基本原理

电子顺磁共振：电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动；一种是在围绕原子核的轨道上运动，另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中，电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针，由于电子的自旋量子数为1/2，故电子在外磁场中只有两种取向：一与H平行，对应于低能级，能量为-1/2gβH；一与H逆平行，对应于高能级，能量为+1/2gβH，两能级之间的能量差为gβH。若在垂直于H的方向，加上频率为v的电磁波使恰能满足hv=gβH这一条件时，低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振。

电子顺磁共振（EPR）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，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波谱仪工作原理：在原子或分子中，如果存在未成对电子，它们会具有自旋，即围绕自身轴线旋转的性质。这些未成对电子的自旋与外部磁场相互作用，在未成对电子的自旋和自旋相互作用下产生一个特定的能级结构。EPR波谱仪利用微波辐射使未成对电子在能级之间跃迁，从而产生共振信号。通过测量这些共振信号的强度和频率，可以推断出未成对电子的数量、自旋状态以及与其相互作用的其他分子或离子。为了进行EPR测试，需要使用EPR波谱仪。

用途：电子顺磁共振波谱仪EPR是一种用于研究物质中未成对电子的技术，是目前唯一能够直接跟踪未配对电子的分析仪器。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，可以原位、无损地获取电子、轨道和原子核等微观存在，并探索其周围环境的结构特性，从而得到物质的结构、电子状态、分子结构、反应动力学等重要信息。

研究对象

主要检测对象为

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。

EPR与NMR的异同

电子顺磁共振波谱仪（EPR）是研究电子磁矩在外磁场中的电子塞曼分裂及与电磁场相互作用引起的能级间的共振跃迁。共振频率在微波波段，如0.34T(9.5GHz) , 1.25T(35GHz)。

NMR是研究核磁矩在外磁场中的核塞曼分裂及与电磁场相互作用引起的能级间的共振跃迁。共振频率在射频波段，如6.97T (300MHz),18.6T(800MHz)。

样品要求

1.粉末样品10-20mg以上；液体样品2ml以上；测空位的话，块体/薄膜要求2个方向3mm以内，另一个方向1cm以内；自由基在外面前处理，对块体/薄膜样品尺寸无要求；

2.自由基常见捕获剂：DMPO、TEMP、TEMPO（特殊需要自行提供）；

3.光源：氙灯，300W，汞灯（300W和500W），紫外灯。氙灯是模拟太阳光，全波段的，如需特定波长的光，需要加滤波片，在预约的时候请写清楚；

4.强磁样品预约前，请先与工作人员确认；

5.测试时间说明：黑暗也算1个时间点，即光照0min的数据。1个光照时间点超过半小时，需要联系项目经理，需要另加费用。

制样方法

气体样品

EPR测试中气体样品相对液体或固体较少，因其自旋浓度较低，且一般都需在顺磁管中封存足够浓度的样品或采用连续流动的方式通过谐振腔才可以测试。

液体样品

液体样品为固态或液态的顺磁性物质溶于溶剂中形成的溶液试样，绝大部分有机自由基（如羟基、超氧、单线态氧、甲酸根、硫酸根等）较为活泼，存在周期短暂，需通过自旋捕获剂与其反应，形成相对稳定的自旋加合物进行检测。

常见捕获剂可检测的有机自由基、溶剂及对应模拟图

EPR样品准备流程

（1）按一定浓度将样品分散在溶剂中，形成溶液、悬浊液或匀浆，超声或者振荡使样品尽可能混匀→（2）加入与样品相对应的捕获剂并混匀，建议捕获剂终浓度为10-100 mM→（3）按需加入一定量的氧化剂或抑制剂，混匀→（4）用毛细管取样，管内样品高度≤40 mm，并确保两端封口（用封口胶或石蜡等无顺磁信号的物质密封，或酒精灯灼烧封口）→（5）将封口毛细管以平缓的角度放置于顺磁管中，将顺磁管倾斜，缓慢旋转使毛细管滑入顺磁管底部，谨防下滑速度过快损坏样品管。

