电子顺磁共振（EPR）测试的原理及应用！

说明：EPR通过检测物质中的未成对电子来获取分子结构信息。其原理核心是两种磁相互作用：电子塞曼效应（由g值表征，能反映分子环境的各向异性）和电子-核超精细耦合（提供自旋密度分布和空间结构信息）。文章中华算科技将通过实例展示了EPR的广泛应用，包括鉴别不同顺磁物种、推断金属簇的磁耦合机制以及探测自由基与环境的微弱相互作用，凸显了该技术在解析物质结构和反应机理方面的强大能力。

电子顺磁共振（electronparamagneticresonance，EPR）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，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。

对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR）。

EPR光谱的一个主要且显而易见的优势在于，该技术对分子中那些成对的电子“视而不见”。因此，能够专门获取有关带有未成对电子的中心及其与周围环境相互作用的信息。

图1. EPR中的测量与信息流程。

本文采用定性的方式介绍EPR基本原理，为了理解顺磁性体系的结构与键合，必须了解其中存在的各种磁相互作用——正是它们决定了能级间距。实验上测量这些磁能级之间的跃迁，即可得到相应的能量值，进而用于推断结构与键合信息。因此，下文将逐一介绍不同类型的磁相互作用。

未成对电子与外加磁场之间的这一基本相互作用，可用g值来描述；它与NMR中的化学位移类似，因此g值可作为特定顺磁性物种的“指纹”。由于未成对电子通常束缚于分子之中，任何顺磁中心的g值都会偏离自由电子的g值g_e≈2.0023。

偏离量的大小取决于分子的具体环境，归根结底取决于自旋–轨道耦合（其强度随原子序数增大而增强）；有机自由基的偏离较小（g≈2），而过渡金属或镧系配合物则可能出现显著偏离。与NMR中的化学位移一样，g值与谱仪的工作频率无关。

在EPR中，工作频率（亦即所用微波源的频率）与外加磁场强度相匹配。需注意的是，g值表示自由基在特定环境中的本征共振位置，而非像NMR那样相对某一参比化合物给出的相对值。

与NMR不同，EPR光谱常在固态条件下进行，即使用粉末或冷冻溶液。在溶液中，分子的快速翻滚使测得的g值被平均为各向同性值；而在固态中，g值具有三个分量（g₁、g₂、g₃，或当g值已对应到笛卡尔坐标轴时记为g_ₓ、g_y、g_z），这些分量取决于分子相对于外磁场的取向。电子塞曼相互作用的这种各向异性反映了顺磁物种中电子云分布的对称性。

因此，根据电子分布的对称性，g张量可表现为：a.各向同性（g_ₓ=g_y=g_z=g_iso），对应立方对称，例如处于完美八面体环境中的金属离子，六个配体完全相同；b.轴对称（g_ₓ=g_y≠g_z）；或菱形（g_ₓ≠g_y≠g_z）。如图2所示。溶液中测得的g值是这三个分量的平均值，称为g_iso。

图2. 含单个未成对电子（S=1/2）体系的塞曼相互作用。DOI: 10.1039/c6cs00565a

未成对电子与周围核（通常距离≤5Å，如¹H、¹³C、¹⁴N、³¹P、⁵¹V、^63，65Cu等）磁偶极之间的相互作用，或许是EPR中最主要的化学信息来源。

超精细相互作用（A）由两部分组成：各向同性部分（a_iso）和各向异性部分。

各向同性部分（a_iso）属于“贯穿键”相互作用，与电子自旋在核位置出现的概率成正比，即所占据的轨道必须具有一定s轨道成分。值得注意的是，即使未成对电子名义上位于p轨道（π自由基）或d、f轨道（过渡金属和镧系元素），也总能观测到各向同性贡献。

这是因为存在将p、d、f轨道中未成对电子的自旋取向“转移（极化）”到内层s轨道的机制。因此，测定a_iso可以把自旋离域映射到分子结构上，从而提供未成对电子所处轨道的性质及其空间分布的信息。

各向异性部分（T）是一种纯粹的磁偶极-偶极相互作用，在液态溶液中由于分子翻滚而被平均为零，因此只能在固态中检测到。T的大小取决于未成对电子与相关核之间的取向和距离以及未成对电子与磁性活性核之间的平均距离。与固态中的g值类似，T具有三个分量（T_ₓ、T_y、T_z，分别沿笛卡尔坐标轴）。尤其在固态中，T可用于获取空间信息。

超精细EPR光谱已被用来获得特定磁性核的功能信息，例如在其他方法所得结构中往往定义不清的质子，或微孔材料中的反应中间体。如图3所示，超精细相互作用使能级进一步分裂；在简单情况下，可直接由场扫EPR谱中读出A值。

