1、1第二章第二章 电子自旋共振波谱电子自旋共振波谱2一、基本原理一、基本原理 电子自旋共振(electron spin resonance,ESR)或称电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)或称电子磁共振(electron magnetic resonance,EMR)是直接检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质的方法。电子自旋共振作为结构分析方法有其独特的优点。是检测自由基以及那些轨道含有未成对电子的络合物的最直接、最灵敏的方法，检测下限达10-14 mol。3一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 根据保里原理:每个
2、分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的。只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性，即磁去屏蔽。自由基以及那些轨道含有未成对电子的过渡金属离子(Fe3+,Fe2+,Cu2+,Co2+等)络合物具有顺磁性。物质的顺磁性是由分子的永久磁矩引起的。4一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 电子自旋共振（ESR）或电子磁共振（EMR）与核磁共振（NMR）在量子力学原理上有许多相似之处，都是由于粒子在静态磁场中角动量能级发生分裂，从而造成低能态与高能态粒子的布居数不同，之后，在另外一个电磁波的共振
3、激发下吸收能量，使布居数达到平均，因此而产生共振信号。5一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 ESR是电子自旋电子自旋在磁场中吸收微波能量微波能量而产生的共振吸收信号。NMR是核自旋核自旋在磁场中吸收无线电波无线电波（或射频场）能量后而产生的共振发射信号。ESR6一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 根据量子力学，电子自旋产生自旋磁矩 =g 是玻尔磁子，=9.2741x10-28J Gs-1 g 是无量纲因子，称为 g 因子是电子自旋角动量矢量，自旋量子数为1/2，其在磁场 z-方向的分量为Mz，数值分别为+及 -。7一、基本原理
4、一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 在外磁场强度为H 的静磁场中，一个具有电子磁矩为 的顺磁性物质，其未成对电子的自旋电子磁角动量在磁场中产生能级分裂，E。E E -E =g HHNSSN磁矩磁矩 与外磁场与外磁场H H的相互作用的相互作用(磁矩磁矩 与外磁场与外磁场H的相互作用的相互作用电子自旋能级与磁场强度的函数关系电子自旋能级与磁场强度的函数关系H H0 0为共振时的外磁场为共振时的外磁场EHH0E=1/2gH0E=1/2gH089一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 当另一个频率为 h 的微波，满足如下条件：hgH 则处于低能级的电
5、子吸收此微波而发生受激跃迁，并产生电子自旋共振波谱。10一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生11一、基本原理一、基本原理 1、电子自旋共振的产生、电子自旋共振的产生 由于电子质量比核质量小得多(103倍！)，一般ESR谱用磁场调制系统使输出线型呈一次微分图，并用相敏检测，以提高分辨率，滤除噪音信号。ESR吸收信号吸收信号ESR一次微分线型一次微分线型100kHz磁场调制磁场调制12一、基本原理一、基本原理 2、g 因子因子 g 因子是分子中电子自旋运动和分子轨道运动之间相互作用大小和取向关系的度量，是反映分子结构的重要参数，其性质类似于NMR中的化学位移。自旋电
6、子在不同分子环境中有不同的 g 值。自由电子只有自旋角动量，无轨道角动量，其 g值定义为 ge:ge=2.002313一些顺磁化合物的一些顺磁化合物的 g 值值14一、基本原理一、基本原理 2、g 因子因子 电子自旋共振波谱通常是通过固定微波频率固定微波频率，而改变磁场强度改变磁场强度 H，即扫场法实现的，因此 g 值就与磁场强度有关。Hhg 根据上式，在一定的微波频率下，当逐渐改变磁场强度 H，并达到电子自旋共振的条件，就可以获得 g 值。15一、基本原理一、基本原理 2、g 因子因子 共振条件：EE =h =g H16一、基本原理一、基本原理 2、g 因子因子 与核自旋在磁场中存在化学位移
7、的各向异性一样，电子自旋的 g 因子也存在各向异性。g 因子的各向异性产生于固体体系中，自旋电子所处环境具有磁场非各向同性的性质。17一、基本原理一、基本原理 3、超精细相互作用、超精细相互作用 顺磁物质分子中的未成对电子(S)，不仅与外磁场有相互作用，而且还与附近的磁性核(I)有相互作用，使共振吸收发生分裂。这种未成对电子自旋 S 与核自旋 I 间的相互作用称为超精细耦合或超精细相互作用。电子自旋共振中的超精细耦合类似于核磁共振中的 J-耦合。ESR共振分裂峰之间距即是超精细耦共振分裂峰之间距即是超精细耦合常数合常数(A)。18一、基本原理一、基本原理 3、超精细相互作用、超精细相互作用 一
