Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания
Исследованы спектры ЭПР замороженных растворов солей парамагнитных катионов. Показано, что структура и форма спектров зависят от режима и состава среды замораживания. Полученные экспериментальные спектры ЭПР теоретически описаны спиновым гамильтонианом, содержащим аксиально-симметричный терм тонкой...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы криобиологии и криомедицины |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68836 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания / О.А. Нардид // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2014. — Т. 24, № 3. — С. 212-221. — Бібліогр.: 28 назв. — рос., англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-68836 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Нардид, О.А. 2014-09-30T06:18:06Z 2014-09-30T06:18:06Z 2014 Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания / О.А. Нардид // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2014. — Т. 24, № 3. — С. 212-221. — Бібліогр.: 28 назв. — рос., англ. 2307-6143 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68836 543.429.22:57.043 Исследованы спектры ЭПР замороженных растворов солей парамагнитных катионов. Показано, что структура и форма спектров зависят от режима и состава среды замораживания. Полученные экспериментальные спектры ЭПР теоретически описаны спиновым гамильтонианом, содержащим аксиально-симметричный терм тонкой структуры с проявлением запрещенных Δm = ±1 переходов. Предложено использовать подходы ЭПР при разработке низкотемпературных технологий консервирования биологических объектов для анализа режимов замораживания и возможных криопротекторов с целью прогнозирования минимизации эффектов криоповреждений высокими концентрациями солей при замораживании. Досліджено спектри ЕПР заморожених розчинів солей парамагнітних катіонів. Показано, що структура й форма спектрів залежать від режиму та складу середовища заморожування. Отримані експериментальні спектри ЕПР теоретично описані спіновими гамільтоніаном, який містить аксіально-симетричний терм тонкої структури з проявом заборонених Δm = ±1 переходів. Запропоновано використовувати підходи ЕПР при розробці низькотемпературних технологій консервування біологічних об'єктів для аналізу режимів заморожування й можливих кріопротекторів із метою прогнозування мінімізації ефектів кріопошкоджень високими концентраціями солей при заморожуванні. The EPR spectra of frozen salt solutions of paramagnetic cations were studied. The spectra structure and shape were demonstrated to be dependent on regimen and composition of freezing medium. The obtained experimental EPR spectra are theoretically described by spin Hamiltonian containing axially symmetric term of fine structure with manifestation of forbidden Δm = ±1 transitions. There was proposed to use EPR approaches in designing low temperature technologies for biological object preservation to analyze freezing regimens and possible cryoprotectants to forecast the minimization of cryoinjury effects with high salt concentrations during freezing. ru Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України Проблемы криобиологии и криомедицины Теоретическая и экспериментальная криобиология Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания Use of EPR Spectra Peculiarities of Transition Metal Ions When Studying Salt Concentrating Depending on Freezing Conditions Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания |
| spellingShingle |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания Нардид, О.А. Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| title_short |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания |
| title_full |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания |
| title_fullStr |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания |
| title_full_unstemmed |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания |
| title_sort |
использование особенностей спектров эпр ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания |
| author |
Нардид, О.А. |
| author_facet |
Нардид, О.А. |
| topic |
Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| topic_facet |
Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы криобиологии и криомедицины |
| publisher |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Use of EPR Spectra Peculiarities of Transition Metal Ions When Studying Salt Concentrating Depending on Freezing Conditions |
| description |
Исследованы спектры ЭПР замороженных растворов солей парамагнитных катионов. Показано, что структура и форма спектров зависят от режима и состава среды замораживания. Полученные экспериментальные спектры ЭПР теоретически описаны спиновым гамильтонианом, содержащим аксиально-симметричный терм тонкой структуры с проявлением запрещенных Δm = ±1 переходов. Предложено использовать подходы ЭПР при разработке низкотемпературных технологий консервирования биологических объектов для анализа режимов замораживания и возможных криопротекторов с целью прогнозирования минимизации эффектов криоповреждений высокими концентрациями солей при замораживании.
Досліджено спектри ЕПР заморожених розчинів солей парамагнітних катіонів. Показано, що структура й форма спектрів залежать від режиму та складу середовища заморожування. Отримані експериментальні спектри ЕПР теоретично описані спіновими гамільтоніаном, який містить аксіально-симетричний терм тонкої структури з проявом заборонених Δm = ±1 переходів. Запропоновано використовувати підходи ЕПР при розробці низькотемпературних технологій консервування біологічних об'єктів для аналізу режимів заморожування й можливих кріопротекторів із метою прогнозування мінімізації ефектів кріопошкоджень високими концентраціями солей при заморожуванні.
The EPR spectra of frozen salt solutions of paramagnetic cations were studied. The spectra structure and shape were demonstrated to be dependent on regimen and composition of freezing medium. The obtained experimental EPR spectra are theoretically described by spin Hamiltonian containing axially symmetric term of fine structure with manifestation of forbidden Δm = ±1 transitions. There was proposed to use EPR approaches in designing low temperature technologies for biological object preservation to analyze freezing regimens and possible cryoprotectants to forecast the minimization of cryoinjury effects with high salt concentrations during freezing.
|
| issn |
2307-6143 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68836 |
| citation_txt |
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных металлов при исследовании концентрирования солей в зависимости от условий замораживания / О.А. Нардид // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2014. — Т. 24, № 3. — С. 212-221. — Бібліогр.: 28 назв. — рос., англ. |
| work_keys_str_mv |
AT nardidoa ispolʹzovanieosobennosteispektrovéprionovperehodnyhmetallovpriissledovaniikoncentrirovaniâsoleivzavisimostiotusloviizamoraživaniâ AT nardidoa useofeprspectrapeculiaritiesoftransitionmetalionswhenstudyingsaltconcentratingdependingonfreezingconditions |
| first_indexed |
2025-11-27T09:09:35Z |
| last_indexed |
2025-11-27T09:09:35Z |
| _version_ |
1850807938757689344 |
| fulltext |
УДК 543.429.22:57.043
О.А. Нардид
Использование особенностей спектров ЭПР ионов переходных
металлов при исследовании концентрирования солей в
зависимости от условий замораживания
UDC 543.429.22:57.043
O.A. Nardid
Use of EPR Spectra Peculiarities of Transition Metal Ions When
Studying Salt Concentrating Depending on Freezing Conditions
Реферат: Исследованы спектры ЭПР замороженных растворов солей парамагнитных катионов. Показано, что структура
и форма спектров зависят от режима и состава среды замораживания. Полученные экспериментальные спектры ЭПР
теоретически описаны спиновым гамильтонианом, содержащим аксиально-симметричный терм тонкой структуры с
проявлением запрещенных ∆m = ±1 переходов. Предложено использовать подходы ЭПР при разработке низкотемпературных
технологий консервирования биологических объектов для анализа режимов замораживания и возможных криопротекторов
с целью прогнозирования минимизации эффектов криоповреждений высокими концентрациями солей при замораживании.
Ключевые слова: замораживание, гиперконцентрирование, электронный парамагнитный резонанс, спин-гамильтониан,
структура спектров.
