Η φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού (EPR) δεν είναι τόσο διαδεδομένη όσο η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), όμως η Maxie Rößler προσπαθεί να αναδείξει γιατί θα έπρεπε να βρίσκεται στο επίκεντρο της χημικής έρευνας. Όπως εξηγεί, «μπορείς να σκεφτείς το EPR σαν ένα είδος NMR, αλλά για ασύζευκτα ηλεκτρόνια αντί για πυρήνες».
Η μέθοδος βασίζεται στην τοποθέτηση ενός δείγματος μέσα σε μαγνητικό πεδίο και στη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια απορροφούν μικροκυματική ακτινοβολία. Αυτό αποκαλύπτει πληροφορίες για το τοπικό χημικό περιβάλλον και τη δομή τους. Η Rößler θεωρεί ότι «πολλοί επιστήμονες θα το έβλεπαν ως μια εξειδικευμένη τεχνική, αλλά στην πραγματικότητα χρησιμοποιείται πολύ λιγότερο από όσο θα έπρεπε».
Τα όρια και οι δυνατότητες της EPR
Επειδή η EPR βασίζεται σε ασύζευκτα ηλεκτρόνια και τα περισσότερα μόρια είναι διαμαγνητικά, το εύρος των συστημάτων που μπορεί να μελετήσει είναι περιορισμένο. Ωστόσο, πολλές χημικές αντιδράσεις περνούν από παραμαγνητικές καταστάσεις, οι οποίες μπορούν πλέον να ανιχνευθούν με σύγχρονα εργαλεία.
Στα βιομόρια, η χρήση spin labels όπως οι νιτροξείδες έχει επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες της τεχνικής, ανοίγοντας «νέες κατευθύνσεις και περιοχές που δεν είχαν προηγουμένως εξεταστεί». Παρ’ όλα αυτά, το κύριο ενδιαφέρον της Rößler είναι τα φυσικά ασύζευκτα ηλεκτρόνια που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια χημικών και βιολογικών αντιδράσεων.
Η εκπαίδευση και η απουσία της EPR από τα προγράμματα σπουδών
Ένα από τα εμπόδια για την ευρύτερη αποδοχή της τεχνικής είναι ότι δεν διδάσκεται εκτενώς σε προπτυχιακό επίπεδο. Στο Imperial College London, η Rößler παραδίδει τρία μαθήματα EPR στο δεύτερο έτος και οι φοιτητές ζητούν κάθε χρόνο περισσότερη διδασκαλία πάνω στο αντικείμενο.
Η τεχνική εμφανίζεται επίσης σε εργαστηριακά μαθήματα ανόργανης βιοχημείας, όπου οι φοιτητές μελετούν σύμπλοκα χαλκού. Όπως σημειώνει, «ο χαλκός στην οξειδωτική κατάσταση +2 είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα για την EPR. Το φάσμα του αλλάζει ανάλογα με το πεδίο των συνδέτων και αυτό συνδέεται όμορφα με τη θεωρία ομάδων».
Η δημιουργία του Centre for Pulse EPR
Όταν η Rößler μετακινήθηκε στο Imperial το 2019, δεν υπήρχε υποδομή παλμικής EPR. Με χρηματοδότηση 2,3 εκατομμυρίων λιρών από το EPSRC και τη στήριξη του πανεπιστημίου, δημιούργησε το Centre for Pulse EPR.
Όπως αναφέρει, «υποτίμησα πλήρως την προσπάθεια που θα χρειαζόταν, δεν υπήρχε καθόλου υποδομή για ό,τι έπρεπε να κάνουμε». Σήμερα, το κέντρο διαθέτει σύγχρονα όργανα συνεχούς και παλμικής EPR και λειτουργεί τόσο ως ερευνητική υποδομή όσο και ως χώρος ανάπτυξης νέων μεθόδων.
Η δυνατότητα πρόσβασης για εξωτερικούς συνεργάτες ήταν εξαρχής βασική αρχή, ενώ πολλές συνεργασίες με το University College London στοχεύουν στη βελτίωση της ευαισθησίας της τεχνικής.
Ηλεκτροχημική EPR και η παρακολούθηση αντιδράσεων
Μία από τις πιο καινοτόμες εξελίξεις είναι η φιλμο-ηλεκτροχημική EPR, όπου τα μόρια ακινητοποιούνται σε λεπτό υμένιο πάνω σε ηλεκτρόδιο μέσα στον ανιχνευτή. Έτσι είναι δυνατός ο ταυτόχρονος έλεγχος της οξειδοαναγωγικής κατάστασης και η ανίχνευση των παραμαγνητικών ενδιάμεσων.
Πολλά από αυτά τα είδη είναι εξαιρετικά βραχύβια, όμως η τεχνική επιτρέπει την παγίδευσή τους μέσω ταχείας κατάψυξης. Η Rößler τονίζει ότι στόχος είναι «να μπορούμε τελικά να βλέπουμε τι κάνουν τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε μια καταλυτική αντίδραση, ή έστω σε σχεδόν πραγματικό χρόνο».
Η κίνηση των ηλεκτρονίων σε πραγματικό χρόνο
Το 2024 η ομάδα της παρουσίασε μια νέα εκδοχή της τεχνικής που επιτρέπει τη μελέτη καταλυτών σε λειτουργία. Με αυτόν τον τρόπο παρακολούθησαν ριζικές ενώσεις κατά τη διάρκεια οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο και σε συνθήκες κοντά στις φυσιολογικές.
Σε μια περίπτωση οξείδωσης αλκοόλης, διαπιστώθηκε ότι ο περιοριστικός παράγοντας της απόδοσης ήταν η μεταφορά ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του καταλύτη, κάτι που παρέχει σημαντικές κατευθύνσεις για τον σχεδιασμό καλύτερων υλικών.
Βιολογικά συστήματα και ενεργειακές διεργασίες
Το ερευνητικό ενδιαφέρον της Rößler επεκτείνεται και σε βιολογικά συστήματα όπως πρωτεΐνες μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μιτοχόνδρια και στη φωτοσύνθεση. Αυτά τα συστήματα περιέχουν πολλαπλά κέντρα που περνούν από παραμαγνητικές καταστάσεις και μπορούν να μελετηθούν με EPR.
Η ομάδα της έχει επίσης αναλύσει ένζυμα φωτοσυνθετικής αλυσίδας, αποκαλύπτοντας πώς τα ηλεκτρόνια κατευθύνονται μέσα από πολύπλοκα δίκτυα ενεργειακής μεταφοράς.
Αναγνώριση και επιστημονική προοπτική
Η Rößler τιμήθηκε πρόσφατα με το βραβείο Blavatnik για τις επιστήμες χημείας στο Ηνωμένο Βασίλειο. Όπως αναφέρει, «δεν μπορούσα να το πιστέψω όταν το έμαθα… ήταν μια τεράστια τιμή όχι μόνο για μένα αλλά και για την ομάδα μου και τους συνεργάτες μου».
Για την ίδια, το σημαντικότερο δεν είναι μόνο η τεχνική πρόοδος αλλά και η δυνατότητα να δημιουργεί ένα διεθνές και διεπιστημονικό περιβάλλον. Στόχος της παραμένει η άμεση παρατήρηση της κίνησης των ηλεκτρονίων μέσα σε πολύπλοκα συστήματα σε πραγματικό χρόνο, κάτι που θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους στη χημεία και τη βιοφυσική.
