电 子 顺 磁 共 振 ESR-chemstry-1

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
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。
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）
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）
（1） 5DS自旋标记人红细胞膜，获得膜分子的运动信息。
Effects from molecular motion Free tumbling
Moderately immobilized
Strongly immobilized
S≌ 0.568 •( A// - A) / [( A// +2A)/3]
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)
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
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，
自旋标记是将某些稳定的自由基按照共价或非共价的方式 加到被研究的体系上，然后借助于这些自由基的ESR波谱来分析 该体系微观的结构、运动状态和理化特性，实现了非顺磁性物质 的电子顺磁共振研究。
这些稳定的自由基就是自旋标记物（Spin label）。 实验室经常使用的氮氧自由基衍生物。
自旋标记物代表性商品的结构: (a)TEMPO四甲基哌啶; (b)Maleimide马来酰亚胺; (c)nDS硬脂酸.
电 子 顺 磁 共 振 (EPR, ESR) 的实验方法
扬州大学测试中心
March 6, 2020
目录
一. 电子顺磁共振的基本概念 二. 电子顺磁共振的实验装置
三. 电子顺磁共振的新技术方法 四. 时间分辨电子顺磁共振波谱仪
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
工业应用
- 定量EPR检测 -石油化工产品 -香烟 -食品工业
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
Microwave system
Microwave Source Circulator
分离系数f = H/(H+P)
2 . 自旋捕捉（Spin trapping）-----短寿命自由基
自由基（短）+自旋捕捉剂 →自旋加合物 （稍长）
* 捕捉剂 DMPO, POBN tNB.等，不同的捕捉剂所具有的捕捉效率和所
提供的信息不完全相同。同一种捕捉剂对不同的自由基的波谱不同。例如:
•OH DMPO +·OH DMPO-OO(H)
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
Ms +1/2
MI
+1/2
IV
—1/2 III
—1/2 II
—1/2
H
+1/2
I
20世纪未期，ESR技术又有较大的发展。主要归结为四个方面： ①从频率域进入时间域，建立了脉冲ESR技术； ②从单一频率进入多频共振检测； ③从一维波谱进入二维显示及三维成象； ④强大的计算机软，硬件功能、改进谱仪管理和数据处理能力。
例如：4.2K MgO 基质中 Fe+和Co2+ (59Co,I=7/2) g(Fe) ≌ 4.13, g(Co) ≌ 4.34, A（Co）=45G
LN：77K、 140----340K 生物样品
例如：缺血再灌心肌，77K g∥ = 2.03-2.05, g⊥ = 2.005 g(Fe-S) = 1.94
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 。
(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。
aN=1.46 mT, aH=1.48 mT
g=2.0054
1: 2: 2: 1 四重峰
加合物半衰期寿命 达30分钟。
H N
O
OH
3. 低温- EPR
漆酶Laccase II型Cu2+(I=3/2) 酶及配位的组氨酸 咪唑N引起的超精细分裂: 2N, 4N g∥= 2.25 , g⊥= 2.05
LHe： 4K、 4----300K 过渡金属离子.
典型的一台电子顺磁共振波谱仪
PC (user interface)
Microwave source and detector
Electromagnet
Spectrometer electronics
Sample probehead (cavity)
谐振腔 (Cavity)
Standard cavity
Cu2+ Cu+
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。
Detector
Transmission lines
Field controller
Magnet system
Magnet, Cavity/resBaidu Nhomakorabeanator
Cavity
Signal channels
100KHz Oscilator
Display, save… (Computer)
Power Supply
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+
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）
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。
这时电子顺磁共振: Htotal = HZeeman+Hhfs = ge .e . S . H + a. S . I
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
** 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
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
H H=0
Hyperfine helps us determine molecular structure
No hyperfine interaction I=0
Simple hyperfine interaction
I1=1/2, 1 I2=1, 1
Multiple hyperfine interactions
(2) 马来酰亚胺（ MSL））自旋标记物能研究蛋白质分子的平均构象 和旋转相关时间τc 。
S/W
τc ≌ 6.5 • 10-10 • ΔH(0) • { [ (h(0)/h(-1)]1/2 + [(h(0)/h(+1)]1/2 –2 } 秒
3 四甲基哌啶（TEMPO）自旋标记物用于研究水脂混合体系中 水相与脂相的分离情况。
电子从下能级跃迁到上能级
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
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
a
0
2
1
1
b
1
4
2
11
c
2
8
3
121
d
3
16
4
13 3 1
4
32
- 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