图3. 与I=1/2核（如¹H）的超精细相互作用。DOI: 10.1039/c6cs00565a

本节讨论顺磁中心与外磁场相互作用如何导致在特定g值处出现EPR信号，而该g值取决于分子环境和电子基态。下文将通过实例说明：g值作为可观测量，如何用于表征电子态与分子几何结构，以及如何捕捉机理相关的成键相互作用。同时也将展示多频EPR在解析复合谱图方面的独特优势。

鉴于Ti（III）化合物在均相与非均相催化中的重要作用，研究人员研究了TiCl₃（Py）₃与TiCl₃配合物。利用多频率连续波EPR（图4）发现存在两种截然不同的菱形Ti（III）（电子构型[Ar]3d¹，S=1/2）物种。随着磁场增强，峰位对应的g值保持不变，表明这些物种之间不存在可观测的磁相互作用。

图4. 多频EPR揭示粉末状TiCl₃（Py）₃中存在两种不同的Ti（m）物种。红色谱线为模拟EPR谱图。DOI: 10.1039/c5cp03417e

这两种Ti³⁺物种实际上可归属于固体中的缺陷，并由¹⁴N核配位。在此情况下，只需考虑两种Ti（III）物种的电子塞曼相互作用（H_Z），因为其余相互作用未能分辨（即体系的自旋哈密顿量可由H_EZ充分描述）

请注意，在g值坐标尺度上，随着微波频率升高，谱峰会显得更加尖锐，这是因为在磁场坐标上它们之间的距离拉大，而线宽并未随磁场成比例增宽。这与在不同工作频率下进行的NMR实验类似，不过NMR的峰通常更尖锐，因此该效应不太明显。

这两种Ti（m）物种的全部六个主g值均低于自由电子的g值（g_e）。这说明：对于dⁿ（n的过渡金属配合物，一般gdⁿ（n>5）构型则g>2；而d⁵构型（例如高自旋Mn²⁺）则g≈g_e。相对较大的g各向异性反映了有效自旋-轨道耦合常数随核电荷增大而增加（激发态与基态能量差减小）。

g值还能提供金属配合物电子基态及几何结构的信息。经典例子是Jahn–Teller畸变的Cu²⁺：绝大多数Cu²⁺配合物沿z轴伸长（四方畸变），导致未配对电子占据3d_x²–ᵧ²轨道（gz>g_ₓ，y）。

研究人员证明，通过在配体骨架上引入更大体积的取代基，可使z轴缩短（一种少见的四方畸变类型），从而使未配对电子占据3d_z²轨道，即g_zₓ，y（见图5左）。这一点在Q波段（约35GHz）连续波EPR谱中清晰可见（见图5右）。

需要注意的是，电子自旋与Cu核自旋（I=3/2，2I+1=4）的超精细耦合通常仅在g_z方向上可分辨。

图5. 以g值作为可观测量，表征电子基态和分子几何构型的示意图。DOI: 10.1039/b005105p

EPR光谱促成了铁硫（Fe–S）簇的发现，这类簇现已被公认为在自然界中普遍存在，并承担着从电子传递到催化参与等广泛功能。

长期以来，人们一直困惑：两个Fe离子（高自旋Fe³⁺，S=5/2；Fe²⁺，S=2，二者的预期g值均高于gₑ）如何会产生一个平均g值低于gₑ的数值。在首批晶体结构解析出现之前，研究人员就预言了两个Fe中心之间存在反铁磁交换相互作用，从而形成一个[2Fe–2S]簇；该模型解释了实验观测到的g值以及总自旋S_total=S_Fe（III）−S_Fe（II）=1/2的基态（见图6）。

图6. 典型[2Fe–2S]簇的结构（左，以菠菜铁氧还蛋白为例）及其对应的X波段EPR谱图。DOI: 10.1073/pnas.68.1.16

自由基参与大量氧化还原反应及生物体系中的电子转移，解析其与周围环境的成键作用对于理解反应机理至关重要。研究人员发现色氨酸自由基阳离子与氢键供体形成氢键后，其g各向异性会发生细微变化。

如图7所示，g_x仅位移0.00015，这一极小的变化虽可由密度泛函理论预测，但只有在极高磁场/频率（700GHz）条件下才能被检测到。

而在较低频率（X波段和Q波段）下，则可借助脉冲ENDOR技术，通过对比质子化与氘代样品的谱图，确认氢键质子的存在。¹H（I=1/2）与²H（I=1）的磁性差异显著，因此氘代是识别和表征可交换质子的常用手段。

图7. 说明g值对相对较弱的成键作用具有敏感性。DOI: 10.1021/ja208462t

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