电子顺磁共振实验方法
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从五十年代中期起，美（Varian）、苏联、德国（Bruker） 和日本（JEOL）研制成功ESR谱仪并且投入生产，但是目前在 性能和销售方面处于领先地位的是 Bruker公司的产品。
2. EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程
一台现代的波谱仪必须包含下列六大部分： （1）微波系统 （2）磁场系统 （3）谐振腔系统 （4）电子线路( 含信号通道 ) （5）电源系统 （6） 计算机
(4)、多功能性 指添加适当的附件，使一台波谱仪具有更多的功能。
液氮变温系统
液氦变温系统
temperature range : 100K to 500K
temperature range : 3.8K to 300K
（ER 4112HV）
Bruker公司生产的几种近代波谱仪
A300 SБайду номын сангаасries
电子顺磁共振的条件为： h = g . .H
一般情况下 EPR信号十分微弱，被噪声所淹没。
经过电子学处理后 (用高频小调场的工作方式 和相敏检波器）检测其共振的一次微分信号。
什么是电子顺磁共振？ 自由电子在直流 磁场中吸收电磁辐射，从低能级跃迁到上能级的现象 。
h
‖
g...H
h = g . .H
化学
- 自由基反应动力学, - 有机金属化合物, - 光化学反应动力学,
- 聚合反应,
-氧化、, 还原过程- 双基和三重态分子
- 自旋捕获 - 石油研究 - 催化
物理
- 磁化率的测量, - 导体和半导体中的传导电子, - 磁共振, 分子受激态的光检测, - 低温下的再复合
- 过渡金属, 镧和锕离子 - 晶体缺陷(碱卤化物中色心) - 单晶中的晶场
三. 电子顺磁共振(EPR)的新技术
自旋标记EPR， 自旋捕捉EPR， 低温EPR。。。。。 1. 自旋标记电子顺磁共振（Spin labeling-ESR）
- 辐照产生短寿命有机自由基的行为
生物和医学
- 自旋标记和自旋探针技术 - 自旋捕获 - 000活体和体液中的自由基 - 光化学和辐射分解产生自由基 - 氧自由基 - 生物系统中的一氧化氮 - 抗氧化剂和自由基清除剂 - 分子病理和分子药理的研究 - 药物检验, 代谢和毒性 - 酶反应， - 氧化还原反应 - 光合成 - 致癌机制
I1=1/2, 1 I2=1, 1
Multiple hyperfine interactions
I=1/2, 27
溶液自由基波谱, 多数情况下含有多个磁性核，有复杂的超精细结构。
溶液自由基波谱中，电子自旋（S=1/2）和核自旋 (I=1/2 核) 相互作用形成波谱的解析可 以用二项式系数表示法。
核数 能级分裂 允许跃迁 相对强度
Ms +1/2
MI
+1/2
IV
—1/2 III
—1/2 II
—1/2
H
+1/2
I
H H=0
Hyperfine helps us determine molecular structure
No hyperfine interaction I=0
Simple hyperfine interaction
核磁共振 NMR
核与外磁场 核自旋 NMR波谱
磁共振技术
电子顺磁共振 EPR 电子与外磁场 电子自旋 EPR波谱
跃迁-吸收 108 Hz, 射频
I≠0
检测样品中的核跃迁 1H、 13C 、 31P……
跃迁-吸收 1010 Hz , 微波
S ≠0
样品中的未成对电子的跃迁 自由基、Fe3+、 Cu2+、 Mn2+
电子自旋在磁场中的能级分裂称为Zeeman分裂。
二个能级的能量之差： E= ge .e .H
H
S
N
E上 = +1/2 ge .e .H E= ge .e .H
E下 = -1/2 ge .e .H
H=0 H≠0
3．电子顺磁共振的共振条件
电磁辐射能量 h
刚好满足两个能级之间的能量差E
电子从下能级跃迁到上能级
Electromagnet
Spectrometer electronics
Sample probehead (cavity)
微波系统
