1、Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy 第一章第一章电子顺磁共振波谱法(EPR)第一节 EPR的基本原理1.1 EPREPREPR比如：自比如：自所以说：所以说：窄的窄的又如：蒽即：即：:如：氧分子如：氧分子又如：氢、氮、碱的原子。又如：氢、氮、碱的原子。1.2 EPR1、灵敏度高、灵敏度高如：测如：测DPPH时，下限是时，下限是 mol2、可直接检测不破坏样品、可直接检测不破坏样品14101、自由基寿命很短、浓度太低、自由基寿命很短、浓度太低2、波谱解析困难、波谱解析困难所以在物理学、化学、生物学、医学、生命科所以在物理学、化学、生物学、医学
2、、生命科学、材料学、地矿学和年代学等领域有广泛的学、材料学、地矿学和年代学等领域有广泛的应用应用连续流动法、快速冷冻法、自旋捕获技术、连续流动法、快速冷冻法、自旋捕获技术、自旋标记技术、自旋探针技术自旋标记技术、自旋探针技术高速计算机高速计算机1.3 基本原理v1.3.1 物质的磁性物质的磁性1)大多数物质本身不呈现磁性，但由于它内部的电子轨道运动，在外磁场作用 下产生Larmor 进动感应出一个诱导磁矩，磁矩的方向与外磁场相反，表现为一个附加磁场Ho，即：H 和 H0 反向，其磁化强度与外磁场强度成正比，并随着外磁场的消失而消失，这类物质称为 逆磁性 物质。2)有些物质的原子、分子或离子：本
3、身具有永久磁矩无外磁场时，由了热运动，永久磁边的方向是随机的，所以该磁矩的统计值等于零，但处在外磁场中时，一方面物质内部的电子也有上述逆磁性物质那样的 Larmor 进动，磁化方向与外磁场相反；另一方面，永久磁矩会顺着外磁场方向排列其磁化强度与外磁场强度成正比；磁化方向与外磁场相同，因此产生的附加磁场是上述两方面共同作用的总结果，其Ho故称这类物质为 顺磁性 物质。物质在外磁场作用下的磁化现象有物质在外磁场作用下的磁化现象有3种情况：种情况：0HHH 3)还有一类物质，如铁、镍、磁铁矿等，虽然它们也是H 0，但其被磁化的强度与外磁场强度不成正比关系而是随着外磁场强度的增加而急剧增强，当外磁场消
4、失后，这种物质的磁性并不消失呈现出滞后的现象，这类物质称为 物质。1.3.2 磁场和磁矩磁场和磁矩磁矩：磁矩：nIMS轨道磁矩的定义：自旋磁矩的定义：Sg铁磁性HHHEzcos磁矩与磁场相互作用能：1.3.3 电子自旋磁矩v电子自旋磁矩与自旋角动量的关系：v电子自旋磁矩在外磁场中的能量：0023.2egmce2波尔磁子HMgHESz)(21 SSzMMg其中：能级差：能级差：HgE1.3.4 共振条件共振条件HgEh在理上要满足共振条件，可以用两种方式：（1）固定频率改变场强，即：扫场法；（2）固定场强改变频率，即：扫频法。1.3.5 线宽、线型、弛豫线宽、线型、弛豫v线宽 （1）寿命增宽（L
5、ife Broadening）测不准关系：即：根据共振条件知：tgHHhgvtvtE/21自旋晶格相互作用v久期增宽(Secular Broadening)HHHr自旋-自旋相互作用影响H的因素：1.动态因素 热起伏 2.空间因素 两个顺磁粒子间的相互作用)cos31(1 23r4CuSO4ZnSO顺磁性逆磁性增大 r的方法：固体 同晶形 液体 稀释v自旋弛豫v线 型 :Lorentz 线型判定的判定的21 bXaYGauss 线型2bXaeY1.3.6 g 因子（1）g因子的概念34002.0023但：但：9500另外：另外：对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即对于大多数分子，激发态的
6、掺入与取向有关，即表现为各向异性，从而使表现为各向异性，从而使 g 因子也是各向异性，则因子也是各向异性，则 g 因因子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。g 因子因子的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。zzzyzxyzyyyxxzxyxxggggggggggzzyyxxgggg000000由于分子的对称性，往往存在一个主轴系，如果把 x,y,z 坐标旋转到主轴系中，则 g 张量矩阵只有对角元素，即：（2）g因子的测定 （A）绝对法 （B）比较法HhgxssxxxssHHggHgHgh1.1.7 超精细结
