen tensor, maar een matrix. Als de g-tensor anisotroop is, is de opsplitsingvan de energieniveaus afhankelijk van de richting ~l van het magneetveld.

∆E =√~l · g · gT ·~lTµBB = g(θ, φ)µBB (2.6)

De g-factor g wordt dus bepaald door g · gT , wat wel een tensor is.

2.1.3 Hyperfijninteractie

De term hyperfijninteractie (HF-interactie) duidt op de interactie tussen de elektronische ennucleaire spins.

HHF = ~S ·A · ~I (2.7)

De HF-tensor wordt voorgesteld als een matrix:

A =

Axx Axy Axz

Ayx Ayy Ayz

Azx Azy Azz

(2.8)

Ook de HF-tensor is wiskundig gezien geen tensor en A ·AT

wel.Wanneer het elektron interageert met een kernspin I ≥ 1, moet naast de HF-interactie ookrekening gehouden worden met de nucleaire quadrupool interactie.

HQ = ~I · P · ~I (2.9)

De systemen in deze masterproef bevatten enkel waterstof, zuurstof en koolstof. Aangeziende overheersende zuurstof- en koolstofisotopen1 I = 0 hebben, worden in de praktijk enkelinteracties met waterstofkernen (I = 1/2) waargenomen, tenzij isotopisch aangerijkte samplesgebruikt worden.Door kristallen te groeien in een oplossing in gedeutereerd water (D2O), worden waterstofatomen

1De 16O- en 12C-isotopen hebben een natuurlijke abundantie van respectievelijk 99.76% en 98.9%.

7

2.2. Magnetische resonantiemetingen

in hydroxygroepen in de molecules vervangen door deuterium. Waterstoffen die aan een koolstofgebonden zijn, blijven onaangeroerd. Daarnaast is het mogelijk watermoleculen die in het poederaanwezig zijn te extraheren en het poeder opnieuw te hydrateren met gedeutereerd water [7]. Indeze gevallen kunnen er ook interacties met deuteronen (2H met I = 1) voorkomen.

2.1.4 Nucleaire Zeemaninteractie

De nucleaire Zeemaninteractie is de interactie tussen het extern magnetisch veld en de kernspin.Analoog aan het elektronisch Zeemaneffect wordt deze gegeven door:

HNZ = −µN ~B · gN · ~I (2.10)

Hierin stelt µN het nucleair magneton voor en is gN de nucleaire g-tensor. Met zeer goedebenadering kan de nucleaire g-tensor isotroop verondersteld worden. Hierdoor vereenvoudigtvergelijking (2.10) tot:

HNZ = −gNµN ~B · ~I (2.11)

De waarde van de nucleaire gyromagnetische verhouding gN hangt af van de specifieke kern.Door gN te bepalen kan de kern geıdentificeerd worden. In deze masterproef is dit niet zonuttig, omdat enkel interacties met protonen (gN=gH=5.585486) voorkomen.

2.2 Magnetische resonantiemetingen

2.2.1 EPR

Bij Elektronen Paramagnetische Resonantie (EPR) stimuleren microgolven overgangen tussenelektronspinenergieniveaus, die opgesplitst worden door de Zeemaninteractie (zie Sectie 2.1.2).Opdat de elektronspin kan interageren met het magnetische veld van de microgolven, moetdit veld een component hebben die loodrecht staat op het magnetisch veld dat de energieni-veaus opsplitst (zie Secties 3.2.1 en 3.2.3). Verder moet de energie van de microgolfstraling hνgelijk zijn aan het energieverschil tussen twee opgesplitste energieniveaus. Dit noemen we deresonantievoorwaarde:

hν = gµBB (2.12)

Om een EPR-spectrum op te meten, zou men de microgolffrequentie kunnen laten varierenterwijl het magneetveld constant blijft, maar omdat de dimensies van de caviteit aangepastmoeten zijn aan de microgolffrequentie, wordt er in de praktijk voor gekozen om het magneet-veld te varieren terwijl men de microgolffrequentie constant houdt.Voor een vrij elektron wordt dit principe geıllustreerd in Figuur 2.2. Het absorptiespectrumbestaat uit een lijn. Omdat de EPR-spectrometer gebruik maakt van fasegevoelige detectie (zieSectie 3.2.4), wordt in de praktijk de eerste afgeleide van het absorptiespectrum opgemeten.Wanneer het elektron via de HF-interactie interageert met een aantal kernspins, zal de absorp-tielijn opsplitsen in verschillende lijnen (zie Figuur 2.3). De energieniveaus worden in eerste

8


Figuur 2.2: Het principe van een EPR-meting voor een vrij elektron.

orde berekend uit vergelijking (2.1):

E(MS ,MI) = gµBBMS +N∑k=1

MSAkMI,k −N∑k=1

gN,kBMI,k (2.13)

Hierbij werden de HF-tensoren als isotroop beschouwd. De selectieregels voor een EPR-overgangzijn:

|∆MS | = 1 ∆MI,k = 0 (k = 1, ..., N) (2.14)

9


Het aantal toegelaten transities wordt gegeven door

nEPR = 2SN∏k=1

(2Ik + 1) (2.15)

De resonantiefrequenties voor EPR-overgangen met S=1/2 volgen uit vergelijkingen (2.13) en (2.14):

hν = gµBB +N∑k=1

AkMI,k (2.16)

Voor een systeem met twee HF-interacties met I = 1/2 worden de vier resonantiefrequenties (zieFiguur 2.3):

hν1 = gµBB + 12A1 + 1

2A2

hν2 = gµBB + 12A1 −

12A2

hν3 = gµBB −12A1 + 1

2A2

hν4 = gµBB −12A1 −

12A2 (2.17)

Uit de posities van deze resonantielijnen kunnen zowel de grootte van de HF-interacties als de g-waarde bepaald worden. Merk op dat het teken van de HF-interacties niet bepaald kan worden.De systemen waarop gemeten wordt in deze masterproef zijn stralingsgeınduceerde radicalen. Zehebben een ongepaard elektron (S=1/2) dat via de hyperfijnkoppeling interageert met N kernenmet I = 1/2. Uit vergelijking (2.15) volgt dat het spectrum van dergelijk radicaal 2N transitiesheeft.Bestraling van een molecule kan verschillende types radicalen genereren. Elk type heeft zijn eigeng-tensor en HF-tensoren. Tijdens het opmeten van een EPR-spectrum worden al deze signalengesuperponeerd en ontstaat in het algemeen een complex spectrum, waarin verschillende lijnenkunnen overlappen.

2.2.2 Saturatie

Omdat de bezetting van de energieniveaus een Boltzmannverdeling volgt, zal de bezetting vande spin-down toestand groter zijn dan van de spin-up toestand. Wanneer op het systeem elek-tromagnetische straling ingezonden wordt met de resonantiefrequentie zullen door gestimuleerdeemissie spin-up toestanden terugvallen naar de spin-down toestand, terwijl door gestimuleerdeabsorptie spin-down toestanden geexciteerd worden naar de spin-up toestand. Door het popu-latieverschil zal er netto absorptie zijn tot de bezetting van beide toestanden gelijk is. Er treedtdan saturatie op.Hiernaast zijn er ook relaxatiemechanismen die de spins kunnen omkeren van spin-up naar spin-down, tot aan de Boltzmannstatistiek voldaan is. Als het tempo van overgangen geınduceerddoor absorptie van straling kleiner is dan dat van overgangen door de relaxatiemechanismen,kan het populatieverschil behouden blijven en zal er dus geen saturatie optreden.Wanneer de overgang satureert tijdens een EPR-meting zal het spectrum vervormd worden.Dit kan voorkomen worden door de stralingsintensiteit laag genoeg te houden. Voor anderetechnieken, zoals ENDOR, is saturatie dan weer noodzakelijk (zie sectie 2.2.4).

10


(a) Principe

(b) EPR-spectrum gesimuleerd met EasySpin met A1=30 MHz,A2=90 MHz en ν=34 GHz (voor simulaties in EasySpin worden HF-interacties uitgedrukt in frequentie-eenheden) [8]

Figuur 2.3: EPR voor een systeem waarin een elektron interageert met twee protonen.

2.2.3 NMR

Bij Nucleaire Magnetische resonantie (NMR) worden overgangen gestimuleerd tussen kernspin-energieniveaus, die eveneens door een uitwendig magneetveld opgesplitst worden. Omdat de

11


opsplitsing tussen deze energieniveaus veel kleiner is dan bij elektronen wordt hiervoor gebruikgemaakt van radiofrequente straling. De selectieregels voor een NMR-overgang zijn:

∆MS = 0 |∆MI,j | = 1 ∆MI,i = 0 (∀i 6= j) (2.18)

Het aantal toegelaten transities is:

nNMR = (2S + 1)N∑k=1

2Ik (2.19)

Figuur 2.4: Energieniveaus (in eerste orde) voor een systeem met S = 1/2 en I = 1/2 beschrevendoor de spinhamiltoniaan (2.20), waarin de g-tensor en HF-tensor isotroop verondersteld werden.Verder werden de volgende veronderstellingen gemaakt: A > 0, gN > 0 en A > 2gNµNB. Deblauwe pijlen duiden de toegelaten EPR-transities aan, de rode pijlen de toegelaten NMR-transities.

Voor systemen met een ongepaard elektron (S=1/2) dat interageert met N kernen met I = 1/2 ishet aantal transities en geeft elke HF interactie aanleiding tot twee resonantielijnen. Aangeziende spinhamiltoniaan geen interactie bevat tussen de verschillende kernspins2, zal de positie vanelke lijn afhankelijk zijn van precies een HF interactie. Daarom kunnen we de resonantiepositiesberekenen alsof we ons in een systeem met S = 1/2 en een interactie met I = 1/2 bevinden.Voor een dergelijk systeem is de spinhamiltoniaan:

H = µB ~B · g · ~S + ~S ·A · ~I − gNµN ~B · ~I (2.20)2Omdat de interactie tussen kernspins en elektronspins veel sterker is dan deze tussen kernspins onderling,

kunnen deze laatste in de praktijk verwaarloosd worden.

12


Als we de eerste-ordebenadering voor de energieniveaus gebruiken en veronderstellen dat Aisotroop is, wordt de voorwaarde voor een NMR-transitie (zie Figuur 2.4):

hν =∣∣∣∣A2 ± gNµNB

∣∣∣∣ (2.21)

Als de opsplitsing door de hyperfijnkoppeling sterker is dan door het nucleair zeemaneffect (|A| >|2gNµNB|) bestaat het NMR-spectrum uit een doublet van lijnen rond

∣∣∣ A2h ∣∣∣ met een splitsing

van∣∣∣2gNµNB

h

∣∣∣. Bij een zwakke koppeling (|A| < |2gNµNB|) is dit een doublet gecentreerd

rond∣∣∣gNµNB

h

∣∣∣ met een splitsing van∣∣∣Ah ∣∣∣. Uit de posities van de lijnen kunnen dus gN en A

afgeleid worden. Uit gN kan men de chemische identiteit van de kern waarmee geınterageerdwordt bepalen. In deze masterproef is dit niet zo nuttig omdat enkel interactie optreedt metwaterstofkernen. Uit A kan informatie gehaald worden over de elektronische en geometrischestructuur van het radicaal.

2.2.4 ENDOR

Zowel via EPR als NMR kunnen de HF-tensoren bepaald worden. Beide methodes hebbenvoor- en nadelen. Uit vergelijkingen (2.15) en (2.19) volgt dat voor complexe systemen er veelmeer EPR- dan NMR-transities zijn. Hierdoor zullen EPR-lijnen vaker overlappen. Dit maakthet moeilijk om nauwkeurig hun positie te bepalen. Anderzijds zijn bij NMR-experimenten designalen dan weer minder intens dan bij EPR.Daarom wordt vaak Elektron-Kern Dubbele Resonantie (Electron-Nuclear Double Resonance,ENDOR) gebruikt, waarin de voordelen van beide gecombineerd worden. In Figuur 2.5 wordtde ENDOR-techniek geıllustreerd voor een S=I=1/2 systeem. De energieniveaus zijn opgesplitstdoor het statisch magneetveld en alle bezettingen voldoen aan de Boltzmannstatistiek (a). Tij-dens het experiment wordt het systeem bestraald met microgolven met een vaste frequentie zodatde EPR-overgang tussen toestand A en D satureert (b). Ondertussen wordt het systeem be-straald met een varierende radiofrequentie. Voor een bepaalde frequentie zal de NMR-overgangtussen toestand C en D geınduceerd worden (c). Hierdoor zal de overgang tussen A en D tijde-lijk gedesatureerd zijn, tot een evenwicht tussen A,C en D bereikt wordt (d). Dit verschil in deintensiteit van de EPR-overgang wordt gedetecteerd terwijl een radiofrequentiegebied doorlo-pen wordt en vormt het ENDOR-signaal. ENDOR gebruikt dus de sterke signaalintensiteit vaneen EPR-overgang en de betere resolutie van een NMR-spectrum. Enkel de NMR-overgangenwaarvan een van de kernspinniveaus overeenkomt met een van de elektronspinniveaus van deEPR-overgang worden gedetecteerd.

2.2.5 EIE

Een EPR-spectrum bevat vaak overlappende signalen afkomstig van verschillende types radica-len. Bovendien kan eenzelfde type radicaal in verschillende ruimtelijke orientaties voorkomen,wat verder bijdraagt tot het composiet karakter van het spectrum (zie Sectie 2.3.4). Een be-paalde lijn in het spectrum kan dus een combinatie zijn van EPR-overgangen in verschillenderadicalen. Ook ENDOR-spectra opgemeten op deze lijn zullen NMR-overgangen van verschil-lende radicalen bevatten. Een methode om het EPR-spectrum van een radicaal te isoleren

13


Figuur 2.5: Verandering van de bezetting van de energieniveaus voor een S = 1/2 en I = 1/2systeem (zie Figuur 2.4) tijdens een ENDOR-experiment. De curve stelt de Boltzmanndistributievoor.

is ENDOR-geınduceerde EPR (ENDOR-induced EPR, EIE). De radiofrequentie wordt gekozenzodat een bepaalde NMR-overgang, A↔ B, geınduceerd wordt. De intensiteit van het ENDOR-signaal wordt gemonitord terwijl het magneetveld gevarieerd wordt. Enkel de EPR-overgangendie de toestand A of B beınvloeden zullen voor een verandering van het ENDOR-signaal zorgen.Een EIE-spectrum is dus een grafiek van de intensiteit van een NMR-overgang in functie vanhet aangelegde magneetveld. Zolang de gekozen ENDOR-lijn niet overlapt met andere ENDOR-lijnen, bevat het EIE-spectrum enkel EPR-signalen van een type radicalen. Bovendien is dit hetvolledige EPR-spectrum van dit radicaal als enkel interacties met I = 1/2 voorkomen.Omdat het magnetisch veld gevarieerd wordt, verschuift het NMR-signaal in het ENDOR-spectrum. Tijdens het experiment moet de radiofrequentie blijven voldoen aan de resonan-tievoorwaarde van de gekozen NMR-overgang. Daarom wordt volgende eerste-ordebenaderinggebruikt om de radiofrequentie aan te passen tijdens de EIE-meting (zie vergelijking (2.21)):

dν

dB= ±1

hgNµN (2.22)

Afhankelijk van welk van beide lijnen uit het doublet van het NMR-signaal gebruikt wordt, zalhet juiste teken in vergelijking (2.22) moeten gekozen worden (zie Sectie 2.2.3).

14

2.3. Analyse van de spectra

2.3 Analyse van de spectra

2.3.1 Definitie van het assenstelsel

De lactose eenkristallen die in deze masterproef gebruikt worden hebben een monokliene kris-talstructuur (zie Sectie 3.1.1.1). De drie kristalassen (a, b en c) vormen geen orthogonaal assen-stelsel, omdat de a-as en de c-as niet loodrecht op elkaar staan (β = 109.77◦). Daarom wordt dea*-as gedefinieerd als de as die loodrecht staat op zowel de b-as als de c-as. Het a*bc-assenstelselkan wel gebruikt worden als orthogonaal assenstelsel. Analoog kan ook de c*-as, loodrecht op dea-as en b-as, gedefinieerd worden en ook de a, b en c* assen vormen een orthogonaal assenstelsel.In deze masterproef wordt het a*bc-assenstelsel gebruikt (zie Figuur 2.6).

Figuur 2.6: Schets van het a*bc-assenstelse.l

2.3.2 Bepalen van de HF-tensoren

Om de invloed van anisotropie van de HF-tensor op de NMR-resonantiefrequenties in detail tebestuderen gebruiken we de benadering dat de elektronspin gealigneerd is met het magnetischveld. Deze benadering is geldig als

• de g-tensor isotroop is.

• de invloed van de HF interactie op de elektronspin verwaarloosd kan worden. Dit ismogelijk wanneer de HF interactie veel kleiner is dan de elektronische Zeemaninteractie.

15


Voor de systemen die onderzocht worden in deze masterproef zjin beide voorwaarden bij goedebenadering voldaan. We noemen de richting van het aangelegde magneetveld ~l. Hierdoor wordt~B = B~l en3 ~S = Sz~l en kunnen we de Hamiltoniaan (2.20) voor een S = I = 1/2 systeemvereenvoudigen tot:

H = gµBBSz + Sz~l ·A · ~I − gNµNB~l · ~I (2.23)

De spinhamiltoniaan kan ook voorgesteld worden door een matrix met matrixelementen

< MS ,MI |H|M ′S ,M ′I > (2.24)

Door deze matrix te diagonaliseren worden volgende energieniveaus bepaald (zie [6]):

E(MS ,MI) = gµBBMS

+(M2S~l ·A ·A

T·~lT + g2

Nµ2NB

2 − 2MSgNµNB~l ·A ·~lT) 1

2MI (2.25)

De radiofrequenties |K(MS)| waarbij resonantie optreedt met een NMR-overgang voldoen aan:

K2(MS) = M2S

h2~l ·A ·A

T·~lT + ν2

N −2hMSνN~l ·A ·~lT

= ~l ·K(MS) ·[K(MS)

]T·~lT (2.26)

metK(MS) = 1

hMSA− νN1 (2.27)

waarin νN = 1hgNµNB en 1 de 3x3 eenheidsmatrix voorstelt.

