顺磁共振应用举例
电子顺磁共振(ESR)在抗氧化活性研究中的应用
aN =14.3 G, aH β =11.7 G, aHγ =1.3 G
3. Singlet oxygen assay
23 mM TEMP
irradiation TEMPO + 18 µM rose bengal
OH
+
N
O
+ •OH
N
O
OOH
+
N
O
+ O2•¯
N
O
DMPO
DMPO(5,5-Dimethyl-1-pyrroline N-oxide 5,5-二甲基 吡咯林 氧化物）是研究氧 二甲基-1-吡咯林 氧化物） 二甲基 吡咯林-N-氧化物 自由基最常用的捕捉剂，具有较大的捕捉速率常数，易溶于多种溶剂， 自由基最常用的捕捉剂，具有较大的捕捉速率常数，易溶于多种溶剂，水溶液可以 达到0.1mM的浓度，对光不太敏感，与羟基自由基和超氧阴离子形成稳定的自选加 的浓度，对光不太敏感， 达到 的浓度 合物DMPO-OH和DMPO-OOH，而且具有特征的 和 波谱。 合物 ，而且具有特征的ESR波谱。 波谱
自旋捕捉技术
自旋捕捉剂是一类比较稳定的， 自旋捕捉剂是一类比较稳定的，可以与反应中产生的短寿命自由基结合产 生另一种较稳定的自由基即自旋加合物的化合物 一般来讲，捕捉剂通常有以下特性： 一般来讲，捕捉剂通常有以下特性： 在通常实验条件下比较稳定 在特定溶剂中有良好的溶解性 对短寿命自由基有较大的亲和力能迅速与之反应即有较高的捕捉效率， 对短寿命自由基有较大的亲和力能迅速与之反应即有较高的捕捉效率，所生成的 自旋加合物易溶解于特定溶剂中，且对光、热等外在条件呈惰性， 自旋加合物易溶解于特定溶剂中，且对光、热等外在条件呈惰性，尽可能保持较长 的稳定性 自旋加合物的ESR波谱特征尽可能多地反应出所捕捉的短寿命自由基的性质。 波谱特征尽可能多地反应出所捕捉的短寿命自由基的性质。 自旋加合物的 波谱特征尽可能多地反应出所捕捉的短寿命自由基的性质
《电子顺磁共振》课件
水质监测
通过电子顺磁共振技术可以检测 水体中的重金属离子、有机污染 物等有害物质，为水质监测和治 理提供技术支持。
土壤污染修复
电子顺磁共振技术可以用于土壤 污染修复过程中的自由基监测， 有助于了解土壤污染的修复机制 和效果评估。
05
电子顺磁共振的未来发展与 挑战
技术创新与突破
检测方法的改进
01
提高检测灵敏度、分辨率和稳定性，实现更快速、准确和自动
样品固定
采用适当的固定方法将样 品固定在实验装置中，以 便进行实验操作。
实验操的电子顺磁共振实验装 置。
参数设置
根据实验样品的特点，设置合适的实验参数，如 磁场强度、微波频率等。
实验操作
按照实验步骤进行操作，记录实验数据。
数据处理与分析
数据整理
整理实验获得的数据，确保数据的准确性和完整性。
通过电子顺磁共振技术可以研究催化剂的活性中心和反应过程中电 子结构的改变，有助于优化催化剂的性能。
化学键断裂与形成
电子顺磁共振可以检测化学键的断裂和形成过程中自由基的变化， 有助于理解化学键的本质和化学反应的动力学过程。
在生物学研究中的应用
自由基生物学
电子顺磁共振技术可以用于研究自由基生物学，探索自由 基在生物体内的生成、代谢和作用机制，以及自由基对生 物体的影响。
现状
目前，EPR已经成为一种重要的物理表征手段，广泛应用于 各个学科领域。
应用领域
物理
EPR在物理领域中主要用于研究物质 的电子结构和磁性性质，如铁电体、 超导体等。
生物学
EPR在医学领域中用于研究生物组织 的结构和功能，如肿瘤、心血管疾病 等。
化学
EPR在化学领域中用于研究分子的电 子结构和反应机理，如自由基反应、 化学键断裂等。
顺磁共振实验报告
顺磁共振实验报告顺磁共振实验报告引言：顺磁共振（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种常用的医学成像技术，通过利用原子核的顺磁性质，结合外加磁场和射频脉冲的作用，得到人体内部组织的高分辨率图像。
本实验旨在通过模拟顺磁共振的原理和操作过程，深入了解MRI的工作原理和应用。
实验目的：1. 了解顺磁共振的基本原理；2. 掌握MRI设备的操作方法；3. 模拟顺磁共振成像过程；4. 分析顺磁共振在医学领域的应用。
实验器材：1. 水样品；2. 磁共振设备；3. 射频脉冲发生器；4. 计算机。
实验步骤：1. 准备水样品，并将其放置在磁共振设备中；2. 打开磁共振设备，设置磁场强度和扫描参数；3. 利用射频脉冲发生器产生射频脉冲，并将其输入到磁共振设备中；4. 磁共振设备通过对水样品施加外加磁场和射频脉冲的作用，激发水样品中的原子核；5. 原子核在激发后，会发生共振吸收和释放能量的过程；6. 磁共振设备通过探测原子核释放的能量，得到水样品内部的信号；7. 通过信号处理和图像重建算法，将信号转化为图像，显示出水样品内部的结构。
实验结果：经过实验操作和信号处理，我们成功地得到了水样品的MRI图像。
图像清晰度较高，能够清晰显示出水样品内部的结构。
通过对图像的观察和分析，我们可以看到不同组织之间的差异，如水分子的密度、脂肪组织的分布等。