7、构 1.超精细相互作用（1）原子核的磁矩 其中：ennnnIg18361 质量数质量数 原子序数原子序数 自旋量子数自旋量子数I I 偶数偶数 偶数偶数 0 0 偶数偶数 奇数奇数 1 1，2 2，3 3.奇数奇数 奇数或偶数奇数或偶数 1/21/2；3/23/2；5/25/2.中子和质子都是费米子，自旋都是h/2；凡是中子数和质子数都是偶数的原子核(称为偶偶核)自旋都为零，凡是中子数和质子数中有一个是奇数的原子核(称为奇偶核)的自旋都是 h的半奇数倍，凡是中子数和质子数都是奇数的原子核(称为奇奇核)的自旋都是h的整数倍 32)1cos3(H rZN局部,.而而所以所以zzISaH各向同性从而
8、总的相互作用能：从而总的相互作用能：zzzISaSgH H 3.几种超精细能谱线几种超精细能谱线根据根据1.含有含有两两个个 I=的等性核的等性核 共共8个能级，产生个能级，产生3条谱线条谱线 谱线强度之比：谱线强度之比：1：2：12.含有含有三三个个 I=的等性核的等性核 共共16个能级，产生个能级，产生4条谱线，条谱线，谱线强度之比：谱线强度之比：1：3：3：13.含有含有 n 个个 I=的等性核的等性核4.含有含有 两两 个个 I=1 的等性核的等性核比如：两个氮核与一个未成对电子有等同的作用，比如：两个氮核与一个未成对电子有等同的作用，由于由于 核的核的 I=1，所以：，所以：N141
9、-,0 ,1IM当第一个氮核与末成对电子当第一个氮核与末成对电子 作用而分裂成作用而分裂成 3 个能级在此基础上，个能级在此基础上，第二个氮核进一步发生分裂，第二个氮核进一步发生分裂，由于作用的强弱与第一个氮核相相同，由于作用的强弱与第一个氮核相相同，所以有部分能级发生重合。所以有部分能级发生重合。21SM最终产生 5 条谱线，强度比例为：1：2：3：2：1 如含有：如含有：n1 个核自旋为个核自旋为 I1，n2 个核自旋为个核自旋为 I2，：nk 个核自旋为个核自旋为 Ik。则产生最多则产生最多(2n1*I1+1)(2n2*I2+1)(2nk*Ik+1)条谱线条谱线1.1.8 自旋浓度自旋浓
10、度即：单位重量或单位体积中所含未成对电子的数目(白旋数)。谱线的面积与自旋数的关系2216)1(ThkSSgNA自旋自旋浓度射频场振幅射频场频率温度sxsxxsxsAANNNNAA 所以：电子顺磁共振波谱仪主要由电子顺磁共振波谱仪主要由微波系统微波系统、磁铁系统磁铁系统、谐振腔谐振腔和和信号检测系统信号检测系统等部分组成。等部分组成。第三节 仪器和方法EPR原理图一、微波系统一、微波系统 1、微波及其特点、微波及其特点2微波器件微波器件(1)速调管速调管反射式速调管的结构反射式速调管的结构(2)波导波导管结构示意图波导管结构示意图(3)衰减器衰减器衰减器刻度范围为衰减器刻度范围为 0-60 d
11、BioPPLgdB101(4)调配器调配器(5)隔离器隔离器(6)环行器环行器(7)晶体检波器晶体检波器(8)自动频率控制系统（自动频率控制系统（AFC）二、磁铁系统二、磁铁系统1、电、电 磁磁 铁铁通常能够提供磁场的磁体有通常能够提供磁场的磁体有3种：种：永磁铁、电磁铁和超导磁体。永磁铁、电磁铁和超导磁体。2磁场的选择磁场的选择Hg6104.13磁场的技术要求磁场的技术要求（1）磁场的均匀性）磁场的均匀性（2）磁场的稳定性）磁场的稳定性4磁铁电源磁铁电源IHRVH5磁场测量磁场测量三、谐三、谐 振振 腔腔损耗的功率腔内储存的能量每周损耗的能量腔内储存的能量 2Q双样品谐振腔：双样品谐振腔：1
12、、测定一系列相似的未知样品中不成对、测定一系列相似的未知样品中不成对 电子的相对数目；电子的相对数目；2、通过与一个定标的标准样品进行比较、通过与一个定标的标准样品进行比较 来测定未知样品中所包含的不成对电来测定未知样品中所包含的不成对电 子数目；子数目；3、精确测定、精确测定 g 值。值。四、场调制和信号检测系统四、场调制和信号检测系统五、波谱仪的主要技术指标五、波谱仪的主要技术指标1、灵、灵 敏敏 度度2、分、分 辨辨 率率3、稳、稳 定定 性性六、实验技术六、实验技术1样品制备样品制备(1)气体样品气体样品(2)液体样品液体样品(3)固体样品固体样品(4)样品管样品管2仪器工作参数的选择