Uit vergelijking (2.26) volgt dat de posities van de ENDOR-lijnen kunnen geschreven wordenals:

K(MS) =(~l ·M ·~lT

) 12 (2.28)

waarinM = K(MS) ·

[K(MS)

]T(2.29)

Merk op dat M symmetrisch is en dus zes onafhankelijke elementen heeft. De elementen van Mworden in de praktijk bepaald door de posities van de ENDOR-lijnen op te meten terwijl het sys-teem geroteerd wordt in een of meerdere vlakken. Bij rotatie in een vlak kan vergelijking (2.28)altijd geschreven worden als [6, 9]:

K2(MS)(θ) = α+ βcos(2θ) + γsin(2θ) (2.30)

Hierin zijn α, β en γ functies van de matrixelementen van M , afhankelijk van het vlak waaringeroteerd wordt. Bijvoorbeeld voor een rotatie rond de x-as, met θ = 0 overeenstemmend metde y-as, wordt ~l = [0, cos(θ), sin(θ)] en kan gemakkelijk berekend worden dat:

α = Myy +Mzz

2

β = Myy −Mzz

2γ = Myz (2.31)

3In deze berekening wordt de kwantisatieas van de elektronspin langs ~l gekozen. Het zou dus correcter zijn Sl

te schrijven, maar om verwarring te vermijden, gebruiken we het traditionele symbool Sz.

16


Door de opgemeten waarden te fitten aan vergelijking (2.30) voor drie (of meer) goed gekozenvlakken, kunnen alle elementen van M bepaald worden. De hoofdwaarden van K(MS) kunnenbepaald worden door M te diagonaliseren en de vierkantswortels te nemen. De eigenvectorenvan M en K(MS) zijn dezelfde. Hiermee kunnen we K(MS) bepalen en uit vergelijking (2.27)volgt dan meteen de HF-tensor A.Doordat enkel het kwadraat van K(MS) gemeten wordt, kan het teken van de hoofdwaardenniet bepaald worden. Meestal wordt het teken bepaald door gebruik te maken van theoretischeoverwegingen of door vergelijking met reeds gekende vergelijkbare systemen.

2.3.3 Schonlandambiguıteit

Wanneer men de HF-tensor wil afleiden uit ENDOR metingen in drie vlakken, kan naast dehogervermelde tekenambiguıteit de Schonlandambiguıteit optreden [9,10]. Hierbij kunnen aan dedata in de drie vlakken twee mogelijke tensoren gefit worden, waarvan er maar een fysisch correctis. De ambiguıteit ontstaat door onduidelijkheid over de positieve rotatiezin in de vlakken. Derichting van rotatie in de eerste twee vlakken kan vrij gekozen worden, maar deze keuze legt derichting in het derde vlak vast. Tenzij alle metingen op hetzelfde kristal werden gemeten en deonderlinge posities van het kristal bijgehouden worden, is het echter niet duidelijk welke richtingmoet gekozen worden. De twee mogelijke richtingen in het derde vlak zullen leiden tot tweeverschillende oplossingen voor M , die een even goede fit zijn van de experimentele resultaten.Om de fysisch correcte oplossing te kiezen, zijn er verschillende mogelijke methodes. In depraktijk worden meestal metingen gedaan in een vierde vlak. Slechts een van beide oplossingenzal ook met die resultaten overeenstemmen.

2.3.4 Site splitting

De eenheidscel van een kristal kan meer dan een molecule bevatten. De positie en orientatie vandeze molecules is afhankelijk van de symmetriegroep van het kristal. Radicalen met dezelfde mo-leculaire structuur in molecules met een verschillende orientatie kunnen een verschillend signaalgeven bij EPR- en ENDOR-experimenten. De resonantielijn in een spectrum zal daardoor opge-splitst worden in een aantal lijnen. Dit noemen we site splitting. Figuur 2.7 toont de angulairevariatie in een vlak met site splitting voor volgende HF-tensor:

A =

10 10 2010 30 220 2 50

(2.32)

De lactosekristallen waarmee in deze masterproef gewerkt wordt, bevatten molecules met tweeverschillende orientaties (zie sectie 3.1.1.1). Deze twee sites worden in elkaar getransformeerddoor de monokliene symmetrieoperatie ((x, y, z) → (-x, y+b/2, -z)). Voor sommige richtingenvan het magneetveld, zal de positie van een resonantielijn van de twee sites toch hetzelfde zijn.Voor deze richtingen, moet voldaan zijn aan volgende vergelijking:

~l ·M ·~lT = ~l · T ·M · TT·~lT = ~l ·M ′ ·~lT (2.33)

17


Figuur 2.7: Angulaire variatie van de ENDOR-lijnen in het xy-vlak voor HF-tensor A (zievergelijking (2.32)), νN = 51 MHz en ν = 34 GHz. Elke tak bevat een lijn van site I (rood) eneen lijn van site II (zwart).

waarin T de matrix is die de orientaties van de twee sites in elkaar transformeert:

T =

−1 0 00 1 00 0 −1

(2.34)

Hiermee kunnen we M ′ bepalen:

M ′ =

Mxx −Mxy Mxz

−Mxy Myy −Myz

Mxz −Myz Mzz

(2.35)

Na het schrappen van gelijke termen aan beide zijden, vereenvoudigt vergelijking (2.33) tot:

Mxylxly +Myzlylz = 0 (2.36)

Deze vergelijking beschrijft twee vlakken. Het eerste vlak (ly = 0) of het ac-vlak is onafhankelijkvan de elementen van de HF-tensor en in dit vlak is er dus geen site splitting voor alle interacties

18


van ieder radicaal. Het tweede vlak, beschreven door Mxylx + Myzlz = 0, is een vlak dat welafhangt van de elementen van K(MS). Dit vlak staat loodrecht op het ac-vlak en bevat dusde b-as, maar is verder verschillend voor verschillende interacties. Omdat M afhankelijk is vanMS , zullen deze vlakken ook voor de twee takken van een HF-interactie niet overeenkomen (zieFiguur 2.8). In de praktijk is het dus alleen zeker dat er geen site splitting zal optreden alshet magneetveld in het ac-vlak of langs de b-as ligt. De ligging van het tweede vlak kan enkelvoorspeld worden nadat M al bepaald is. In het bijzondere geval dat de y-as een hoofdas is vaneen HF-tensor, zal de y-as ook een hoofdas zijn van M voor beide takken. Dit wil zeggen datMxy = Myz = 0. Hierdoor zal voor alle lx, ly en lz voldaan zijn aan vergelijking (2.36) en dezelijnen zullen dus voor geen enkele orientatie site splitting vertonen.Omdat site splitting het spectrum veel complexer maakt, wordt voor monokliene systemenvaak als eerste vlak voor experimenten het ac-vlak gekozen. Een bijkomend voordeel is datdoordat de resonantielijnen van beide sites hier samenvallen, de signaalsterkte en ook de signaal-ruisverhouding met een factor twee toeneemt.

19


Figuur 2.8: Angulaire variatie van de ENDOR-lijnen voor HF-tensor A (zie vergelijking (2.32)),νN = 51 MHz en ν = 34 GHz in het vlak 400lx + 6lz = 0 waarin de tak met MS = 1/2 geen sitesplitting vertoont (boven) en in het vlak 620lx + 192lz = 0 waarin de tak met MS = −1/2 geensite splitting vertoont (onder). De vlakken werden bepaald met behulp van vergelijking (2.36).

20

Hoofdstuk 3

Experimentele methoden

3.1 Specimenpreparatie

3.1.1 Eenkristallen

3.1.1.1 Kristalstructuur

Tijdens deze masterproef werd kristallijn lactose bestudeerd, voornamelijk eenkristallen. Lactoseis net zoals sucrose en trehalose een disacharide, gevormd uit een glucose- en een galactosering,en komt voor als twee isomeren, α-lactose en β-lactose. Deze verschillen enkel in het omwisselenvan de waterstof en de alcoholgroep op de koolstof op positie 1’ in de glucosering. Figuur 3.1toont een α-lactose molecule met atoomnummering. Lactose komt voor in verschillende kristal-structuren, maar wij gebruiken enkel α-lactose monohydraat eenkristallen.

Figuur 3.1: Chemische structuur van α-lactose met atoomnummering.

De kristalstructuur van α-lactose monohydraat is monoklien met roosterparameters a=0.7937 nm,b=2.1568 nm, c=0.4815 nm en β=109.77◦ [11]. De twee koolstofringen zijn bijna parallel enliggen ongeveer in het ab-vlak. Met behulp van Visual Molecular Dynamics (VMD) en de

21

3.1. Specimenpreparatie

atoomcoordinaten uit [11], kunnen we een moleculaire structuur in 3D (Figuur 3.2) [12]. Deeenheidscel van de eenkristallen bevat twee moleculen met een verschillende orientatie. Decoordinaten van de tweede molecule kunnen bepaald worden uit de positie van de eerste viade monokliene transformatie: (x, y, z) → (−x, y + b/2,−z). De kristallen groeien meestal inpiramidale of tomahawkvorm (Figuur 3.3). Vooral het grondvlak (loodrecht op de b-as) is zeerherkenbaar en kan gebruikt worden om de kristallen op het zicht te orienteren.

Figuur 3.2: 3D-figuur van de eenheidscel van α-lactose monohydraat.

Figuur 3.3: Tomahawkvormig eenkristal [13].

22


3.1.1.2 Kristalgroei

De kristallen werden op twee verschillende manieren gegroeid. Bij de eerste worden kristallengegroeid in supergesatureerde oplossingen varierend tussen 55 en 120 procent supersaturatie ineen gesloten omgeving bij 30◦C [14]. Bij de tweede methode wordt een gesatureerde oplossinglangzaam verdampt bij kamertemperatuur (KT) [15]. Het poeder dat hiervoor gebruikt werd,is afkomstig van de firma Sigma-Aldrich.In de literatuur (zie Sectie 4.1.1.2) zijn veel studies te vinden over de kristalgroei van lactose,maar in de praktijk blijkt het niet eenvoudig om zuivere eenkristallen te groeien die groot genoegzijn voor de Q-band spectrometer.

3.1.1.3 Bestraling van het kristal

Tijdens deze masterproef worden een aantal van de stralingsgeınduceerde radicalen in lactosebestudeerd. Daarvoor worden de poeders en eenkristallen bestraald met X-stralen, geprodu-ceerd in een X-stralenbuis. De X-stralenbron die hier gebruikt wordt, is een Philips PW 1730met wolfraamfilament en -trefplaat. Figuur 3.4 illustreert de schematische opbouw van eenX-stralenbuis. Door het filament vloeit een stroom (van de orde mA), waardoor het opwarmt.Hierdoor komen elektronen vrij die in de vacuumbuis terechtkomen, waarover een hoogspannings-veld (van de orde kV) aangelegd is. Het filament fungeert als kathode en de vrije elektronenworden versneld in de richting van een trefplaat, die dienst doet als anode. Bij inval van deelektronen op de trefplaat wordt een remstralenbundel geproduceerd. De aangelegde spanningbepaalt de maximale energie van de invallende elektronen, terwijl de intensiteit bepaald wordtdoor de elektrische stroom in het filament. Het hoogspanningsveld werd voor deze masterproefaltijd op 60 kV ingesteld. De dosis kan gevarieerd worden door bestralingsduur, stroomsterkteen afstand tot de bron te veranderen. Er werd bestraald bij 40 mA op 1 cm van de bron of bij20 mA op 3 cm van de bron. De dosis voor de gebruikte instellingen zijn te vinden in Tabel 3.1.Via metingen op specimens van bestraald alaninepoeder werd de stralingsdosis op 1 cm van debron, en bij 60 kV en 40 mA, in 2009 gecalibreerd op 7.5 kGy per minuut. Bij de berekeningvan de andere waarden werd de bron benaderd door een puntbron.

Figuur 3.4: Schematische opbouw van een X-stralenbuis.

23


Tabel 3.1: Geschatte dosis in kGy voor de gebruikte instellingen.Bestralingsduur (min) 20 mA op 3 cm 40 mA op 1 cm

10 4.2 7520 8.3 15030 12.5 22540 16.7 30080 33.3 600

3.1.1.4 Orientatie van het kristal

Door de specifieke vorm van de eenkristallen (Figuur 3.3), is het mogelijk om bij benaderingde kristallen visueel te orienteren. Hierna worden ze op een goniometer gelijmd en in een X-stralendiffractiemachine (X-ray diffraction, XRD) geplaatst. Hierin worden Bragg reflecties ge-bruikt om de kristallen nauwkeurig (in principe tot op 1◦) te orienteren. Er moet aan twee voor-waarden voldaan zijn opdat Bragg-reflectie kan optreden. Het roostervlak moet zo georienteerdzijn dat de gereflecteerde X-stralen uit de bron de detector bereiken (Figuur 3.5). Verder moetende reflecties aan verschillende roostervlakken constructief interfereren. De tweede voorwaardewordt beschreven door de wet van Bragg:

nλ = 2dsinθ (3.1)

met n een geheel getal, λ de golflengte van de invallende X-stralen en θ de hoek waaronder deX-stralen op het vlak invallen. De invalshoeken om voor specifieke vlakken hieraan te voldoen,kunnen berekend worden op basis van de roosterparameters (zie Tabel 3.2). Eerst worden debron en de detector onder de correcte hoek ingesteld en daarna doorloopt het kristal een aantalorientaties. Hierdoor bekomen we een stereografische projectie van de Bragg-reflectiepieken,op basis waarvan het kristal georienteerd kan worden. Een voorbeeld van een stereografischeprojectie is gegeven in Figuur 3.6.

Figuur 3.5: Schematische voorstelling van Bragg-reflectie.

Nadat het kristal volgens de gewenste richting gepositioneerd is, wordt het in dezelfde orientatieovergebracht naar een kwartsstaafje. Indien nodig wordt het kristal nog wat bijgeschaafd, waarnahet kan ingebracht worden in de caviteit van de EPR-spectrometer.

24


Tabel 3.2: Enkele intensiteiten en 2θ voor Bragg-reflectie. De intensiteiten zijn genormeerd opde intensiteit van de 011-reflectie [16].

2θ Relatieve h k lintensiteit

12.457 25 1 1 016.372 20 0 4 019.891 100 0 1 123.707 15 2 0 033.153 3 0 8 0

Figuur 3.6: Stereografische projectie voor een 040 roostervlak.

3.1.2 Poeders

Naast eenkristallen, worden tijdens deze masterproef ook experimenten uitgevoerd op poeders.Een poeder is een verzameling van verschillende zeer kleine eenkristallen met een eigen orientatie.Het spectrum van een poeder is dus een uitmiddeling van het spectrum van een eenkristal oververschillende orientaties. Hoe kleiner de korrelgrootte, hoe meer verschillende orientaties in hetspectrum vervat zullen zitten. De korrelgrootte van het poeder dat wij gebruiken is zeer klein.Daardoor verandert het spectrum bij verschillende orientaties zeer weinig en zijn de spectra zeerreproduceerbaar. Het voordeel van poeders is dat ze veel praktischer zijn om mee te werken.Ze kunnen niet georienteerd worden, de specimens moeten niet gegroeid worden, de massa vande specimens kan vrij gekozen worden, ... Het nadeel is dat het moeilijk is informatie over eenbepaalde orientatie uit het spectrum af te leiden. Daarom worden poeders in deze masterproefvooral gebruikt voor dosimetrische experimenten.Het poeder dat gebruikt wordt, is hetzelfde poeder van de firma Sigma-Aldrich, waarmee deeenkristallen gegroeid worden. Dit poeder wordt bestraald op dezelfde manier als de eenkristallen

25

3.2. De EPR-spectrometer

(zie sectie 3.1.1.3). Dan wordt het bestraalde poeder in een kwartsglazen buisje gestopt, waarnahet in de caviteit kan ingebracht worden.

3.2 De EPR-spectrometer

Op Figuur 3.7 zijn de drie belangrijkste onderdelen van een EPR-spectrometer aangeduid, nl.de microgolfbrug (A), de caviteit (B) en de elektromagneet (C). Het instellen en regelen vande spectrometer gebeurt door middel van de console. Deze bevat de nodige elektronica om demeetparameters aan te sturen.EPR-spectrometers werken in een vaste microgolffrequentieband. Naar gelang van deze frequen-tieband worden ze gelabeld. Voor deze masterproef werd er gebruik gemaakt van een BrukerElexsys E500 Q-bandspectrometer (ν ≈ 34 GHz). Hieronder wordt dieper ingegaan op debelangrijkste componenten van de spectrometer.

Figuur 3.7: Afbeelding van de tijdens deze masterproef gebruikte Q-band spectrometer.

26


Figuur 3.8: Afbeelding van de caviteit (in rood omcirkeld) gebruikt bij deze masterproef (a) eneen schets van de werking van de regelschroef (b).

3.2.1 De caviteit

Het specimen wordt in een buisje of vastgelijmd op een kwartsstaafje in de caviteit gebracht.De caviteit is een metalen cilinder, die zich in het midden tussen de twee poolschoenen vande elektromagneet bevindt (Figuur 3.8.a). De microgolven worden via een golfgeleider naarde caviteit gebracht, en dringen binnen via de iris. Met een regelschroef kan de lengte vande golfgeleider aangepast worden om het magnetisch veld van de microgolven aan de iris temaximaliseren (Figuur 3.8.b). Zo ontstaat een staandegolfpatroon in de caviteit. De frequentiewaarbij dit gebeurt, wordt de resonantiefrequentie van de caviteit genoemd. De caviteit is zoontworpen dat de TE013 resonantiemode opgewekt wordt. Het magnetisch veld van deze mode

27


wordt gegeven doorBz = J0(y02r

R)sin(3πz

H) (3.2)

waarin H en R respectievelijk de hoogte en de straal van de caviteit zijn [17]. J0 is de nulde ordeBesselfunctie van de eerste soort en y02 (=3.832) is het tweede nulpunt van de afgeleide van dezefunctie. Het sample wordt zo op de samplehouder geplaatst dat het zich in het midden van decaviteit bevindt. Daar is het magnetisch veld namelijk maximaal (zie Figuur 3.9) en daardoor isook de EPR-absorptie maximaal. De resonantiefrequentie van deze mode kunnen we berekenenvia

fres = c

2π

√(y02R

)2+(3πH

)2(3.3)

De diameter van de caviteit bedraagt 13.7 mm en de hoogte ongeveer 20 mm. De hoogte kangevarieerd worden om de resonantiefrequentie aan te passen aan de frequentie van de microgol-ven in de golfgeleider. Wanneer we de hoger vermelde afmetingen invullen in vergelijking (3.3),wordt de resonantiefrequentie 34.8 GHz. Vergelijking (3.3) is geldig voor een cilinder gevuld meteen homogeen medium. Door de aanwezigheid van sample, samplehouder en ENDOR-spoelenin de caviteit kan de resonantiefrequentie afwijken van deze theoretische waarde.