Реферат: Досліджено спектри ЕПР заморожених розчинів солей парамагнітних катіонів. Показано, що структура й
форма спектрів залежать від режиму та складу середовища заморожування. Отримані експериментальні спектри ЕПР
теоретично описані спіновими гамільтоніаном, який містить аксіально-симетричний терм тонкої структури з проявом
заборонених ∆m = ±1 переходів. Запропоновано використовувати підходи ЕПР при розробці низькотемпературних технологій
консервування біологічних об'єктів для аналізу режимів заморожування й можливих кріопротекторів із метою прогнозування
мінімізації ефектів кріопошкоджень високими концентраціями солей при заморожуванні.
Ключові слова: заморожування, гіперконцентрування, електронний парамагнітний резонанс, спін-гамільтоніан, структура
спектрів.
Abstract: The EPR spectra of frozen salt solutions of paramagnetic cations were studied. The spectra structure and shape were
demonstrated to be dependent on regimen and composition of freezing medium. The obtained experimental EPR spectra are theoretically
described by spin Hamiltonian containing axially symmetric term of fine structure with manifestation of forbidden ∆m = ±1 transitions.
There was proposed to use EPR approaches in designing low temperature technologies for biological object preservation to analyze
freezing regimens and possible cryoprotectants to forecast the minimization of cryoinjury effects with high salt concentrations during
freezing.
Key words: freezing, hyperconcentration, electron paramagnetic resonance, spin Hamiltonian, structure of spectra.
Адрес для корреспонденции:
ул. Переяславская, 23, г. Харьков, Украина 61015;
тел.: (+38 057) 373-31-41, факс: (+38 057) 373-30-84,
электронная почта: olnard@mail.ru
Address for correspondence:
23, Pereyaslavskaya str., Kharkov, Ukraine 61015;
tel.:+380 57 373 3141, fax: +380 57 373 3084,
e-mail: olnard@mail.ru
Department of Cryobiophysics, Institute for Problems of Cryobio-
logy and Cryomedicine of the National Academy of Sciences of
Ukraine, Kharkov, Ukraine
Отдел криобиофизики, Институт проблем криобиологии и
криомедицины НАН Украины, г. Харьков
Поступила 23.04.2013
Принята в печать 02.07.2014
Проблемы криобиологии и криомедицины. – 2014. – Т. 24, №3. – С. 212–221.
© 2014 Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины
Received April, 23, 2013
Accepted July, 02, 2014
Probl. Cryobiol. Cryomed. 2014. 24(3): 212–221.
© 2014 Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine
оригинальное исследование research article
Еще на ранних этапах развития криобиологии
исследователи обращали внимание на то, что
повреждение биологических объектов при замора-
живании возникает вследствие повышения кон-
центрации солей, метаболитов и других веществ,
растворенных вне и внутри клетки, при фазовом
переходе жидкой воды в твердое состояние. Эти
наблюдения легли в основу концепции J.I. Lovelock,
который установил, что увеличение концентрации
хлорида натрия во внеклеточной среде выше
0,8 моль/л приводит к повреждению клеток [19, 20],
утрате мембранами клеток части фосфолипидов
и холестерина, что резко снижает их устойчивость.
Повреждение клеток J.I. Lovelock объяснял лио-
Even at early stages of cryobiology development
the scientists paid their attention to the injury of biolo-
gical objects during freezing as occurred due to a rise
in concentrations of salts, metabolites and other sub-
stances, dissolved outside and inside a cell, during phase
transition of liquid water into a solid state. These obser-
vations formed the basis of Lovelock’s concept, which
established the fact, that the augmentation of sodium
chloride concentration in extracellular medium higher
than 0.8 mol/l resulted in cell damage [8, 9], a loss by
cell membranes of a part of phospholipids and cho-
lesterol, that sharply reduced their resistance. J.I. Love-
lock has explained a cell damage by a lyotropic effect
of saline solutions, but their protection has done by
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
213
colligative properties of cryoprotectants (the action,
associated with a decrease in salt concentration at a
fixed negative temperature). One considers the cryo-
injuries in bioobjects with the increased salt concent-
rations during freezing to play a considerable role under
low freezing rates [10]. These regularities and other
experimental facts were explained by Mazur’s two-
factor hypothesis for cryoinjury. The hypothesis and
its physical and mathematical model [11, 12], further
developed in the works of O.M. Silvares [23] and
E.A. Gordienko [5] start from assumption that the con-
centration of extracellular solutions of salts and meta-
bolites, change in pH and ionic strength of solution are
referred to the one of phenomena resulting in cryoinju-
ries. Damaging effect of increased salt concentrations
was established in protein solutions as well [16, 19, 20,
21]. Theoretical and practical importance of Lovelock’s
hyperconcentration theory of cryoinjuries consists in
the fact that the results of studying the effect mecha-
nisms of concentrated solutions onto the cells under
low temperatures enable the substantiation of a protec-
tive effect of glycerol and other cryoprotectants, consis-
ting in a decreased concentration of active solution via
‘dilution’, especially in the area of eutectic temperatu-
res. The research performed at the Institute for Prob-
lems of Cryobiology and Cryomedicine of the National
Academy of Sciences of Ukraine on studying the
interactions of cryoprotectants with salt ions also cont-
ributed into the derivation of theory for cryoprotection
against occurring salt hyperconcentrations [13, 14, 16].
Metal cations were demonstrated as capable to form
complex compounds, the composition of first coordi-
nation sphere of which may comprise cryoprotectant
molecules, aminoacids and counter-ions. Taking into
account the importance of salt concentration increase
in bioobject cryoinjuries we may state that the selection
of medium and freezing regimens, which minimize the
hyperconcentration effect, is an important task in low
temperature preservation. In addition the level of such
a concentration should be considered. When develo-
ping the ways and technologies for biological object
cryopreservation in saline media, of importance are
often the prognosis and forecasting of the degree of
salt concentration and injuries in bioobjects themselves.
These processes may be indirectly estimated by such
methodical approaches as cryomicroscopy or X-ray
diffraction, analysis of crystallization processes, but of
some advantages are the methods of direct control (e.g.
EPR) for salt concentration degree during freezing.
Accordingly this research aim was to study the
spectra features of electron paramagnetic resonance
(EPR) of transition metal ions for assessing the con-
centration effects during freezing.
тропным эффектом солевых растворов, а их защи-
ту – коллигативными свойствами криопротекторов
(действием, связанным со снижением концентра-
ции солей при данной отрицательной температуре).
Считается, что криоповреждения биообъектов по-
вышенными концентрациями солей при заморажи-
вании играют значительную роль при низких ско-
ростях замораживания [21]. Эти закономерности
и другие экспериментальные факты объяснила
двухфакторная гипотеза криоповреждения P. Mazur.