现代ESR波谱仪的微波系统主要包括微波发生器、由一些微波元件组成的 微波桥及微波检波器组成。
微波桥是微波能量传输的通道。包括隔离器、衰减器、相移器、匹配负载、 检波晶体，和环行器等重要的元件。 微波源：Gunn Source 微波功率：200 mW 微波频率稳定性：AFC dynamic range
微环境结构特点。
超精细分裂常数 a ------ hyperfine splitting constant，电子自旋与核自旋相互作用。
H
6. EPR技术的研究对象和主要优缺点
对象：*自由基(Free radical)
电子层的最外层具有单电子的原子、分子或离子并且能独立存在。
例如: 单基：四甲基哌啶 (TEMPO)
A low cost Spectrometer with good Specifications
22
Nov 2003
China Presentation
ELEXSYS- 500型
E-540 L-Band EPR Spectrometer for Imaging Applications
ELEXSYS E600/680 FT/CW EPR
材料研究
- 高分子聚合物性质
- 光纤的缺陷
- 涂料聚合物的光老化
- 有机导体
- 新型磁体材料的性质
- 宝石缺陷
- 高温超导体
- C60化合物
- 腐蚀中的自由基特性
- 激光材料
- 考古年代学
- 半导体中杂质和缺陷的影响
-电离辐照影响及损伤
- 食品辐照的控制
- 丙氨酸辐照计量学
- 辐照对生物化合物的影响
表1 目前电子顺磁共振采用的典型波段，频率和对应磁场 (g=2)
典型波段
频率 (GHz)
对应磁场( Gauss)
L
1.2
428
S
3.2
1140
X
9.5
3390
K
25
Q
35
W
94
8930 12500
4. 超精细相互作用（Hyperfine interaction）
在自旋体系中除了电子自旋而外还存在有磁性核时， 除了电子自旋Zeeman分裂项外，还有电子自旋-核自旋超精细相互作用项。
二. 电子顺磁共振的实验装置
1. EPR波谱仪分类 2. EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程 3. ESR波谱仪的主要指标
三. 电子顺磁共振的新技术方法 1. 自旋标记EPR 2. 自旋捕捉EPR 3. 低温- EPR
四. 时间分辨电子顺磁共振波谱仪 1.短寿命自由基的检测方法 2. 时间分辨ESR 3. E-500 型ESR波谱仪及仪器的主要指标 4. TR-ESR波谱的产生、检测及举例 5. TR-ESR 瞬态时间波谱的数据处理 6. TR-ESR瞬态检测的优点
1:
2
:1
1:1
1:1
1:1
5 EPR波谱的 参数 谱线强度 h ------- spin concentration, 自旋浓度。 宽度H ------- Relaxation, 弛豫，Weak hyperfine interactions and/or anisotropic interactions 。 波谱分裂因子 g值------resonance position， 可以用来判断被检测的自由基或其它顺磁中心，
Microwave system
Microwave Source Circulator
Detector
Transmission lines
Field controller
Magnet system
Magnet, Cavity/resonator
Cavity
Signal channels
100KHz Oscilator
** 磁矩 ≠0 的物质是顺磁性物质
=0 成对电子
unpaired electrons 不成对电子
2． 电子在直流磁场中的行为 - 能级分裂
E下 = -1/2 ge .e .H （低能量，下能态） E上 = +1/2 ge .e .H （高能量，上能态） ge 是电子的波谱分裂因子=2.0023（无量纲） e 是玻尔磁子， 9.27 x 10-21 尔格/高斯
R
双基(Biradical)或多基（Polyradical）
三重态分子（Triplet molecule）
气体分子：O2 , NO, NO2
N .
