电子顺磁/自旋共振波谱（EPR/ESR）全解析

EPR/ESR的核心原理

一、 核心概念：它是什么？

电子顺磁共振是一种专门用于研究含有未成对电子的物质的波谱技术。当具有未成对电子的物质置于外部静磁场中时，电子自旋能级会发生分裂（塞曼效应）。此时，施加一个频率合适的电磁波（通常位于微波波段），未成对电子会吸收能量，在分裂的能级之间发生跃迁。检测这种对微波能量的吸收，就是EPR/ESR波谱的基础。

简单比喻：
可以把它想象成核磁共振（NMR）的“电子版”。
– NMR：探测的是原子核（如¹H, ¹³C）在磁场中的能级跃迁。
– EPR/ESR：探测的是未成对电子在磁场中的能级跃迁。

二、基本原理

EPR是一种专门用于研究具有未成对电子的物质的波谱技术。其基本原理与核磁共振（NMR）非常相似，但NMR探测的是原子核的磁性质，而EPR探测的是电子的磁性质。

1.  电子自旋与磁矩
– 电子具有自旋角动量，其自旋量子数 S = 1/2。
– 自旋会产生一个磁矩，就像一个小磁铁。
– 在大多数分子中，电子是成对的（自旋方向相反），它们的磁矩相互抵消。只有未成对电子才具有净磁矩，能够被EPR检测到。
– 在没有外部磁场的情况下，未成对电子的能量是简并的（能量相同）。

2. 塞曼效应：
当施加一个外部静磁场（B₀）时，电子的磁矩会相对于该磁场取向。对于自由电子，只有两种可能的取向：
– 平行于磁场（mₛ = -1/2）：较低能级。
– 反平行于磁场（mₛ = +1/2）：较高能级。

这两个能级之间的能量差（ΔE）与外部磁场强度成正比：
ΔE = gβB₀
其中：
– g：g因子，一个无量纲常数，是EPR中最重要的参数之一。对于自由电子，gₑ = 2.0023。对于分子中的未成对电子，g值会因其所处的化学环境（轨道角动量、配位场等）而发生变化，成为表征物质身份的重要指标。
– β：玻尔磁子。
– B₀：外部静磁场强度。

3.  共振条件

为了激发电子在两个能级间跃迁，需要施加一个频率为 ν 的电磁波，其能量必须恰好等于能级差 ΔE。
– 共振条件为：hν = gβB₀
其中：h为普朗克常数。
– 在典型的EPR实验中，我们通常固定微波频率（ν），然后线性地扫描磁场（B₀）。当磁场强度达到满足上述公式的值时，就会发生共振吸收，被仪器检测到。

三、仪器组成（波谱仪）

一台典型的EPR波谱仪主要由以下几个核心部件构成：

1. 磁体：
产生强大、均匀且可精确控制的静磁场（B₀）。通常是电磁体或超导磁体。磁场强度通常在0.1到1特斯拉之间。
2. 微波桥：
产生稳定且频率单一的微波。它包括：
– 微波源（速调管或Gunn二极管）：产生微波。
– 衰减器：调节微波功率。
– 环形器：引导微波传播方向。
3. 谐振腔：
这是放置样品的地方。谐振腔被设计成可以在特定微波频率下产生驻波，从而在腔内形成强大的振荡微波磁场（B₁）。样品被精确地放置在微波磁场最大、电场最小的位置，以最大化信号并减少介电损耗。
4. 检测系统：
检测样品对微波的吸收。为了提高信噪比，通常采用场调制技术：
– 在静磁场（B₀）上叠加一个高频、小振幅的交变磁场。
– 检测器接收到的不再是直接的吸收信号，而是其一次微分信号。
因此，常规EPR谱图显示的是吸收的一阶导数曲线，而不是吸收曲线本身。
5. 数据系统：
用于控制仪器、采集数据和进行谱图处理。

EPR/ESR的应用领域

一、研究对象

1. 自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基肼基(DPPH)，三苯甲基，都有一个未成对电子。

2. 双基(Biradical)或多基(Polyradical)：在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对电子相距较远，相互作用较弱。

3. 三重态分子(tripletmolecule)：这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。

4. 过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)， V3+(3d7)等。  

5. 固体中的晶格缺陷：一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。 

6. 具有奇数电子的原子：如氢、氮、碱金属原子。

二、应用领域

1. 自由基化学：
– 直接检测和鉴定短寿命的自由基中间体，用于研究反应机理，如聚合反应、氧化还原反应、光化学反应等。

2. 配位化学与生物无机化学：
– 研究过渡金属离子（如Mn²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Co²⁺等）及其配合物的电子结构和配位环境。g因子和超精细耦合（特别是与金属核的耦合）能提供配位数、几何构型和氧化态等信息。

