电-子-顺-磁-共-振--ESR-chemstry-1

电子顺磁共振(EPR,ESR)的实验方法扬州大学测试中心November20,2020一.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目录磁共振技术核与外磁场电子与外磁场核自旋电子自旋NMR波谱EPR波谱跃迁-吸收跃迁-吸收108Hz,射频1010Hz,微波I≠0S≠0检测样品中的核跃迁样品中的未成对电子的跃迁1H、13C、31P……自由基、Fe3+、Cu2+、Mn2+核磁共振NMR电子顺磁共振EPR（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（electronparamagneticresonance）ESR（electronspinresonance）**磁矩≠0的物质是顺磁性物质=0成对电子unpairedelectrons不成对电子一.电子顺磁共振的基本概念1.电子在原子中的运动E下=-1/2ge.e.H（低能量，下能态）E上=+1/2ge.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，9.27x10-21尔格/高斯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.H2．电子在直流磁场中的行为-能级分裂E=ge.e.HE下=-1/2ge.e.HE上=+1/2ge.e.HH≠0HNSH=0电磁辐射能量h刚好满足两个能级之间的能量差E电子从下能级跃迁到上能级一般情况下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。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。3．电子顺磁共振的共振条件hg...H‖电子顺磁共振的条件为：h=g..H什么是电子顺磁共振？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。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=04.超精细相互作用（Hyperfineinteraction）Ms+1/2—1/2MI+1/2IV+1/2I—1/2III—1/2IIHH=0H这时电子顺磁共振:Htotal=HZeeman+Hhfs=ge.e.S.H+a.S.IHyperfinehelpsusdeterminemolecularstructureSimplehyperfineinteractionNohyperfineinteractionMultiplehyperfineinteractionsI=0I1=1/2,1I2=1,1I=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a0211b14211c283121d31641331432514641564615101051612871615201561………………………………………………n2n+1n+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谱线强度h-------spinconcentration,自旋浓度。宽度H-------Relaxation,弛豫，Weakhyperfineinteractionsand/oranisotropicinteractions。波谱分裂因子g值------resonanceposition，可以用来判断被检测的自由基或其它顺磁中心，微环境结构特点。超精细分裂常数a------hyperfinesplittingconstant，电子自旋与核自旋相互作用。5EPR波谱的参数H对象：*自由基(Freeradical)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)双基(Biradical)或多基（Polyradical）三重态分子（Tripletmolecule）气体分子：O2,NO,NO2*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+3d1S=1/2Fe3+Mn2+3d55/21/2Fe2+3d620Co2+3d73/21/2Cu2+3d91/2Cu+3d1006.EPR技术的研究对象和主要优缺点ON.R*晶格缺陷……优点：1.灵敏度高10-14mol/L2.分辨率高mGauss3.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。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。7.EPR技术的应用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。-自由基反应动力学,-聚合反应,-自旋捕获-有机金属化合物,-氧化、还原过程-石油研究-光化学反应动力学,-双基和三重态分子-催化-磁化率的测量,-过渡金属,镧和锕离子-导体和半导体中的传导电子,-晶体缺陷(碱卤化物中色心)-磁共振,分子受激态的光检测,-单晶中的晶场-低温下的再复合化学,-物理-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-辐照产生短寿命有机自由基的行为材料研究-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-致癌机制生物和医学工业应用-定量EPR检测-石油化工产品-香烟-食品工业MicrowaveSourceCirculatorDetectorTransmissionlinesMagnet,Cavity/resonator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Signalchannels100KHzOscilatorDisplay,save…(Computer)PowerSupplyFieldcontrollerMagnetsystemMicrowavesystemCavity2.EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程MicrowavesourceanddetectorPC(userinterface)Sampleprobehead(cavity)ElectromagnetSpectrometerelectronics典型的一台电子顺磁共振波谱仪StandardcavityIrracavityDoublecavity谐振腔(Cavity)Q=260003.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。液氮变温系统temperaturerange:100Kto500K液氦变温系统temperaturerange:3.8Kto300K（ER4112HV）自旋标记EPR，自旋捕捉EPR，低温EPR。。。。。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（Spinlabel）。实验室经常使用的氮氧自由基衍生物。三.电子顺磁共振(EPR)的新技术1.自旋标记电子顺磁共振（Spinlabeling-ESR）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.EffectsfrommolecularmotionFreetumblingStronglyimmobilizedModeratelyimmobilized（1）5DS自旋标记人红细胞膜，获得膜分子的运动信息。S≌0.568(A//-A)/[(A//+2A)/3]S/W(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。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。分离系数f=H/(H+P)*捕捉剂DMPO,POBNtNB.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:自由基（短）+自旋捕捉剂→自旋加合物（稍长）OHDMPO+·OHDMPO-OO(H)aN=1.46mT,aH=1.48mTg=2.00541:2:2:1四重峰加合物半衰期寿命达30分钟。NHOHO2.自旋捕捉（Spintrapping）-----短寿命自由基3.低温-EPR漆酶LaccaseII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,4Ng∥=2.25,g⊥=2.05LN：77K、140----340K生物样品例如：缺血再灌心肌，77Kg∥=2.03-2.05,g⊥=2.005g(Fe-S)=1.94LHe：4K、4----300K过渡金属离子.例如：4.2KMgO基质中Fe+和Co2+(59Co,I=7/2)g(Fe)≌4.13,g(Co)≌4.34,A（Co）=45G20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。电子顺磁共振波谱技术是探测和研究自由基最权威的手段之一，但是用常规的ESR波谱仪不能直接检测短寿命自由基和特别低浓度的自由基。例如-OH（寿命10-9秒），RO-（寿命10-6秒），NO-（寿命3-5秒）等。短寿命自由基的检测方法:（1）自旋捕捉法短寿命自由基+捕捉剂→自旋加合物（2）低温冷冻法：延长自由基的存在寿命。四.时间分辨电子顺磁共振波谱仪1.短寿命自由基的检测方法上述(1),(2)方法存在下列缺陷：①无法检测原初反应过程，存在一定的捕捉时间；②捕捉剂和样品处理过程的干扰，波谱分析困难；▲▲▲▲③不能反映诱导电子转移反应的中间产物、动态过程和瞬间信息。4-POBN-L,六峰g=2.0055,N=1.58mT，H=0.26mT,▲N2=1.58mT,H2=1.50mT短寿命自由基伴有随时间快速变化的动态过程。检测技术分二大类：(1)脉冲微波源——脉冲ESR波谱仪(2)连续波微波源——脉冲激发（光….）的FT-ESR波谱仪即检测三重态分子，获得时间分辨的ESR波谱。在“另场分裂”存在时，三重态分子能级的简并被解除。三重态体系总自旋:S=S1+S2=1,Ms=0,±1(轴对称)加上直流磁场产生Zeeman分裂:Ms=±1，DMs=0H0Hto