这些信息对于医学诊断和研究具有重要意义。
实验讨论：顺磁共振作为一种无创、非放射性的成像技术，广泛应用于医学领域。
它可以用于检测和诊断多种疾病，如肿瘤、心脑血管疾病等。
同时，顺磁共振还可以用于研究人体器官的结构和功能，为医学科研提供重要的工具。
然而，顺磁共振也存在一些问题和挑战。
首先，设备成本较高，限制了其在一些医疗机构的推广应用。
其次，顺磁共振需要较长的扫描时间，对患者的耐心和合作度有一定要求。
此外，顺磁共振对于金属植入物和部分患者存在一定的安全风险。
结论：通过本次实验，我们深入了解了顺磁共振的基本原理和操作过程。
化学分析中的电子顺磁共振技术
化学分析中的电子顺磁共振技术电子顺磁共振技术（Electron Paramagnetic Resonance，EPR），又称电子自旋共振技术（Electron Spin Resonance，ESR），是一种常用于化学分析的技术之一。
它适用于金属离子或自由基等的研究，对于生物、物理、无机等多个领域都有应用。
其中，化学应用领域最为广泛，因为它可以进行定量的电子自旋耦合分析，数学上也可以解释分子中的电荷分布等本质性质。
一、技术原理EPR技术是基于电子自旋的原理，电子有电荷和自旋两个基本属性，自旋是电子物质特有的独立运动，它的存在使得电子变得具有磁矩。
当电子处于磁场的作用下，电子的自旋会发生跃迁，导致分子中的电子能级分布发生变化，从而产生光谱信号，通过光谱信号反映分子的结构和本质性质。
典型的EPR实验中，样品通常是放置于一个磁场中，由于电子共振，机器可以检测到这些电子的能量变化；调节磁场的强度和方向，可以扫描样品，得到EPR光谱。
通过解析光谱，我们可以了解分子的自由基、金属离子及其他电子顺磁离子等之间的电子自旋耦合性，从而了解分子的性质。
二、应用案例氧缺失二氧化钛(TiO2-x)纳米颗粒是一种有潜力的和谐光电材料。
微观上，这种材料由于缺氧，其纳米颗粒表面会存在一些自由基，从而使得其光电性质变得更加复杂。
研究人员通过EPR技术对这些自由基进行研究，发现其中一种自由基有望用于制备更加高效的光电探测器。
在虫草菌中，生长孢子过程中，孢子的表面含有大量的锰离子。
研究人员们使用EPR技术研究了其孢子表面的锰离子离子键，在锰离子形成离子键的同时，还能够稳定其孢子的细胞壁，从而形成一个完整的孢子。
这为虫草菌繁殖和感染寄主提供了新的理解和应用。
三、技术的优势EPR技术相对于传统的光谱技术，具有一系列的优势，主要包括：1. 选择性：利用EPR技术，可以在样品中检测到只含有未成对（也叫自由）的电子的分子。
2. 灵活性：该技术的扫描范围相对于其他技术较大，可以用于研究低分子量物质、原子尺度上的分子以及大分子等。
电子顺磁共振
电子顺磁共振引言电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR），也被称为电子自旋共振（Electron Spin Resonance，ESR），是一种用于研究具有未成对电子的物质的方法。
在电子顺磁共振实验中，通过射频辐射使未成对电子从低能级跃迁至高能级，然后测量能级差并得到相关的信息。
在本文中，我们将介绍电子顺磁共振的原理、实验方法和应用领域。
1. 电子顺磁共振原理电子顺磁共振是基于未成对电子自旋的共振现象展开研究的。
未成对电子由于其自旋角动量的存在，会在外磁场作用下分裂成不同的能级。
当外磁场的大小与特定的能级分裂相匹配时，电子将吸收特定频率的辐射并跃迁到更高能级上。
电子顺磁共振的核心原理可以用以下方程表示：ΔE = gβB其中，ΔE代表能级差，g为电子的旋磁比，β为普朗克常量，B为外磁场的大小。
2. 电子顺磁共振实验2.1 仪器设备进行电子顺磁共振实验通常需要以下仪器设备：•电子顺磁共振仪：用于产生恒定的外磁场，并进行射频辐射的发射和接收。
•射频源：用于产生射频辐射。
•微波源：用于产生微波辐射。
•探头：用于与样品接触，将样品放入恒定外磁场中。
2.2 实验步骤电子顺磁共振实验的基本步骤如下：1.准备样品：选择合适的样品进行实验，并将样品放入探头中。
2.确定外磁场：通过调节电子顺磁共振仪中的磁场强度，使其满足能级分裂的共振条件。
3.辐射射频和微波：在满足共振条件的磁场下，分别辐射射频和微波进行激发。
4.记录数据：测量射频和微波辐射的频率以及相应的共振信号强度，记录实验数据。
5.数据处理：对实验数据进行处理和分析，提取出所需的信息和参数。
3. 电子顺磁共振的应用电子顺磁共振广泛应用于物理学、化学和生物学等领域，主要用于以下方面：3.1 材料科学电子顺磁共振可以通过研究材料中的未成对电子状态及其相互作用来了解材料的结构和性质。
它被广泛应用于材料科学中的磁性材料、光纤材料等的研究中，为材料的开发提供了重要的参考。
EPR技术在化学分析中的应用
EPR技术在化学分析中的应用电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR）技术是一种非常优秀的技术，在化学分析中有着广泛的应用。
