EPR简介

电子自旋共振技术综述

电子自旋共振，ESR （Electron Spin Resonance ），又称电子顺磁共振，EPR （Electron Paramagnetic Resonance ）发现于1944年，是一种通过检测未成对电子的顺磁性，研究顺磁性物质结构的波普检测技术。七十年代随着ESR 技术和计算机的发展，ESR 技术取得多种突破，不但提高了检测谱线的灵敏度和分辨率, 还能用于了解顺磁体系的动态性能，使ESR 技术在这在考古学、地质学、结构化学、生物化学和固体物理、医药学、等多个领域均有广泛运用。

一、 基本原理

物质中充满了电子，电子带负电，绕原子核做圆周运动，同时做自旋运动。运动的电子产生环形电流，从而产生微小的磁场。绝大多数电子是成对出现的，他们轨道相同自旋方向相反，因而产生的磁场互相抵消，总电磁率为零，在外加电场的作用下，形成与外磁场方向相反方向的磁场排列，称抗磁性物质。 在辐射作用下（包括天然本地照射），一些物质（如晶体）可被电离，形成自由电子－空穴对（空穴带一个单位正电荷）。自由电子在运动中损失能量，最终被晶格或杂质捕获，形成陷阱电子（一个单位负电荷）。这种为成对的陷阱电子或空穴，形成一个微小磁场，他们在外磁场作用下自身磁场有两种取向：电子

自身磁场与外磁场相反为低能态，相同为高能态；两种能量状态能极差为E ＝gμB （g 为电子、空穴特性因子，μ为波尔磁矩，B 为外磁场强度），顺磁性物质在外加强磁场下能级分裂现象称为塞曼分裂。 外磁场

B 方向 电

子

磁

场

方

向 电子磁场方向 低能态 高能态

此时，若在垂直磁场方向上加一个微波，则当微波频率v 满足hv＝E＝gβB

微波吸收谱

一次微分谱

（h为普朗克常数）时，低能态未配对电子将吸收微波能量从而跃迁到高能态，即发生电子顺次共振吸收现象，形成吸收峰。

为使hv＝E＝gμB等式成立，有两种方法：扫场法（改变磁场强度B）和扫频法（改变微波频率v）。

二、扫场ESR仪器组成

ESR波普仪主要包括以下五大部分：1、微波系统；2、磁场系统；3、谐振腔；4、检波器；5、数据系统。

微波系统主要由信号源、波导、频率控制器、移相器、衰减器、检波器等组成，用于产生、传输和控制微波。

磁场系统主要由主磁场、扫描磁场和高频调制磁场组成，用于产生变化的强磁场。

谐振腔用于放置样品。

检波器主要由前置放大器、检波器、调制源组成，用于检测、调制解调吸收峰信号，并进行波形放大成形。

三、ESR谱图

B

如图所示，为ESR一次微分谱图，在扫场ESR谱仪中，横坐标为磁场强度B，ΔHpp为谱线宽度（线宽）。一次微分谱的二次积分为吸收峰面积，即代表谱线强度，与样品中为成对电子数量相关。

，称g因子，是顺磁共振中的重要参量，又由公式hv＝E＝gμB知：g ＝μB

ℎv

与原子内部运动及磁矩密切相关，当磁矩全部来源于电子自旋时g＝2，当磁矩全部来源于电子轨道运动时g＝1。通过计算g因子可以得到化学键和分子或原子结构的信息。如，自由电子由于轨道角动量完全猝灭，磁矩完全来自内禀自旋角动量的贡献，g e＝2.0023≈2。

四、ESR生物学医学应用

自由基（ROS），又称“游离基”，是指化合物的分子在光热等外界条件，，原子间共价键（共用电子对）发生均裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。医学研究及临床试验证明：自由基在人体内产生或进入人体后，会与周围的生物分子争夺电子，如夺去细胞内蛋白质的电子，使蛋白质支链发生烷基化，形成畸变的生物大分子，该畸变分子由于自己缺少电子，又要去夺取邻近生物分子的电子，形成连锁反应导致大量畸变分子。当基因受到攻击而产生突变时，可能形成癌细胞，大量的畸变细胞积累可能最后导致癌症的出现。

ESR是研究自由基的最直接和最有效的技术，但是这些自由基必须是相对稳定的，而且要达到一定浓度才能用ESR技术检测。而自由基本身特性活泼，反应性强，生物体系中产生的自由基大部分是不稳定的，只有少数自由基是稳定的如骨骼、牙齿。ESR的另外一个局限性是只能检测顺磁性物质，但是大部分生物

物质都不是顺磁性的。这就限制了ESR的应用。为了克服ESR技术的这些局限性，自旋标记和自旋捕集技术得以发展，有力的解决了这些问题，为ESR更广泛的应用开辟了技术基础。

1.1 自旋标记技术

ESR的最大局限性是只能检测顺磁性物质，但是大部分生物物质，例如细胞膜、蛋白质、核酸等都不是顺磁性的。这就大大限制了ESR的应用范围。1965

年McConnel 等人引人自旋标记的概念和方法，把ESR的应用范围从一个有限范围扩展到了无限。所谓自旋标记，就是将一顺磁性报告基团加到被研究体系，借助报告基团的ESR波谱特征反映该基团周围环境的物理和化学性质及其变化

和规律。自旋标记技术包括旋标记物的合成、自旋标记ESR波谱解析和应用。

现在自旋标记技术已经广泛应用于生物学的各个领域，特别是在细胞膜的流动性、蛋白质的结构和动力学性质、药理学ESR成像方面研究中的应用。

自旋标记物的选择的应符合以下条件：1、足够稳定，能够以某种方式结合或嵌入到被研究物质的某个位置；2、ESR波谱对自旋标记物及其周围环境的物物质极为敏感，但自旋标记物本身对研究的体系扰动甚微。

NO•自由基是最符合以上条件的自旋标记物，该标记基团在氮氧之间有一个未成对电子，可以被ESR检测到，称报告基团；同时，在NO•周围都有2~4个甲基，这些甲基像可以为电子提供一个空间保护，使得氮氧自由基保持长期稳定；

自旋标记的波谱特征氮氧自由基自旋标记的波谱比较简单，一般都是三线谱，在不同环境其线形和线宽发生变化。自旋标记物在轴对称体系，例如细胞膜，其ESR波谱就是轴对称的。自旋标记物被紧紧地固定在一个位置不能自由运动就会出现强固定化波谱，如结合在蛋白质上就是这种情况，其ESR波谱明显加宽和

不对称。一些紧紧结合在蛋白质的狭小活性位置内的自旋标记也给出这种波谱。如果自旋标记物还可以做某些运动这时就给出弱固定化波谱，有时会出现两种波谱同时存在的情况。

1.2自旋捕集技术

ESR检测技术测量自由基要求自由基是相对稳定的，且要达到一定浓度。然而自由基本身特性活泼和反应性强，生物体内的自由基寿命极短，如羟基自由基的寿命大约为10－s。为了解决这一问题，发展了自旋捕集技术。该技术是目前

研究生物和医学体系中活泼自由基使用最多的一种方法。

自旋捕集技术就是为了检测和辩认短寿命自由基，将一种不饱合的抗磁性物