O
* 过渡金属离子和稀士离子：
原子轨道上有未成对电子，在电子层的内层。
Mo5+ Fe3+ Mn2+
3d 1 3d 5
Fe2+
3d 6
Co2+
3d 7
Cu2+ Cu+
工业应用
- 定量EPR检测 -石油化工产品 -香烟 -食品工业
二. EPR 实验装置 (电子顺磁共振波谱仪)
1. 分类:
从h = g H 这个式子来看， 有调频式和调场式二种EPR 波谱仪。
从技术上可行性考虑： X 波段 (g=2)：频率 9.5 (GHz)，对应磁场 3390 ( Gauss )
电 子 顺 磁 共 振 (EPR, ESR) 实验方法
目录
一. 电子顺磁共振的基本概念 1. 电子的运动 2. 电子在直流磁场中的行为 - 能级分裂 3. 电子顺磁共振共振条件 4. 超精细相互作用 溶液自由基波谱的特点、解析及举例 5. EPR波谱的一般参数
6. EPR的研究对象和主要优缺点
7. EPR的应用
3d 9 3d 10
S= 1/2 5/2 1/2 2 0 3/2 1/2 1/2
0
*晶格缺陷……
优点： 1. 灵敏度高 10-14 mol/L
2. 分辨率高 mGauss 3. 无干扰和破坏。 4. 样品不需要特殊的分离和制备。 缺点： 要求样品有顺磁性。
7. EPR技术的应用
电子顺磁共振是探测和研究自由基、金属配合物最权威的手段之一。 只有EPR才能不容置疑的检测到不成对电子。
谐振腔 (Cavity)
Standard cavity
Irra cavity
Double cavity
Q=26000
3. ESR波谱仪的主要指标
(1)、灵敏度： 指能检测出ESR信号的最低的样品浓度或自旋粒子数。
(2)、分辨率 用能分辨的两条线之间的最小间距△d或△d/H0表示。
(3)、稳定性 仪器长时间运转基线的漂移和同一样品反复测量的误差 。
一.电子顺磁共振的基本概念
1. 电子在原子中的运动
（自旋和磁矩） ** 轨道运动 和 自旋运动， ** 运动产生相应的磁矩 ， 轨道磁矩和自旋磁矩， 99%为自旋磁矩。 EPR （electron paramagnetic resonance） ESR （electron spin resonance）
Display, save… (Computer)
Power Supply
工作过程：
**由微波源产生的微波能量
经微波桥系统
进入谐振腔。
**腔放在电磁铁的空隙中间，被测样品放在腔内。
**调节磁场强度直至满足其共振条件。
这时样品吸收微波能量。
**从谐振腔反射出来的微波功率发生变化，本来调节平衡的微波桥路
失去平衡
通过检波器
检测出一个ESR信号。
再经放大器放大之后在示波器上或在记录仪上(Computer)显示出来。
电子顺磁共振波谱仪记录到的信号是微波功率对磁场的函数曲线。 h = g . .H
典型的一台电子顺磁共振波谱仪
PC (user interface)
Microwave source and detector
a
0
2
1
1
b
1
4
2
11
c
2
8
3
121
d
3
16
4
13 3 1
4
32
5
14 6 41
5
64
6
1 5 10 10 5 1
6 128
7 1 6 15 20 15 6 1
…… …… ………… ………………………… n 2n+1 n+1或2nI+1 (1+x)n 二项式系数
二项式系数 (1+x)n = 1 + nx + [n(n -1)/ 2 !] x2 + …+ xn
EPR具有独特的识别顺磁物质的能力。EPR样品对局部区域环境是非常灵敏的, 因此可以阐明不成对电子附近的分子结构。 阐明分子的运动或流动的动态过程。在
化学、物理、生物、地质、考古、材料科学、医药科学和工业等许多领域等方面获 得广泛的应 用， 特别是电子顺磁共振新技术应用于不具有成对电子的物质， 在生 物学中的应用，已经成为研究细胞膜结构唯一的有效方法。
这时电子顺磁共振: Htotal = HZeeman+Hhfs = ge .e . S . H + a. S . I
S 为电子自旋量子数 I 为核自旋量子数， a 是超精细分裂谱线的间隔，称为超精细分裂常数。