液体样品制样流程：液体样品取样准备：液体样品、毛细管、封口胶或密封工具、尺子→取大概2cm长的液体样品到毛细管中→将毛细管微微倾斜，使液面与毛细管的底部空出一段距离→封住之后，把毛细管外壁用纸巾擦拭干净→密封好后，竖直放置毛细管，保证液体不会往下流→用手指堵住毛细管底部，使用封口胶将底部封好→用尺子测量吸取的样品长度→取出一支干净的EPR石英管→擦拭干净毛细管，把EPR管倾斜，接近水平的放入毛细管

固体样品

固体样品多为多晶或粉末，为保证信号稳定和较高信噪比，样品颗粒需要足够小（置于称量纸上或自封袋内用手指揉搓无砂砾感）。

一般粉末样品：可直接将样品装入EPR管中测试，建议称量时控制用量10-20 mg，顺磁管中样品高度≤20 mm。

含Fe、Co、Ni等元素的铁磁性物质：

若样品具有强磁性（可被回形针吸起），则不适用于EPR测试，强行测试不仅无法获得预期信号，还可能会对仪器造成永久性不可逆损伤。

若样品无明显磁性（无法用回形针吸起），建议控制用量在0.5-1.0 mg，毛细管封装后转移至顺磁管进行测试，尽可能避免铁磁信号对空位、缺陷、价态等顺磁信号的干扰。

案例介绍

主要用于自由基和顺磁性金属离子及其化合物的检测，获得结构与成分信息。在材料学、化学、物理、半导体、生物、食品、卫生防护、环保等领域有广泛应用。例如：测量顺磁体的磁化率，磁性薄膜的研究，金属或半导体中的传导电子，固体中的某些局部晶格缺陷，辐照损伤和辐照转移情况，紫外辐照短寿命的有机自由基的性质，电化学反应过程，腐蚀中的自由基行为，配位化学中金属络合物结构，人发自由基的功率饱和点，细胞组织种自由基与疾病的关系，环境污染机理等。

应用领域

有机自由基的研究:不但能证明自由基的存在，而且能得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要信息。

催化剂的研究:能获得催化剂表面的性质及反应机理。

案例：Chen 等通过EPR 光谱对WO3 和Ru 纳米颗粒负载的WO3（Ru-WO3-x）进行了表征（图1），证明Ru-WO3-x 中含有氧空位，g=2.004。WO3-x 具有强大的储存质子的能力，这些质子可以在阴极转移到Ru 颗粒上。这显著增加了析氢反应中Ru 颗粒表面上的氢覆盖率，从而改变了析氢反应中Ru 从水解离并与H 结合的决速步。

生物、医学研究:证明了细胞的代谢过程、酶反应的机理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧自由基的作用。

物理方面:利用EPR对半导体掺杂的研究，可指导采用不同的掺杂技术获取不同性质的半导体。01自旋捕获法--高活性自由基的检测

生物领域的应用

1、研究生物组织中的自由基
在冻干的动物组织和植物组织内均检测出自由基，而在代谢过程活跃的组织（如绿叶、肝、肾）样品内，自由基含量很高。又在蚁、果蝇、活鼠鼠尾。腐黑物、植物树脂和各种动物与植物来源的黑素内均测知有自由基存在。
2、研究酶促反应中的自由基
直接证实了L·米夏埃利斯关于生物底物的氧化有阶段性的假说（见生物氧化），已知有半醌型自由基作为中间产物生成，自由基浓度随着电子转 移速率或酶活性而增大。在某些情况下，可利用超精细结构来鉴定自由基，并进而提供关于酶催化机理的信息和探测有关酶的活性部位的结构。
3、研究光合原初反应
证明在叶绿体、活的水藻和能进行光合作用的细菌中有光照所引起的自由基生成，它们全部参与光合电子传递链。这有助于阐明太阳能转换成化学能的本质。
4、研究辐射原初过程
对于生物物质受高能辐射作用后所产生的自由基作定性与定量的检测，已提供了辐射损伤程度及损伤部位的信息。还从较深入的研究得出涉及辐射效应的原初机理、氧效应、能量转移、自旋转移、生物物质的辐射敏感性、辐射防护和辐射敏化的许多极为重要的结果。
5、研究癌变过程中的自由基
已观察到某些癌组织内的自由基含量高于正常组织。在用多种致癌物喂大鼠后，肝内可检出一个特征信号，在癌的诊断中可能有重要价值。还证明了由致癌物在组织中形成自由基的现象。
6、研究生物组织中的顺磁金属离子
包括过渡族金属离子，对一些动物组织、植物材料和微生物都能见到铜（Ⅱ）、锰（Ⅱ）或铁的EPR信号。已用EPR技术证实了一些含顺磁性金属的酶的活性与这些金属的原子价态直接有关，这些金属离子可能参与底物与酶的结合，例如黄嘌呤氧化酶中的钼、琥珀酸脱氨酶中的铁、血浆铜蓝蛋白中的铜。
对血红蛋白、肌红蛋白及其数种衍生物的单晶，用EPR法测出的血红素平面对外界晶轴的取向，比用别的方法所得结果更准确，且提供了有关分子中央铁原子的化学键的信息，井证明血红蛋白分子内4个血红素平面并不相互平行。
许多铁硫蛋白的发现，多半是由于电子顺磁共振测定结果，在其活性部位的鉴定和了解结构与功能的关系方面，电子顺磁共振亦作出了主要贡献。