В основе гипотезы и ее физико-математической
модели [22, 23], нашедшей дальнейшее развитие
в работах O.M. Silvares [28] и Е.А. Гордиенко [8],
лежит предположение, что одним из явлений, кото-
рые приводят к криоповреждениям, относится кон-
центрирование внеклеточных растворов солей и
метаболитов, изменение рН и ионной силы раство-
ров. Установлено повреждающее действие повы-
шенных концентраций солей и в растворах белков
[12, 15, 26, 27]. Теоретическое и практическое зна-
чение гиперконцентрационной теории криоповреж-
дений J.I. Lovelock состоит в том, что результаты
изучения механизмов влияния концентрированных
растворов на клетки в условиях низких температур
дают возможность обосновать защитное действие
глицерина и других криопротекторов, заключаю-
щееся в снижении концентрации активного раст-
вора путем «разбавления», особенно в зоне эвтек-
тических температур. Вклад в построение теории
криозащиты от возникающих гиперконцентраций
солей внесли также исследования, проведенные в
ИПКиК НАН Украины, по изучению взаимодейст-
вий криопротекторов с ионами солей [11, 12, 24].
Было показано, что катионы металлов способны
образовывать комплексные соединения, в состав
первой координационной сферы которых могут
входить молекулы криопротекторов, аминокислоты
и противоионы. Учитывая значимость повышения
концентрации солей в криоповреждениях биообъек-
тов, можно утверждать, что важной задачей при
низкотемпературном консервировании является
выбор среды и режимов замораживания, миними-
зирующих эффект гиперконцентрации. Кроме того,
необходимо учитывать уровень такого концент-
рирования. При разработке способов и технологий
криоконсервирования биологических объектов в
солевых средах часто важны прогноз и предска-
зание степени концентрирования солей и поврежде-
ния самих биообъектов. Эти процессы косвенно
можно оценить такими методическими подходами,
как криомикроскопия или рентгенография, по
анализу процессов кристаллизации, но методы
прямого контроля степени концентрирования солей
214 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
Materials and methods
We used MnCl2 and Cu(NO3)2 salts of analytical
pure grade, preliminarily dehydrated with drying. Poly-
ethylene glycol underwent dehydration at 105°C and
normal pressure as well. The cation concentration was
determined by complexometric titration with EDTA
solution [22]. The error in concentration determining
should not exceed 2%.
EPR spectra were recorded with Bruker ER 100D
(Germany) with the standard temperature adapter.
Scanning of magnetic field was 1000 Gs, the time con-
stant at spectra recording was 0.3 sec, and 200 sec
scanning time. Control experiments demonstrated that
under described conditions the spectra remained undis-
torted as a result of overmodulation or inertial effects.
Samples were slowly frozen with 20–35 deg/min
average rates in spectrometer resonator. Samples were
placed into 0.1 ml glass capillaries with 500 nm inner
diameter. Rapid freezing was carried-out in spectro-
meter resonator as well in a special cryostat by cooling
single drops of studied solution in a liquefied nitrogen
with evaluating rate of ~1000 deg/min [6].
Results and discussion
An increase in electrolyte concentration during
cooling as a result of water phase transition from a
liquid state into solid one is an important physical and
chemical factor in biological material freezing. Elect-
rolyte concentration augments especially sharply in the
area of eutectic temperatures [17], that leads to a disor-
der in biomacromolecule conformation and cell mem-
brane structure.
Taking into account the fact, that the EPR spectra
of paramagnetic cation salts are sensitive to changes
in the surrounding vicinity of these ions [4, 7, 15] it is
expedient to use them for estimating salt concentration,
including when applying different freezing conditions
as well. The ‘transparence’ of frozen solutions for
radiation in microwave spectrum enables applying this
method to analyze the structure, phase state and
molecular-dynamic features of frozen solutions in ice
phase presence [16, 27, 28].
For example, the manganese ions (Mn2+) in diluted
aqueous solution have EPR spectrum with six-compo-
nent hyperfine structure. Under slow cooling down of
aqueous solutions and water transition from a liquid
state into solid one, in a residuary liquid phase of solvent
the high local concentrations of paramagnetic cations
are formed, the distance between them reduces, resul-
ting in strengthening of spin-spin interactions between
paramagnetics and a change in EPR spectrum form.
When decreasing the temperature down to the values
of solidification of eutectic liquid ranges with dissolved
substance the EPR linewidth (according to the theory
при замораживании (например, ЭПР) имеют ряд
преимуществ.
В связи с этим целью данной работы было ис-
следование особенностей спектров электронного
парамагнитного резонанса (ЭПР) ионов переход-
ных металлов для оценки концентрационных
эффектов при замораживании.
Материалы и методы
В работе использовали соли MnCl2 и Сu(NO3)2
квалификации «ч.д.а.», которые предварительно
обезвоживали высушиванием. Обезвоживанию при
105°С и нормальном давлении также подвергался
полиэтиленгликоль. Концентрацию катионов опре-
деляли комплекснометрическим титрованием
раствором ЭДТА [16]. Ошибка при определении
концентрации не должна превышать 2%.
Спектры ЭПР регистрировали на спектрометре
«Bruker» ER 100D (Германия) со стандартной
температурной приставкой. Развертка магнитного
поля составляла 1000 Гс, постоянная времени при
записи спектров – 0,3 с, время развертки – 100 с.
Контрольные опыты показали, что при описанных
условиях спектры не искажались в результате пере-
модуляции или инерционных эффектов.
Медленное замораживание образцов осущест-
вляли со средними скоростями 20–35 град/мин не-
посредственно в резонаторе спектрометра. Образ-
цы помещали в стеклянные капилляры с внутрен-
ним диаметром 500 нм и объемом 0,1 мл. Быстрое
замораживание проводили также в резонаторе спек-
трометра в специальном криостате, охлаждая от-
дельные капли исследуемого раствора в сжижен-
ном азоте с оценочной скоростью ~1000 град/мин
[9].
Результаты и обсуждение
Важным физико-химическим фактором при
замораживании биологического материала являет-
ся повышение концентрации электролитов при
охлаждении в результате фазового перехода воды
из жидкого состояния в твердое. Особенно резко
концентрация электролитов увеличивается в зоне
эвтектических температур [13], что приводит к
нарушению конформации биомакромолекул и
структуры клеточных мембран.
Учитывая, что спектры ЭПР солей парамагнит-
ных катионов чувствительны к изменениям в
ближайшем окружении этих ионов [7, 10, 25], их
целесообразно использовать для оценки концент-
рирования солей, в том числе и при разных условиях
замораживания. «Прозрачность» замороженных
растворов для излучений в СВЧ диапазоне позво-
ляет применять этот метод для анализа структуры,
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
215
of intermolecular interactions in a solid body) stops to
be dependent on further temperature decrease. The
Fig. 1A demonstrates the spectrum of MnCl2 aqueous
solution slowly frozen in spectrometer resonator.
Instead of a hyperfine sextet, being typical for aqueous
saline solution in a liquid state we observe a wide singlet
with ∆H ~ 550 Hs. Absence of hyperfine structure in
this case testifies to significant molecular interactions
in the system, stipulated by high-concentrated ions [24].
