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EPR测试介绍、基本原理以及对应的不同自由基信号峰

2023-04-29

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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。以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。

此外，EPR技术是唯一能够直接检测和研究含有未成对电子顺磁性质物质的一种波普学技术。

可检测的物质有：

自由基、双基或多基、三重态分子、过渡金属离子和稀土离子、固体中的晶格缺陷和具有奇数电子和含有单电子的分子。

与NMR技术的不同是，NMR研究的是原子核，而EPR研究的是核外电子。

EPR属于波普学技术的一种，其中电磁波谱法（波普学）：

是将一定频率的电磁波（光或无线电波）与研究物质内部分子、原子核或者电子等相互作用，引起物质的某一个物理量的变化。

在次过程中，物质吸收外加电磁波的能量，从低能级跃迁到较高能级，同时也可以从较高能级受辐射而跃迁到相应的低能级。（被吸收的电磁波频率或者波长取决于高低能级见的能级差）EPR发生的基本要素：具有未成对电子的样品、外加静磁场和微波场。

EPR的基本原理：

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，其中这个现象称为塞曼效应，如图1所示。

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（B）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，如图2所示。

在上述产生电子顺磁共振的基本条件中，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。以自由电子的g值=2.00232，β=9.2710×10-21尔格/高斯，h=6.62620×10^-27尔格·秒，代入上式，可得电磁波频率与共振磁场之间的关系式：（高斯）= 2.8025（兆赫）。