Figuur 3.9: Contourlijnen van het magnetisch veld voor de TE013 mode in een verticale door-snede langs de centrale as van de caviteit.

28


Het is duidelijk dat de eigenschappen van de caviteit in grote mate bepaald worden door demicrogolffrequentie. Daarom wordt in de praktijk niet de microgolffrequentie, maar het mag-neetveld gevarieerd tijdens EPR-metingen.Wanneer er aan de EPR-resonantievoorwaarde, zoals

hν = gµBB (3.4)

voldaan is, zal het specimen microgolfenergiequanta absorberen. Hierdoor zal het gereflecteerdemicrogolfvermogen verminderen. Dit wordt geregistreerd in de detector en resulteert in eenEPR-signaal.

3.2.2 De microgolfbrug

De microgolfbrug bevat alle componenten die gebruikt worden voor het opwekken en detecterenvan de microgolven. Deze worden schematisch voorgesteld in Figuur 3.10. De microgolvenworden opgewekt met een Gunn-diode (A1). Omdat het niet mogelijk is met de Gunn-diode hetvermogen naar wens te varieren, wordt het vermogen bijgeregeld met behulp van een attenuator(A2). Daarna worden de microgolven door een circulator (A3) afgebogen naar een golfgeleiderdie naar de caviteit leidt. De gereflecteerde straling wordt door de circulator naar de detector(A4) afgebogen.

Figuur 3.10: Blokdiagram van een microgolfbrug.

De detector is een diode die de microgolven omzet in een elektrisch signaal. Om kwantitatievemetingen uit te voeren, is het nodig dat het microgolfvermogen in het gebied ligt waar dediodestroom evenredig is met het microgolfvermogen. Daarvoor wordt een deel van de opgewektemicrogolven na de Gunn-diode afgesplitst om als referentiesignaal voor de detector te dienen.

29


Deze referentiearm leidt via een attenuator (A5) en een fasevertrager (A6) naar de detector. Defasevertrager regelt de fase van het referentiesignaal zodat de twee signalen die samenkomen inde detector constructief interfereren. De attenuator zorgt dat het vermogen van de combinatievan beide signalen in het lineair gebied van de detector ligt.

3.2.3 De elektromagneet

Om het statisch magneetveld in de caviteit op te wekken, gebruiken we een elektromagneet.Deze bestaat uit twee spoelen symmetrisch aan weerszijden van de caviteit. De sterkte van hetmagneetveld wordt aangestuurd door de console en kan gevarieerd worden tussen 0 en 1.45 T.Het veld staat loodrecht op de magnetische component van het microgolfveld. Om een EPR-spectrum op te meten doorlopen we een magnetisch veldinterval en meten we het gereflecteerdemicrogolfvermogen. Het te doorlopen veldinterval wordt ingedeeld in een aantal meetpunten(maximum 8192).De sterkte van het magneetveld wordt automatisch gedetecteerd door een Hallprobe. Wanneereen exacte bepaling van het magnetisch veld nodig is, wordt een bijkomende NMR-Gaussprobegebruikt, omdat deze een betere meetnauwkeurigheid heeft. In de praktijk worden dan hetmaximum- en het minimumveld opgemeten met de Gaussprobe en worden de tussenliggendepunten vervangen door een lineaire interpolatie. De Gaussprobe wordt zo dicht mogelijk bij decaviteit geınstalleerd, maar er blijft een verschil tussen het veld op de positie van de Gaussprobeen het veld in de caviteit. Deze afwijking blijft echter zeer constant zolang de Gaussprobeop dezelfde positie blijft. Door een calibratiespectrum op te meten van een specimen meteen precies gekende g-waarde, kan men deze afwijking bepalen en ze voor de daaropvolgendemetingen constant veronderstellen. Het magneetveld in de caviteit wordt gecalibreerd door bijelk veld gemeten met de Gaussprobe een correctie op te tellen:

∆B = Btheor −Bexp (3.5)

waarbij Bexp het magneetveld is waarbij de resonantiepiek van het calibratiespectrum gemetenwordt door middel van de Gaussprobe en Btheor het eigenlijke magneetveld is dat uit de EPR-resonantievoorwaarde gehaald wordt:

B = hν

gµB(3.6)

Als referentiespecimen werd calcietpoeder gedopeerd met mangaan (CaCO3:Mn2+) gebruikt indeze masterproef. Het werd 15 min bestraald op 1 cm van de bron, wat overeenkomt met eendosis van ≈110 kGy (zie Tabel 3.1). Dit spectrum heeft twee scherpe resonantielijnen, afkomstigvan twee verschillende CO3−

3 -radicalen. Het signaal bij de hoogste veldwaarde (aangeduid meteen pijl op Figuur 3.11) met een g-waarde van 2.0031 werd gebruikt om het magneetveld tecalibreren [18].

3.2.4 Veldmodulatie en fasegevoelige detectie

Om de signaal-ruisverhouding van het signaal te verbeteren, wordt gebruik gemaakt van fasege-voelige detectie. Daarvoor wordt het statisch magneetveld gemoduleerd met een hoogfrequent

30


Figuur 3.11: Het Q-band EPR-spectrum van CaCO3:Mn2+-poeder bij KT. De resonantielijnaangeduid met een pijl werd gebruikt om het magneetveld te calibreren.

magneetveld met een lage amplitude (typisch 100 kHz en 0.15 mT). Dit modulatieveld wordtopgewekt door twee modulatiespoelen in de caviteit. Ook het gereflecteerde microgolfvermogenzal gemoduleerd zijn met dezelfde frequentie. Door een fasegevoelige detector (lock-in detector)te gebruiken, worden alle signalen, en dus ook de ruis, afgezien van een nauw gebied rond demodulatiefrequentie, weggefilterd.Het veldmodulatieprincipe wordt geıllustreerd in Figuur 3.12. Omdat het statisch magneetveldbijna constant blijft tijdens een periode van het modulatieveld, zal het totale magneetveld eenbijna sinusoıdaal verloop kennen tussen Ba en Bb. Het gedetecteerde signaal zal een overeen-komstig deel van het EPR-signaal doorlopen. Als de modulatieamplitude klein genoeg is, zal ookhet detectorsignaal een sinusoıdaal verloop hebben tussen ia en ib, de detectorsignalen die horenbij respectievelijk Ba en Bb. De amplitude van dit signaal is dus evenredig met de hellingsgraadof de eerste afgeleide van het EPR-signaal.Een verkeerde keuze van de modulatiefrequentie of modulatieamplitude kan het EPR-signaalernstig vervormen [19,20].

3.2.5 Uitbreiding tot een ENDOR-spectrometer

Voor ENDOR- en EIE-experimenten hebben we ook een radiofrequent elektromagnetisch veldnodig. Een radiofrequent signaal wordt opgewekt met een radiofrequentiesignaalgenerator inde console. Dit signaal heeft een regelbare frequentie, maar een laag vermogen. Het wordtdaarom versterkt door een radiofrequentieversterker. Daarna wordt het naar de ENDOR-spoelenin de caviteit gestuurd, waar het een radiofrequent veld opwekt. De magnetische component

31


Figuur 3.12: Het principe van veldmodulatie en fasegevoelige detectie.

32

3.3. Verwerken van de EPR-spectra

van de radiogolven staat loodrecht op zowel het statisch magneetveld als op de magnetischecomponent van de microgolven. Ook bij ENDOR-metingen wordt fasegevoelige detectie gebruiktom de signaal-ruisverhouding te verbeteren en wordt dus de eerste afgeleide van absorptiesignaalopgemeten.

3.2.6 Cryogenie

Bij deze masterproef worden vaak EPR-metingen uitgevoerd bij temperaturen lager dan KT,omdat bij lage temperaturen de Boltzmannverdeling gunstiger is. Bij deze experimenten wordtvloeibare helium (4 K) gebruikt om het specimen te koelen. De koelvloeistof bevindt zich ineen vat dat via een hevel met de cryostaat verbonden is. Om verliezen te minimaliseren bestaatde hevel uit drie lagen. Langs de binnenste laag wordt het gas naar de cryostaat gebracht enteruggepompt via de middenste. De buitenste laag en de buitenwand van de cryostaat wordencontinue vacuum gepompt met een rotatie- en turbomoleculaire pomp. Vooraleer het koelprocesgestart wordt, worden de caviteit en de hevel gespoeld met heliumgas op KT om de opstellingzoveel mogelijk vrij te maken van water- en luchtresten.De temperatuur van het heliumgas wordt gestuurd door automatische temperatuurscontrole.Een thermokoppel meet de temperatuur en het aangevoerde gas kan opgewarmd worden meteen spoel die dienst doet als verwarmingselement.

3.3 Verwerken van de EPR-spectra

Voor het plotten en analyseren van de EPR-spectra werd gebruik gemaakt van OriginPro 7.De files met de data, die door de software bij de spectrometer uitgeschreven worden, moeteneerst omgezet worden naar een ander formaat. Dit doen we in Matlab met behulp van Easyspin-subroutines [8].

33

Hoofdstuk 4

Literatuurstudie

4.1 Kristalgroei en kristalstructuur van lactose

4.1.1 α-lactose monohydraat

4.1.1.1 Kristalstructuur

De kristalstructuur van α-lactose monohydraat is monoklien met roosterparameters a=0.7937 nm,b=2.1568 nm, c=0.4815 nm en β=109.77◦ [11]. De eenheidscel bevat twee lactose- en twee wa-termoleculen. De positie van de atomen in α-lactose monohydraat werd experimenteel bepaaldin [15] en later in [11]. De atoomposities in beide studies zijn zeer gelijkaardig, maar er wordensignificante verschillen waargenomen in de posities van sommige waterstoffen, vooral in de hy-droxymethylgroepen. Het koolstof-zuurstofskelet neemt een “geloofwaardige” conformatie aan,maar in beide studies lijkt de positie van bepaalde waterstofatomen onwaarschijnlijk. De sterkevariatie van de lengte van de C-H en O-H bindingen versterkt deze indruk. Daarom hebben wede coordinaten van de H-atomen uit [11] zo aangepast dat de bindingsrichting van de C-H enO-H bindingen bewaard bleef, maar dat de bindingsafstand gelijk werd aan een typische gemid-delde waarde voor suikerkristallen (1.1 x 10−10 m voor een C-H binding en 0.95 x 10−10 m vooreen O-H binding).De uiteindelijke atoomcoordinaten van een lactose- en een watermolecule staan in Tabel 4.1.De coordinaten van de atomen van de andere lactose- en watermolecule in de eenheidscel wor-den bepaald uit de posities in Tabel 4.1 via de monokliene symmetrieoperatie (x, y, z) → (-x,y+b/2, -z). Daarna kunnen de posities van andere moleculen bepaald worden door de eenheids-cel langs de kristalassen te verschuiven over de bijhorende roosterparameter. Figuur 4.1 toontdrie doorsnedes van het kristalrooster.

34

4.1. Kristalgroei en kristalstructuur van lactose

Tabel 4.1: Atoomcoordinaten (10−10 m) van een lactosemolecule en een watermolecule (aange-duid met H2O) in α-lactose monohydraat [11].

Atoom a* b cC 1.6915 7.3325 1.2589C 2.7065 8.4616 1.0703C 2.3022 9.6825 1.8883C 0.8538 10.0569 1.6133C -0.0326 8.8498 1.8586C -1.4838 9.1334 1.5503O 1.9953 6.3341 0.3410O 3.9725 7.9847 1.4560O 3.1989 10.7376 1.5580O 0.7036 10.4719 0.2638O 0.3732 7.7731 0.9919O -2.2679 7.9670 1.7552H 1.8507 7.0392 2.3071H 2.7358 8.6494 -0.0132H 2.3713 9.3712 2.9411H 0.5371 10.8874 2.2615H -0.0302 8.4717 2.8915H -1.5120 9.2438 0.4562H -1.8471 9.9060 2.2439H 4.4931 7.9027 0.6655H 3.3043 11.1694 2.3977H 0.9664 11.3762 0.3889H -2.8601 7.9254 1.0135C 1.4320 2.2275 -0.0451

Atoom a* b cC 0.2256 3.0083 0.4988C 0.3933 4.5012 0.2472C 1.7535 4.9811 0.7419C 2.8753 4.1385 0.1451C 4.2360 4.5023 0.6690O 1.4187 2.2989 -1.4319O -0.9911 2.4915 -0.0155O -0.6740 5.1625 0.9311O 2.6336 2.7670 0.4929O 5.2506 3.7222 0.0294

O (H2O) 3.9549 1.2430 2.9947H 1.6146 1.2568 0.4388H 0.2289 2.8872 1.5921H 0.3044 4.8132 -0.8039H 1.8089 4.8017 1.8257H 2.9237 4.2422 -0.9489H 4.2184 4.2462 1.7387H 4.4779 5.5708 0.5698H 2.2270 1.9349 -1.7735H -1.2713 2.9476 -0.8003H -0.5452 6.1024 0.8805H 5.8046 4.1882 -0.5857

H (H2O) 4.7346 1.7855 3.0098H (H2O) 3.9410 0.7857 2.1621

35


Figuur 4.1: Doorsnedes van het α-lactose monohydraat kristalrooster in het bc, ac en a*b-vlak(xyz = a*bc).

4.1.1.2 Kristalgroei

De kristallen van α-lactose monohydraat hebben meestal een piramide-, prisma- of tomahawk-vorm [14]. De invloed van de concentratie van de oplossing, het oplosmiddel, andere stoffen inde oplossing en andere parameters is onderzocht in verschillende studies [13,14,21–25].In de meeste studies worden kristallen gegroeid door een supergesatureerde oplossing af te koe-len [14,21,22]. In [14] werden lactosekristallen gegroeid uit oplossingen met 55 en 120 % supersa-turatie. Eerst werden bij 55 % supersaturatie in 2-3 weken en bij 120 % in 3 dagen kiemkristallenvan 0.6 tot 0.8 mm gegroeid in een gesloten omgeving bij 30◦C. Daarna werden deze kristallenongeveer 48 uur verdergegroeid. Door de afmetingen van de kristallen voor en na de groeicyclusop te meten, werd de groeisnelheid van de kristallen bepaald.In [21] werden de oplossingen gesatureerd bij 40◦C en daarna gedurende 1-2 weken op een vastetemperatuur tussen 0 en 30◦C gehouden.In [22] werden oplossing met een kiemkristal (300-500 µm) traag afgekoeld over een periode van

36


35 dagen. Op deze wijze werden kristallen met afmetingen tot 1.2 cm bekomen. Verder werd deinvloed van de concentratie van β-lactose op de kristallisatie bepaald. Wanneer lactose opgelostwordt in water, zal door mutarotatie een evenwicht bereikt worden tussen α-lactose en β-lactosemet ongeveer 60% β-lactose. Door de gelijkaardige moleculaire structuur (zie Figuur 4.2) vandeze isomeren kan β-lactose zich op bepaalde kristallografische vlakken vasthechten aan hetα-lactose kristalrooster, maar de verschillen in conformatie verhinderen verdere groei in dezerichting. Hierdoor is er geen of zeer weinig groei van de (010) en de

{011

}vlakken. Daarentegen

kunnen de β-moleculen niet ingebouwd worden op de (010) vlakken. De verschillende groeisnel-heden in verschillende kristallografische richtingen verklaren goed de vorm van de kristallen.

Figuur 4.2: Moleculaire structuur van α-lactose (links) en β-lactose (rechts), die verschillen inde orientatie van de OH-groep op C1’.

In andere studies worden kristallen gegroeid uit een waterige oplossing van lactose door hetoplosmiddel te laten verdampen [23, 24]. Door snelle verdamping van een oplossing van 40 gα-lactose monohydraat in 100 g gedeıoniseerd water, werd een brij bekomen die kristallen van30-100 µm bevat. Van deze brij werd 10 µl gemengd met 5 ml supergesatureerde oplossing ineen in situ kristalgroei apparaat, waarin de groeisnelheid van de vlakken gemeten kan worden.De invloed van de graad van de supersaturatie en de aanwezigheid van structureel gerelateerdeadditieven is bestudeerd in [13]. Bij hogere supersaturatie zijn de kristallen groter en is hetgemiddeld aantal kristallen kleiner, omdat de aanwezigheid van β-lactose nucleatie verhindert.Bij hoge supersaturatiegraad zou bij de kristalgroei de selectiviteit tussen α- en β-lactose dalen,waardoor β-lactose makkelijker als onzuiverheid kan ingebouwd worden in het rooster en degroeisnelheid vermeerdert.De invloed van andere stoffen in de oplossing op de kristallisatie van lactose werd onderzochtin [25]. De zuurtegraad heeft een grote invloed op de snelheid van de mutarotatie en hierdoor ookop de kristallisatie van lactose. In basische oplossingen versnelt de kristallisatie, maar er kunnenook afbraakstoffen van lactose ontstaan die kristallisatie verhinderen. Alcoholen verminderen de

37


oplosbaarheid van lactose en ondersteunen spontane nucleatie. Zelfs in lage concentraties (1%)versnellen methanol en ethanol de kristallisatie met 30-60%. Toevoegen van gelatine daarente-gen vertraagt kristallisatie met 25-60%.

Tijdens deze masterproef werd vooral geprobeerd kristallen te groeien uit supergesatureerdeoplossing gebaseerd op de methode beschreven in [14]. Hiervoor werd 30, 40, 45 of 50 g α-lactose monohydraat poeder opgelost in 100 ml warm water en werd deze oplossing afgekoeldtot 30◦C. De oplossing werd bewaard in een gesloten omgeving om verdamping van het water tevermijden. Bij lage supersaturatie duurde het tot drie weken voor de eerste kristallen begonnente groeien. Bij hoge supersaturatie trad zeer snel nucleatie op, waardoor verschillende kristallenaan elkaar groeiden. Uit oplossingen van 40 g α-lactose monohydraat poeder opgelost in 100 mlwater groeiden wel enkele voldoende grote kristallen voor op grote schaal nucleatie optrad.Daarnaast werd geprobeerd om oplossingen bij KT te laten verdampen. Hierbij werd een laag inelkaar vergroeide kristallen op de bodem van de maatbeker gevormd. Hieruit konden fragmentenlosgemaakt worden, die groter waren dan de kristallen die in een supergesatureerde oplossingkonden gegroeid worden, maar die meestal geen eenkristallen waren.

