布魯克EPR/ESR

 

EPR專業知識

揭示自由基

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

EPR是一種高度敏感和特別的技術，能夠對材料、化學試樣和生物系統進行靜態和動態研究。

人們使用EPR波譜從事檢測、識別并量化自由基；研究分子的結構、幾何學和動力學特性；觀察生物系統中的原位標記物種；了解氧化還原過程、反應動力學特性等。

EPR可以利用順磁電子檢測任何物種，包括有機和無機自由基、過渡金屬配合物、金屬蛋白和雙自由基等。

由于單電子轉移反應，自由基在自然界中頻繁出現。過渡金屬離子通常是順磁性的。

日常生活中經常遇到的順磁物質EPR波譜

 

EPR的優勢

EPR波譜可直接測量與不成對電子耦合的原子核的數目和類型，是對NMR的一個極好補充，它能為所有分析實驗室帶來獨特的能力：

靈敏度：比NMR靈敏度高1000倍

特異性：只檢測包含不成對電子的分子區域

快速的時間分辨率：監測壽命甚短的物種

無損檢測：留下完整的試樣可供進一步分析之用

定量分析

在20世紀50年代首次實現商業化，EPR已變得更易獲得，這要部分歸功于現代雷達技術的發展。臺式EPR系統現在能提供大大增強的易用性和大大降低的擁有成本，并能在一個最小化的占用空間內提供高級功能。

 

Bruker EMXNano™ 臺式波譜儀

關于EPR

EPR波譜類似于NMR波譜，具有中心差分。EPR通過探測不成對電子的磁性質來生成檢測結果，而不是像NMR那樣是探測原子核。（參見NMR 101。）

 

作為運動中的帶電粒子，每一個電子都有磁矩。放置在磁場中時，試樣中的不成對電子依據磁場校準其磁矩。將試樣暴露于一定頻率的微波照射下時，外部磁場已受線性掃描。磁場和微波頻率恰好產生EPR共振（或吸收）的狀態稱為共振狀態，其中電子磁矩的方向依據磁場而改變。

 

特定順磁性物種會吸收特征共振頻率的能量，這些頻率隨磁場強度而變化。電磁體使其具備可以較容易地橫掃一整列的優勢，所以大多數EPR實驗在測量與磁場強度呈函數關系的能量吸收時，會保持頻率不變。所得的吸收波譜可揭示出試樣中自由電子的存在及其環境的細節。

一個測量頻率上升的氮氧自由基的EPR波譜變化。（圖片來自Mikhail Ryazanov [公共資源]，經由維基共享資源。）

 

關于這一過程的簡要概述

 

試樣的導入

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

 

數據的采集

諧振腔是一種物理結構，它在微波的波長上產生共振（儲存并集中微波能量），就像風琴管與聲波共振一樣。在適當的微波頻率和磁場的作用下，試樣吸收微波時，微波從腔體反射回來，我們的EPR信號就會被檢測到。

數據的解讀

與許多波譜技術不同，微波吸收表現為一階導數波譜。這是因為EPR使用場調制和鎖定檢測技術，以獲取最佳的檢測靈敏度并提供優異的信號分辨率。

理想的吸收度數據（上），通過一階導數（下）轉換成EPR波譜。（來自Mikhail Ryazanov [公共資源]，經由維基共享資源。）

 

如果試樣中的自由電子只有兩種可能的狀態，例如“受激”（吸收光子后）和“弛豫”，那么EPR波譜就會顯示出一個單一的零交叉點，就像上面的理想化例子一樣。事實上，多重電磁影響可以產生各種可能的能量狀態，對應EPR波譜上的相應譜線。其模式揭示出目前物種的詳細情況。在最重要的EPR參數中，“g因子”反映了電子軌道與自旋角動量之間的相互作用。電子與磁核的相互作用，被稱為超精細相互作用，可提供有價值的分子類型和結構信息。

布魯克EPR/ESR

EPR的應用

EPR對順磁物種的獨特檢測結果使其在各個領域和行業的研究、開發和質量控制方面都極具價值。例如:

生物學和醫學

研究金屬蛋白的代謝功能

監測活性氧（自由基）的形成和反應性

利用自旋標記研究膜蛋白和蛋白質-脂質相互作用的動力學特性

材料與物理科學

查明金屬氧化物中的晶體缺陷

開發并測試半導體

化工和石化工業

研究反應動力學、催化和光化學等。

對原油中含瀝青質的自由基進行實時監測

食品與飲料質量

追蹤產品質保期

評估氧化、溫度和光穩定性

鑒別輻照食品中的自由基

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