電子順磁共振波譜儀布魯克ESR5000

EPR專業(yè)知識(shí)

揭示自由基

電子順磁共振（EPR）波譜，也稱為電子自旋共振（ESR），通過(guò)探測(cè)含有不成對(duì)電子的原子和分子（即順磁性），提供對(duì)其它不可見現(xiàn)象的洞察。它區(qū)別于其它波譜技術(shù)，即只有EPR明確檢測(cè)這些物種，從而消除誤報(bào)。

EPR是一種高度敏感和特別的技術(shù)，能夠?qū)Σ牧稀⒒瘜W(xué)試樣和生物系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)研究。

人們使用EPR波譜從事檢測(cè)、識(shí)別并量化自由基；研究分子的結(jié)構(gòu)、幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性；觀察生物系統(tǒng)中的原位標(biāo)記物種；了解氧化還原過(guò)程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性等。

EPR可以利用順磁電子檢測(cè)任何物種，包括有機(jī)和無(wú)機(jī)自由基、過(guò)渡金屬配合物、金屬蛋白和雙自由基等。

由于單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，自由基在自然界中頻繁出現(xiàn)。過(guò)渡金屬離子通常是順磁性的。

日常生活中經(jīng)常遇到的順磁物質(zhì)EPR波譜

EPR的優(yōu)勢(shì)

EPR波譜可直接測(cè)量與不成對(duì)電子耦合的原子核的數(shù)目和類型，是對(duì)NMR的一個(gè)補(bǔ)充，它能為所有分析實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)*的能力：

靈敏度：比NMR靈敏度高1000倍

特異性：只檢測(cè)包含不成對(duì)電子的分子區(qū)域

快速的時(shí)間分辨率：監(jiān)測(cè)壽命甚短的物種

無(wú)損檢測(cè)：留下完整的試樣可供進(jìn)一步分析之用

定量分析

在20世紀(jì)50年代*實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，EPR已變得更易獲得，這要部分歸功于現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。臺(tái)式EPR系統(tǒng)現(xiàn)在能提供大大增強(qiáng)的易用性和大大降低的擁有成本，并能在一個(gè)小化的占用空間內(nèi)提供高級(jí)功能。

Bruker EMXNano™ 臺(tái)式波譜儀

關(guān)于EPR

EPR波譜類似于NMR波譜，具有中心差分。EPR通過(guò)探測(cè)不成對(duì)電子的磁性質(zhì)來(lái)生成檢測(cè)結(jié)果，而不是像NMR那樣是探測(cè)原子核。（參見NMR 101。）

作為運(yùn)動(dòng)中的帶電粒子，每一個(gè)電子都有磁矩。放置在磁場(chǎng)中時(shí)，試樣中的不成對(duì)電子依據(jù)磁場(chǎng)校準(zhǔn)其磁矩。將試樣暴露于一定頻率的微波照射下時(shí)，外部磁場(chǎng)已受線性掃描。磁場(chǎng)和微波頻率恰好產(chǎn)生EPR共振（或吸收）的狀態(tài)稱為共振狀態(tài)，其中電子磁矩的方向依據(jù)磁場(chǎng)而改變。

特定順磁性物種會(huì)吸收特征共振頻率的能量，這些頻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化。電磁體使其具備可以較容易地橫掃一整列的優(yōu)勢(shì)，所以大多數(shù)EPR實(shí)驗(yàn)在測(cè)量與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈函數(shù)關(guān)系的能量吸收時(shí)，會(huì)保持頻率不變。所得的吸收波譜可揭示出試樣中自由電子的存在及其環(huán)境的細(xì)節(jié)。

一個(gè)測(cè)量頻率上升的氮氧自由基的EPR波譜變化。（圖片來(lái)自Mikhail Ryazanov [公共資源]，經(jīng)由維基共享資源。）

關(guān)于這一過(guò)程的簡(jiǎn)要概述

試樣的導(dǎo)入

完成小量的制備后，將試樣置于探頭內(nèi)，通常也稱為腔體或諧振腔，依次安放在電磁體內(nèi)。EPR通常在低溫下進(jìn)行，使用液氦或液氮作為冷卻劑，捕捉稍縱即逝的反應(yīng)。

數(shù)據(jù)的采集

諧振腔是一種物理結(jié)構(gòu)，它在微波的波長(zhǎng)上產(chǎn)生共振（儲(chǔ)存并集中微波能量），就像風(fēng)琴管與聲波共振一樣。在適當(dāng)?shù)奈⒉l率和磁場(chǎng)的作用下，試樣吸收微波時(shí)，微波從腔體反射回來(lái)，我們的EPR信號(hào)就會(huì)被檢測(cè)到。

數(shù)據(jù)的解讀

與許多波譜技術(shù)不同，微波吸收表現(xiàn)為一階導(dǎo)數(shù)波譜。這是因?yàn)镋PR使用場(chǎng)調(diào)制和鎖定檢測(cè)技術(shù)，以獲取的檢測(cè)靈敏度并提供優(yōu)異的信號(hào)分辨率。

理想的吸收度數(shù)據(jù)（上），通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)（下）轉(zhuǎn)換成EPR波譜。（來(lái)自Mikhail Ryazanov [公共資源]，經(jīng)由維基共享資源。）

如果試樣中的自由電子只有兩種可能的狀態(tài)，例如“受激"（吸收光子后）和“弛豫"，那么EPR波譜就會(huì)顯示出一個(gè)單一的零交叉點(diǎn)，就像上面的理想化例子一樣。事實(shí)上，多重電磁影響可以產(chǎn)生各種可能的能量狀態(tài)，對(duì)應(yīng)EPR波譜上的相應(yīng)譜線。其模式揭示出目前物種的詳細(xì)情況。在重要的EPR參數(shù)中，“g因子"反映了電子軌道與自旋角動(dòng)量之間的相互作用。電子與磁核的相互作用，被稱為超精細(xì)相互作用，可提供有價(jià)值的分子類型和結(jié)構(gòu)信息。

EPR的應(yīng)用

EPR對(duì)順磁物種的*檢測(cè)結(jié)果使其在各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)的研究、開發(fā)和質(zhì)量控制方面都價(jià)值。例如:

生物學(xué)和醫(yī)學(xué)

研究金屬蛋白的代謝功能

監(jiān)測(cè)活性氧（自由基）的形成和反應(yīng)性

利用自旋標(biāo)記研究膜蛋白和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)相互作用的動(dòng)力學(xué)特性

材料與物理科學(xué)

查明金屬氧化物中的晶體缺陷

開發(fā)并測(cè)試半導(dǎo)體

化工和石化工業(yè)

研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化和光化學(xué)等。

對(duì)原油中含瀝青質(zhì)的自由基進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

食品與飲料質(zhì)量

追蹤產(chǎn)品質(zhì)保期

評(píng)估氧化、溫度和光穩(wěn)定性

鑒別輻照食品中的自由基

電子順磁共振波譜儀布魯克ESR5000

南京新飛達(dá)光電科學(xué)技術(shù)有限公司 黃麗娟