4.1.2 Andere kristalstructuren van lactose

β-lactose komt enkel voor zonder kristallijn water en de kristalstructuur hiervan werd bepaaldin [26]. De kristallen werden bereid uit een warme waterige oplossing van lactose. β-lactose heefteveneens een monokliene kristalstructuur met twee moleculen in de eenheidscel (a=1.0839 nm,b=1.3349 nm, c=0.4954 nm en β=91.31◦). Verder werden ook de atoomposities nauwkeurig be-paald. Merk op dat de roosterparameters sterk verschillen van deze van α-lactose monohydraat.Ook van α-lactose bestaan er kristalstructuren zonder kristallijn water. Wanneer een α-lactosemonohydraatkristal enkele uren wordt opgewarmd in vacuo boven 100◦C ontstaat een hygro-scopische vorm, gelabeld LαH . Wanneer verder opgewarmd wordt tot boven 120 ◦C, wordteen meer stabiele toestand bereikt, gelabeld LαS . α-lactose monohydraatkristallen kunnen ookgedehydrateerd worden in hygroscopische oplosmiddelen (bv. methanol, ethanol, aceton, ...).Hierbij wordt de stabiele toestand LαS bekomen, maar daarnaast groeiden in een stilstaandeacetonoplossing β-lactose kristallen. Omdat mutarotatie niet optreedt in aceton, werd er aange-nomen dat een kleine hoeveelheid α-lactose monohydraat oplost in het aceton en dat mutarotatievan de lactosemoleculen optreedt in het opgeloste kristalwater, voor dit water diffundeert in hetaceton. Het feit dat er geen β-lactose groeide wanneer de oplossing geroerd werd, lijkt dit tebevestigen. De roosterparameters van de gevormde β-lactose kristallen werden bepaald en gavenvergelijkbare resultaten als in [26] waarbij de a- en c-as werden omgewisseld (a=0.49325 nm,b=1.32700 nm, c=1.07793 nm en β=91.554◦) [27].Naast de kristallen die zuiver α- of β-lactose bevatten, bestaan er ook gemengde vormen α/β-lactose. In de literatuur is deze vorm beschreven met verschillende stoichiometrische verhoudin-gen. Wanneer amorf α-lactose, bekomen door kristallijn LαS gedurende een dag te vermalen,verhit wordt boven 170◦C, ontstaat een gemengde vorm met stoichiometrische verhouding 1/1.De kristalstructuur hiervan werd bepaald in [28]. Het rooster is triklien en bevat een α- en eenβ-molecule.

38

4.2. Naamgeving van radicalen

4.2 Naamgeving van radicalen

De naamgeving van radicalen gebeurt aan de hand van het radicaalcentrum, het atoom waarophet radicaal gecentreerd is. Een radicaal gelocaliseerd op een koolstofatoom wordt een alkylra-dicaal genoemd. Bij een hydroxyalkylradicaal is er minstens een OH-groep gebonden aan hetradicaalcentrum. Wanneer het radicaalcentrum zuurstof is, spreken we van een alkoxyradicaal.

Figuur 4.3: Naamgeving van protonen en koolstoffen in een radicaal.

Figuur 4.3 toont een typisch alkylradicaal. De koolstof waarop het radicaal gelocaliseerd is,wordt de α koolstof (Cα) genoemd en een proton verbonden met Cα is een α proton. Eenkoolstof verbonden met Cα is een β koolstof (Cβ, een binding van Cα verwijderd) een protongebonden met een β koolstof is een β proton. Analoog wordt een koolstof op twee bindingen vanCα een γ koolstof en een proton hieraan gebonden een γ proton, enzovoort. Deze naamgevingwordt ook gebruikt voor radicalen die zuurstof bevatten.

4.3 EMR-onderzoek op α-lactose monohydraat

In [7] werd de verandering van het EPR-spectrum bij het dehydrateren en rehydrateren vanα-lactose monohydraat poeders bestudeerd. Nadat bestraald α-lactose monohydraat poeder ge-durende enkele uren tot 120◦C opgewarmd was in een droge atmosfeer, bleef de signaalsterktevergelijkbaar, maar was er een significante verandering in de vorm van het EPR-signaal. Ditsignaal had dezelfde vorm als wanneer gedehydrateerd poeder bestraald werd. Ook wanneergedehydrateerd α-lactose bestraald werd in een droge omgeving en daarna in contact gebrachtwerd met water werd een signaal met dezelfde vorm als dat van bestraald monohydraat poederbekomen. Bij de wateropname werd wel een afname in signaalsterkte waargenomen. De vormvan het spectrum van bestraald poeder is dus onafhankelijk van de volgorde van bestraling,dehydratatie en rehydratatie, maar verschilt wel voor gedehydrateerd en monohydraat poeder.Daarom werd besloten dat het hydratatieproces de omgeving van de ongepaarde elektronenbeınvloedt. Als het gedehydrateerd α-lactose na bestraling gerehydrateerd werd met D2O, washet resulterende EPR-spectrum essentieel identiek aan het spectrum van poeder gehydrateerd

39

4.3. EMR-onderzoek op α-lactose monohydraat

Tabel 4.2: HF-tensoren van stralingsgeınduceerde radicalen in lactose [29].Radical AIso (MHz) AAniso (MHz) a* b c

I3.3 -0.013 -0.905 0.426

72.3 0.9 0.415 0.395 0.836-4.2 -0.912 0.184 0.366

II10.8 0.318 0.944 -0.018

141.9 -4.7 0.184 -0.017 0.983-6.2 -0.944 0.349 0.088

met H2O. Hieruit werd afgeleid dat de radicalen niet rechtstreeks interageren met waterstofato-men in de watermoleculen.De vrije radicalen gevormd door bestraling bij KT van lactose eenkristallen werden bestudeerdin [29]. Door analyse van de EPR-spectra, opgemeten bij KT om de 10◦ in het a*b, bc enca*-vlak, werd de lijnen van de spectra toegewezen aan minstens vier radicalen. Door lactoseherhaaldelijk te laten kristalliseren in een oplossing in D2O werden gedeutereerde samples be-reid, waarin de protonen in hydroxygroepen vervangen zijn door deuteriumatomen. Omdat werdwaargenomen dat de intensiteit en lijnbreedte van de lijnen van radicalen I-III niet veranderdwaren in deze samples, werden radicalen die een significante interactie vertonen met protonenvan hydroxygroepen uitgesloten. Tabel 4.2 geeft de HF-interacties voor radicalen I en II. Dooranalyse van de hoofdrichtingen van de HF-tensoren werden structuren gecentreerd op respec-tievelijk C1’ en C1 voorgesteld. Voor radicaal III konden geen HF-tensoren bepaald wordenomdat de resolutie van de EPR-spectra niet goed genoeg was, maar uit de opsplitsing van delijnen werd afgeleid dat er minstens twee geresolveerde HF-interacties zijn. Hoewel hiermee nogandere structuren kunnen overeenkomen, werd voorgesteld dat het ongepaarde elektron op C5’gelokaliseerd is.Het EPR-signaal van bestraald en niet-bestraald α-lactose poeder werd zeer recent vergelekenin [30]. Negen verschillende lactosepoeders, aangekocht bij verschillende producenten, werdenbestudeerd. Alle poeders hadden na bestraling een EPR-spectrum met dezelfde vorm en gelijk-aardige intensiteit. Zeven poeders hadden ook onbestraald een EPR-spectrum met een gelijk-aardige vorm, maar een veel lagere intensiteit dan na bestraling. De twee andere gaven geenwaarneembaar EPR-signaal voor bestraling. Wanneer de verdeling van de korrelgrootte van desamples werd vergeleken, werd een significant grotere korrelgrootte waargenomen in de laatstetwee samples. Door deze poeders te vermalen, werd een gelijkaardig spectrum als bij de andereonbestraalde poeders bekomen, dat toenam in intensiteit als het poeder langer vermalen wordt.Daaruit besloten de auteurs dat het spectrum afkomstig is van vrije radicalen die ontstaan doortriboluminescentie tijdens het vermalen van het poeder.In [31] werd de stabiliteit en de dosisafhankelijkheid van het EPR-signaal van lactose en anderemono- en disachariden bestudeerd. Voor dosissen tot 4 kGy was de dosisafhankelijkheid lineair,maar voor hogere dosissen satureerde de intensiteit van het EPR-signaal. Op sucrose na steegde intensiteit van het EPR-spectrum in functie van de dosis het snelst voor lactose. Verder werdwaargenomen dat het EPR-signaal nog significant verandert na de bestraling, maar een stabiele

40

4.4. Radicalen in gerelateerde moleculen

toestand bereikt na ongeveer twee dagen.

4.4 Radicalen in gerelateerde moleculen

Lactose is een disacharide gevormd uit glucose en galactose en kan meer formeel geschrevenworden als β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose waarin duidelijk is dat de glycosidischebinding gevormd is tussen C1 in de galactosering en C4 in de glucosering. Wanneer meerbepaald het α- of β-anomeer bedoeld wordt, wordt dan respectievelijk β-D-galactopyranosyl-(1→4)-α-D-glucopyranose of β-D-galactopyranosyl-(1→4)-β-D-glucopyranose geschreven. Alsdezelfde binding gevormd wordt tussen twee glucoseringen wordt maltose (α-D-glucopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose) of cellobiose (β-D-glucopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose) verkregen,afhankelijk van de orientatie van de glycosidische binding (zie Figuur 4.4). Net zoals lactosehebben maltose en cellobiose twee anomeren α en β, die verschillen in de orientatie van deOH-groep op C1’. Verder worden in dit hoofdstuk ook een aantal studies op sucrose besproken,omdat voor dit disacharide zeer nauwkeurige data voorhanden is.

Figuur 4.4: Moleculaire structuur van α-lactose (a), sucrose (b), α-maltose (c) en α-cellobiose(d).

41


4.4.1 Glucose

In [32] werden stralingsgeınduceerde radicalen in α-D-glucose bestudeerd. Glucose eenkristallenwerden in situ bestraald met X-stralen bij 12 en 77 K. Met EPR- en ENDOR-technieken, werdenvier radicalen waargenomen, twee hydroxyalkyl- (I en II) en twee alkoxyradicalen (III en IV).Tabel 4.3 toont de HF-tensoren van de twee hydroxyalkylradicalen en Tabel 4.4 de g-tensorenvan de twee alkoxyradicalen.

Figuur 4.5: Moleculaire structuur van α-D-glucose en de X-stralingsgeınduceerde radicalen inglucose bij 12 en 77 K [33].

Op basis van de hoofdwaarden en bepaalde hoofdrichtingen van de g-tensor of de HF-tensorenwerden H-geabstraheerde radicaalstructuren voorgesteld. Voor de alkoxyradicalen werden ver-schillende conformaties van een O2-gecentreerd radicaal voorgesteld. Radicalen I en II werdentoegewezen aan H-geabstraheerde radicalen op respectievelijk C6 en C3. Figuur 4.5 toont devoorgestelde structuren van de radicalen. De correctheid van de twee structuren voor de hy-droxyalkylradicalen werd bestudeerd in [34]. Via dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT, Densityfunctional theory) berekeningen bepaalde men de HF-tensoren van de meest waarschijnlijke ra-dicaalstructuren. De resultaten van de door Madden en Bernhard voorgestelde radicalen kwaminderdaad het best overeen met de experimentele data. In [33] wordt de nauwkeurigheid van deHF-tensoren bepaald met verschillende computationele methodes besproken.In [35] werden de stabiele stralingsgeınduceerde radicalen, bekomen door X-bestraling bij KT,in α- en β-glucose, en in het structureel verwante glucuronzuur bestudeerd. Op basis van devariatie van het EPR-spectrum van poeders met de bestralingsdosis en de tijd verstreken na de

42


Tabel 4.3: De HF-tensoren (in MHz) van de twee hydroxyalkylradicalen in glucose bepaaldin [32].

Radicaal Proton AIso AAniso Hoofdrichtingena b c

I

-31.4 0.096 0.156 0.983Hα 57.8 -2.2 0.974 0.190 -0.125

34.8 -0.206 0.969 -0.134-5.7 -0.1 0.76 0.64

Hβ 19.3 -4.2 0.99 0.11 0.0410.0 0.04 -0.638 0.769-9 (≈< c >)

HOH 9 -3.4 (≈< a >)12 (≈< b >)

II

-4.8 0.37 0.88 0.32Hβ1 95.3 -2.0 0.24 -0.42 0.88

6.7 0.898 -0.24 -0.37-5.1 0.77 0.43 0.47

Hβ2 89.4 -1.6 -0.63 0.38 0.687.1 -0.12 0.815 -0.57

Tabel 4.4: De g-tensoren en het isotroop deel van de HF-tensor van de twee alkoxyradicalen inglucose bepaald in [32].

Radicaal g Hoofdrichtingen AIso (MHz)a b c

III2.0614 -0.274 0.915 -0.2961.9998 -0.95 -0.31 -0.07 2661.9952 0.16 -0.26 -0.95

IV2.0563 -0.15 0.876 -0.4572.0061 -0.835 0.132 0.53 2241.9810 0.53 0.464 0.711

bestraling, wordt voorgesteld dat in deze drie materialen initieel radicalen gevormd worden opalle koolstofatomen in de molecule, gevolgd door een spontane migratie van de radicalen naarC1 in α- en β-glucose en naar de carboxylgroep in glucuronzuur. Deze interpretatie moet eerderals een onzekere hypothese beschouwd worden gezien de relatief beperkte experimentele datavoorhanden.

4.4.2 Galactose

De stralingsgeınduceerde radicalen in galactose (zie Figuur 4.6) lijken veel minder onderzocht tezijn. In [31] werden wel de dosimetrische eigenschappen van galactose bestudeerd.

43


Figuur 4.6: Moleculaire structuur van α-D-galactose (links) en β-D-galactose (rechts).

4.4.3 Maltose en cellobiose

De γ-stralingsgeınduceerde radicalen in cellobiose en cellulose (een polymeer van cellobiose) wer-den bestudeerd in [36]. De EPR-spectra van cellobiose1 bestraald bij 77, 223 en 300 K werdenvergeleken, maar er zijn geen EPR-parameters gerapporteerd. Om onduidelijke redenen werdaangenomen dat bij bestraling via waterstofabstractie een onstabiel radicaal gecentreerd op C1’(R1) gevormd wordt, dat via verschillende reacties omgezet wordt naar verschillende stabiele ra-dicalen. Dit onstabiel radicaal werd niet rechtstreeks waargenomen. Bij 77 K werd een spectrummet 6 lijnen waargenomen dat toegewezen werd aan een C5’-gecentreerd radicaal verkregen doorH-abstractie (R3) en de reactie in Figuur 4.7 wordt voorgesteld.

Figuur 4.7: Transformatie van R1 naar R3 in γ-bestraald cellobiose bij 77 K [36].

De spectra bij 233 en 300 K hadden beide 7 lijnen op dezelfde posities, maar met verschillenderelatieve intensiteiten. Daaruit werd afgeleid dat de spectra afkomstig zijn van meerdere radica-len, hoewel naar onze mening het verschil in meettemperatuur hiervoor eveneens een verklaringzou kunnen bieden. Er werd een model voorgesteld waarbij twee secundaire radicalen R4 enR5 ontstaan in een reactie van R1 met een naburige cellobiosemolecule in het kristalrooster (zieFiguur 4.8).Ook door blootstelling aan plasma kunnen radicalen gecreeerd worden. In [37] werden de ra-dicalen die op deze wijze ontstaan in maltose en cellobiose bestudeerd. De EPR-spectra vanpoeders die gedurende een variabele tijdsduur behandeld waren met argonplasma, werden bij

1Er wordt waarschijnlijk poeder gebruikt, maar dit is niet helemaal duidelijk.

44


Figuur 4.8: Transformatie van R1 naar R4 en R5 in γ-bestraald cellobiose bij 233 en 300 K [36].

KT opgemeten en daarna werd geprobeerd om aan deze gemeten spectra EPR-parameters tefitten. Op basis van een spectrale decompositie door middel van simulaties werd voorgesteld dater vier radicalen (I, II, IV en V) aanwezig zijn in maltose, terwijl cellobiose vier gelijkaardigecomponenten zou bevatten alsook een vijfde radicaal (III) (zie Tabel 4.5). Terwijl radicaal Vwerd toegewezen aan vrije valentiebindingen aan het oppervlak, werd voor radicaal I een H-geabstraheerd, C1-gecentreerd model voorgesteld en voor II en III H-geabstraheerde radicalenop C2, C3 of C4. Voor radicaal IV, ten slotte, werden de radicalen die resulteren uit het dehy-drateren van voorgaande hydroxyalkylradicalen op C2, C3 en C4, voorgesteld. De EPR-spectrauit [37] en het spectrum bij 300 K uit [36] zijn vergelijkbaar, maar hebben duidelijke verschillen.

Door decompositie van X-band en W-band EPR-spectra van γ-bestraald cellobiosepoeder, op-gemeten bij KT, werden zes radicalen (D11, D18, T29, T25, Q24 en TA) voorgesteld in [38] (zieTabel 4.6). Er werden alkylradicalen die ontstaan door H-abstractie op C1 voor D18 en op C2,C3 of C4 voor T29 en radicalen op C6 of C6’ na abstractie van de OH-groep voor radicaal TAvoorgesteld. De andere signalen werden toegewezen aan H-geabstraheerde radicalen op C5 (Q24)en op C3’ (T25). D11 werd niet geıdentificeerd.De spectrale decomposities in [37, 38] lijken eerder willekeurig en de structurele identificatieweinig of niet gefundeerd, zodat waarschijnlijk weinig geloof gehecht moet worden aan dezeanalyse. Enkel radicaal I in [37] en D18 in [38] zijn vergelijkbaar en voor beide werd hetzelfderadicaalmodel voorgesteld.