例如：一个 | I | =1/2， |S| = 1/2的最简单的体系 。 能级间允许跃迁的选择定律：Ms= 1，MI= 0
2. EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程
一台现代的波谱仪必须包含下列六大部分： （1）微波系统 （2）磁场系统 （3）谐振腔系统 （4）电子线路( 含信号通道 ) （5）电源系统 （6） 计算机
(4)、多功能性 指添加适当的附件，使一台波谱仪具有更多的功能。
液氮变温系统
液氦变温系统
temperature range : 100K to 500K
temperature range : 3.8K to 300K
（ER 4112HV）
Bruker公司生产的几种近代波谱仪
A300 SБайду номын сангаасries
电子顺磁共振的条件为： h = g . .H
一般情况下 EPR信号十分微弱，被噪声所淹没。
经过电子学处理后 (用高频小调场的工作方式 和相敏检波器）检测其共振的一次微分信号。
什么是电子顺磁共振？ 自由电子在直流 磁场中吸收电磁辐射，从低能级跃迁到上能级的现象 。
h
‖
g...H
h = g . .H
化学
- 自由基反应动力学, - 有机金属化合物, - 光化学反应动力学,
- 聚合反应,
-氧化、, 还原过程- 双基和三重态分子
- 自旋捕获 - 石油研究 - 催化
物理
- 磁化率的测量, - 导体和半导体中的传导电子, - 磁共振, 分子受激态的光检测, - 低温下的再复合
- 过渡金属, 镧和锕离子 - 晶体缺陷(碱卤化物中色心) - 单晶中的晶场
三. 电子顺磁共振(EPR)的新技术
自旋标记EPR， 自旋捕捉EPR， 低温EPR。。。。。 1. 自旋标记电子顺磁共振（Spin labeling-ESR）
- 辐照产生短寿命有机自由基的行为
生物和医学
- 自旋标记和自旋探针技术 - 自旋捕获 - 000活体和体液中的自由基 - 光化学和辐射分解产生自由基 - 氧自由基 - 生物系统中的一氧化氮 - 抗氧化剂和自由基清除剂 - 分子病理和分子药理的研究 - 药物检验, 代谢和毒性 - 酶反应， - 氧化还原反应 - 光合成 - 致癌机制
I1=1/2, 1 I2=1, 1
Multiple hyperfine interactions
I=1/2, 27
溶液自由基波谱, 多数情况下含有多个磁性核，有复杂的超精细结构。
溶液自由基波谱中，电子自旋（S=1/2）和核自旋 (I=1/2 核) 相互作用形成波谱的解析可 以用二项式系数表示法。
核数 能级分裂 允许跃迁 相对强度
Ms +1/2
MI
+1/2
IV
—1/2 III
—1/2 II
—1/2
H
+1/2
I
H H=0
Hyperfine helps us determine molecular structure
No hyperfine interaction I=0
Simple hyperfine interaction
核磁共振 NMR
核与外磁场 核自旋 NMR波谱
磁共振技术
电子顺磁共振 EPR 电子与外磁场 电子自旋 EPR波谱
跃迁-吸收 108 Hz, 射频
I≠0
检测样品中的核跃迁 1H、 13C 、 31P……
跃迁-吸收 1010 Hz , 微波
S ≠0
样品中的未成对电子的跃迁 自由基、Fe3+、 Cu2+、 Mn2+
电子自旋在磁场中的能级分裂称为Zeeman分裂。
二个能级的能量之差： E= ge .e .H
H
S
N
E上 = +1/2 ge .e .H E= ge .e .H
E下 = -1/2 ge .e .H
H=0 H≠0
3．电子顺磁共振的共振条件
电磁辐射能量 h
刚好满足两个能级之间的能量差E
电子从下能级跃迁到上能级
Electromagnet
Spectrometer electronics
Sample probehead (cavity)
微波系统
现代ESR波谱仪的微波系统主要包括微波发生器、由一些微波元件组成的 微波桥及微波检波器组成。
