电子顺磁共振(EPR2011秋-1)

EPR—研究对象
SOD v.s. Potential Lifetime
EPR—研究对象
SOD 超氧歧化酶， 用于清除超氧阴离 子自由基的 ESR 波 谱。
EPR—研究对象
抗氧化剂：茶多酚，各种酒类
EPR—研究对象
DMSO溶液中，各种氧化的茶 多酚ESR谱图。
J. Ferreira Severino et al. Free Radical
—— JOHN A. WEIL
2011研究生课程— EPR
本课程主要内容：
一、 电子顺磁共振的研究对象 二、 电子顺磁共振的基本原理 三、 电子顺磁共振波谱
四、 电子顺磁共振仪
EPR—研究对象
一、 电子顺磁共振的研究对象
Application Fields of ESR Spectroscopy
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2011研究生课程— EPR
2011研究生课程— EPR
关于自旋电子的一些为什么
——浅谈与超导电性对抗的磁性元素Fe, Co, Ni
为什么形成化合物就超导了?
张裕恒
《物理》 40 卷( 2011 年) 3 期������
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Twinkle twinkle little Spin Are you single or are you twin? Are you real or are you false? How I crave your resonant pulse
二苯基苦基肼基（DPPH) Diphenyl Picryl Hydrazyl
Ph Ph NO 2 N N NO 2 NO 2
DPPH的ESR谱线：
EPR—研究对象
如：萘分子它本身是逆磁性分子
A + K (真空无水条件) A + H2SO4 (98%)
A- + K+
(用dimethoxyethane作溶剂)
EPR—研究对象
??
Metal complex Teeth, Bone Shell, Coral Radiation defects Coal, Oil Erosion
Magnetic substance photo-translation Transition metal ion Catalyst
1944年 I.S. Rabi 1952年 F. Bloch, E.M.
Purcell
1955年 1966年 1981年 1989年 W.E. Lamb, P. Kusch A. Kastler N. Bloembergen N.F. Ramsey 1964年 1977年 1983年 1991年 C.H. Townes J.H. Van Vleck H. Taube R.R. Ernst
SOD activity Aging, Cancer
Co-enzyme Vitamin C, E, K
Immunoassay Drug detection
???
EPR—研究对象
—— 固体碱金属 碱金属的核外价电子：nS1 —— 自由基（radical）
含有一个未成对电子的化合物。
如：· CH3
EPR—研究对象
??
Glass-fiber
Ionomer Conducting polymer Degradation Polymerization
Quartz, Aging
Liquid crystal LB membrane Combustion Spin label Fluidity Spin trap Active oxygen Enzyme Organomagnetic Conducting materials
早期的研究认为跃迁过程只有电子自旋磁矩的贡献， 所以采用ESR这个术语。后面发现仅用电子自旋跃迁 是无法完全解释许多实验结果，尤其是来自过渡金属 离子的现象，也就是电子轨道磁矩对于跃迁也是有所 贡献的。所以逐渐使用EPR取代ESR。
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因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家
历史：1945年，前苏联物理学家，柴伏依斯基/或称扎伏伊斯
基 (Zavoisky, N.K.) 观察发现的(J. Phys. USSR 1945, 9, 245.)
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电子顺磁共振:
Electron Paramagnetic Resonance, EPR, is a
spectroscopic technique, which detects species that have unpaired electrons.
古德斯密特、乌伦贝克：荷兰-美国物理学家
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What Is the Electron Spin?
The electron spin is the electron’s electromagnetic field angular momentum.
电子自旋即电子的电磁角动量
电子内禀运动或电子内禀运动量子数的简称。 电子具有电荷，同时电子像陀螺一样绕一个 固定轴旋转，形成有南北极的自旋磁矩。
A+
EPR—研究对象
EPR—研究对象
二萘嵌苯阳离子 Perylene cation radical 共125条线
1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 3220 3230 3240 3250
Magnetic Field (Gs)
EPR—研究对象
其它相关的自由基化学：
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裘祖文，电子自旋共振波谱，科学出版社， 1980 张建中等，自旋标记ESR波谱的基本理论和应用，科
学出版社 ，1987
陈贤镕，电子自旋共振实验技术，科学出版社 ，1986 赵保路编著，电子自旋共振技术在生物和医学中的应 用，中国科大出版社，2009 姜寿亭, 李卫编著，凝聚态磁性物理，科学出版社，
Biology & Medicine 46 (2009) 1076–1088
EPR—研究对象
EPR—研究对象
烟草：清除烟草烟气自由基—某些有害成分。
如何提香、降害？—烟草制品的改进方向。
EPR—研究对象
—— 双基或多基
这类化合物含有两个或两个以上未成对电
子，且它们相距甚远，相互作用也很弱。
H3C CH3 CH3 CH3 N O
2、N.M. Atherton, Principles of electron spin resonance, Ellis Horwood, 1993
3、Marina Brustolon and Elio Giamello, Electron Paramagnetic Resonance: A Practitioners Toolkit， John-Wiley, 2009 ……
O
.