4.4.4 Sucrose

In [39–41] werden de stabiele X-stralingsgeınduceerde radicalen in sucrose bestudeerd. De HF-tensoren van de radicalen werden in [39] bepaald met behulp van EPR-, ENDOR- en EIE-metingen. Twee dagen na bestraling bij KT werd de angulaire variatie van de X-band ENDOR-

45


Tabel 4.5: EPR-parameters van gesimuleerde componenten in plasmabehandeld maltose encellobiose [37] (HF-waarden in mT).

I II III IV V

Maltose

g1 = 2.0053g 2.0051 2.0041 g = 2.0060 g2 = 2.0057 2.0048

g3 = 2.0070A1 = 1.42

A1 1.80 3.00 A1 = 1.62 A2 = 1.53A3 = 1.90A1 = 3.00

A2 3.00 A2 = 3.00 A2 = 3.00A3 = 3.00

Cellobiose

g1 = 2.0026g 2.0027 2.0027 2.0026 g = 2.0037 g2 = 2.0032 2.0038

g3 = 2.0053A1 = 1.08

A1 1.85 2.72 3.76 A1 = 1.88 A2 = 1.64A3 = 2.93A1 = 3.85

A2 2.72 3.76 A2 = 3.85 A2 = 3.85A3 = 3.85

Tabel 4.6: De EPR-parameters van de γ-geınduceerde radicalen in cellobiose [38].Radicaal Type g-factor HF-splitsing (mT) Radicaalcentrum

D11 doublet 2.0023 1.06 ?D18 doublet 2.0045 1.81 C1

T29 triplet 2.0050 2.91 C2, C3 of C4

T25 triplet 2.0052 2.51 C ′3

Q24 quartet 2.0053 2.41 C5

gx = 2.0023 Ax = 1.66TA triplet gy = 2.0055 Ay = 2.11 C6 of C ′6

gz = 2.0061 Az = 3.21

spectra van sucrose eenkristallen in vier vlakken opgemeten bij 110 K en daarmee konden deHF-tensoren van negen interacties bepaald worden. Met zowel X- als Q-band EIE-metingenwerden deze tensoren toegewezen aan drie verschillende radicalen, een radicaal (T1) met drie β-of γ-protonen en twee radicalen (T2 en T3) met telkens een α-proton en twee β-of γ-protonen.De radicalen T2 en T3 hebben zeer gelijkaardige HF-tensoren en werden geıdentificeerd in [40].De HF-tensoren bepaald via DFT-berekeningen voor een aantal mogelijke radicaalstructurenwerden vergeleken met de experimenteel bepaalde HF-tensoren uit [39] en hieruit bleek dat

46


zowel T2 als T3 het best overeenkwamen met een radicaal gecentreerd op C1. Hieruit werdbesloten dat T2 en T3 waarschijnlijk dezelfde chemische structuur hebben maar verschillen inde conformatie van het radicaal of de omgeving.De radicaalstructuur van T1 werd bepaald in [41]. Een resterende Schonland-ambiguıteit werdgeelimineerd door ENDOR-metingen uit te voeren in een goed gekozen vlak. Daarna werden deHF-tensoren vergeleken met DFT-berekeningen van een aantal mogelijke radicaalstructuren ener werd een sterke overeenkomst gevonden voor een radicaal gecentreerd op C2’. Het is opval-lend dat bij beide radicaalmodellen de glycosidische binding gebroken werd en een carbonylgroepwerd gevormd (zie Figuur 4.9).

Figuur 4.9: Voorgestelde moleculaire structuur van T1, T2 en T3 in KT X-bestraald sucrose. [40,41].

In [42] werden de radicalen in sucrose eenkristallen bij 10 K bestudeerd na in situ X-bestraling.Door gebruik te maken van EPR-, ENDOR- en EIE-technieken werden negen HF-tensoren be-paald die werden verbonden aan zes radicalen (R1-R6). Na vergelijking van de resultaten metDFT-berekeningen van mogelijke radicaalstructuren werden de vier overheersende radicalen toe-gewezen aan H-abstracties op respectievelijk C1, C5, waarschijnlijk C6 en O3’ voor respectie-velijk radicalen R1, R2, R3 en R6. Het radicaalmodel voor R6 werd ook voorgesteld in [43].Verder werd ook een intermoleculair gevangen elektron, dat gecreeerd wordt door X-bestralingbij 3 K, bestudeerd in [44,45].

47

Hoofdstuk 5

Experimentele resultaten

In dit hoofdstuk worden de resultaten van de experimenten uitgevoerd tijdens deze masterproefbeschreven. Eerst werd de dosis- en tijdsafhankelijkheid van bestraald lactosepoeder bestudeerd.Hieruit konden we het beste bereik voor de stralingsdosis bepalen en zagen we in welk tijdsin-terval na de bestraling de experimenten best worden uitgevoerd.Daarna werden enkel lactose-eenkristallen bestudeerd. Eerst karakteriseerden we door een EPR-,ENDOR- en EIE-analyse de dominante radicalen en later werden de tensoren van de voornaamsteHF-interacties van deze radicalen bepaald uit de ENDOR-angulaire variaties in vier vlakken.Ten slotte werd besproken welke H-geabstraheerde radicalen de experimentele resultaten bestverklaren.

5.1 Verwerking van de spectra

De EPR- en de EIE-spectra worden genormaliseerd op een vaste microgolffrequentie (34 GHz)en gecorrigeerd voor de afwijking van de Gaussprobe door de magneetvelden om te rekenen via

B′ = νnν

(B + ∆B) (5.1)

Hierin is ν de gemeten microgolffrequentie en νn de microgolffrequentie waarop wordt genorma-liseerd. B is het magneetveld opgemeten met de Gaussprobe en ∆B is de gecalibreerde correctiehierop (zie sectie 3.2.3).Bij het opmeten van de ENDOR angulaire variaties in sectie 5.3.3, worden de ENDOR-spectragenormaliseerd op een vast magneetveld (1212 mT) met volgende eerste-ordecorrectie voor defrequenties:

∆ν = gNµNh

(Bn −B) (5.2)

waarin B het magneetveld (opgemeten met de Gaussprobe) is waarbij het spectrum werd opge-meten en Bn het magneetveld waarop werd genormaliseerd.

48

5.2. Dosis- en tijdsafhankelijkheid van bestraald poeder

5.2 Dosis- en tijdsafhankelijkheid van bestraald poeder

5.2.1 Tijdsafhankelijkheid

Het tijdsverloop van het EPR-signaal over een maand werd opgemeten voor twee samples lacto-sepoeder, bij KT X-bestraald met een dosis van 4.2 (zie Figuur 5.1) en 75 kGy (zie Figuur 5.2).Bij de lage dosis is er tijdens de eerste dag een geleidelijke verandering van de vorm van hetspectrum waarbij er duidelijk signaal aan de rechterflank van het EPR-spectrum verdwijnt. Bo-vendien lijkt het centrum van het spectrum met ongeveer 1 mT naar lagere veldwaarden teverschuiven, wat mogelijk wijst op een relatieve toename van radicalen met hogere g-waarden.Bij de hoogste dosis is er een gelijkaardige afname van het signaal op de rechterflank, maar deveranderingen in de rest van het spectrum is relatief beperkt.In Figuur 5.3 worden de EPR-spectra bij de twee doses na 20 minuten en na ongeveer een maandvergeleken. Het spectrum bij de lage dosis na 20 minuten verschilt sterk van de andere drie,die een gelijkaardige vorm hebben en mogelijk uit dezelfde componenten maar in verschillenderelatieve concentraties bestaan.

Figuur 5.1: Tijdsvariatie van het Q-band EPR-spectrum bij KT van α-lactose monohydraatpoeder na 10 min X-bestraling met een dosis van 4.2 kGy. Links is de tijd vermeld tussen hetbegin van de bestraling en de opname van de spectra. De spectra zijn genormaliseerd naarintensiteit en op een vaste microgolffrequentie (34 GHz).

De intensiteit van de spectra (dubbele integraal) is uitgezet in Figuur 5.4. Deze intensiteit is

49


Figuur 5.2: Tijdsvariatie van het Q-band EPR-spectrum bij KT van α-lactose monohydraatpoeder na 10 min X-bestraling met dosis 75 kGy.Links is de tijd vermeld tussen het begin vande bestraling en de opname van de spectra. De spectra zijn genormaliseerd naar intensiteit enop een vaste microgolffrequentie (34 GHz).

evenredig met de concentratie van radicalen in het sample. Omdat onder andere kleine afwij-kingen van de positie in de caviteit voor een groot verschil in intensiteit kunnen zorgen, werdenenkel de intensiteiten van de metingen met dezelfde positie van het sample in de caviteit uitge-zet. Bij beide doses is er een duidelijk dalend verloop van de intensiteit. De tijdsafhankelijkheidvoor de hoge dosis wijst op een logaritmisch verband met de tijd. Bij de lage dosis is er geenduidelijk verband. Dit wijst erop dat er een component van een onstabiel radicaal uit het spec-trum verdwijnt, dat niet wordt omgezet naar andere stabiele radicalen.In [31] werd de tijdsafhankelijkheid van het X-band EPR-signaal van lactosepoeder, γ-bestraaldmet een dosis tussen 0.5 en 20 kGy, bestudeerd. Tijdens de eerste twee dagen na de bestralingwerd een zeer sterke verandering in de vorm van het EPR-signaal waargenomen, waarna eenmin of meer stabiele toestand werd bereikt.

5.2.2 Dosisafhankelijkheid

Om de invloed van de stralingsdosis op het EPR-signaal van α-lactose monohydraat te onder-zoeken, werd het spectrum opgemeten van poeder dat blootgesteld werd aan een dosis X-stralenvarierend van 4 tot 600 kGy. De bestraling gebeurde onder koeling met ijs om temperatuurs-

50


Figuur 5.3: Q-band EPR-spectra bij KT van α-lactose monohydraat poeder. De stralingsdosisen de tijd tussen het begin van de bestraling en de opname van de spectra zijn links aangegeven.De spectra zijn genormaliseerd naar intensiteit en op een vaste microgolffrequentie (34 GHz).

Figuur 5.4: Intensiteit (dubbele integraal) van het Q-band EPR-spectrum bij KT van α-lactosemonohydraat poeder genormaliseerd op de eerste meting in functie van de tijd (logaritmisch)tussen het begin van de bestraling en de opname van het spectrum voor een stralingsdosis van8.3 kGy (rode vierkant) en 75 kGy (blauwe ruit).

effecten door de varierende stralingsduur te vermijden. De intensiteitsgenormaliseerde spectra

51


worden voorgesteld in Figuur 5.5. De spectra voor de vier laagste en de vier hoogste doses werdenopgemeten op twee verschillende samples die tussen de metingen telkens werden bijbestraald.Uit de tijdsafhankelijkheid van de spectra (zie sectie 5.2.1) blijkt dat dit geen significante in-vloed op de spectra heeft. Er wordt een geleidelijke overgang van een spectrum met vrij veelsubstructuur naar een brede, minder geresolveerde lijn waargenomen. Er verdwijnt opnieuwduidelijk signaal op de rechterflank van het spectrum.

Figuur 5.5: Dosisafhankelijkheid van het Q-band EPR-spectrum bij KT van X-bestraald α-lactose monohydraat poeder. Links is de totale stralingsdosis en rechts de tijd tussen de metingen het begin van de bestraling aangegeven. De spectra zijn genormaliseerd naar intensiteit enop een vaste microgolffrequentie (34 GHz).

De intensiteit van de EPR-spectra is uitgezet in functie van de dosis in Figuur 5.6. De intensiteitneemt toe voor doses kleiner dan 100 kGy, maar satureert voor hogere doses. In tegenstellingtot de resultaten in [31], werd zelfs bij de laagste doses geen lineaire trend waargenomen. Bijzeer grove benadering kan aan de experimentele data een curve van de vorm

I = I0

(1− exp

(− D

D0

))(5.3)

gefit worden (zie Figuur 5.6), waarin I en D de intensiteit van het spectrum en de stralingsdosiszijn en I0 en D0 twee te fitten parameters. De gefitte waarde van D0 is 23.65 kGy.We kunnen besluiten dat een stralingsdosis hoger dan 100 kGy zinloos is en dat om vervormingdoor dosissaturatie te vermijden best minder dan 10 kGy wordt gebruikt. We merken op dat de

52


Figuur 5.6: Dosisafhankelijkheid van de intensiteit (dubbele integraal) van het Q-band EPR-spectrum bij KT van X-bestraald α-lactose monohydraat poeder. De volle lijn toont een fit aanvergelijking (5.3).

lage dosis waarvoor de tijdsafhankelijkheid werd bepaald, in het gebied zonder dosissaturatie ende hoge dosis in het gebied met dosissaturatie werd gekozen.

53

5.3. Metingen op eenkristallen

5.3 Metingen op eenkristallen

5.3.1 Angulaire variatie van het EPR-spectrum in het ac-vlak bij KT

Het EPR-spectrum van een 8.3 kGy X-bestraald α-lactose monohydraat eenkristal werd vierdagen na de bestraling om de 30◦ opgemeten bij KT. Bij deze stralingsdosis is er nog weiniginvloed van dosissaturatie en heeft het EPR-spectrum ongeveer 40% van de maximale intensi-teit. De bekomen spectra zijn uitgezet in Figuur 5.7. Later bleek uit ENDOR-analyse dat hetmagneetveld langs de a-as ligt bij ongeveer 60◦ en langs de c-as bij ongeveer -50◦. Merk op datin het ac-vlak geen site splitting voorkomt. Bij 0◦ en 180◦ wordt hetzelfde spectrum bekomen,omdat het spectrum enkel afhangt van de richting en niet van de zin van het magnetisch veld.Er is een relatief sterke variatie van de vorm van het spectrum en de grenzen van het spectrumverschuiven over meer dan 1 mT. Zoals zal blijken in sectie 5.3.2 zijn er minstens drie radicalendie significant bijdragen tot het EPR-spectrum, wat de anisotropie minstens ten dele verklaart.

Figuur 5.7: Angulaire variatie van het Q-band EPR-spectrum bij KT van een lactose-eenkristalin het ac-vlak na 8.3 kGy X-bestraling. Het magneetveld ligt langs de a-as bij ongeveer 60◦ enlangs de c-as bij ongeveer -50◦.De spectra werden genormaliseerd op een vaste microgolffrequentie(34 GHz).

54


5.3.2 EPR-, ENDOR- en EIE-analyse in het ac-vlak bij 20 K

Om een beter zicht te krijgen op de stralingsgeınduceerde radicalen werden bij twee orientaties(0◦ en 120◦ (zie Figuur 5.7)) in het ac-vlak ENDOR en EIE-metingen uitgevoerd. Omdat en-kel bij zeer lage temperaturen een voldoende grote signaal-ruisverhouding verkregen werd in deENDOR-spectra, werden deze metingen uitgevoerd bij 20 K. Bij 80 K is de signaalsterkte bedui-dend minder en bij KT is er geen ENDOR-signaal waarneembaar. Verder koelen tot 4 K heeftweinig tot geen effect op de signaal-ruisverhouding. Figuren 5.8 en 5.11 tonen de EPR-spectravan de twee orientaties bij 20 K en KT. Door saturatie zijn zelfs bij zeer laag microgolfvermo-gen (0.54 µW) de EPR-spectra bij 20 K sterk vervormd, maar alle karakteristieke lijnen uit despectra bij KT lijken aanwezig te zijn. Dit wijst erop dat de g-tensoren en HF-tensoren nietsterk varieren bij verschillende temperaturen. Deze vervorming heeft ook geen invloed op deENDOR- en EIE-spectra.

Figuur 5.8: Q-band EPR-spectrum bij KT en 20 K van een lactose-eenkristal bij 0◦ in het ac-vlak. De spectra werden genormaliseerd op een vaste microgolffrequentie (34 GHz). De pijlentonen de magneetvelden waarbij de ENDOR-spectra in Figuur 5.9 werden opgemeten.

Bij verschillende magneetvelden werd daarna het ENDOR-spectrum opgemeten (zie Figuren 5.9en 5.12). Er werden tien verschillende ENDOR-lijnen waargenomen die gelabeld zijn met deHF-interactie en het radicaal waarvan ze afkomstig zijn. Bij de eerste orientatie (0◦) werden drieverschillende EIE-spectra (zie Figuur 5.10) waargenomen die werden toegewezen aan drie radi-calen (R1-R3). Bij de tweede orientatie werden vier verschillende EIE-spectra (zie Figuur 5.13)opgemeten waarvan er drie toegewezen worden aan R1-R3 en het vierde waarschijnlijk afkomstigis van een ander radicaal (R4). Omdat bij lijnen zo dicht bij de protonfrequentie de kans opoverlappende signalen zeer groot is en deze ENDOR-lijn niet kon gevolgd worden tijdens dehierop volgende angulaire variaties van de ENDOR-spectra, zijn de experimentele data niet con-clusief in dit opzicht. Ten slotte werd bij het ENDOR-signaal bij 88.9 MHz (*) een vijfde, sterkvervormd EIE-spectrum opgemeten. Het is waarschijnlijk een artefact van de meetapparatuur

55


Figuur 5.9: Q-band ENDOR-spectra bij 20 K van een lactose-eenkristal bij 0◦ in het ac-vlak. Decijfers rechts duiden het magneetveld aan in het EPR-spectrum van Figuur 5.8 waarbij de spectrazijn opgemeten. De stippellijnen tonen de frequenties waarbij de EIE-spectra (zie Figuur 5.10)werden opgemeten en de labels geven de interactie en het radicaal aan waarbij de ENDOR-lijnhoort.

aangezien het bij verschillende metingen terugkomt op exact dezelfde frequentie.Het EIE-spectrum van radicaal R1 bevat acht lijnen die verklaard kunnen worden door drie HF-interacties (HF1-HF3). Het EIE-spectrum van radicaal R2 vertoont in de eerste orientatie vierlijnen, maar bij de tweede is elke lijn nogmaals opgesplitst (zie Figuur 5.14). Dit kan opnieuwverklaard worden door drie HF-interacties (HF1-HF3), waarbij HF3 bij de eerste orientatie (0◦)te klein is om geresolveerd te worden. Radicaal R3 heeft twee lijnen (zie Figuur 5.14) door in-teractie HF1, maar het spectrum is sterk vervormd bij de eerste orientatie door overlap met heteerder vermelde artefact (*). Het EIE-spectrum van R3 werd ook waargenomen bij een tweedeENDOR-lijn die dicht bij de protonfrequentie ligt, afkomstig van een veel kleinere HF-interactiedie niet geresolveerd is in het EIE-spectrum.