During rapid freezing when a small-crystal solid struc-
ture with inclusions of amorphous phase is formed and
intermolecular effects are manifested in less extent,
the superposition of sextet with singlet is observed in
EPR spectrum (Fig. 1B). The occurrence of hyperfine
structure in Mn55 EPR spectra testifies to the impro-
vement of magnet dissolution. The use of special ap-
proaches in freezing saline solutions enables to obtain
a solid matrix with no significant local salt concentra-
tions, that is confirmed by a high resolution of EPR
spectra of these samples. Thus, for example, in order
to prevent the paramagnet concentration when cooling
aqueous solutions there was proposed to saturate poly-
dextran gel with salt solution [2]. In this case after
freezing we obtained high resolution EPR spectra.
фазового состояния и молекулярно-динамических
свойств замороженных растворов в присутствии
фазы льда [4, 5, 12].
Например, ионы марганца (Mn2+) в разбавлен-
ном водном растворе имеют спектр ЭПР с шести-
компонентной сверхтонкой структурой. При мед-
ленном охлаждении водных растворов и переходе
воды из жидкого в твердое состояние в остав-
шейся жидкой фазе растворителя образуются
высокие локальные концентрации парамагнитных
катионов, уменьшается расстояние между ними и
в итоге усиливаются спин-спиновые взаимодейст-
вия между парамагнетиками и изменяется вид
спектра ЭПР. При понижении температуры до
значений затвердевания эвтектических жидких об-
ластей с растворенным веществом ширина линии
ЭПР (согласно теории межмолекулярных взаимо-
действий в твердом теле) перестает зависеть от
дальнейшего понижения температуры. На рис. 1, A
приведен спектр водного раствора MnCl2, медлен-
но замороженного в резонаторе спектрометра.
Вместо сверхтонкого секстета, характерного для
водного раствора соли в жидком состоянии, наблю-
дается широкий синглет с ∆Н ~ 550 Гс. Отсутствие
сверхтонкой структуры в этом случае свидетельст-
вует о значительных межмолекулярных взаимо-
действиях в системе, обусловленных высокими
концентрациями ионов [1]. При быстром замора-
живании, когда образуется мелкокристаллическая
твердая структура с вкраплениями аморфной фа-
зы, а межмолекулярные эффекты проявляются в
меньшей степени, в спектре ЭПР наблюдается
суперпозиция секстета с синглетом (рис.1, B). Об
улучшении растворения магнетика свидетельст-
вует появление сверхтонкой структуры в спектрах
ЭПР Mn55. Использование специальных подходов
при замораживании солевых растворов позволяет
получать твердую матрицу без значительных ло-
кальных концентраций солей, что подтверждается
высоким разрешением спектров ЭПР таких образ-
цов. Так, например, для предотвращения концентри-
рования парамагнетиков при охлаждении водных
растворов было предложено насыщать раствором
соли полидекстрановый гель [18]. В этом случае
после замораживания были получены спектры
ЭПР с высоким разрешением.
Проведенные нами исследования водно-глико-
левых растворов MnCl2 показали, что при содержа-
нии в них (0,15–0,35) М гликоля после медленного
охлаждения до –180°С наблюдается лучшее разре-
шение спектра ЭПР, даже по сравнению с быстро
замороженными водными растворами. При этом
с понижением температуры происходит постепен-
ное «вымораживание» воды и увеличивается
Рис. 1. Спектры ЭПР 0,01 М растворов MnCl2: A – вод-
ный раствор (медленное замораживание); B – водный
раствор (быстрое замораживание); C – водно-полиэти-
ленгликолевый раствор, содержащий 2,8 М ПЭГ-300
(медленное замораживание).
Fig. 1. EPR spectra of 0.01 M MnCl2 solutions: A – aqueous
solution (slow freezing); B – aqueous solution (rapid
freezing); C – aqueous-polyethylene glycol solution, contai-
ning 2.8 M PEG-300 (slow freezing).
A
B
C
Напряженность магнитного поля, Гс
Magnetic flux density, Gs
216 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
Our studies of aqueous-glycol MnCl2 solutions
demonstrated that when glycol content in them was
even (0.15–0.35) M, after slow cooling down to –180°C
there was observed a higher resolution of EPR spect-
rum if comparing with rapidly frozen aqueous solutions.
In this case with temperature decrease a gradual water
‘freezing-out’ occurs and glycol concentration in remai-
ning liquid phase increases up to its eutectic values.
The glycol molecules solvated with ions did not undergo
such a concentration and approach between themsel-
ves as it was in aqueous solutions, where by EPR
spectra shape we noted a significant spin-spin interac-
tion. This occurred despite the fact that such a content
of glycols in aqueous solution in freezing kept the
crystallization of quite large ice grains [18]. There is
an assumption that the aquacomplexes in such systems
may penetrate into the cavities of structural formations
of glycols [16]. High concentrations of polyethylene
glycol (close to eutectic ones) we used allowed even
at slow freezing to obtain a solid phase close to amor-
phous structure. In EPR spectra of solid samples of
MnCl2 aqueous-polyethylene glycol solutions in this
case we noted a high resolution of hyperfine transitions,
including ‘forbidden’ ones too (Fig. 1C).
The use as additives of other organic solvents, ethyl
alcohol for example, also prevented salt concentration
in freezing, but in low temperature (–180°C) EPR
spectra of such MnCl2 solutions we observed a hyper-
fine splitting, testifying to a decrease in spin-spin inter-
actions between certain cations.
The EPR spectra hyperfine structure of 0.01 M
MnCl2 of frozen aqueous-polyethylene glycol solution
(Fig. 1C) is similar to that of low temperature EPR
spectra of salt solutions in methanol [3]. The mentioned
spectra comprise 6 ‘principal’ lines with value of
g = 2.00 and distances between them (90–100) Gs. In
addition to ‘principal’ lines, the other ones with quite
good resolution, consisting of five doublets, are obser-
ved in spectra. Each doublet is located between two
‘principal’ lines. The splitting between two lines,
forming doublet is within the limits of 20–30 Gs (Table).
The doublet in a high field terminal has a weaker inten-
sity. Six principal lines may be described with spin
Hamiltonian, which comprises a spherically symmetric
term of hyperfine structure and contains no term of
fine structure. These lines may be also described with
spin Hamiltonian, containing axial-symmetric term of
fine structure with a single transition when changing
magnetic quantum number of electron spin: М = 1/2 –
М = –1/2 [1].
For the latter case the spin Hamiltonian is as follows:
( ASISSSDHSgH z +
+−+= )1
3
1ˆ 2β ,
концентрация гликоля в оставшейся жидкой фазе
до эвтектических ее значений. Ионы, сольватиро-
ванные молекулами гликоля, не претерпевали
такого концентрирования и сближения между
собой, как в водных растворах, в которых по виду
спектров ЭПР отмечалось значительное спин-спи-
новое взаимодействие. И это происходило несмот-
ря на то, что такое содержание гликолей в водном
растворе при замораживании сохраняет кристал-
лизацию достаточно крупных зерен льда [14]. Су-
ществует предположение, что аквакомплексы мо-
гут в таких системах внедряться в полости струк-
турных образований гликолей [12]. Использование
нами высоких концентраций полиэтиленгликоля
(близких к эвтектическим) позволило даже в слу-
чае медленного замораживания получить твердую
фазу, сходную с аморфной структурой. В спектрах
ЭПР твердых образцов водно-полиэтиленглико-
левых растворов MnCl2 в этом случае наблюда-
лось высокое разрешение сверхтонких переходов,
включая и «запрещенные» (рис. 1, C).