微波桥是微波能量传输的通道。包括隔离器、衰减器、相移器、匹配负载、 检波晶体，和环行器等重要的元件。 微波源：Gunn Source 微波功率：200 mW 微波频率稳定性：AFC dynamic range
微环境结构特点。
超精细分裂常数 a ------ hyperfine splitting constant，电子自旋与核自旋相互作用。
H
6. EPR技术的研究对象和主要优缺点
对象：*自由基(Free radical)
电子层的最外层具有单电子的原子、分子或离子并且能独立存在。
例如: 单基：四甲基哌啶 (TEMPO)
A low cost Spectrometer with good Specifications
22
Nov 2003
China Presentation
ELEXSYS- 500型
E-540 L-Band EPR Spectrometer for Imaging Applications
ELEXSYS E600/680 FT/CW EPR
材料研究
- 高分子聚合物性质
- 光纤的缺陷
- 涂料聚合物的光老化
- 有机导体
- 新型磁体材料的性质
- 宝石缺陷
- 高温超导体
- C60化合物
- 腐蚀中的自由基特性
- 激光材料
- 考古年代学
- 半导体中杂质和缺陷的影响
-电离辐照影响及损伤
- 食品辐照的控制
- 丙氨酸辐照计量学
- 辐照对生物化合物的影响
表1 目前电子顺磁共振采用的典型波段，频率和对应磁场 (g=2)
典型波段
频率 (GHz)
对应磁场( Gauss)
L
1.2
428
S
3.2
1140
X
9.5
3390
K
25
Q
35
W
94
8930 12500
4. 超精细相互作用（Hyperfine interaction）
在自旋体系中除了电子自旋而外还存在有磁性核时， 除了电子自旋Zeeman分裂项外，还有电子自旋-核自旋超精细相互作用项。
二. 电子顺磁共振的实验装置
1. EPR波谱仪分类 2. EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程 3. ESR波谱仪的主要指标
三. 电子顺磁共振的新技术方法 1. 自旋标记EPR 2. 自旋捕捉EPR 3. 低温- EPR
四. 时间分辨电子顺磁共振波谱仪 1.短寿命自由基的检测方法 2. 时间分辨ESR 3. E-500 型ESR波谱仪及仪器的主要指标 4. TR-ESR波谱的产生、检测及举例 5. TR-ESR 瞬态时间波谱的数据处理 6. TR-ESR瞬态检测的优点
1:
2
:1
1:1
1:1
1:1
5 EPR波谱的 参数 谱线强度 h ------- spin concentration, 自旋浓度。 宽度H ------- Relaxation, 弛豫，Weak hyperfine interactions and/or anisotropic interactions 。 波谱分裂因子 g值------resonance position， 可以用来判断被检测的自由基或其它顺磁中心，
Microwave system
Microwave Source Circulator
Detector
Transmission lines
Field controller
Magnet system
Magnet, Cavity/resonator
Cavity
Signal channels
100KHz Oscilator
** 磁矩 ≠0 的物质是顺磁性物质
=0 成对电子
unpaired electrons 不成对电子
2． 电子在直流磁场中的行为 - 能级分裂
E下 = -1/2 ge .e .H （低能量，下能态） E上 = +1/2 ge .e .H （高能量，上能态） ge 是电子的波谱分裂因子=2.0023（无量纲） e 是玻尔磁子， 9.27 x 10-21 尔格/高斯
R
双基(Biradical)或多基（Polyradical）
三重态分子（Triplet molecule）
气体分子：O2 , NO, NO2
N .