Het EPR-signaal is dus een combinatie van de spectra van minstens drie radicalen1. Ervan1Er zijn, naast uiteraard R4, mogelijks nog radicalen die niet tijdens de ENDOR-metingen werden waargeno-

men.

56


Figuur 5.10: Q-band EPR-spectrum bij KT en de verschillende EIE-spectra bij 20 K van eenlactose-eenkristal bij 0◦ in het ac-vlak. De spectra werden genormaliseerd op een vaste mi-crogolffrequentie (34 GHz). Van radicaal R3 worden twee EIE-spectra getoond, opgemeten bijverschillende waarden van het magneetveld, omdat deze vervormd zijn door overlap met hetartefact (*).

57


Figuur 5.11: Q-band EPR-spectrum bij KT en 20 K van een lactose-eenkristal bij 120◦ in hetac-vlak. De spectra werden genormaliseerd op een vaste microgolffrequentie (34 GHz). De pijlentonen de magneetvelden waarbij de ENDOR-spectra in Figuur 5.12 werden opgemeten.

uitgaand dat R1-R3 de belangrijkste contributies leveren, kunnen de twee lijnen uiterst links inhet spectrum bij 120◦ enkel afkomstig zijn van R2. Ook op de posities van de andere lijnen vanR2 is structuur zichtbaar in het EPR-spectrum. Uit de relatieve intensiteit van de EPR-lijnenbij 1211.0 en 1213.6 mT in de tweede orientatie, blijkt R3 ook een significante bijdrage te leve-ren. Het lijkt alsof we met deze twee radicalen een groot deel van het EPR-spectrum kunnenverklaren. We merken wel op dat het EPR-spectrum bij 0◦ structuur bevat rond 1212 mT dieniet verklaard wordt door radicalen R1-R3. Het centrum van het EIE-signaal van radicalen R1en R2 verschuift respectievelijk over ongeveer 0.8 en 1.3 mT tussen de twee orientaties, wat inovereenstemming is met de anisotropie van het EPR-spectrum (Figuur 5.7).

58


Figuur 5.12: Q-band ENDOR-spectra bij 20 K van een lactose-eenkristal bij 120◦ in het ac-vlak.De cijfers rechts duiden het magneetveld aan in het EPR-spectrum van Figuur 5.11 waarbij despectra zijn opgemeten. De stippellijnen tonen de frequenties waarbij het EIE-spectrum (zieFiguur 5.13) werd opgemeten en de labels geven de interactie en het radicaal aan waarbij deENDOR-lijn hoort.

59


Figuur 5.13: Q-band EPR-spectrum bij KT en de verschillende EIE-spectra bij 20 K van eenlactose-eenkristal bij 120◦ in het ac-vlak. De spectra werden genormaliseerd op een vaste micro-golffrequentie (34 GHz).

60


Figuur 5.14: Verklaring van de vorm van de EIE-spectra bij 120◦ van radicaal R2 (links) enradicaal R3 (rechts)

61


5.3.3 Angulaire variatie van de ENDOR-frequenties

5.3.3.1 Methode

Om de tensoren van de HF-interacties te bepalen, werd de angulaire variatie van de ENDOR-frequenties opgemeten in vier vlakken (zie Tabel 5.1 en Figuur 5.15) op eenkristallen die bij KTX-bestraald waren met een dosis van 8.3 kGy. De exacte orientaties van deze vlakken werdengefit aan de experimentele data (zie sectie 5.4). θ geeft de hoek tussen de pool en de c-as en φ

de hoek tussen de a*-as en de projectie van de pool op het a*b-vlak.Om de 10◦ werden de ENDOR-spectra bij 20 K gemeten bij verschillende magneetveldwaar-den, maar ondanks de lage meettemperatuur werden de ENDOR-frequenties van sommige HF-interacties slechts voor een beperkt aantal orientaties van het magneetveld waargenomen. Tenslotte werd voor elke interactie (voor elke site in geval van site splitting) de angulaire variatievan de frequentie gefit aan:

ν2(θ) = α+ βcos(2θ) + γsin(2θ) (5.4)

met θ de rotatiehoek2 in het vlak en α, β en γ drie te fitten parameters (zie Sectie 2.3.2).

Tabel 5.1: De parameters van de vier vlakken waarin de angulaire variatie van de ENDOR-frequenties werd opgemeten: θ en φ zijn de angulaire sferische coordinaten van de polen van devlakken en α geeft de hoek van de a*-as in het ac-vlak en van de snijlijn met het ac-vlak in dedrie andere vlakken. Voor het ac-vlak en vlak Z werden θ en φ bepaald uit XRD-metingen ende andere parameters werden bepaald bij het fitten van de tensoren (zie sectie 5.4.)

ac-vlak vlak X vlak Y vlak Zθ (◦) 90.0 43.3 113.2 158.5φ (◦) 90.0 -7.9 7.4 -155.8α (◦) 42.4 -10.8 5.7 19.0

5.3.3.2 Metingen

De angulaire variatie werd eerst in het ac-vlak opgemeten (zie Figuur 5.16), (i) omdat in dit vlakgeen site splitting voorkomt, wat de signaal-ruisverhouding vergroot en analyse vereenvoudigt,en (ii) omdat de ligging van de b-as via XRD-metingen kon bepaald worden. Door de overlapvan HF3(R1) met het artefact bij 88.9 MHz werd dit signaal niet waargenomen voor een grootaantal hoeken (-20◦ - 60◦).Omdat enkel de ligging van de b-as kon worden bepaald via XRD-metingen en ook de vorm vanhet kristal geen duidelijkheid leverde, werd besloten om het kristal visueel te orienteren langs eenwillekeurige richting ongeveer loodrecht op de b-as. Op deze wijze werd in twee vlakken (X en Y)de angulaire variatie opgemeten (zie Figuren 5.17 en 5.18). Voor HF3(R1) en HF1(R3) kondenslechts bij een beperkt aantal orientaties voldoende geresolveerde ENDOR-lijnen waargenomen

2Niet te verwarren met de θ die gebruikt wordt voor de angulaire sferische coordinaten van de vlakken.

62


Figuur 5.15: De polen van de vier vlakken waarin de ENDOR-angulaire variatie werd opgemeten(zie Tabel 5.1). De rotatierichting in de vlakken is rechtshandig rond de overeenkomstige pool.

worden. De lage signaalintensiteit van de ENDOR-lijnen is hiervoor een verklaring, maar bijveel orientaties overlapt HF3(R1) ook met de protonfrequentie en HF1(R3) met het artefactbij 88.9 MHz. Daarnaast is het signaal van HF1(R3) soms sterk vervormd en heeft het eengrote lijnbreedte, zodat het onmogelijk is om nauwkeurig de resonantiefrequentie te bepalen (zieFiguur 5.20).Omdat de orientatie van de vlakken X en Y niet gekend was, was het met de data uit dezedrie vlakken nog niet mogelijk de HF-tensoren te bepalen. Daarom was het nodig de angulairevariatie in nog een vierde vlak op te meten, waarvan de orientatie gekend moet zijn. De XRD-signalen van het eenkristal gebruikt voor de eerste drie vlakken laten dit niet toe en daaromwerd voor het vierde vlak een ander eenkristal gebruikt. Dit eenkristal werd via XRD-metingengeorienteerd in het (021)-vlak, maar door problemen bij het transfereren van het kristal naar desamplehouder, moest de correcte orientatie3 alsnog na de meting bepaald worden. De resultatenvan de angulaire variatie in dit vlak (vlak Z) zijn voorgesteld in Figuur 5.19. Door de lageintensiteit werden maar drie meetpunten gevonden voor HF1(R3) en omdat dit niet voldoende isvoor een betrouwbare fit aan drie parameters werden deze punten niet gefit aan vergelijking (5.4).

3Voor het 021-vlak is θ = 150.2 en φ = −128.8 en de hoek tussen dit vlak en vlak Z is 14.2◦.

63


Figuur 5.16: Angulaire variatie van de ENDOR-frequenties in het ac-vlak. De volle lijnen gevende beste fit aan vergelijking (5.4).

64


Figuur 5.17: Angulaire variatie van de ENDOR-frequenties in vlak X (zie Figuur 5.15). De vollelijnen geven de beste fit aan vergelijking (5.4).

65


Figuur 5.18: Angulaire variatie van de ENDOR-frequenties in vlak Y (zie Figuur 5.15). De vollelijnen geven de beste fit aan vergelijking (5.4).

66


Figuur 5.19: Angulaire variatie van de ENDOR-frequenties in vlak Z (zie Figuur 5.15). De vollelijnen geven de beste fit aan vergelijking (5.4).

67


Figuur 5.20: Q-band ENDOR-spectra in vlak X. We nemen het ENDOR-signaal van HF1(R3)waar bij 10◦ op 85 MHz en de lijnbreedte wordt steeds groter voor de daarop volgende orientaties.Het signaal bij 89 MHz is het eerder vermelde artefact (*). Ook het ENDOR-signaal vanHF2(R2) waarneembaar in het 81-83.5 MHz interval. De groene lijn toont de fit aan vergelij-king (5.4) van een site van HF1(R3).

68

5.4. Bepalen van de HF-tensoren van radicalen R1, R2 en R3

5.4 Bepalen van de HF-tensoren van radicalen R1, R2 en R3

Voor elke angulaire variatie in een vlak zijn er drie vrijheidsgraden: de angulaire sferischecoordinaten θ en φ die de pool van het vlak beschrijven en α die het nulpunt van de rotatie in hetvlak vastlegt. Van twee vlakken is θ en φ gekend: voor het ac-vlak is θ = φ = 90◦ en voor vlak Zis θ = 158.5◦ en φ = −155.8◦. Er blijven dus voor de vier vlakken in totaal acht vrijheidsgradenover. Deze worden, samen met de tensoren zelf, gefit aan de experimenteel bepaalde datapuntenvan twee HF-interacties (HF1(R1) en HF2(R2))4 met behulp van een zelfgeschreven MATLAB-programma HYPERfit (zie Appendix B en Tabel 5.1).Zoals verwacht liggen de gefitte polen van vlakken X en Y bijna loodrecht op de b-as en komende waarden van α in vlak X, Y en Z sterk overeen met de hoeken waar de sites van alle interactiesoverlappen. Alle overige HF-tensoren (HF2(R1), HF3(R1), HF1(R1) en HF1(R3)) konden metdeze vlakparameters (die niet meer gevarieerd werden) goed gefit worden (zie Tabel 5.2). Vooralle tensoren is er een zeer goede overeenkomst met de experimentele data (σ < 0.08 MHz).

Tabel 5.2: De HF-tensoren (in MHz) van drie radicalen in X-bestraald α-lactose monohydraat.De laatste kolom toont de hoek ∆ tussen de hoofdrichting van de tensoren van R1 en de over-eenkomstige hoofdrichting van de tensoren van R2. σ is de standaarddeviatie van de verschillentussen de gesimuleerde en de experimentele resonantiefrequenties

Radicaal Proton AIso AAnisoHoofdrichtingen

σ (MHz) ∆(◦)a* b c

R1

-3.74 0.936 0.033 -0.3500.052

22.7HF1 89.44 -3.12 0.304 0.423 0.854 23.0

6.86 0.176 -0.906 0.386 3.1-4.05 0.694 0.285 0.662

0.0506.0

HF2 47.45 -2.49 0.593 0.297 -0.749 6.06.54 -0.410 0.912 0.037 2.4-8.87 0.749 0.175 -0.640

0.036HF3 -8.45 -6.86 0.647 0.023 0.76315.72 -0.148 0.984 0.096

R2

-3.71 0.985 0.175 0.0150.058HF1 87.08 -3.41 -0.073 0.330 0.941

7.12 0.159 -0.928 0.338-4.15 0.617 0.282 0.735

0.050HF2 58.90 -2.48 0.669 0.305 -0.6786.63 -0.415 0.910 0.000

R3-4.60 0.601 0.158 -0.784

0.071HF1 71.07 -2.20 0.513 -0.828 0.2276.79 0.613 0.539 0.578

De gesimuleerde angulaire variaties van de gefitte tensoren in de vier vlakken zijn uitgezet in4Het gelijktijdig fitten van twee HF-tensoren met een duidelijk verschillende angulaire variatie, zorgt voor een

meer accurate fitting.

69


Figuur 5.21. Het valt meteen op dat de angulaire variaties in alle vlakken van HF1(R1) enHF1(R2) enerzijds, en van HF2(R1) en HF2(R2) anderzijds een zeer parallel verloop hebben.De anisotrope componenten en de hoofdrichtingen van deze HF-tensoren zijn inderdaad zeergelijkaardig. Dit wijst er op dat R1 en R2 verschillende conformaties zijn van dezelfde of tweezeer gelijkaardige chemische structuren. Dat de eerste twee hoofdrichtingen van HF1(R1) enHF1(R2) ongeveer 20◦ uit elkaar liggen, hoeft dit niet tegen te spreken, omdat de bijhorendehoofdwaarden bijna gelijk zijn en de eerste twee richtingen in een (-b, -b, 2b)-anisotropie meergevoelig zijn aan een verschil in conformatie.Enkel in [29] werden vier stabiele, stralingsgeınduceerde radicalen in lactose gekarakteriseerd ende HF-tensoren van twee ervan (I en II) werden bepaald (zie Tabel 4.2). Radicaal I heeft eenHF-interactie met een gelijkaardige isotrope component als R3. De anisotrope componenten ende hoofdrichtingen zijn evenwel sterk verschillend. Radicaal II heeft een HF-interactie met eenisotrope component van ongeveer 142 MHz. Er werd geen gelijkaardige interactie waargenomentijdens deze masterproef.

70


Figu

ur5.

21:D

ean

gula

ireva

riatie

van

dege

simul

eerd

eEN

DO

R-fr

eque

ntie

svan

dege

fitte

HF-

tens

oren

inTa

bel5

.2(v

olle

lijne

n)en

deex

perim

ente

elge

met

enfr

eque

ntie

s(v

ierk

antj

es)

inhe

tac

-vla

k,vl

akZ,

vlak

Yen

vlak

X(z

ieFi

guur

5.15

).H

etac

-vla

ken

vlak

Zslu

iten

opel

kaar

aan

opde

a-as

.V

lakk

enX

enY

sluite

naa

nop

het

ac-v

lak

oppo

sitie

s1

en2

resp

ectie

velij

k.D

eve

rsch

illen

desit

esw

orde

naa

nged

uid

met

Ien

II.

71

5.5. Bespreking van de mogelijke radicaalstructuren

5.5 Bespreking van de mogelijke radicaalstructuren

Op basis van de HF-tensoren kunnen mogelijke radicaalstructuren bepaald worden. Omdat uitde EPR-spectra blijkt dat er geen radicalen een sterke g-anisotropie hebben, weten we dat erenkel alkylradicalen voorkomen. We beschouwen hier enkel kort de mogelijke H-geabstraheerdestructuren.Radicaal R1 heeft drie HF-interacties waarvan twee typische kenmerken hebben van een β-protonkoppeling (HF1 en HF2) en de derde (HF3) die van een β-proton in een hydroxygroepop Cα. C1, C4’, C5 en C5’ kunnen geelimineerd worden omdat deze geen hydroxygroep heb-ben op Cα. H-geabstraheerde radicalen op C6 en C6’ zijn ook uitgesloten, omdat hier eenα-protoninteractie zou waargenomen worden en op C1’ omdat dit maar een β-proton heeft. Deradicalen op C2, C3, C4, C2’ en C3’ kunnen wel het verwachte aantal interacties hebben. Ra-dicaal R2 heeft, zoals eerder vermeld, waarschijnlijk dezelfde structuur als R1. Voor radicaalR3 werd enkel een typische β-proton interactie bepaald. Hiermee kunnen we enkel C6 en C6’uitsluiten voor H-geabstraheerde radicalen, omdat geen interactie met een α-proton werd waar-genomen.De anisotropie van de bepaalde HF-tensoren vertoont een benaderend axiale symmetrie (-b, -b,2b), wat erop wijst dat de punt-dipoolapproximatie een geldige benadering is. De hoofdrichtinggeassocieerd met de positieve anisotrope HF-waarde (~V+2b) is dan ongeveer gericht volgens derichting van het radicaalcentrum naar het proton van de interactie. Daarom werd de richtinguitgezet van alle mogelijke Cα-Hβ paren waarbij het proton aan een koolstof gebonden is naastde hoeken die deze richtingen maken met ~V+2b van de HF-interacties in Tabel 5.3.Voor radicalen R1 en R2 wordt de beste overeenkomst voor HF1 en HF2 gevonden voor C2’-H3’en C2’-H1’ respectievelijk. Omdat ~V+2b van HF3(R1) niet overeenkomt met de richting van C2’naar het proton in de hydroxygroep op C2’ (88.9◦), zou er voor deze structuur dan wel eensubstantiele reorientatie van deze hydroxygroep nodig zijn. We merken op dat de richting welgoed overeenkomt voor het proton in de hydroxygroep op C3’ (5.7◦), maar de anisotropie vanHF3 is te groot voor een proton op deze afstand. De anisotropie kan berekend worden in depunt-dipoolapproximatie:

b = µ04π

ggNµBµNr3 (5.5)

waarin r de afstand is tussen Cα en het proton waarmee het interageert. In dit geval (r ≈ 3.210−10 m) wordt b = 2.4 MHz.Voor HF1(R3) is er een goede overeenkomst met C4-H3 en C6-H5, maar het H-geabstraheerdradicaal op C6 werd eerder al uitgesloten op basis van de aanwezigheid van een α-proton.Van alle H-gabstraheerde radicalen komen R1 en R2 dus het best overeen met een radicaal opC2’ en R3 met een radicaal op C4. Als controle voor deze voorgestelde structuren wordt deanisotrope component van de interacties berekend met de Heller-McConnell relatie [46,47]

Aβiso = ρπ(B0 +B2cos2θ) (5.6)

waarin ρπ de elektronendichtheid in het 2pz-orbitaal van Cα is en θ de dihedrale hoek tussen deas van het ongepaarde elektron orbitaal en de Cβ-Hβ binding bekeken langs de Cα-Xβ binding(X is O of C). B0 en B2 zijn twee empirisch bepaalde parameters: B0 ≈ 0 en voor interacties bij

72


een Cα-Cβ-Hβ en Cα-Oβ-Hβ structuur is B2 ongeveer 126 MHz [48] en 73 MHz [49] respectieve-lijk. De isotrope HF-waarden die op deze manier worden berekend komen behalve voor HF3(R1)zeer goed overeen met die van de experimenteel bepaalde tensoren (zie Tabel 5.4). De afwijkingvoor HF3(R1) bevestigt dat voor deze radicaalstructuur de hydroxygroep sterk gereorienteerdzou moeten worden.