Использование в качестве добавок других орга-
нических растворителей, например этилового спир-
та, также предотвращало концентрирование солей
при замораживании, а в низкотемпературных
(–180°С) спектрах ЭПР таких растворов MnCl2 на-
блюдалось сверхтонкое расщепление, свидетель-
ствующее об уменьшении спин-спиновых взаимо-
действий между отдельными катионами.
Сверхтонкая структура спектра ЭПР 0,01 М
MnCl2 замороженного водно-полиэтиленгликолевого
раствора (рис. 1, C) сходна со сверхтонкой структу-
рой низкотемпературных спектров ЭПР растворов
соли в метаноле [6]. Указанные спектры состоят
из шести «главных» линий со значением g = 2,00 и
расстояниями между ними (90–100) Гс. Помимо
«главных», в спектрах наблюдаются и другие линии
с достаточно хорошим разрешением, которые сос-
тоят из пяти дублетов. Каждый дублет располо-
жен между двумя «главными» линиями. Расщепле-
ние между двумя линиями, составляющими дублет,
находится в пределах 20–30 Гс (таблица). Дублет
в высокопольном конце имеет более слабую интен-
сивность. Шесть главных линий могут быть описа-
ны спиновым гамильтонианом, который включает
сферически симметричный терм сверхтонкой
структуры и не содержит терм тонкой структуры.
Эти линии также могут быть описаны спиновым
гамильтонианом, содержащим аксиально-симмет-
ричный терм тонкой структуры с единственным
переходом при изменении магнитного квантового
числа электронного спина: М = 1/2 – М = –1/2 [17].
Для последнего случая спиновый гамильтониан
имеет вид:
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
217
where g is spectroscopic splitting factor; β is Bohr
electron magneton; H – constant magnetic field vector;
S – vector of spin angular momentum of electron; D –
spin Hamiltonian constant; A – constant of hyperfine
magnetic interaction; I – vector of spin angular
momentum of nucleus.
The position of principal lines is determined by the
expression:
( )[ ] ( )12
2
1
2 0
2
2
0
2
0 −
γ
β−−−
γ
β−−
β
γ= mm
h
gAmII
h
gAAm
g
hH ,
where h is Planck’s constant; γ0 – gyromagnetic ratio
for electron; m – nuclear magnetic quantum number.
This expression shows that with Hamiltonian, com-
prising axial-symmetric term of fine structure the split-
ting between ‘principal’ lines should augment with
magnetic field increase.
When comparing the theoretically predicted EPR
spectrum with experimentally obtained one (Fig. 1, c)
we may state that six ‘principal’ lines are the hyperfine
components from manganese nucleus with magnetic
momentum µ = 3.4611 and spin I=5/2. The pairs of
low-intensity lines between ‘principal’ components are
stipulated by transitions with simultaneously changing
spins of electron and nucleus by ±1. An attempt was
made to analyze the forbidden transitions of EPR
hyperfine structure spectra in frozen vitreous and
polycrystal states [1–3]. The position of spectral lines
for forbidden transition can be presented as follows:
for m,/m,/ 21121 −↔+
( ) ( )
+++
+−=
4
112
2
1
0
2
0 mmH/AmAHH ; (1)
for 12121 +−↔ m,/m,/
( ) ( )
−++
+−=
4
6712
2
1
0
2
0 mmH/AmAHH . (2)
In equations (1) and (2) Н0
= hγ/gβ. At I = 5/2 (for
manganese ions) the mentioned above expressions
determine five doublets, each of them is located at
halfway between two resolved lines of hyperfine
structure. By the equations (1) and (2) we may cal-
culate the splitting ∆H for the doublet:
∆Н = 17А2/2Н0. (3)
Fig. 1C shows the EPR spectrum structure to coin-
cide well with the calculated one (proceeding from
corresponding Hamiltonian). If measuring A from the
positions of ‘principal’ lines, the ∆H value can be appro-
ximately calculated and compared with the measured
values of doublet splittings. The results of comparison
( ASISSSDHSgH z +
+−+= )1
3
1ˆ 2β ,
где g – фактор спектроскопического расщепления;
β – электронный магнетон Бора; H – вектор пос-
тоянного магнитного поля; S – вектор спинового
углового момента электрона; D – константа спин-
гамильтониана; А – константа сверхтонкого маг-
нитного взаимодействия; I – вектор спинового уг-
лового момента ядра.
Положение главных линий определяется выра-
жением:
( )[ ] ( )12
2
1
2 0
2
2
0
2
0 −
γ
β−−−
γ
β−−
β
γ= mm
h
gAmII
h
gAAm
g
hH ,
где h – постоянная Планка; γ0 – гиромагнитное
отношение для электрона; m – ядерное магнитное
квантовое число.
Из этого выражения видно, что c гамильтониа-
ном, содержащим аксиально-симметричный терм
тонкой структуры, расщепление между «главны-
ми» линиями должно увеличиваться с возраста-
нием магнитного поля.
Сравнивая теоретически предсказываемый
спектр ЭПР с экспериментально полученным
(рис. 1, C), можно утверждать, что шесть «глав-
ных» линий являются сверхтонкими компонентами
от ядра марганца с магнитным моментом µ = 3,4611
и спином I = 5/2. Пары слабоинтенсивных линий
между «главными» компонентами обусловлены
переходами с одновременно изменяющимися спи-
нами электрона и ядра на ±1. Была предпринята
попытка проанализировать запрещенные переходы
спектров сверхтонкой структуры ЭПР в заморо-
женных стеклообразных и поликристаллических
состояниях [6, 17, 18]. Положение спектральных
линий для запрещенного перехода можно предста-
вить следующим образом [17]:
для m,/m,/ 21121 −↔+
( ) ( )
+++
+−=
4
112
2
1
0
2
0 mmH/AmAHH ; (1)
для 12121 +−↔ m,/m,/
( ) ( )
−++
+−=
4
6712
2
1
0
2
0 mmH/AmAHH . (2)
В уравнениях (1) и (2) Н0
= hγ/gβ. При I = 5/2
(для ионов марганца) приведенные выше выраже-
ния определяют пять дублетов, каждый из которых
расположен на половине расстояния между двумя
разрешенными линиями сверхтонкой структуры.
218 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
given in the Table demonstrate a good matching of
these values.
