电子顺磁共振（EPR）的原理及应用

电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，简称 EPR），亦称“电子自旋共振”（ESR），是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，是研究化合物或矿物中不成对电子状态的重要工具。可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。

电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家 E·K·扎沃伊斯基于 1944 年从 MnCl₂、CuCl₂ 等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。

之后化学家根据电子顺磁共振测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。

美国的 B·康芒纳等人于 1954 年首次将电子顺磁共振技术引入生物学的领域之中，他们在一些植物与动物材料中观察到有自由基存在。

20 世纪 60 年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，电子顺磁共振技术已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。

EPR 主要由微波桥、电磁铁、谐振腔、控制机箱和电子学机柜组成。

微波桥是提供合适频率的电磁波；电磁铁是提供磁场；样品放在谐振腔中。

在垂直于 B₀ 的方向上施加频率为 hv 的电磁波，当满足 hv=gβB₀ 时，处于两能级间的电子发生受激发跃迁，导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中，这就是顺磁共振现象。受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到 EPR 吸谱线。

g 为波谱分裂因子，简称 g 因子或 g 值；

β 为电子磁矩的自然单位，称玻尔磁子。

g 因子和 A 值是 EPR 谱图中两个最重要的信息，通过测试 g 因子和 A 值可以判断出单电子的类型，可能的结构信息，然后通过计算及模拟得出准确结构。

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。

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。

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。

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。

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。

具有奇数电子的原子：如氢、氮、碱金属原子。

电子顺磁共振波谱仪常用的微波频率有下列 3 种情况。其中尤以 X 波带最为常用。

谱线的位置与磁场和频率相关（g因子，g=hv/βB）；谱峰的数量以及其之间的间距（超细耦合常数A）；线宽（运动性，自旋耦合和各向异性作用）；线性，谱线的形状（运动性、自旋耦合和各向异性效应）；谱线的强度（浓度或弛豫作用）；

横坐标单位说明：常用的横坐标有 3 种单位，Magnetic field（G）、B（mT）和 g value（g因子是无量纲单位）。

关系：10000G（高斯）= 1000mT（特斯拉）= 1T（特斯拉）；g = hv/βB

一般来说，自由基的测试数据选择 Magnetic field（G）或 B（mT）；空位、缺陷、过渡金属价态的测试数据选择 g 因子。

1. 自由基中间产物的直接检测和分析

用 EPR 检测自由基是一种快速的、直接有效的方法，实验中将所得 EPR 波谱中相应吸收峰的 g 因子计算出来，通过与标准值比较，估算是哪种自由基，再通过化学手段消除自由基以验证上面的推断。

2. 瞬态自由基的 EPR 检测方法及应用

自由基捕捉技术与 EPR 相结合的方法具有检测灵敏度高、特异选择性强和分析结果可靠等优点，被广泛用于寿命短、稳态浓度低的瞬态自由基的检测，在许多涉及细胞甚至动物体系以及化学反应机制的研究中都得以广泛应用。

瞬态自由基的 EPR 检测的实验方法是：首先设计并合成一种能够捕获自由基的探针分子，这种探针分子必须能够快速捕获反应过程中产生的瞬态自由基，然后用 EPR 对捕获反应加合物的分子结构进行解析，通过逐一鉴定 EPR 谱线上各峰对应组分结构，推断并鉴定。

3. 顺磁离子配合物的 EPR 谱研究

顺磁离子配合物的 EPR 谱研究是将顺磁性金属离子作为结构探针，与蛋白质等有机物结合，形成配位结构，通过研究顺磁离子配合物的 EPR 图谱能够获取配合物的分子的自旋态、配位结构和电子能级等重要信息。

顺磁性离子 EPR 波谱的解析依赖于配合物的构型与 d 电子及缺陷的分布，通过对理论计算的方法的研究，能够较为深入地解析多种过渡金属离子及其化合物在不同配位场作用下的 EPR 信号特征及催化性能研究。

4. 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。或因为原子缺少引起的含有单电子的原子缺陷。

5. 电子顺磁共振在工农业生产中的应用

电子顺磁共振在实际工农业生产中具有非常多的应用，包括食品与自由基、啤酒酿造过程中的质量控制、辐照剂量计、考古年代的测定、检测烟草自由基、种子和花粉最佳储藏条件的预测等等。

为了进一步确定是否产生了分子氧，本文结合自旋标记 4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-d₁₆–¹⁵N-1-氧（¹⁵N-PDT）进行了 ESR 血氧测定。

ESR 血氧测定是基于分子氧（O₂）和自旋标签之间的物理碰撞（这里使用¹⁵N-PDT）。

由于 O₂ 具有顺磁性，PDT 分子与 O₂ 的碰撞产生自旋交换，使弛豫时间缩短，从而使 ¹⁵N-PDT 的 ESR 谱线宽更宽，峰强度更低。自旋交换的程度取决于 O₂ 的浓度，O₂ 的细微变化会导致 ESR 谱线宽的响应。当 PtCu NAs 和 H₂O₂ 混合时，ESR 信号的线宽随时间的增加和峰强度的降低表明产生了 O₂（图 g）。

 图（g）电子自旋共振（ESR）血氧仪显示了 PtCu NPs 对 H₂O₂ 还原的CAT样活性，以及在封闭腔室中加入 PtCu NPs 前后在 2mm H₂O₂ 存在下 PDT 的 ESR 光谱随时间的演变。图（h）通过 ESR 谱分析证实 PtCu NAs 具有类 SOD 还原超氧化物的活性