Tabel 5.3: De richting van alle Cα-Hβ paren in een Cα-Cβ-Hβ fragment (bepaald uit de kristal-structuur in Tabel 4.1) en de hoek tussen deze richting en ~V+2b voor alle β-interacties. Bij hetberekenen van de hoeken werd het minimum bepaald voor de twee orientaties van de lactose-moleculen.

Cα-HβRichting Afwijking (◦)

a* b c HF1(R1) HF2(R1) HF1(R2) HF2(R2) HF1(R3)C1-H2 -0.495 -0.625 0.604 45 37 45 39 68C2-H1 0.413 0.687 -0.597 39 35 39 37 63C2-H3 0.159 -0.432 -0.888 45 61 48 63 50C3-H2 -0.196 0.468 0.862 44 57 46 60 51C3-H4 0.814 -0.555 -0.172 55 32 54 33 46C4-H3 -0.713 0.322 -0.623 49 56 52 54 14C4-H5 0.398 0.714 -0.576 37 33 37 35 62C5-H4 -0.265 -0.946 -0.187 13 15 11 14 39C5-H6a 0.713 -0.190 0.675 56 66 59 62 22C5-H6b 0.850 -0.495 -0.181 58 36 58 37 47C6-H5 -0.697 0.317 -0.643 49 57 52 55 14C1’-H2’ 0.563 -0.309 -0.766 62 57 63 59 75C2’-H1’ -0.621 0.783 0.027 36 14 35 14 38C2’-H3’ -0.035 -0.810 0.585 18 39 19 41 41C3’-H2’ 0.078 0.766 -0.638 22 41 24 43 43C3’-H4’ -0.661 -0.140 -0.737 58 68 61 66 25C4’-H3’ 0.682 0.079 0.727 62 71 65 69 28C4’-H5’ -0.536 0.338 0.774 59 56 61 58 73C5’-H4’ 0.508 -0.316 -0.801 60 58 61 60 71C5’-H6’a -0.644 -0.052 -0.764 63 74 66 72 30C5’-H6’b -0.731 -0.654 -0.194 37 27 38 26 24C6’-H5’ 0.625 0.124 0.771 59 70 62 68 26

Om de voorgestelde radicaalstructuren te bevestigen of ontkrachten is verder onderzoek no-dig. De radicalen hoeven bovendien niet per se een H-geabstraheerde structuur te hebben. Deg-tensoren van de radicalen kunnen bepaald worden of er kunnen metingen uitgevoerd wordenop 13C- en 2H-gelabeld lactose. Verder kunnen ook DFT-berekeningen uitgevoerd worden omde HF-tensoren van radicaalstructuren te berekenen.

73


Tabel 5.4: De isotrope waarde van de experimentele HF-tensoren (Aexpiso ) en de waardes berekendmet de Heller-McConnell relatie (5.6) met ρπ=0.9, B0=0 en B2=126 of 73 MHz wanneer Hβ

aan respectievelijk C of O gebonden is (AHMiso ).Interactie HF1(R1) HF2(R1) HF3(R1) HF1(R2) HF2(R2) HF1(R3)Aexpiso 90 48 -8 87 59 71AHMiso 85 49 37 85 49 65

74

Besluit

In deze masterproef werden de stabiele stralingsgeınduceerde radicalen in α-lactose monohydraatbestudeerd.Eerst werden de dosis- en tijdsafhankelijkheid van het EPR-spectrum van α-lactose monohydraatpoeder bepaald. Een component verdwijnt uit het spectrum in de eerste uren na de bestraling,maar verder blijft het spectrum zeer stabiel. De intensiteit ervan vertoont al dosissaturatie bij4 kGy en is volledig gesatureerd bij 100 kGy.Bij een EPR-, ENDOR- en EIE-analyse op eenkristallen werden drie radicalen (R1-R3) gekarak-teriseerd en waarschijnlijk een vierde waargenomen. Het EPR-spectrum lijkt vooral afkomstigvan R2 en R3. Voor de drie stabiele radicalen R1, R2 en R3 werden zes HF-tensoren bepaalddoor de angulaire variatie van de ENDOR-spectra in vier vlakken op te meten bij 20 K.Met de experimentele data uit deze masterproef is het mogelijk de EPR- en EIE-spectra te si-muleren. Daarmee zouden dan de relatieve concentraties van de verschillende radicalen bepaaldkunnen worden, maar door tijdsgebrek konden deze simulaties nog niet uitgevoerd worden.Mogelijke H-geabstraheerde structuren werden voorgesteld op basis van de HF-tensoren en dekristalstructuur van lactose. Radicalen R1 en R2 zijn waarschijnlijk verschillende conformatiesvan dezelfde radicaalstructuur en komen het best overeen met een H-geabstraheerd radicaal opC2’, terwijl R3 het best overeenkomt met een H-geabstraheerd radicaal op C4.Om de radicaalstructuren conclusief vast te leggen, is verder onderzoek nodig. Ten eerste kunnende g-tensoren van de radicalen bepaald worden. Verder kan men de EMR-spectra bestuderenvan 13C- en 2H-gelabeld lactose en kunnen er ook DFT-berekeningen uitgevoerd worden op mo-gelijke radicaalstructuren.

75

Bijlage A

Fysische constanten

ge vrije elektron gyromagnetische verhouding 2.00229

µB Bohrmagneton 9.274 x 10−24 JT−1

gH proton gyromagnetische verhouding 5.58549

µN nucleair magneton 5.051 x 10− 27 JT−1

h constante van Planck 6.626 x 10−34 Js

ε0 permittiviteit van het vacuum 8.854 x 10−12 Fm−2

µ0 permeabiliteit van het vacuum 4π x 10−7 T2m3J−1

c lichtsnelheid in het vacuum 2.998 x 108 ms−1

76

Bijlage B

Programma voor het fitten van detensoren

Het programma HYPERfit fit 20 parameters (8 vrijheidsgraden van de posities van de vlakkenen 12 van de twee symmetrische tensoren voor HF1(R1) en HF2(R2)) aan de angulaire variatiesvan de experimenteel gemeten ENDOR-frequenties van deze twee HF-interacties. De standaard-deviatie van de berekende resonantiefrequenties en de datapunten wordt berekend en gemini-maliseerd. In HYPERfit worden 14 parameters (de orientaties van de vlakken en HF2(R2))gefit met het MATLAB-commando fminsearch en tijdens elke iteratie wordt HYPERfit2 aan-geroepen om de tensor van HF1(R1) te fitten. Om de rekentijd te verminderen is het nodig debeginwaarden voor de parameters goed te kiezen. De snijpunten van de verschillende sites in devlakken en het feit dat de twee onbekende vlakken ongeveer loodrecht op het ac-vlak staan zijnhiervoor zeer nuttig.Wanneer de parameters van de vlakken bepaald zijn, kunnen met een aantal aanpassingen (out-put weergeven, figuren van simulaties maken) aan HYPERfit2 zeer snel de HF-tensoren van deandere interacties bepaald worden.

B.1 HYPERfit

0001 function posfinal = HYPERfit00020003 % Dit programma bepaalt een tensor aan de hand van data in vier vlakken:0004 % het ac-vlak (rot b, parameters0), een scheef vlak met gekende orientatie

(rot z, parameters4)0005 % en twee onbekende vlakken (rot x en rot y, parameters1 en 2)00060007 % De beginwaarden voor de vlakorientaties staan in hoekinit (in0008 % graden) en voor de HF-tensor in Minit.0009 % hoekinit = [t0 phi1 theta1 t1 phi2 theta2 t2 t4]0010 % Minit = [Mxx Myy Mzz Mxy Mxz Myz]

77

B.1. HYPERfit

001100120013 % Inladen van de beginwaarden van de parameters00140015 theta4 = 158.4996/180*pi;0016 phi4 = -155.8407/180*pi;0017 ACdir = -1; % de rotatiezin in het ac-vlak00180019 hoekinit = [40 0 50 -10 0 120 5 20]0020 Minit = [6 6 6 1 1 1]*1e3;0021 posinit(1,:) = hoekinit(1,:)*pi/180;0022 parinit = [Minit posinit];002300240025 % Inladen van de experimentele data00260027 exp1=load(’int4rotB.DAT’); % Rot b, site I = siteII0028 exp2=load(’int4rotX.dat’); % Rot x, site I0029 exp3=load(’int4rotXss.dat’); % Rot x, site II0030 exp4=load(’int4rotY.dat’); % Rot y, site I0031 exp5=load(’int4rotYss.dat’); % Rot y, site II0032 exp6=load(’int4rotZ.dat’); % Rot z, site I0033 exp7=load(’int4rotZss.dat’);% Rot z, site II00340035 exp1(:,1)=exp1(:,1)/180*pi;0036 exp2(:,1)=exp2(:,1)/180*pi;0037 exp3(:,1)=exp3(:,1)/180*pi;0038 exp4(:,1)=exp4(:,1)/180*pi;0039 exp5(:,1)=exp5(:,1)/180*pi;0040 exp6(:,1)=exp6(:,1)/180*pi;0041 exp7(:,1)=exp7(:,1)/180*pi;004200430044 % fit de vlakparameters en de HF-tensor aan de experimentele data00450046 [finalpar,error,exitflag] = fminsearch(@(par) fit lactose par(

par, ACdir, theta4, phi4, exp1, exp2, exp3, exp4, exp5, exp6, exp7),parinit,optimset(’TolFun’,1e-4’MaxFunEvals’,1e8,’Maxiter’,1e6));

00470048 if exitflag == 10049 disp(’Converged’)0050 elseif exitflag == 0

78

B.1. HYPERfit

0051 disp(’Maximum number of iterations reached’)0052 else0053 disp(’Something is rotten.’)0054 return0055 end00560057 error00580059 % plot figuren van de experimentele meetpunten en de gesimuleerde tensoren0060 % in de vier vlakken00610062 simulate(finalpar, ACdir, theta4, phi4, exp1,exp2,exp3,exp4,exp5,exp6,exp7);00630064 posfinal = finalpar(7:14)*180/pi;00650066 % ========================================================================00670068 function simulate(finalpar, ACdir, theta4, phi4, exp1, exp2, exp3, exp4,

exp5, exp6, exp7)00690070 % berekenen van de hoofdwaarden en hoofdrichtingen van de HF-tensor00710072 M=[finalpar(1) finalpar(4) finalpar(5);finalpar(4) finalpar(2) finalpar(6);

finalpar(5) finalpar(6) finalpar(3)];00730074 [V,D] = eig(M);0075 for i = 1:1:30076 A(i) = 2*(-sqrt(D(i,i))+5.585486*5.051*1.212/6.626*10);0077 end0078 V0079 A00800081 % plotten van de experimentele en gesimuleerde data00820083 t0 = finalpar(7);0084 phi1 = finalpar(8);0085 theta1 = finalpar(9);0086 t1 = finalpar(10);0087 phi2 = finalpar(11);0088 theta2 = finalpar(12);0089 t2 = finalpar(13);0090 t4 = finalpar(14);0091

79

B.1. HYPERfit

0092 u1 = [1 0 0];0093 v1 = [0 0 ACdir];0094 angvar1(:,1) =-100:0.5:260 ;0095 B1(:,1:3) = cos(angvar1(:)/180*pi-t0)*u1+sin(angvar1(:)/180*pi-t0)*v1;0096 for i = 1:1:size(angvar1,1)0097 angvar1(i,2) = sqrt(B1(i,1:3)*M*B1(i,1:3)’);0098 end00990100 figure0101 plot(angvar1(:,1) ,angvar1(:,2))0102 hold on0103 scatter(exp1(:,1)*180/pi, exp1(:,2), ’red’)0104 hold off01050106 r2 = [cos(phi1)*sin(theta1), sin(phi1)*sin(theta1), cos(theta1)];0107 u2 = [r2(3), 0 ,-r2(1)]/sqrt((r2(1)ˆ2+r2(3)ˆ2));0108 v2 = cross(r2,u2);0109 u3= -u2;0110 v3 = [-v2(1), v2(2), -v2(3)];0111 angvar2(:,1) =-100:0.5:260 ;0112 B2(:,1:3) = cos(angvar2(:,1)/180*pi-t1)*u2+sin(angvar2(:,1)/180*pi-t1)*v2;0113 for i = 1:1:size(angvar2,1)0114 angvar2(i,2) = sqrt(B2(i,1:3)*M*B2(i,1:3)’);0115 end0116 B3(:,1:3) = cos(angvar2(:,1)/180*pi-t1)*u3+sin(angvar2(:,1)/180*pi-t1)*v3;0117 for i = 1:1:size(angvar2,1)0118 angvar2(i,3) = sqrt(B3(i,1:3)*M*B3(i,1:3)’);0119 end01200121 figure0122 plot(angvar2(:,1) ,angvar2(:,2:3))0123 hold on0124 scatter(exp2(:,1)*180/pi, exp2(:,2), ’red’)0125 scatter(exp3(:,1)*180/pi, exp3(:,2), ’black’)0126 hold off01270128 r4 = [cos(phi2)*sin(theta2), sin(phi2)*sin(theta2), cos(theta2)];0129 u4 = [r4(3), 0 ,-r4(1)]/sqrt((r4(1)ˆ2+r4(3)ˆ2));0130 v4 = cross(r4,u4);0131 u5 = -u4;0132 v5 = [-v4(1), v4(2), -v4(3)];0133 angvar3(:,1) =-100:0.5:260 ;0134 B4(:,1:3) = cos(angvar3(:,1)/180*pi-t2)*u4+sin(angvar3(:,1)/180*pi-t2)*v4;

80

B.1. HYPERfit

0135 for i = 1:1:size(angvar3,1)0136 angvar3(i,2) = sqrt(B4(i,1:3)*M*B4(i,1:3)’);0137 end0138 B5(:,1:3) = cos(angvar3(:,1)/180*pi-t2)*u5+sin(angvar3(:,1)/180*pi-t2)*v5;0139 for i = 1:1:size(angvar3,1)0140 angvar3(i,3) = sqrt(B5(i,1:3)*M*B5(i,1:3)’);0141 end01420143 figure0144 plot(angvar3(:,1) ,angvar3(:,2:3))0145 hold on0146 scatter(exp4(:,1)*180/pi, exp4(:,2), ’red’)0147 scatter(exp5(:,1)*180/pi, exp5(:,2), ’black’)0148 hold off01490150 r6 = [cos(phi4)*sin(theta4), sin(phi4)*sin(theta4), cos(theta4)];0151 u6 = [r6(3), 0 ,-r6(1)]/sqrt((r6(1)ˆ2+r6(3)ˆ2));0152 v6 = cross(r6,u6);0153 u7 = -u6;0154 v7 = [-v6(1), v6(2), -v6(3)];0155 angvar4(:,1) =-100:0.5:200 ;0156 B6(:,1:3) = cos(angvar4(:,1)/180*pi-t4)*u6+sin(angvar4(:,1)/180*pi-t4)*v6;0157 for i = 1:1:size(angvar4,1)0158 angvar4(i,2) = sqrt(B6(i,1:3)*M*B6(i,1:3)’);0159 end0160 B7(:,1:3) = cos(angvar4(:,1)/180*pi-t4)*u7+sin(angvar4(:,1)/180*pi-t4)*v7;0161 for i = 1:1:size(angvar4,1)0162 angvar4(i,3) = sqrt(B7(i,1:3)*M*B7(i,1:3)’);0163 end01640165 figure0166 plot(angvar4(:,1) ,angvar4(:,2:3))0167 hold on0168 scatter(exp6(:,1)*180/pi, exp6(:,2), ’red’)0169 scatter(exp7(:,1)*180/pi, exp7(:,2), ’black’)0170 hold off01710172 % ========================================================================01730174 function error = fit lactose par(par, ACdir, theta4, phi4 ,exp1,exp2,exp3,

exp4,exp5,exp6,exp7)01750176 t0 = par(7);

81

B.1. HYPERfit

0177 phi1 = par(8);0178 theta1 = par(9);0179 t1 = par(10);0180 phi2 = par(11);0181 theta2 = par(12);0182 t2 = par(13);0183 t4 = par(14);018401850186 % Berekenen van de orientatie van het magneetveld voor elk experimenteel0187 % gemeten datapunt uit01880189 u1 = [1 0 0];0190 v1 = [0 0 ACdir];0191 data1(:,1) = exp1(:,2);0192 data1(:,2:4) = cos(exp1(:,1)-t0)*u1+sin(exp1(:,1)-t0)*v1;01930194 r2 = [cos(phi1)*sin(theta1), sin(phi1)*sin(theta1), cos(theta1)];0195 u2 = [r2(3), 0 ,-r2(1)]/sqrt((r2(1)ˆ2+r2(3)ˆ2));0196 v2 = cross(r2,u2);0197 data2(:,1) = exp2(:,2);0198 data2(:,2:4) = cos(exp2(:,1)-t1)*u2+sin(exp2(:,1)-t1)*v2;01990200 u3 = -u2;0201 v3 = [-v2(1), v2(2), -v2(3)];0202 data3(:,1) = exp3(:,2);0203 data3(:,2:4) = cos(exp3(:,1)-t1)*u3+sin(exp3(:,1)-t1)*v3;02040205 r4 = [cos(phi2)*sin(theta2), sin(phi2)*sin(theta2), cos(theta2)];0206 u4 = [r4(3), 0 ,-r4(1)]/sqrt((r4(1)ˆ2+r4(3)ˆ2));0207 v4 = cross(r4,u4);0208 data4(:,1) = exp4(:,2);0209 data4(:,2:4) = cos(exp4(:,1)-t2)*u4+sin(exp4(:,1)-t2)*v4;02100211 u5 = -u4;0212 v5 = [-v4(1), v4(2), -v4(3)];0213 data5(:,1) = exp5(:,2);0214 data5(:,2:4) = cos(exp5(:,1)-t2)*u5+sin(exp5(:,1)-t2)*v5;02150216 r6 = [cos(phi4)*sin(theta4), sin(phi4)*sin(theta4), cos(theta4)];0217 u6 = [r6(3), 0 ,-r6(1)]/sqrt((r6(1)ˆ2+r6(3)ˆ2));0218 v6 = cross(r6,u6);0219 data6(:,1) = exp6(:,2);