O
* 过渡金属离子和稀士离子：
原子轨道上有未成对电子，在电子层的内层。
Mo5+ Fe3+ Mn2+
3d 1 3d 5
Fe2+
3d 6
Co2+
3d 7
Cu2+ Cu+
工业应用
- 定量EPR检测 -石油化工产品 -香烟 -食品工业
二. EPR 实验装置 (电子顺磁共振波谱仪)
1. 分类:
从h = g H 这个式子来看， 有调频式和调场式二种EPR 波谱仪。
从技术上可行性考虑： X 波段 (g=2)：频率 9.5 (GHz)，对应磁场 3390 ( Gauss )
电 子 顺 磁 共 振 (EPR, ESR) 实验方法
目录
一. 电子顺磁共振的基本概念 1. 电子的运动 2. 电子在直流磁场中的行为 - 能级分裂 3. 电子顺磁共振共振条件 4. 超精细相互作用 溶液自由基波谱的特点、解析及举例 5. EPR波谱的一般参数
6. EPR的研究对象和主要优缺点
7. EPR的应用
3d 9 3d 10
S= 1/2 5/2 1/2 2 0 3/2 1/2 1/2
0
*晶格缺陷……
优点： 1. 灵敏度高 10-14 mol/L
2. 分辨率高 mGauss 3. 无干扰和破坏。 4. 样品不需要特殊的分离和制备。 缺点： 要求样品有顺磁性。
7. EPR技术的应用
电子顺磁共振是探测和研究自由基、金属配合物最权威的手段之一。 只有EPR才能不容置疑的检测到不成对电子。
谐振腔 (Cavity)
Standard cavity
Irra cavity
Double cavity
Q=26000
3. ESR波谱仪的主要指标
(1)、灵敏度： 指能检测出ESR信号的最低的样品浓度或自旋粒子数。
(2)、分辨率 用能分辨的两条线之间的最小间距△d或△d/H0表示。
(3)、稳定性 仪器长时间运转基线的漂移和同一样品反复测量的误差 。
一.电子顺磁共振的基本概念
1. 电子在原子中的运动
（自旋和磁矩） ** 轨道运动 和 自旋运动， ** 运动产生相应的磁矩 ， 轨道磁矩和自旋磁矩， 99%为自旋磁矩。 EPR （electron paramagnetic resonance） ESR （electron spin resonance）
Display, save… (Computer)
Power Supply
工作过程：
**由微波源产生的微波能量
经微波桥系统
进入谐振腔。
**腔放在电磁铁的空隙中间，被测样品放在腔内。
**调节磁场强度直至满足其共振条件。
这时样品吸收微波能量。
**从谐振腔反射出来的微波功率发生变化，本来调节平衡的微波桥路
失去平衡
通过检波器
检测出一个ESR信号。
再经放大器放大之后在示波器上或在记录仪上(Computer)显示出来。
电子顺磁共振波谱仪记录到的信号是微波功率对磁场的函数曲线。 h = g . .H
典型的一台电子顺磁共振波谱仪
PC (user interface)
Microwave source and detector
a
0
2
1
1
b
1
4
2
11
c
2
8
3
121
d
3
16
4
13 3 1
4
32
5
14 6 41
5
64
6
1 5 10 10 5 1
6 128
7 1 6 15 20 15 6 1
…… …… ………… ………………………… n 2n+1 n+1或2nI+1 (1+x)n 二项式系数
二项式系数 (1+x)n = 1 + nx + [n(n -1)/ 2 !] x2 + …+ xn
EPR具有独特的识别顺磁物质的能力。EPR样品对局部区域环境是非常灵敏的, 因此可以阐明不成对电子附近的分子结构。 阐明分子的运动或流动的动态过程。在
化学、物理、生物、地质、考古、材料科学、医药科学和工业等许多领域等方面获 得广泛的应 用， 特别是电子顺磁共振新技术应用于不具有成对电子的物质， 在生 物学中的应用，已经成为研究细胞膜结构唯一的有效方法。
这时电子顺磁共振: Htotal = HZeeman+Hhfs = ge .e . S . H + a. S . I
S 为电子自旋量子数 I 为核自旋量子数， a 是超精细分裂谱线的间隔，称为超精细分裂常数。
例如：一个 | I | =1/2， |S| = 1/2的最简单的体系 。 能级间允许跃迁的选择定律：Ms= 1，MI= 0