The similar data may be obtained for salt solutions
of other paramagnetic cations as well. Fig. 2 shows
the EPR spectrum of slowly frozen Cu(NO3)2 aqueous
solution, consisting in symmetric singlet line without
hyperfine structure, that is stipulated by the presence
of interparticle dipole-dipole interactions of equivalent
spins, caused by salt concentration during freezing and
approaching of paramagnetic ions, that results in con-
traction of hyperfine structure. After using a similar
freezing regimen of aqueous-polyethylene glycol solu-
tion of this salt in EPR spectrum of Cu2+ ions there is
observed a much higher resolution of EPR spectrum
with manifestation of hyperfine structure (Fig, 3), that
testifies to the absence of salt concentration during
freezing. The obtained spectra may be also described
by spin-Hamiltonian similar to the mentioned above
one. In this case the manifestation of hyperfine struc-
ture of spectrum enables to calculate even the bond
energy with the nearest ligands. In our case, the EPR
spectra parameters were used to assess the degree of
covalency of ligand σ-bonds in the xy plane of square-
planar copper complexes, e. g. with formazans [26]
or cryoprotectant molecules [13].
As it proceeds from the mentioned above experi-
mental data the use of EPR method allows to differ
the isolated and interacting paramagnetic ions. Molecu-
lar interactions in aqueous solutions are determined by
the structure of the nearest environment of cations
and solution in a whole. In the cations besides the first
hydration shell we noted the presence of resistant se-
По уравнениям (1) и (2) можно вычислить расщеп-
ление ∆Н для дублета:
∆Н = 17А2/2Н0. (3)
Структура спектра ЭПР, представленная на на
рис. 1, C, хорошо совпадает с рассчитанной (исходя
из соответствующего гамильтониана). Если изме-
рить А из положений «главных» линий, то можно
приблизительно рассчитать величину ∆Н и сопос-
тавить с измеренными значениями расщеплений
дублета. Результаты сравнения, приведенные в
таблице, показывают хорошее совпадение этих
величин.
Аналогичные данные можно получить и для
растворов солей других парамагнитных катионов.
Так, на рис. 2 представлен спектр ЭПР медленно
замороженного водного раствора Сu(NO3)2, кото-
рый состоит из симметричной синглетной линии,
не имеющей сверхтонкой структуры. Это обуслов-
лено наличием межчастичных диполь-дипольных
взаимодействий эквивалентных спинов, вызванных
концентрированием соли при замораживании и
сближением при этом парамагнитных ионов, что и
приводит к свертыванию сверхтонкой структуры.
После использования такого же режима заморажи-
вания водно-полиэтиленгликолевого раствора этой
соли в спектре ЭПР ионов Сu2+ наблюдается значи-
тельно лучшее разрешение спектра ЭПР с прояв-
лением сверхтонкой структуры (рис. 3), что свиде-
тельствует об отсутствии концентрирования солей
при замораживании. Полученные спектры также
можно описать спин-гамильтонианом, подобным
приведенному выше. Проявление при этом сверх-
тонкой структуры спектра позволяет рассчитать
даже энергию связи с ближайшими лигандами.
Рис. 2. Спектр ЭПР для 0,01 М водного раствора
Сu(NO3)2, медленно замороженного до температуры
–180°С.
Fig. 2. EPR spectrum for 0.01 M aqueous solution Cu(NO3)2
slowly frozen down to –180°C.
Напряженность магнитного поля, Гс
Magnetic flux density, Gs
Рис. 3. Спектр ЭПР для 0,01 М водно-полиэтиленглико-
левого раствора Сu(NO3)2, медленно замороженного
до температуры –180°С.
Fig. 3. EPR spectrum for 0.01 M aqueous-polyethylene
glycol solution Cu(NO3)2 slowly frozen down to –180°C.
Напряженность магнитного поля, Гс
Magnetic flux density, Gs
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
219
Так, по параметрам спектров ЭПР
была оценена степень ковалентности
σ-связей лигандов в плоскости xy
плоскоквадратных комплексов меди,
например, с формазанами [3] или мо-
лекулами криопротекторов [24].
Как следует из приведенных выше
экспериментальных данных, исполь-
зование метода ЭПР дает возмож-
ность различать изолированные и
взаимодействующие друг с другом
парамагнитные ионы. Межмолекуляр-
ные связи в водных растворах солей
определяются структурой ближайше-
го окружения катионов и раствора в
целом. У катионов отмечено наличие,
помимо первой гидратной оболочки,
устойчивой второй, а также возмож-
ное существование последующих гид-
ратных сфер, устойчивость которых
уменьшается по мере увеличения их
числа [2]. Наличие такой гидратной
шубы в сильно разбавленных раст-
ворах препятствует сближению катио-
нов на достаточно близкие расстоя-
cond one, as well as a possible existence of following
hydrate spheres, the resistance of which decreased
with their number augmentation [25]. The presence
of such a hydrated coat in strongly diluted solutions
pre-vents the cation approaching close enough, thereby
reduces the efficiency of intermolecular relationship.
In this case the shape of EPR spectra is mostly deter-
mined by relaxation effects in liquid systems and is
virtually independent on dilution within the salt concen-
tration range from 0.001 to 0.1. The intermolecular
spin-spin interactions, modulated up to a complete solidi-
fication of system by a forward motion of liquid particles,
are strengthened as a result of salt concentration in
the rest liquid areas during freezing of salt aqueous
solutions. Such a strengthening of intermolecular coup-
ling between paramagnetic centers results in a signi-
ficant change of EPR spectra. Fine and hyperfine struc-
tures are manifested in frozen aqueous-polyethylene
glycol salt solutions in EPR spectra, that suggests a
significant decrease in dipole-dipole interactions bet-
ween paramagnetic centers due to a large distance
between them in a solid matrix. The complexes formed
by cations, a solvate sphere of which comprises poly-
ethylene glycol molecules, contribute to a decreased
interactions as well [13].
Conclusions
Thus, the use of EPR spectra of paramagnetic
cation salts opens wide possibilities to assess hyper-
Параметры спектров ЭПР Mn2+ при –180°С
Mn2+ EPR spectra parameters at –180°C
ьлетировтсаР
tnevloS
хынвалгеинелпещсаР
тоиинелварпанвйинил
умокосывкогокзин
сГ,юлопумонтингам
lapicnirpfognittilpS
morfnoitceridnisenil
otdleifcitengamwol
sG,enohgih
еинелпещсаР
ввотелбуд
тоиинелварпан
умокосывкогокзин
(юлоп ∆ сГ,)Н
nistelbuodfognittilpS
wolmorfnoitcerid
hgihotdleifcitengam
(eno ∆ sG,)Н
003-ГЭПМ8,2
003-GEPM8.2 2±001,89,59,29,09 2±42,22,12,91
трипсйыволитеМ
lonahteM 2±001,89,69,59,39 2±62,42,42,22
lCHМ21 2±29,09,09,88,78 2±32,42,02,91
Примечание: Расщепление дублетов, рассчитанное по формуле (3)
для образца, который содержит ПЭГ-300, составило – (23 ± 1) Гс,
метиловый спирт – (24 ± 1) Гс, 12 М HCl – (21 ± 1) Гс. Данные для
метилового спирта и 12 М HCl получены Allen B.T. [18].
Note: Doublet splitting calculated by the formula (3) for the samples containing
PEG-300, methyl alcohol and 12 M HCl were (23 ± 1), (24 ± 1) and (21 ± 1) Gs,
respectively. Data for methyl alcohol and 12 M HCl were obtained by Allen B.T.
[2].