8、个电子 S 与一个磁性核 I(I=)的相互作用能级图:双重分裂峰双重分裂峰Ms=+Ms=-mI=+mI=-mI=+mI=-ESR的跃迁选律：的跃迁选律：Ms=1，MI=0 19一、基本原理一、基本原理 3、超精细相互作用、超精细相互作用 能与自旋电子产生超精细耦合的自旋核为核自旋 I 0 的核，常是那些天然丰度较高的元素，如1H(I=1/2),14N(I=1),63Cu(I=3/2)，51V(I=7/2),55Mn(I=5/2),57Fe(I=1/2)等。核自旋 I 0 的核，如12C，16O不产生对自旋电子的相互作用，即它们之间没有超精细耦合。20一、基本原理一、基本原理 3、超精细相互作用
9、、超精细相互作用 与NMR中J耦合类似，ESR中超精细耦合的分裂规则遵从 2nI+1 规律。有机化合物中分裂峰之强度比满足二项式展开之系数，分裂峰之间距为超精细耦合常数。21一、基本原理一、基本原理 3、超精细相互作用、超精细相互作用超精细结构超精细结构=2nI+1=2x1x+1 =2超精细结构超精细结构=2nI+1=2x4x+1 =522一、基本原理一、基本原理 3、超精细相互作用、超精细相互作用 环辛四烯负离子ESR谱：超精细结构=2nI+12nI+1 =2x8x+1 =9 =2x8x+1 =9 分裂峰强度比：1:8:28:56:70:56:28:8:1 超精细耦合常数A A 3.21G3
10、.21G 为平面分子23一、基本原理一、基本原理 4、各向异性的、各向异性的g值值 g张量的各向异性与孤电子或未成对电子所在的分子几何构型及其对称性密切相关。如果顺磁粒子具有对称性很高（如球形、正八面体、正立方体等）的分子构型，它们的g张量几乎可以看成是各向同性的，即gx=gy=gz；对于对称性低的，如畸变八面体、四面体等具有C4v、D4h对称性，则gx=gy gz，即gx=gy=g，gz=g；若对称性更低，如C2v、D2h及以下的分子构型，则gx gy gz。24一、基本原理一、基本原理 4、各向异性的、各向异性的g值值25一、基本原理一、基本原理 4、各向异性的、各向异性的g值值26一、基
11、本原理一、基本原理 4、各向异性的、各向异性的g值值27一、基本原理一、基本原理 4、ESR与与NMR技术的比较技术的比较28二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 1、研究对象、研究对象 ESR的研究对象主要是自由基和顺磁性金属离子(大多数过渡金属离子和稀土金属离子)及其化合物。电化学、光化学、辐射化学、高分子化学及高温分解反应中出现的自由基；生物大分子中含有顺磁性过渡金属离子的酶、细胞代谢过程中出现的中间体、某些药物作用中的自由基。2、提供信息、提供信息 反应机制；物质结构与性能的关系29二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例g=2.00
12、24g=2.0024 CH3四重四重分裂分裂峰峰A=20.7G30二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例A(2H,CH2)17.62 G CH2OH三重分裂峰三重分裂峰A(H,OH)0.96 G31二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例 某些药用植物的某些药用植物的ESR谱谱 在许多生药中都可以观察到ESR谱，如图所示（a）（i）分别为莪术根茎、葛根、杏仁、桂皮、香附子、牛漆、茱萸、丁香、大黄的ESR谱。32二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例某些药用植物的某些药用植物的ESR谱
13、谱 在许多生药中都可以观察到自由基的ESR谱，如图所示（a）（i）分别为莪术根茎、葛根、杏仁、桂皮、香附子、牛漆、茱萸、丁香、大黄的ESR谱。33二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例血样的血样的ESR谱谱 血液中含有被空气氧化后的血色素铁(Fe3+,g=6.0);非血色素铁(Fe3+,g=4.3);有机自由基(g=2.0054)。建立被空气氧化后血色素Fe3+的信号强度随时间变化的关系，可以为法医鉴定提供有力帮助。34二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例 高分子材料的高分子材料的ESR谱谱 ESR能够有效检测聚合物
14、聚集态的分子运动和微观结构。将一种含稳定自由基的探针化合物TOMPOL在聚氨酯(PU)及其与不同含量的苄基淀粉(BS)反应时加入，由此形成的材料PUL以及半互穿网络聚合物UBS20L和UBS50L的ESR在低温时呈宽谱，说明TOMPOL运动缓慢，而随温度升高，峰型变窄，说明分子运动加快。峰宽值Azz随温度变化曲线如图所示，峰宽变化50%的温度分别为67,62和55C，与玻璃化转变温度对应。说明随BS的加入，降低了PU网络的交联密度，PU分子上的TOMPOL具有更大的自由体积。35二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例 Cu(II)与丝素蛋白相互作用的与丝素