SOD 是一种降解超氧化物的特异酶，作为抗氧化剂保护细胞成分免受超氧化物的氧化损伤。为了验证类 SOD 活性，在非质子溶剂中，在冠醚存在下，用经典的 KO₂ 体系原位生成超氧化物。以 5-叔丁基羰基5-甲基-1-吡咯啉n-氧化物（BMPO）为典型的超氧化物自旋阱，用 ESR 技术进一步验证了类 SOD 活性。

在含有 BMPO 的溶液中加入 KO₂ ，可产生由 BMPO/•OOH 引起的强 ESR 信号（图 h）。正如预期的那样，当加入 SOD 或 PtCu NAs 时，ESR 信号强度大大降低，再次表明它们具有清除 O₂^•−的催化能力。10 μg/mL PtCu NAs 的清除率与 5 U/mL 天然 SOD 的清除率相当，表明 PtCu NAs 具有良好的类 SOD 活性。

电子自旋共振（ESR）测量被用来确定可能产生的活性氧（ROS）。如图（c）所示，在 BMO 样品存在的情况下，光照射均可产生 ·O₂^– 和 ¹O₂，并且在所有 BMO 样品的 ESR 光谱中都可以观察到可忽略不计的 ·OH 信号。

在饱和的 N₂ 和 O₂ 气氛（a）、不同比例的 N₂/O₂ 气体混合物（b）和 BMO 样品的 DMPO-·OH、TEMP-¹O₂ 和 DMPO-·O₂^– 的 ESR 光谱（c）下，BMO-2 光催化甘油氧化的 DHA 产率

其中，BMO-2 光催化甘油氧化生成 DHA 的能力最强，在相同条件下，BMO-2 产氧量最高。而 BMO-1 生成 ·O₂^– 的能力在 BMO 样品中最高。我们知道，¹O₂ 是一种高活性的氧，可以作为一种温和的氧化剂进行选择性氧化。

因此，人们认为 BMO-2 将甘油氧化为 DHA 的高选择性氧化能力与大量生产的 ¹O₂ 密切相关。因此，本文进行了清除实验来阐明 ¹O₂ 在甘油选择性氧化生成 DHA 中的作用。

然而，在 NaN₃（¹O₂ 清除剂）的存在下，DHA 的产率急剧下降，这表明 ¹O₂ 是光催化氧化甘油生成 DHA 的主要反应物质。

如图所示，g =2.002 附近的顺磁信号一般归因于样品表面缺陷导致的束缚单电子（VO⁺）的氧空位。

从光谱中可以看出，I-ZnO-n 的信号强度比 I-ZnO-m 强得多，说明 I-ZnO-n 表面有更多的氧空位。这种差异可能导致两种催化剂在光催化过程中产生的自由基浓度不同。

上图中显示了 MoS₂ 剥离处理后光谱的非常显著的变化。两个信号在强度上被归一化后进行比较。原始材料光谱由特征 g=2.005 的相对窄的不对称信号组成，归因于硫配位缺陷（硫-Mo⁵⁺）。

剥离样品中看到三个不同的信号组成。在 g=2.042 时出现宽的低强度共振，在 g=2.003 时出现尖锐且几乎对称的共振，以及在 g_⊥=1.942 和 g_∥=1.907 时出现宽轴向共振。

与多层样品相比，在自由电子（ge）值附近的区域，几乎对称的线轻微地向更高的磁场移动，归因于具有结构相同的缺陷。剥离处理的 g＝2.042 处的信号可归属于稳定在结晶较差的MoS₂ 的结构中的短链中的顺磁性硫。g=1.942 具有与先前报道 Mo⁵⁺ 含氧物种（g＝1.94 和 1.89）氧代 -Mo⁵⁺ 键合（g＝1.91）很相近。而剥离处理中，颗粒尺寸减小，许多 Mo–S 键可能被破坏，导致不饱和 Mo 原子形成氧代 -Mo⁵⁺ 键。

EPR 测试清楚地表明，在 UV/PDS 系统中首先产生了 SO₄⋅⁻ ，然后随着时间的推移，SO₄⋅⁻ 的信号逐渐转化为 ⋅OH 信号（图 a）。熄灯 5min 后，几乎所有 SO₄⋅⁻ 信号都转化为 DMPO-⋅OH，表明 DMPO-⋅OH 比 DMPO-SO₄⋅⁻ 具有更高的稳定性。

DMPO 捕获的 UV/PDS（UV/S₂O₈^2-）或UV/PMS（UV/HSO₅^–）体系中自由基的 EPR 谱图：（a）切换UV灯前后在PDS（10 mM）水中捕获的信号；（b）实验 UV/PDS（5 min）、模拟 DMPO-⋅OH 和模拟 DMPO- SO₄⋅⁻ 信号

因此，在 UV/PMS 或 UV/PDS 系统中，对 ⋅OH 的产生可能得出错误的结论，因为：(i) DMPO-⋅OH 信号可能归因于从 SO₄⋅⁻ 到 ⋅OH 的转换；(ii) DMPO-SO₄⋅⁻ 还可以通过水解亲核取代和分子内裂解反应转化为 DMPO-⋅OH。

然而，在 UV/PMS 和 UV/PDS 反应中，这两种转化（从 SO₄⋅⁻ 到 HO⋅ 或从 DMPO-SO₄⋅⁻ 到DMPO-HO⋅）难以区分。把灯关掉后,增加了 DMPO-HO⋅ 信号只能归因于 DMPO-SO₄⋅⁻ 的转换, 由于更长的半衰期 DMPO-SO₄⋅⁻（在 1 分钟）相比 SO₄⋅⁻（30–40 μs）。通过仿真，结合⋅OH光谱（A_N=A_H=14.9G）和 SO₄⋅⁻（A_N=13.8G、A_H=10.1G, H_γ=1.4G, H_γ=0.8G）也获得相似的结果（图 b）。