N H3C
.
C
.
C
.
CH3
H3C CH3
都是典型的双基，可以用EPR研究它。
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电子顺磁共振波谱导论 （EPR/ESR）
陈 家 富
合肥微尺度物质科学国家实验室 理化科学中心顺磁室 二0一一年十一月
阅读参考书：
2011研究生课程— EPR
1、John A. Weil and James R. Bolton，Electron Paramagnetic Resonance—Elementary Theory and Practical Applications , 2nd Edition, JohnWiley, 2007
2011研究生课程— EPR 1991年诺贝尔化学奖授予: 瑞士恩斯特（R. Ernst），以 表彰发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术 而获奖。 2002年诺贝尔化学学奖授予: 瑞士维特里希，“发明了利 用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。 2003年诺贝尔生理医学奖授予: 美国科学家保罗· 劳特布 尔和英国科学家彼得· 曼斯菲尔德。他们在核磁共振成像技 术上获得关键性发现，这些发现最终导致核磁共振成像仪的 出现。
…… ! ! !
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Joseph John Thomson （英国）
The Nobel Prize in Physics 1906 • In 1891, the Irish physicist, George Stoney, believed that electricity should have a fundamental unit. He called this unit the electron. • The electron was discovered by J.J. Thomson in 1897. • The electron was the first sub-atomic particle ever found. It was also the first fundamental particle discovered. • The concept of electron spin was discovered by S.A. Goudsmit and George Uhlenbeck in 1925. • The electron has three basic properties: electric charge, mass and spin.
Oxygen
Peroxide Metal UV Radiation
Brain Damage Heart Disease Lung Disease Gastral Disease Skin Disorder
Stress
Shock Ischemia Active Oxygen
Aging
Cancer Inflammation
它是直接检测和研究含有未成对电子顺磁
性物质的一种波谱学技术 。
It is also often called ESR, Electron Spin Resonance, ESR.
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EPR: Electron paramagnetic resonance ESR: Electron spin resonance EMR: Electron magnetic resonance
EPR—研究对象
EPR—研究对象
EPR—研究对象
EPR—研究对象
EPR—研究对象
酒类：啤酒主要性能指标之一，lag time
Beer-Flavor Stability
EPR—研究对象
PBN-OH加合物的ESR谱线：
活性氧：Activated Oxygen
EPR—研究对象
EPR—研究对象
2006
陈慧兰著，高等无机化学，高等教育出版社，2005
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参阅相关网站： 1、 www.ieprs.org 国际EPR/ESR协会 2、 www.bruker.com 布鲁克公司 3、 www.jeol.co.jp 日本电子 ……
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电子顺磁共振 (EPR/ESR)
2002年
K. Wü thrich
2003年
P.C. Lauterbur,
S. P. Mansfield （到今年为止）
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1944年诺贝尔物理学奖授予: 美国拉比, 以表彰他用共振方法纪录原子核磁 特性。
1951年诺贝尔物理学奖授予: 美国布洛赫和美国马萨诸塞州哈佛大学的珀 塞尔, 以表彰他们有关核磁精密测量的新方法及由此所做的发现。 1955年诺贝尔物理学奖一半授予: 美国的库什(P. Kusech), 以表彰他对电子 矩阵所作的精密测定（电子磁矩）。 1966年诺贝尔物理学奖授予: 法国卡斯特勒，发明并发展用于研究原子内 光、磁共振的双共振方法 。 1977年诺贝尔物理学奖授予: 安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国） 对磁性和无序体系电子结构的基础性研究(J. Van Vleck 研究了抗磁性和顺磁 性的量子力学理论 )。 1989年诺贝尔物理学奖授予: 拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在 原子钟中的应用(原子束的振荡场) ; 德默尔特（美国）、保尔（德国）发展 原子精确光谱学和开发离子陷阱技术(精确测量出正、负电子的g因子 )。 2007年诺贝尔物理学奖授予：法国科学家艾尔伯· 费尔和德国科学家皮 特· 克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献（在磁场作用下，磁性金属 内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应）。