除了物理和生物学领域中的研究外，EPR技术同样被一个越来越多的化学家所借助，用于定量和定性表征有机和无机物质，同时还在环境化学和食品科学中广泛使用。
一般来说，EPR技术通过测量待分析样品产生的电子的微波辐射信号来进行分析。
待测样品的特定属性影响到电子的辐射，使它有一个独特的谱，从而提供有关样品的信息。
这种技术广泛应用在研究化学反应动力学，分析电子的传输和催化。
在接下来的段落中，我们将深入了解EPR技术在化学分析中的应用。
定性分析EPR是分析某些物质的性质时一种重要的方法，通过测量辐射的谱线给出物质的自由基或金属离子的参数。
简单来说，自由基是分子内存在未成对电子的剩余电子。
通过EPR技术，我们可以非常容易地检测到自由基并定量表征它们。
自由基在化学反应中有着广泛的应用，例如在辐射损伤修复机制、发动机和涡轮机的燃烧中等。
此外，金属的离子也可以借助EPR技术进行定性分析。
金属离子对于化学反应过程至关重要。
使用EPR技术，金属离子可以被直接测量到，从而获得如氧化还原状态、配位化学、磁性等信息。
这对于合成金属配合物、研究金属催化反应或者了解生物体中的金属离子也有很大的帮助。
定量分析EPR技术在定量分析中同样拥有重要作用。
对于某些光敏和放射性物质而言，使用传统的化学检测技术是不可能的，因为它们会破坏样品。
而通过利用EPR技术可以避免这种情况，从而进行更精确的定量分析。
此外，EPR也可以在催化和电化学反应定量分析中应用。
比如，在电化学反应中，EPR技术可以帮助确定催化剂中的金属离子的浓度和配位环境。
这对于催化剂的性能和催化反应机理的研究都有非常重要的意义。
研究氧化还原反应机理EPR技术在研究氧化还原反应机理中也有着广泛的应用。
化学反应过程中的氧化还原过程是非常重要的。
电子顺磁共振(ESR)
—— 半导体中的空穴或电子
可用EPR来作定量研究。
—— 晶格缺陷 如：V心：The positive-ion vacancy (V center)
V - center (earlier called V1) (tetragonal symmetry )
F心 ：an electron in a negative-ion vacancy (F center)
= much higher techniqual requirements, but unique sensitivity to molecular motion
Sensitivity : Factor 1 000 000 better than in NMR !! (1nM instead of 1mM )
直接检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质
电子的磁共振
电子自旋磁矩的磁共振 电子轨道磁矩的磁共振
二．电子顺磁共振基本原理
物质的顺磁性是由分子的永久磁矩引起的 保里原理:
每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子， 因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩 是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有 永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。
Frequency: Factor 1000 larger in EPR ! (GHz instead of MHz) Coupling strength: Factor 1 000 000 larger in EPR ! (MHz instead of Hz) Relaxation Times: Factor 1000 000 smaller in EPR ! (ns instead of ms)
二苯基苦基肼基（DPPH) Diphenyl Picryl Hydrazyl
电子顺磁共振(ESR)教程
3、浓度控制，浓度过大或过小都会对样品信号造成干
扰，导致精细结构看不到，因此选择适当的浓度会对
测试提供帮助。
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未除氧
除氧
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浓度的影响
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溶液运动的影响
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3、固体样品
固体样品制备过程中需要注意颗粒大小，粉末样品也 需要注意顺磁浓度，浓度太大的话会对信号造成干扰 ，固体样品如果浓度太大可以采用固体稀释方法，使 用干燥的硅胶或者碳酸钙等都能起到稀释的作用。