ния, что снижает эффективность межмолекуляр-
ных взаимодействий. При этом форма спектров
ЭПР определяется в основном релаксационными
эффектами в жидких системах, и в пределах кон-
центрации соли от 0,001 до 0,1 практически не зави-
сит от разведения. При замораживании водных
растворов солей в результате концентрирования
соли в оставшихся жидких областях усиливаются
межмолекулярные спин-спиновые взаимодействия,
которые модулируются до полного затвердевания
системы поступательным движением частиц жид-
кости. Такое усиление межмолекулярных взаи-
модействий между парамагнитными центрами
приводит к значительному изменению спектров
ЭПР. В замороженных водно-полиэтиленгликоле-
вых растворах солей в спектре ЭПР проявляются
тонкая и сверхтонкая структуры, что свидетельст-
вует о значительном уменьшении диполь-диполь-
ных взаимодействий между парамагнитными цент-
рами из-за большого расстояния между ними в
твердой матрице. Уменьшению взаимодействий
способствует также образование катионами комп-
лексов, в состав сольватной сферы которых входят
молекулы полиэтиленгликоля [24].
Выводы
Таким образом, использование спектров ЭПР
солей парамагнитных катионов открывает широкие
возможности для оценки гиперконцентрирования
Литература
1. Вишневская Г. П., Гумеров Ф.М., Ягфаров М.Ш. Изучение
фазового состава замороженных водных растворов нит-
рата Mn(II) методами динамической калориметрии и элект-
ронного парамагнитного резонанса // Журнал физической
химии. – 1979. – Т. 52, №3. – С. 609–612.
2. Вишневская Г.П., Гумеров Ф.М. Особенности межмоле-
кулярных взаимодействий в водных растворах нитрата
хрома // Журнал физ. химии. – 1981. – Т. 55, №4. – С. 955–
957.
3. Вишневская Г.П., Фролова Е.Н., Первова И.Т. и др. Комп-
лексы Cu (II) c гетарилформазанами в растворах и ионо-
обменных полимерах // Структура и динамика моле-
кулярных систем. – 2003.– Вып. 10 – С. 190–195.
4. Волков В.Я., Сахаров Б.В., Волкова Л.А. Радиоспектро-
скопические методы в криобиологии // Криобиология. –
1985. – №4. – С. 3–10.
5. Волков В.Я., Сахаров Б.В., Волкова Л.А. Природа
повреждения и гибели бактерий Francisella tularensis при
медленном замораживании // Криобиология. –1991. –
№4. – С. 10–16.
6. Гарифьянов Н.С., Тимеров Р.Х., Усачева Н.Ф. ЭПР в переох-
лажденных растворах содержащих ионы Mn2+ и Gd3+ //
Физика твердого тела. – 1962. – Т. 4, Вып. 11. – С. 3344–
3345.
7. Гатауллин А.М. Комплексный релаксационный контроль
контрастных веществ для магнитной томографии : Авто-
реф. дис. ... канд. техн. наук. – Казань, 2004. – 25 c.
8. Гордиенко Е.А., Пушкарь Н.С. Физические основы низко-
температурного консервирования клеточных суспензий –
К. : Наук. думка, 1994. – 144 с.
9. Катюхин В.А. Исследование процесса и разработка обору-
дования для получения замороженных гранул из жидких
пищевых продуктов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. –
М., 1973. – 24 с.
10.Ларин Г.М., Шульгин В.Ф., Мельникова Е.Д. и др. Иссле-
дование методом ЭПР слабых обменных взаимодействий
в биядерных комплексах меди (II) с ацилдигидразонами
фторированных β-дикетонов // Известия РАН. Серия
химическая. – 2002. – №4. – С. 585–589.
11.Моисеев В.А., Зинченко В.Д., Нардид О.А. О некоторых
молекулярных механизмах криозащиты биологических
объектов // Физико-химические процессы в криобиологи-
ческих системах. – Харьков, 1991. – С. 78–92.
12.Нардід О.А. Внутрiшньо- і міжмолекулярні взаємодії та їх
роль у кріопошкодженні й кріозахисті біологічних структур:
Автореф. дис. … доктора. біол. наук. – Харків, 2012. – 42 с.
13.Пушкарь Н.С., Белоус А.М. Введение в криобиологию – К.:
Наук. думка, 1975. – 344 с.
References
1. Allen B.T. Zero-field splitting parameter of Mn++ ion glassy and
in polycrystalline media. J Chem Phys 1964; 43(11): 3820–
3826.
2. Allen B.T., Nebert D.W. Hyperfine structure in EPR spectrum of
the manganous ion in frozen solutions. J Chem Phys 1964;
41(7): 1983–1985.
3. Garifianov N.S., Timerov R.Kh., Usacheva N.F. EPR in Mn2+ and
Gd3+ ions-contained overcooled solutions. Fizika Tverdogo Tela
1962; 4(11): 3344–3345.
4. Gataullin A.M. Combined relaxation control of contrast substan-
ces for magnetic tomography [dissertation]. Kazan; 2004.
5. Gordienko E.A., Pushkar N.S. Physical grounds of low tempe-
rature preservation of cell suspensions. Kiev: Naukova dumka;
1994.
6. Katyukhin V.A. Study of the process and design of the equip-
ment for obtaining frozen granules from fluid foods [disser-
tation]. Moscow; 1973.
7. Larin G.M., Shulgin V.F., Melnikova E.D et al. Study by EPR
method of weak exchange interactions in copper (II) binuclear
complexes with acyldihydrazones of fluorated β-diketones.
Bull Rus Acad Sci. Chemistry series 2002; (4): 585–589.
8. Lovelock J.I. The haemolysis of human red blood cells by freez-
ing and thawing. Biochim Biophys Acta 1953; 10(4): 414–420.
9. Lovelock J.I. The denaturation of lipid/protein complexes as
cause of damage by freezing. Proc Roy Soc Ser 1957; 147(4):
427–433.
10.Mazur P. Physical and chemical basis of injury in single celled
microorganisms subjected to freezing and thawing. In:
G.L. Rapartz, L.J. Menz, B.J. Luyet, H.T. Meryman, editors.
Cryobiology. New York: Academic Press; 1966.p. 213–315.
11.Mazur P. Kinetics of water loss from cells at sub-zero tempe-
ratures and the likelihood of intracellular freezing. J Gen Physiol
1963; 47(2): 347–369.
12.Mazur P., Leibo S, P., Chu E. H. Y. A two-factor hypothesis of
injury. Exp Cell Res 1972; 71(2): 345–355.
13.Moiseyev V.A., Nardid O.A., Belous A.M. On a possible mecha-
nism of the protective action of cryoprotectants. CryoLetters
1982; 3(1): 17–26.
14.Moiseyev V.A., Zinchenko V.D., Nardid O.A. About certain
molecular mechanisms of cryoprotection of biological objects.
In: Physical and chemical processes in cryobiological systems.
Kharkov; 1991. p. 78–92.
15.Munzarova M.L., Kubacek P., Kaupp M. Mechanisms of EPR
hyperfine coupling in transition metal complexes. J Amer Chem
Soc 2000; 122(48): 11900–11913.
