Het lijkt op NMR, maar dan met ongepaarde elektronen in plaats van magnetische kernen. Aan de Universiteit Antwerpen heeft hoogleraar Sabine Van Doorslaer (50) zich gespecialiseerd in elektronenspinresonantie, veelal afgekort tot EPR met de P van paramagnetisch. ‘Door de spin te volgen van die elektronen kijk je naar hun directe omgeving, bijvoorbeeld naar kernen die de draaiing beïnvloeden’, legt ze uit.

EPR bestaat sinds de jaren veertig, maar heeft de populariteit van NMR nooit kunnen evenaren. Of universiteiten ermee werken, lijkt een kwestie van toeval. Van Doorslaer rolde erin doordat ze in het eerste jaar van haar scheikundestudie gefascineerd raakte door kwantumchemie en kwantummechanica. Om zich daarin serieus te kunnen verdiepen, bleek ze in die tijd fysica te moeten oppakken als tweede studie. ‘Voor mijn masterproef fysica heb ik toen gekozen voor EPR. Vanuit de chemie deed ik nog te graag experimenten, en daar raak je wel heel ver van weg als je in de theoretische fysica gaat.’

Ongepaarde elektronen? Waar vind je die?

‘Chemici kennen ze vooral als onderdeel van organische radicalen. Vaak zijn die heel reactief, en met EPR kunnen we dat bestuderen. Als ze té reactief zijn, gebruiken we spintraps: moleculen die er heel snel mee reageren tot een langer levende radicaalvorm met een herkenbare EPR-signatuur. Ook bij overgangsmetaalionen zie je ongepaarde elektronen. Bijvoorbeeld in Co²⁺ en Co⁴⁺, maar niet in Co³⁺. Qua toepassingen open je zo eigenlijk de doos van alles waarin zulke metaalionen zitten: metallo-eiwitten, oxides en homogene katalysatoren.’

En systemen zonder ongepaarde elektronen?

‘Die kun je voorzien van een label dat wel reageert op EPR, zoals een stabiel radicaal of een Gd³⁺-complex. Aan eiwitten kun je er twee tegelijk hangen en hun onderlinge afstand meten, om te zien of dat eiwit vervormt wanneer je er een partner aan toevoegt. En met één label meet je mobiliteit. EPR werkt met microgolven met een tijdschaal in het gebied van 100 ps tot 100 ns, waarin moleculen rond hun as draaien. De meetfrequentie bepaalt welke beweging je kunt observeren. Bij grote eiwitten zie je dan of je het label op een rigide gedeelte hebt gezet of op een flexibele loop. En of moleculen, waarvan je vermoedt dat ze docken aan het eiwit, de beweging beïnvloeden. Zo leer je de dynamica van het eiwit kennen.’

In 2018 won je de Bruker Prize voor je werk aan hyperfijntechnieken.

‘Het is ooit begonnen met continuous wave EPR: continu microgolven instralen en de absorptie meten. Net als bij NMR kwam toen de evolutie naar gepulste technieken. Sindsdien zijn methodes opgekomen zoals hyperfine sublevel correlation, HYSCORE, die vanuit het elektron kijken naar kernen die verderop zitten.’

Hoe kies je de juiste hyperfijntechniek?

‘Vaak testen we er een aantal. Veel overgangsmetaalionen zijn magnetische kernen, en hun koppeling met een ongepaard elektron zie je zelfs met continuous wave EPR. In bijvoorbeeld stikstofliganden is de hyperfijninteractie veel kleiner en gaan we naar electron nuclear double resonance-technieken, ENDOR, een mengeling van microgolven met radiofrequentiepulsen die net als bij NMR de kernspin omdraaien. Voor nog zwakkere koppelingen kiezen we uit de ESEEM-klasse, electron spin echo envelope modulation, waartoe HYSCORE behoort. Levert de ene techniek onvoldoende info op, dan gaan we verder naar de volgende.’

Aan wat voor apparatuur moet je daarbij denken?

‘Net als bij NMR heb je magneten nodig. Bij 95 GHz zijn dat cryomagneten, maar bij lagere frequenties zoals 9,5 GHz volstaan elektromagneten. Het magneetveld hoeft niet zo extreem hoog te zijn, omdat de magnetische momenten bij elektronen een factor duizend hoger liggen dan bij kernen. Een groot verschil met NMR is dat je microgolffrequenties moeilijker kunt variëren dan radiofrequenties. Dus houd je bij EPR de frequentie vast en varieer je het magneetveld tot je een resonantie ziet.’

In je publicaties komen ook veel dichtheidsfunctionaaltheorie-technieken en -simulaties voor.

‘Je wilt weten hoe een mechanisme werkt. Als ik een model heb opgesteld en ik doe daar DFT-berekeningen aan, krijg ik dan inderdaad iets dat ik ook bij experimenten zie? Die combinatie met theoretische berekeningen is een van de dingen die ik mooi vind aan magnetische resonantie.’

Hoe kies je je onderwerpen uit?

‘Heel af en toe krijg je een vraag: denk je dat dit met EPR is op te lossen? Als dat interessant is en we kunnen het erbij nemen, dan doen we dat. Maar ik focus vooral op de vraag waarom paramagnetisme zo interessant is voor zowel chemische katalyse als enzymkatalyse. Heemeiwitten, zoals globines, peroxidases en cytochromen, bevatten allemaal dezelfde ijzerhoudende heemgroep. Hoe laat de natuur die telkens iets anders doen? Bij chemische katalyse kijken we eveneens naar overgangsmetaalionen, zoals in Ziegler-Nattakatalyse waarvan we na honderd jaar nog altijd het mechanisme niet begrijpen.

Soms komen we op zijsporen terecht, zoals biosensoren. Eiwitten, die selectief ergens mee reageren, leg je vast in een poreuze halfgeleider zoals TiO₂. Omdat we beide componenten al kennen uit eerdere studies, is EPR ook voor die hybride materialen ideaal. Het laat bijvoorbeeld zien dat het heel veel uitmaakt welke bufferoplossing je gebruikt. Zelfs bij gelijke pH blijven eiwitten in het ene solvent mooie bolletjes, terwijl ze zich in het andere haast als een druppel uitspreiden op het oppervlak.’

EPR is een klein vakgebied. Hoe is het om daarin te werken?

‘Ik merk dat mensen binnen de EPR-community nog altijd voor het gemeenschappelijk nut gaan, en elkaar niet in de wielen proberen te rijden. In principe zijn er meer dan genoeg studieonderwerpen voor iedereen. De concurrentie is niet zo hard als bij onze zustergemeenschap in de NMR, waar mensen soms alles afschermen uit angst te worden ‘gescoopt’. Bij ons kun je nog praten over onderwerpen waaraan je bezig bent.’

Sinds 2016 ben je president van de European Federation of EPR Groups, de EFEPR. De waardering is dus wederzijds?

‘Vijftien jaar geleden heb ik een COST-actie getrokken, een EU-project voor netwerkopbouw (van de European Cooperation in Science and Technology, red.). Binnen Europa was het EPR-verhaal toen echt aan het verbrokkelen. In Engeland bloedde het dood, in Duitsland trok het een beetje aan, in Nederland waren mensen met pensioen gegaan, in Frankrijk was het heel diffuus. Het is eigenlijk vrij goed gelukt om het weer samen te krijgen. We hebben geregeld zomerscholen onder de vlag van EFEPR, die elke keer honderd tot honderdvijftig promovendi bereiken. De eerste generatie is nu hoogleraar en zegt: mijn netwerk is begonnen in die scholen.’