常见问题

1. 是否需要光照和测试时间点个数如何选择？

如果样品是光催化材料或者光照前后有明显变化的材料，就需要测黑暗和光照两个不同状态下的谱图。光照测试点数就是采集不同光照时间的点数，如果样品想观测光照条件下谱图峰形和峰强的动态变化，就可以多采集几个光照时间点的谱图。

2. g因子是怎么得到的？

hv=gβH，h为普朗克常数，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。只要H保持不变，g因子就跟着算出来了。

3.横坐标问题？

答：常用三种横坐标，G、T、g ，10000G（高斯）=1000mT（特斯拉）=1T（特斯拉），g是g因子。g=βHr/hv；β为玻尔磁子(9.27410×10-21尔格/高斯)；Hr为共振磁场强度（高斯）；h为普朗克常数（6.26620×10-27尔格/秒）；ν为微波频率（赫兹）。

4.g值是如何确定的呢？g值就是两个峰值对应横坐标的平均值吗？

答：一般取峰中间那个点的g值作为整个峰的g值。

5.测的是硫酸根自由基和羟基自由基为什么只给一个图谱？

答：这两个自由基出峰位置重叠，捕获剂都是DMPO，是在一起出峰的（需要分开的要对羟基自由基进行单独测定，能分出来羟基的图，测硫酸根无法避免羟基的信号）。

6.数据如何分析？

答：EPR的数据要根据参考文献和测试条件综合分析判定。

7.不同自由基是在不同体系中测试么？

答：是有体系区别的，超氧自由基一般在甲醇体系中测试，羟基自由基一般在水体系中测试。

8.EPR和NMR有什么不同？

答：EPR和NMR都属磁共振谱，主要的区别：

EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级。EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。

9. g因子是怎么得到的？

答：hv=gβH，h为普朗克常数，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。只要H保持不变，g因子就跟着算出来了。

10.Value值为1.94和2.04两个对称的峰是否代表氧空位？与氧结合的其他化合物是否在图中没有体现？

答：凝聚态物理氧空穴在2.004，1.94跟2.04预计是金属元素峰或者是C缺失峰位，ESR没法分析元素种类，与氧结合的其他化合物的物种无法解析出来。

11. 是否需要光照和测试时间点个数如何选择？

答：如果样品是光催化材料或者光照前后有明显变化的材料，就需要测黑暗和光照两个不同状态下的谱图。光照测试点数就是采集不同光照时间的点数，如果样品想观测光照条件下谱图峰形和峰强的动态变化，就可以多采集几个光照时间点的谱图。

12.在什么溶液中测试什么自由基是固定的吗？

答：是有体系区别的，超氧自由基在甲醇体系中测试，羟基自由基在水体系中测试，不同自由基在不同体系不同溶液中测试，因为水跟DMPO的结合力高于超氧基和DMPO的结合力，如果在水中测试超氧自由基的话，水跟DMPO的结合速度大于超氧基和DMPO的结合，超氧自由基就不容易被捕获到，这是原理上为何产生不了；当然如果产生量特别大，也有可能被DMPO捕获到；所以测试要选择合适的捕获剂和测试环境。

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