15、蛋白相互作用的ESR谱研究谱研究 该工作发表在：Xiaohong Zong,Ping Zhou,Zhengzhong Shao,Shiming Chen,Xin Chen,Bingwen Hu,Feng Deng,Wenhua Yao,Effect of pH and Cu(II)on the Conformation Transitions of Silk Fibroin Based on EPR,NMR and Raman Spectroscopy,Biochemistry-US,2004,43（38）,11932-11941.胡炳文 赵学舟 宗小红 周平，多组分丝素蛋白-Cu(II)配合
16、物的EPR谱解析，物理化学学报，2006，22（2），167171。36二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例 Cu(II)与丝素蛋白与丝素蛋白(SF)相互作用的相互作用的ESR谱研究谱研究24002600280030003200340036003800Magnetic Field(Gauss)pH=4.0pH=5.2pH=6.9pH=8.0Cu(II)ESR谱随pH条件不同而改变。X-band EPR Spectrum of Cu(II)-SF Complex at pH 6.9 with added Cu(II)concentration of 1.8
17、 mg/g in SF.37二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 3、应用举例、应用举例 Cu(II)与丝素蛋白与丝素蛋白(SF)相互作用的相互作用的ESR谱研究谱研究0.240.260.280.300.320.340.360.38H/TSimulatedExperimentala0.240.260.280.300.320.340.360.38SimulatedH/TExperimentalb0.240.260.280.300.320.340.360.38SimulatedH/TExperimental d0.240.260.280.300.320.340.360.38Simu
18、latedH/TExperimental c实验Cu(II)-ESR谱(上曲线)与拟合ESR谱(下曲线)比较。pH:(a)8.0,(b)6.9,(c)5.2,(d)4.0ICu=3/2，超精细耦合分裂数2nI+1=4.38二、电子自旋共振波谱的应用二、电子自旋共振波谱的应用 通过解析拟合实验谱可以得知各种pH条件下Cu-SF多组分络合物的g因子、超精细耦合常数A/、A、Cu2+的配位模型。39二、电子自旋波谱的应用二、电子自旋波谱的应用 3、应用举例、应用举例 Cu(II)与丝素蛋白与丝素蛋白(SF)相互作用的相互作用的ESR谱研究谱研究 结合其它实验技术，判断Cu-SF络合物在由中性至弱酸性
19、体系变化过程中的结构变化如图所示：3HCCHNCOHNCHNHNCONCH2H2CNCO2HCNHNNHH2CCHCCCH2CCCH2HCOOOOOHOCu2+HHHisGlyGlyTyrAlaSerGlyCONHCH2CHOHTyrNCHCH3CONHCHCH2CONHCHCHONHNHHNCHCHOHNCHCCH2OHOHNCHCH2COOHNHCHCHONHCHCH2COOHNCHCCH3OHNCHCCH2OHNCHCHONNHHNHCHCHONHCHCH2COOHNHCHCCH2OHOHNCHCHOHNCHCCH2OHOCu2+AlaHisTyrGlyGlyTyrSerGlyUnder
20、 weakly acidic conditionUnder neutral and basic condition40三、电子自旋谱仪及实验三、电子自旋谱仪及实验 1、谱仪构造、谱仪构造 主要由如下部件组成：微波系统 铁磁系统 谐振腔系统 信号检测系统41三、电子自旋谱仪及实验三、电子自旋谱仪及实验 1、谱仪、谱仪 构造构造微波源微波源42三、电子自旋谱仪及实验三、电子自旋谱仪及实验ESP300E Spectrometer 43三、电子自旋共振谱仪及实验三、电子自旋共振谱仪及实验 1、谱仪构造：微波系统、谱仪构造：微波系统微波波段的波长和频率微波波段的波长和频率常用波段为X波段。44三、电子自
21、旋共振谱仪及实验三、电子自旋共振谱仪及实验 1、谱仪构造：铁磁系统、谱仪构造：铁磁系统 给样品提供一个均匀、稳定和连续可调的直流磁场。主要为电磁铁。用软磁性材料(纯铁、铁硅合金、铁镍合金等)作为铁芯，在通电的激磁线圈作用下产生磁场，其磁场强度的大小随电流而变化。各波段波谱仪的对应磁场强度各波段波谱仪的对应磁场强度45三、电子自旋共振谱仪及实验三、电子自旋共振谱仪及实验 1、谱仪构造：谐振腔系统、谱仪构造：谐振腔系统 也称样品腔，是ESR谱仪的核心部件。被测样品置于谐振腔内，谐振腔能把微波能量集中于腔中的样品处，并使其在外磁场作用下产生共振吸收。46三、电子自旋共振谱仪及实验三、电子自旋共振谱仪
22、及实验 1、谱仪构造：信号检测系统、谱仪构造：信号检测系统 样品在共振腔中吸收微波能量而使检波晶体的电流发生变化。经对此电流进行滤噪调制后，进行相敏检波，得到吸收曲线的一次微分谱线。一次微分谱线送至显示器，或计算机处理、绘图。47三、电子自旋共振谱仪及实验三、电子自旋共振谱仪及实验 2、样品制备、样品制备 ESR可以检测气体、液体和固体。样品无需特殊处理，一般大多检测液体、固体样品。液体样品液体样品：一般将浓度在10-210-4M的溶液置于内径小于1 mm的优质玻璃或石英毛细管中。固体样品固体样品：将固体多晶或粉末置于内径在25 mm的优质玻璃或石英管中。装入样品量视信号强弱而定。一般样品高度不超过10 mm。为提高信号强度，样品常在液氮温度冷冻下测量。