16.Nardid O.A. Intra- and intermolecular interactions and their
role in cryoinjury and cryoprotection of biological structures
[dissertation]. Kharkiv; 2012.
220 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
concentration of salt solutions when using different
freezing regimens and medium compositions. The de-
scription of the obtained spectra in spin-Hamiltonian
terms is presented. In the description under vitreous
states of frozen solutions there are considered only
transitions M = 1/2 ↔ M = –1/2 with manifestation of
forbidden transitions ∆m = ±1. The results obtained
may be used in developing low temperature techno-
logies for biological objects preservation, in selecting
freezing regimens and cryoprotectants, as well as to
forecast the minimization of hyperconcentration ef-
fects.
солевых растворов при использовании различных
режимов замораживания и составов среды замора-
живания. Представлено описание полученных
спектров в терминах спин-гамильтониана. В описа-
нии при стеклообразных состояниях замороженных
растворов рассматриваются только переходы
М = 1/2 ↔ М= –1/2 с проявлением запрещенных
пере-ходов ∆m = ±1. Полученные результаты могут
быть использованы при разработке низкотемпера-
турных технологий консервирования биологичес-
ких объектов, выборе режимов замораживания и
криопротекторов, а также для прогнозирования ми-
нимизации эффектов гиперконцентрирования.
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 24, №/issue 3, 2014
221
14. Пушкарь Н.С., Белоус А.М., Иткин Ю.А. и др. Низкотем-
пературная кристаллизация в биологических системах. –
К.: Наук. думка, 1975. – 244 c.
15.Розанова Е.Д., Моисеев В.А., Науменко Е.И. Влияние замо-
раживания-отогрева на структуру и функцию цитохром-
оксидазы // Укр. биохим. журнал. – 1985. – Т. 57, №1. –
С. 61–64.
16.Шварценбах Г., Флашка Г. Комплексонометрическое титро-
вание. – М.: Химия, 1970. – 360 с.
17.Allen B.T. Zero-field splitting parameter of Mn++ ion glassy and
in polycrystalline media // J. Chem. Phys. – 1964. – Vol. 43,
№11. – P. 3820–3826.
18.Allen B.T., Nebert D.W. Hyperfine structure in EPR spectrum
of the manganous ion in frozen solutions // J. Chem. Phys. –
1964. – Vol. 41, №7. – P. 1983–1985.
19.Lovelock J.I. The haemolysis of human red blood cells by
freezing and thawing // Biochim. Biophys. Acta. – 1953. –
Vol. 10, №4. – P. 414–420.
20.Lovelock J.I. The denaturation of lipid/protein complexes as
cause of damage by freezing // Proc. Roy Soc. Ser. – 1957. –
Vol. 147, №4. – P. 427–433.
21.Mazur P. Physical and chemical basis of injury in single celled
microorganisms subjected to freezing and thawing // Cryo-
biology / Ed. By G.L. Rapartz, L.J. Menz, B.J. Luyet, H.T. Mery-
man. – New York: Academic Press, 1966.– P. 213–315.
22. Mazur P. Kinetics of water loss from cells at sub-zero tempe-
ratures and the likelihood of intracellular freezing // J. Gen.
Physiol. – 1963. – Vol. 47, №2. – P. 347–369.
23.Mazur P., Leibo S, P., Chu E. H. Y. A two-factor hypothesis of
injury // Exp. Cell. Res. – 1972. – Vol. 71, №2. – P. 345–355.
24.Moiseyev V.A., Nardid O.A., Belous A.M. On a possible mecha-
nism of the protective action of cryoprotectants // CryoLet-
ters. – 1982. – Vol. 3, №1. – P. 17–26.
25.Munzarova M.L., Kubacek P., Kaupp M. Mechanisms of EPR
hyperfine coupling in transition metal complexes // J. Amer.
Chem. Soc. – 2000. – Vol. 122, №48. – P. 11900–11913.
26.Rapartz G.L., Menz L.J., Luyet В.J. Anatomy of the freezing
process in biological materials // Cryobiology / Ed. By G.L.
Rapartz, L.J. Menz, B.J. Luyet, H.T. Meryman. – New York:
Academic Press, 1966. – P. 115–137.
27.Sarciaux J.M., Mansour S., Hageman M.J., Nail S.L. Effect of
buffer composition and processing conditions on aggregation
of bovine IgG during freeze-drying // J. Pharm. Sci. – 1999. –
Vol. 88, №2. – P. 1354–1361.
28.Silvares O.M., Cravalcho F.G., Toscano W.M. et al. The thermo-
dynamics of water transport for biological cell during freezing //
J. Heat Transfer. – 1975. – Vol. 97. – P. 582–588.
17.Pushkar N.S., Belous A.M. Introduction in cryobiology. Kiev:
Naukova dumka; 1975.
18. Pushkar N.S., Belous A.M., Itkin Yu.A. et al. Low temperature
crystallisation in biological systems. Kiev: Naukova dumka;
1975.
19.Rapartz G.L., Menz L.J., Luyet Â.J. Anatomy of the freezing
process in biological materials. In: G.L. Rapartz, L.J. Menz,
B.J. Luyet, H.T. Meryman, editors. Cryobiology. New York:
Academic Press; 1966. p. 115–137.
20.Rozanova E.D., Moiseyev V.A., Naumenko E.I. Effect of freeze-
thawing on the structure and function of cytochrome oxidase.
Ukr Biokhim Zhurn 1985; 57(1): 61–64.
21.Sarciaux J.M., Mansour S., Hageman M.J., Nail S.L. Effect of
buffer composition and processing conditions on aggregation
of bovine IgG during freeze–drying. J Pharm Sci 1999; 88(2):
1354–1361.
22.Shvartsenbakh G., Flashka G. Complexometric titration.
Moscow: Khimiya; 1970.
23.Silvares O.M., Cravalcho F.G., Toscano W.M. et al. The thermo-
dynamics of water transport for biological cell during freezing.
J Heat Transfer 1975; 97: 582–588.
24.Vishnevskaya G.P., Gumerov F.M., Yagfarov M.Sh. Study of
the phase composition of frozen aqueous solutions of Mn (II)
nitrate by the methods of dynamic colorimetry and electron
paramagnetic resonance. Zh Fiz Khim 1979; LII(3): 609–612.
25.Vishnevskaya G.P., Gumerov F.M. Characteristics of inter-
molecular reactions in aqueous solutions of chromium nitrate.
Zh Fiz Khim 1981; l.LY(4): 955–957.
26. Vishnevskaya G.P., Frolova E.N., Pervova I.T. et al. Complexes
of Cu(II) with hetarylformazanes in solutions and ion-exchange
polymers. Structure and dynamics of molecular systems 2003;
X: 190–195.
27.Volkov V.Ya, Sakharkov B.V., Volkova L.A. Radio spectroscopic
methods in cryobiology. Kriobiologia 1985; (4): 3–10.
28.Volkov V.Ya, Sakharkov B.V., Volkova L.A. Nature of damages
and death of Francisella Tularensis bacteria during slow freez-
ing. Kriobiologia 1991; (4): 10–16.
|