82

B.2. HYPERfit2

0220 data6(:,2:4) = cos(exp6(:,1)-t4)*u6+sin(exp6(:,1)-t4)*v6;02210222 u7 = -u6;0223 v7 = [-v6(1), v6(2), -v6(3)];0224 data7(:,1) = exp7(:,2);0225 data7(:,2:4) = cos(exp7(:,1)-t4)*u7+sin(exp7(:,1)-t4)*v7;02260227 data = vertcat(data1,data2,data3,data4,data5,data6,data7);02280229 error=0;02300231 M=[par(1) par(4) par(5);par(4) par(2) par(6);par(5) par(6) par(3)];02320233 for i=1:1:size(data,1)0234 arerror(i) =sqrt(data(i,2:4)*M*data(i,2:4)’)-data(i,1);0235 end023602370238 % root-mean-square deviatie van de experimentele en berekende0239 % ENDOR-frequenties02400241 error=sqrt(sum(arerror.*arerror)/size(arerror,2));02420243 % We berekenen de afwijking van een tweede interactie om een betere0244 % bepaling van de vlakparameters te verkrijgen02450246 pos = [par(7:13) phi4 theta4 par(14)];0247 error = error + HYPERfit2(pos)

B.2 HYPERfit2

0001 function error = HYPERfit2(pos)00020003 % Dit programma bepaalt een tensor aan de hand van data in vier vlakken:0004 % het xz-vlak (rot b, parameters0), een scheef vlak met gekende orientatie

(rot z, parameters4) en0005 % twee vlakken (rot x en rot y, parameters1 en 2) bepaald in HYPERfit00060007 % dit programma wordt gebruikt in HYPERfit om de vlakparameters0008 % aan twee vlakken te fitten, maar kan wanneer de vlakparameters gekend0009 % zijn gebruikt worden om de tensoren van alle interacties te fitten0010

83

B.2. HYPERfit2

0011 % de waarden van de vlakparameters staan in input pos in volgorde0012 % [t0 phi1 theta1 t1 phi2 theta2 t2 phi4 theta4 t4]00130014 % de beginwaarden van de tensor staan in0015 % parinit = [Mxx Myy Mzz Mxy Mxz Myz]00160017 ACdir = -1;00180019 parinit = [10 10 10 1 1 1]*1e3;;002000210022 % inladen van de experimentele data00230024 exp1=load(’int1rotB.DAT’); % Rot b, site I = siteII0025 exp2=load(’int1rotX.dat’); % Rot x, site I0026 exp3=load(’int1rotXss.dat’); % Rot x, site II0027 exp4=load(’int1rotY.dat’); % Rot y, site I0028 exp5=load(’int1rotYss.dat’); % Rot y, site II0029 exp6=load(’int1rotZ.dat’); % Rot z, site I0030 exp7=load(’int1rotZss.dat’);% Rot z, site II00310032 exp1(:,1)=exp1(:,1)/180*pi;0033 exp2(:,1)=exp2(:,1)/180*pi;0034 exp3(:,1)=exp3(:,1)/180*pi;0035 exp4(:,1)=exp4(:,1)/180*pi;0036 exp5(:,1)=exp5(:,1)/180*pi;0037 exp6(:,1)=exp6(:,1)/180*pi;0038 exp7(:,1)=exp7(:,1)/180*pi;003900400041 % fitten van de tensor00420043 [finalpar,error,exitflag] = fminsearch(@(par) fit lactose par(par, pos,

ACdir, exp1, exp2, exp3, exp4, exp5, exp6, exp7),parinit,optimset(’TolFun’,1e-11,’MaxFunEvals’,1e8,’Maxiter’,1e6));

00440045 % =======================================================================00460047 function error = fit lactose par(par, pos, ACdir, exp1,exp2,exp3,exp4,

exp5,exp6,exp7)00480049 t0 = pos(1);0050 phi1 = pos(2);

84

B.2. HYPERfit2

0051 theta1 = pos(3);0052 t1 = pos(4);0053 phi2 = pos(5);0054 theta2 = pos(6);0055 t2 = pos(7);0056 phi4 = pos(8);0057 theta4 = pos(9);0058 t4 = pos(10);00590060 u1 = [1 0 0];0061 v1 = [0 0 ACdir];0062 data1(:,1) = exp1(:,2);0063 data1(:,2:4) = cos(exp1(:,1)-t0)*u1+sin(exp1(:,1)-t0)*v1;00640065 r2 = [cos(phi1)*sin(theta1), sin(phi1)*sin(theta1), cos(theta1)];0066 u2 = [r2(3), 0 ,-r2(1)]/sqrt((r2(1)ˆ2+r2(3)ˆ2));0067 v2 = cross(r2,u2);0068 data2(:,1) = exp2(:,2);0069 data2(:,2:4) = cos(exp2(:,1)-t1)*u2+sin(exp2(:,1)-t1)*v2;00700071 u3 = -u2;0072 v3 = [-v2(1), v2(2), -v2(3)];0073 data3(:,1) = exp3(:,2);0074 data3(:,2:4) = cos(exp3(:,1)-t1)*u3+sin(exp3(:,1)-t1)*v3;00750076 r4 = [cos(phi2)*sin(theta2), sin(phi2)*sin(theta2), cos(theta2)];0077 u4 = [r4(3), 0 ,-r4(1)]/sqrt((r4(1)ˆ2+r4(3)ˆ2));0078 v4 = cross(r4,u4);0079 data4(:,1) = exp4(:,2);0080 data4(:,2:4) = cos(exp4(:,1)-t2)*u4+sin(exp4(:,1)-t2)*v4;00810082 u5 = -u4;0083 v5 = [-v4(1), v4(2), -v4(3)];0084 data5(:,1) = exp5(:,2);0085 data5(:,2:4) = cos(exp5(:,1)-t2)*u5+sin(exp5(:,1)-t2)*v5;00860087 r6 = [cos(phi4)*sin(theta4), sin(phi4)*sin(theta4), cos(theta4)];0088 u6 = [r6(3), 0 ,-r6(1)]/sqrt((r6(1)ˆ2+r6(3)ˆ2));0089 v6 = cross(r6,u6);0090 data6(:,1) = exp6(:,2);0091 data6(:,2:4) = cos(exp6(:,1)-t4)*u6+sin(exp6(:,1)-t4)*v6;00920093 u7 = -u6;

85

B.2. HYPERfit2

0094 v7 = [-v6(1), v6(2), -v6(3)];0095 data7(:,1) = exp7(:,2);0096 data7(:,2:4) = cos(exp7(:,1)-t4)*u7+sin(exp7(:,1)-t4)*v7;00970098 data = vertcat(data1, data2, data3, data4, data5, data6, data7);00990100 error=0;01010102 M=[par(1) par(4) par(5);par(4) par(2) par(6);par(5) par(6) par(3)];01030104 for i=1:1:size(data,1)0105 arerror(i) = sqrt(data(i,2:4)*M*data(i,2:4)’)-data(i,1);0106 end01070108 % root mean square deviation0109 error=sqrt(sum(arerror.*arerror)/size(arerror,2));

86

Bibliografie

[1] L.G. Christophorou. Atomic and Molecular Radiation Physics. Wiley-Interscience, 1971.

[2] H. Thierens. Stralingsdosimetrie, gedoceerd aan master ingenieurswetenschappen: Toege-paste natuurkunde, academiejaar 2009-2010.

[3] D. Becker and M.D. Sevilla. The chemical consequences of radiation damage to DNA.Department of Chemistry, Oakland University, 1993.

[4] W.A. Bernhard and D.M. Close. DNA damage dictates the biological consequences of ioni-zing irradiation; the chemical pathway. Marcel Dekker, New York, 2004.

[5] H. De Cooman. A combined EMR and DFT study of radiation-induced defects in sucroseand glucose 1-phosphate. PhD thesis, Vakgroep Vaste-stofwetenschappen en Centrum voorMoleculaire Modelering, Universiteit Gent, 2009.

[6] N. M. Atherton. Principles of Electron Spin Resonance. Ellis Horwood Limited, 1993.

[7] F. K. Truby and W. H. Storey. Radiation induced free radicals in lactose. Journal ofChemical Physics, 31(3):857–858, 1959.

[8] http://www.easyspin.org/.

[9] D. S. Schonland. On the determination of the principal g-values in electron spin resonance.Proceedings of the Physical Society of London, 73(473):788–792, 1959.

[10] H. Vrielinck, H. De Cooman, M. A. Tarpan, E. Sagstuen, M. Waroquier, and F. Callens.Schonland ambiguity in the electron nuclear double resonance analysis of hyperfine inter-actions: Principles and practice. Journal of Magnetic Resonance, 195(2):196–205, 2008.

[11] J. H. Noordik, P. T. Beurskens, P. Bennema, R. A. Visser, and R. O. Gould. Crystalstructure, polarity and morphology of 4-O-β-D-galactopyranosyl-α-D-glucopyranose mo-nohydrate (α-lactose monohydrate): a redetermination. Zeitschrift fur Kristallographie,168(1-4):59–65, 1984.

[12] http://www.ks.uiuc.edu/research/vmd/.

[13] S. Garnier, S. Petit, and G. Coquerel. Influence of supersaturation and structurally relatedadditives on the crystal growth of α-lactose monohydrate. Journal of Crystal Growth,234(1):207–219, 2002.

87

Bibliografie

[14] A. Van Kreveld and A. S. Michaels. Measurement of crystal growth of α-lactose. Journalof Dairy Science, 48(3):259–265, 1965.

[15] D. C. Fries, S. T. Rao, and M. Sundaralingam. Crystal and molecular structure of 4-O-β-D-galactopyranosyl-α-D-glucopyranose monohydrate (α-lactose monohydrate). Actacrystallographica, b27(MAY15):994–1005, 1971.

[16] H. Seifert and G. Labrot. Zur struktur von alpha-lactose-monohydrat (milchzucker). Na-turwissenschaften, 48(22):691, 1961.

[17] F. Olyslager. Elektromagnetisme I, gedoceerd aan bachelor ingenieurswetenschappen: Toe-gepaste natuurkunde, academiejaar 2007-2008.

[18] R. A. Serway and Marshall S. A. Elektron spin resonance absorption spectra of CO−3 andCO3−

3 molecule-ions in irradiated single-crystal calcite. J. Chem. Phys., 46:1949–1952, 1967.

[19] J. Keysabyl. Bepaling van de g-tensoren van de dominante stabiele stralingsgeınduceerderadicalen in sucrose. Master’s thesis, Vakgroep Vaste-stofwetenschappen, Universiteit Gent,2010.

[20] John A. Weil, James R. Bolton, and John E. Wertz. Electron Paramagnetic ResonanceElementary Theory and Practical Applications. Wiley-Interscience, 1994.

[21] G. Clydesdale, K. J. Roberts, G. B. Telfer, and David J. W. Grant. Modeling the crystalmorphology of α-lactose monohydrate. Journal of Pharmaceutical Sciences, 86(1):135–141,1997.

[22] S. L. Raghavan, R. I. Ristic, D. B. Sheen, J. N. Sherwood, L. Trowbridge, and P. York.Morphology of crystals of α-lactose hydrate grown from aqueous solution. Journal of Phy-sical Chemistry B, 104(51):12256–12262, 2000.

[23] T. D. Dincer, M. I. Ogden, and G. M. Parkinson. In situ inverstigation of growth ratesand growth rate dispersion of α-lactose monohydrate crystals. Journal of Crystal Growth,311(5):1352–1358, 2009.

[24] T. D. Dincer, M. I. Ogden, and G. M. Parkinson. Crystal growth mechanisms of the (010)face of α-lactose monohydrate crystals. Journal of Crystal Growth, 311(8):2427–2432, 2009.

[25] M. G. Ganzle, G. Haase, and P. Jelen. Lactose: Crystallization, hydrolysis and value-addedderivatives. International Dairy Journal, 18(7):685–694, 2008.

[26] K. Hirotsu and A. Shimada. The crystal and molecular structure of β-lactose. Bulletin ofthe Chemical Society of Japan, 47(8):1872–1879, 1974.

[27] S. Garnier, S. Petit, and G. Coquerel. Dehydration mechanism and crystallisation behaviourof lactose. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 68(2):489–502, 2002.

[28] J. Lefebvre, J. F. Willart, V. Caron, R. Lefort, F. Affouard, and F. Danede. Structure deter-mination of the 1/1 α/β mixed lactose by X-ray powder diffraction. Acta Crystallographicasection B-Structural Science, 61(4):455–463, 2005.

88

Bibliografie

[29] V. V. Matyushkov, S. L. Panasyuk, and I. V. Yudini. Structure and lyoluminescent reactionsof free radicals of irradiated lactose. High Energy Chemistry, 17(2):110–114, 1983.

[30] Hong-Min Lee, Byung-Man Kwak, Jang-Hyuk Ahn, and Seung-Hwan Jeong. Develop-ment of ESR method for gamma-irradiated lactose powders. Journal of Food Engineering,100(1):25–31, 2010.

[31] Y. Karakirova, N. D. Yordanov, H. De Cooman, H. Vrielinck, and F. Callens. Dosimetriccharacteristics of different types of saccharides: An EPR and UV spectrometric study.Radiation Physics and Chemistry, 79(5):654–659, 2010.

[32] K. P. Madden and W. A. Bernhard. Esr-endor study of α-D-glucopyranose single-crystalsx-irradiated at 12 and 77 K. Journal of Physical Chemistry, 83(20):2643–2649, 1979.

[33] E. Pauwels, V. Van Speybroeck, and M. Waroquier. Radiation-induced radicals in α-D-glucose: Comparing DFT cluster calculations with magnetic resonance experiments. Spec-trochimica Acta Part A - Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 63(4):795–801, 2006.

[34] E. Pauwels, V. Van Speybroeck, G. Vanhaelewyn, F. Callens, and M. Waroquier. DFT-EPR study of radiation-induced radicals in α-D-glucose. International Journal of QuantumChemistry, 99(2):102–108, 2004.

[35] H. Neubache. Electron spin resonance (ESR) studies of radiation-induced radicals of α-D-glucose, β-D-glucose and D-glucuronic acid. Biophysik, 6(2):161, 1969.

[36] E. Y. Kozlova, A. G. Shostenko, and S. V. Ermolaev. EPR study of the radiolysis ofcellobiose, cellulose-containing materials, and their mixtures with methyl methacrylate.High Energy Chemistry, 29(1):19–23, 1995.

[37] M. Kuzuya and Y. Yamauchi. Plasma-induced free radicals of polycrystalline dicarbohy-drates studied by electron spin resonance. Thin Solid Films, 316(1-2):158–164, 1998.

[38] M. Wencka, K. Wichlacz, H. Kasprzyk, S. Lijewski, and S. K. Hoffmann. Free radicals andtheir electron spin relaxation in cellobiose. X-band and W-band esr and electron spin echostudies. Cellulose, 14(3):183–194, 2007.

[39] H. De Cooman, E. Pauwels, H. Vrielinck, A. Dimitrova, N. Yordanov, E. Sagstuen, M. Wa-roquier, and F. Callens. Radiation-induced defects in sucrose single crystals, revisited: Acombined electron magnetic resonance and density functional theory study. SpectrochimicaActa part A - Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 69(5):1372–1383, 2008.

[40] H. De Cooman, E. Pauwels, H. Vrielinck, E. Sagstuen, F. Callens, and M. Waroquier. Iden-tification and conformational study of stable radiation-induced defects iin sucrose singlecrystals using density functional theory calculations of electron magnetic resonance para-meters. Journal of Physical Chemistry B, 112(24):7298–7307, 2008.

[41] H. De Cooman, E. Pauwels, H. Vrielinck, E. Sagstuen, S. Van Doorslaer, F. Callens, andM. Waroquier. ENDOR and HYSCORE analysis and DFT-assisted identification of the

89

Bibliografie

third major stable radical in sucrose single crystals X-irradiated at room temperature.Physical Chemistry Chemistry Physics, 11(7):1105–1114, 2009.

[42] H. De Cooman, E. Pauwels, H. Vrielinck, E. Sagstuen, M. Waroquier, and F. Callens.Oxidation and reduction products of X irradiation at 10 K in sucrose single crystals: radicalidentification by EPR, ENDOR and DFT. Journal of Physical Chemistry B, 114(1):666–674, 2010.

[43] H. C. Box and E. E. Budzinski. A variation of the alkoxy radical. Journal of ChemicalPhysics, 79:4142–4145, 1983.

[44] H. C. Box, E. E. Budzinski, and H. G. Freund. Electrons trapped in singlecrystals of sucrose- induced spin-densities. Journal of Chemical Physics, 93:55–57, 1990.

[45] E. E. Budzinski, W. R. Potter, G. Potienko, and H. C. Box. Characteristics of trappedelectrons and electron traps in single crystals. Journal of Chemical Physics, 70:5040–5044,1979.

[46] W. Derbyshire. The coupling between an unpaired electron spin and a proton two bondsaway. Journal of Chemical Physics, 5:225–231, 1962.

[47] C. Heller and H. M. McConnell. Radiation damage in organic crystals .2. Electron spinresonance of (CO2H)CH2CH(CO2H) in beta-succinic acid. Journal of Chemical Physics,32:1535–1539, 1960.

[48] J. R. Morton. Electron spin resonance spectra of oriented radicals. Chemical Reviews,64:453–471, 1964.

[49] W. A. Bernhard, D. M. Close, K.R. Mercer, and J. C. Corelli. ESR of X-irradiated single-crystals of 3’-cytidylic acid - hydrogen abstraction from C5’ of sugar moiety. RadiationResearch, 66:19–32, 1976.

90

Elektronen magnetische resonantie studie van...

Documents

Transcript of Elektronen magnetische resonantie studie van...