3. 生物化学与医学：
– 自旋标记：将一个稳定的顺磁标记物（最常用的是氮氧自由基）共价连接到生物大分子（如蛋白质、核酸）的特定位点，通过EPR探测标记物的运动性，来研究生物大分子的结构、动力学和构象变化。
– 天然顺磁中心：研究含金属酶的活性中心，如细胞色素（Fe）、维生素B12（Co）、光合作用反应中心（Mn簇）等。
– 研究由疾病或辐射产生的自由基，如检测活性氧（ROS）。

4.材料科学：
– 表征半导体中的缺陷和掺杂剂。
– 研究碳材料（如石墨烯、碳纳米管）中的缺陷和边缘态。
– 研究锂离子电池电极材料在充放电过程中过渡金属离子的价态变化。
– 表征催化剂表面的活性位点。

5. 地质学与考古学：
– 用于测定矿物中顺杂质的含量和状态，以及用于地质测年和辐射剂量测定（例如，通过测量牙齿釉质或石英的EPR信号来估算所受的辐射剂量）。

EPR/ESR谱图信息

一、图谱信息

一张EPR谱图可以提供丰富的信息，其横坐标是磁场强度（单位：高斯G或特斯拉T），纵坐标是吸收信号的强度（通常为一阶导数形式）。

1. g因子：
① 从共振条件 hν = gβB₀ 可以计算出g值。g因子的精确值反映了未成对电子所处的局部化学环境。
② 各向异性：在单晶或冷冻溶液中，g因子会随晶体相对于磁场的方向而变化，表现为g张量（gₓ, gᵧ, g₂）。这提供了关于分子对称性的信息。
③ 各向同性：在液体溶液中，分子的快速翻滚平均了各向异性，得到一个平均的g值（gᵢₛₒ）。

2. 超精细耦合：
① 这是EPR最强大、最特征的信息来源。如果未成对电子与具有核自旋（I ≠ 0）的原子核（如¹H, ¹⁴N, ³¹P等）相互作用，电子能级会进一步分裂。
② 这种相互作用将原来的一个吸收峰分裂成 （2I + 1） 条谱线。
例如：

– 一个未成对电子与一个氢原子核（¹H, I = 1/2）耦合，谱线会分裂成 2 * (1/2) + 1 = 2条。
– 与一个氮原子核（¹⁴N, I = 1）耦合，会分裂成 2 * 1 + 1 = 3条。
③耦合常数（A）：衡量相互作用的强度，单位是高斯（G）或兆赫（MHz）。A值的大小和模式（各向同性与各向异性）可以揭示未成对电子在哪些原子核上有分布，从而帮助确定分子的结构和电子密度分布。

3. 谱线强度、线型和线宽：
① 强度：与样品中未成对电子的浓度成正比，可用于定量分析。
② 线型（洛伦兹型或高斯型）和线宽：可以提供关于电子自旋弛豫时间、分子运动、以及未成对电子与其他顺磁中心相互作用的动力学信息。

二、结果展示

1. DMPO捕获超氧自由基

2. DMPO捕获羟基自由基

3. 单线态氧

4. 氧空位

EPR/ESR测试样品准备方法

1. 气体样品的制备：
常见的气体样品如测试香烟中的自由基含量，主要的制样手段是对烟气进行富集，以达到测试需求的测试浓度。

2. 液体样品的制备：
① 溶剂选择：对于极性大的溶剂，要将样品放在毛细管中进行测试，以避免溶剂对微波的吸收；
② 除氧操作：液体中的氧气对信号的干扰非常大，因此需要对样品进行通氮或者真空除氧，以保证测试过程中能看到精细的结构信息；
③ 浓度控制：浓度过大或过小都会对样品信号造成干扰，导致精细结构的丢失，因此选择适当的浓度对测试结果有帮助。
④ 样品要求： 一般要求2ml以上，样品珍贵或较少的，最少是300微升。

3. 固体样品的制备：
① 除潮处理：保护EPR图谱细节不受影响；
② 样品粒径：要注意固体样品的颗粒大小，以免堵塞送样管；
③ 稀释操作：粉末样品的顺磁浓度如果太大也会对信号造成干扰，可以采用干燥硅胶或碳酸钙进行固体稀释。
④ 粉末样品要求： 一般要求10-20mg，最少取样量1-2mg，注意太少会影响信号；
⑤ 块体/薄膜样品要求：
– 对于测持久性自由基要求：宽度应小于4mm；
– 空位测试要求：要求2个方向3mm以内，另一个方向1cm以内。

4. 其他要求
① 磁性样品请注明，影响能否测试（强磁性可能损坏仪器，请先与我们沟通确认）；
② 若需要实验室加试剂混合，请自行提供试剂。