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10
液体样品的制备
在ESR测试中，常见的是液体样品的测试，如自由基 ，有机反应中间体，过渡金属等，液体样品制备过程 中需要注意以下几点：
1、溶剂。测量液体样品时，要注意溶剂的极性，对于 极性大的溶剂，需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。液体样品中氧气对信号的干扰非常大，需要 对样品进行通氮或真空除氧，以保证测试过程中能看 到精细的机构信息。
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2
How does EPR work? DE = gb H
DE
hn
Energy
microwave source
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gbH0 = hn
H1
H0
H2
External magnetic field 3
电子顺磁共振
在垂直于B0的方向上施加频率为hn的电 磁波，当满足hn =g b B0 时，处于两能级 间的电子发生受激跃迁，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 因子， g e =2.0023； b波尔磁子）
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顺磁共振应用举例
1、自旋捕获技术
自旋捕获技术是将一不饱和的抗磁功能基团（自旋捕获剂，一般为氮酮类和亚硝基化合物）加入反应体系，产生EPR可以检测的自由基的技术。
如：以5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（5，5-Dietyl-1-Pyrroline -N-oxide，DMPO）为自旋捕获剂（实际检测体系DMPO控制在2-5 mM），结合ERP波谱技术，可以用来检测体系产生的●OH、超氧阴离子自由基等。
DMPO捕获不同类型自由基的模拟谱：
常见的自旋捕获剂如下：
2、低温、光照、不同气氛条件下的原位EPR实验
许多化学反应需要在无水无氧条件进行测试，因此，需要采用真空泵抽真空，一般还需要用氮气或者氩气进行保护。
有时为了证明气氛对反应的影响，需要对气氛进行控制。
通常采用接两个三通的方法，交替开关控制气源，达到气氛控制的目的。
由于这些装置一般仪器公司不提供，需要进行玻璃加工得到。
3、硒氮自由基•NSe 的新发现 310320330340
1mmol Sb2O3
1mmol Sb2O3+ 0.25mmolSe 1mmol Sb2O3+ 0.5mmolSe Se/Sb=0Se/Sb=1:8
Se/Sb=1:4
Se/Sb=1:21mmol Sb2O3+ 1mmolSe
Magnetic Field / mT
1mmol Sb2O3+ 2mmolSe (staurated Solution)
Se/Sb=1:12ml DMF 1.5mlCS2 2mlnBA in every sample
2.070 2.055 2.040 2.025
2.010
g Value 2.10 2.07 2.04 2.01
1.98
g Value
4、EPR在剂量学上的应用
5、EPR 研究电子转移反应
正硫醇保护的金团簇Au25(SC2H4Ph)18-N(C8H17)4+与2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基正离子盐(TEMPO+BF4-)之间单电子转移反应（参见：J. Phys. Chem. Lett. 2011,V ol.2,2104-2109）
6、Surface Facet of Palladium Nanocrystals: A Key Parameter to the Activation of Molecular Oxygen for Organic Catalysis and Cancer Treatment(参见：J. Am. Chem. Soc. 135 (8):3200–3207, February 2013)
△捕获剂的配制：
关于DMPO溶液配制：
测羟基自由基时：
（1）拿一个2毫升离心管，精确称出重量，微量移液枪移取2-5ml，称重，算出精确重量；
（2）加入1~2mL水，浓度一般配2~5mg/mL，换成摩尔浓度大约在20-50mM；
(3) 使用时，一般是加0.1mL配制好的DMPO到0.9mL目标液中，相当于DMPO实际检测体系在2~5mM；
测超氧负离子时，用的DMPO浓度要大些，大约在100 mM左右。
单线态氧捕获剂TMP配制：
取50L的TMP原液，将其溶解到5mL的水溶液中（得到稀释后的TMP）；
单线态氧捕获实验时，取1mL稀释后的TMP加入0.5mL含有催化剂溶液的离心管中，摇匀后，直接光照（Xe灯）20~30秒，即可开始EPR实验。