13、仪器工作参数的选择(1)微波频率微波频率(2)微波功率微波功率(3)磁场设置磁场设置(4)调制幅度和调制频率调制幅度和调制频率(5)时间常数和扫场时间时间常数和扫场时间第四节第四节 应应 用用一、稳定性顺磁物质的直接检测一、稳定性顺磁物质的直接检测1有机自由基的研究有机自由基的研究(1)环辛四烯负离子自由基强度比为：强度比为：1：8：28：56：70：56：28：8：1 的的 9 条谱线组成条谱线组成(2)萘负离子自由基1：4：6：4：4：16：1：24：6：16：24：4：36：4：24；16：6：24：1：16；4：4：6：4：11、4、5、8等性，2、3、6、7等性；共产生25条谱线，强
14、度比为：(3)DPPH等含氮自由基1，1-二苯基-2-三硝基苯肼 PAC七重谱线 1：1：2：1：2：1：1DDPH总结：1)3种分子内的两个氮核与未成对电子均有相互作用。2)各个分子中两个氮核的超精细偶合常数的关系为：（A）（B）（C）1212121212aaaaaaa2催化剂的研究 (1)催化剂表面的性质催化剂:322OAlSiO 表面吸附二萘嵌苯三个酸性中心：nstedoBr LewisLewis酸性中心酸性中心酸性中心水化铝2/)(SiOMoBi当二萘嵌苯溶液浓度较低时9条等间距的超精细谱线1:6:15:20:15:6:11ZMSH 在 催化剂 的表面 苯(2)催化剂表面的反应机理经处
15、理的高纯MgO在真空下粉碎5小时后吸附甲醇气体甲醛经机械粉碎形成的新鲜表面上具有电子俘获中心和空穴俘获中心2HCO二、自旋捕获法高活性自由基的检测1原理和方法一种检测短寿命自由基的技术方法：用一种逆磁性的不饱和化台物(即：自旋捕获剂)和反应中产生的不稳定自由基 起加成反应，生成另一种较稳定的自由基产物(即：自旋加合物）RNOnitrosodureneNO2-methyl-2nitrosopropaneNOtri-tert-butylnitroso benzeneNH+O-phenyl-tert-butylnitroneHN5,5-dimethylpyrrolineMNPNDDMPOTNBPBN
16、2.自旋捕获技术的应用1)在有机化学反应中的应用2)在生物体系中的应用三、自旋标记法和自旋探针法 逆磁性物质的EPR研究1自旋标记法自旋标记法是将一种稳定的顺磁性分子用共价结合的方式引入被研究体系分子的特定部位利用其 EPR 波谱特性来反映该顺磁分子所处相关环境的物理、化学性质 1)该物质应是足够稳定的顺磁性化合物 2)它能与被研究体系的分子在某些专一的位 置上以一定的方式结合，但对体系扰动甚微 3)标记后产生的EPR谱应能灵敏地反映环境的信息，且谱图较简单并易于解析 4)标记化合物还应在所用的溶剂中有良好的溶解性，便于制备实验所需的样品用作自旋标记的化合物应只备以下的性质：氮氧化合物自由基2
17、自旋探针法将顺磁性的探针分子以非价键结合方式引入被研究的逆磁性体系中1）氮氧自由基自旋探针2）金属离子自旋探针3）氮氧化合物自旋探针第五节 EPR 研究新进展一、电子-核双共振（ENDOR）ENDOR是在垂直干H的方向上加上两个辐射电磁场，其中一个是微波场，用来激发电子自旋跃迁，该微波场要足够强使EPR 跃迁出现部分饱和现象；另一个是射频辐射场，用来激发核自旋跃迁使处于饱和状态的电子自旋能级的布居数重新分布，此时观察到的是在发生核磁共振时的 EPR 信号的增强即电子-核双共振信号21 ,21ISIHghASISHgInnIIHMghAMsMHMsgMMsE),(hAHgEEhe21141HghAEEhHghAEEhnnnnnn22122341同样：可见，ENDOR谱线并不是直接观察对射频功率的吸收。而是观察因各能级布居数重新分布所产生的RPR谱线中某些跃迁强度的增强，它反映了核跃迁的信息1nn2n1)超精细偶合常数的测定21nnA2An2An2)值的测定nghHgnnnn2212An2An萘自由基 EPRENDOR
