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EPR电子顺磁共振 - 2
2004研究生课程— EPR
电子顺磁共振（EPR）概论 或电子自旋共振（ESR）概论
陈 家 富
合肥微尺度物质科学国家实验室 顺磁共振室
二00四年十一月
Application Fields of ESR Spectroscopy
Magnetic substance photo-translation Transition metal ion Catalyst Metal complex Teeth, Bone Shell, Coral Quartz, Aging Radiation defects Coal, Oil Erosion Spin label Fluidity SOD activity Aging, Cancer Co-enzyme Vitamin C, E, K Combustion Spin trap Active oxygen Enzyme Glass-fiber
EPR—基本原理三
EPR现象的严格论述，必须运用量子力学。 电子自旋体系的哈密顿算符为：
Ĥ = gβHŜz
Ŝz的自旋本征函数为│α > 和│β >，其本征值分
别为1/2和-1/2。
Ŝz│α > = 1/2│α >
Ŝz│β > = -1/2│β >
EPR—基本原理三
因此，两自旋态的能量为：
Eα = < α│Ĥ │α > = < α│g βHŜz│α > = (1/2) g βH Eβ = < β│Ĥ │β > = < β│g βHŜz│β > = -(1/2) g βH 两能级差： ΔE = E - E = g βH α β 若在与H垂直的方向施加一微波hυ，使得 hυ= gβH，即产生磁共振吸收。
电子顺磁共振（EPR）概论 或电子自旋共振（ESR）概论
陈 家 富
合肥微尺度物质科学国家实验室 顺磁共振室
二00四年十一月
Application Fields of ESR Spectroscopy
Magnetic substance photo-translation Transition metal ion Catalyst Metal complex Teeth, Bone Shell, Coral Quartz, Aging Radiation defects Coal, Oil Erosion Spin label Fluidity SOD activity Aging, Cancer Co-enzyme Vitamin C, E, K Combustion Spin trap Active oxygen Enzyme Glass-fiber
EPR—基本原理三
EPR现象的严格论述，必须运用量子力学。 电子自旋体系的哈密顿算符为：
Ĥ = gβHŜz
Ŝz的自旋本征函数为│α > 和│β >，其本征值分
别为1/2和-1/2。
Ŝz│α > = 1/2│α >
Ŝz│β > = -1/2│β >
EPR—基本原理三
因此，两自旋态的能量为：
Eα = < α│Ĥ │α > = < α│g βHŜz│α > = (1/2) g βH Eβ = < β│Ĥ │β > = < β│g βHŜz│β > = -(1/2) g βH 两能级差： ΔE = E - E = g βH α β 若在与H垂直的方向施加一微波hυ，使得 hυ= gβH，即产生磁共振吸收。
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)ppt课件
基本原理
电子和原子核一样是带电粒子，自旋的电子 因而产生磁场，具有磁矩 s
s= -gS g 因子（值为2.0023) 为玻尔磁子，S为 自旋角动量。 对单电子 S = 1/2;电子自旋状态有2S＋1个 即：Ms ＝1/2
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
3
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
在外磁场H中，能量E为：
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
5
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
2. 超精细耦合
未成对电子的自旋除受到自身轨道运动影响外，还受到临近核的 磁矩作用的影响，其结果类似于NMR中自旋分裂，使电子顺磁共 振谱发生分裂成两条或更多。这种作用称为超精细耦合。
1）、一个磁性核的超精细耦合作用
E= g H Ms ＋AMsMl A为超精细耦合常数，Ml是核磁矩的量 子数。即在一个磁性核耦合作用下，可 分裂四个能级：
E1= 1/2 g H ＋1/4A E2= 1/2 g H -1/4A E3= -1/2 g H ＋1/4A E4= -1/2 g H -1/4A 根据选律定则，只有Ml＝0； Ms＝ 1才有能级跃迁，即E1 －E4 和E2 －E3有 能级跃迁。
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
6
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
14
现代分析测试技术—电子能谱
X射线与物质作用，会获得一系列 的信息，这包括自由电子（光电子）、
二次电子（俄歇电子）、次级X射线 （荧光X射线）等。
X光的能量较大，它不仅可使结 合能小的价电子电离，也可使结合 能大的内层电子电离。因此，对于 大多数元素XPS都会有几个不同轨 道的能谱峰。
光电子能谱 俄歇电子能谱(AES, Auger Electron Spectrometer) 光电子能谱又分为 X光电子能谱 (XPS,X-ray Power Spectroscopy) 紫外光电子能谱 (UPS, Ultraviolet Power Spectroscopy)
电子和原子核一样是带电粒子，自旋的电子 因而产生磁场，具有磁矩 s
s= -gS g 因子（值为2.0023) 为玻尔磁子，S为 自旋角动量。 对单电子 S = 1/2;电子自旋状态有2S＋1个 即：Ms ＝1/2
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
3
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
在外磁场H中，能量E为：
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
5
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
2. 超精细耦合
未成对电子的自旋除受到自身轨道运动影响外，还受到临近核的 磁矩作用的影响，其结果类似于NMR中自旋分裂，使电子顺磁共 振谱发生分裂成两条或更多。这种作用称为超精细耦合。
1）、一个磁性核的超精细耦合作用
E= g H Ms ＋AMsMl A为超精细耦合常数，Ml是核磁矩的量 子数。即在一个磁性核耦合作用下，可 分裂四个能级：
E1= 1/2 g H ＋1/4A E2= 1/2 g H -1/4A E3= -1/2 g H ＋1/4A E4= -1/2 g H -1/4A 根据选律定则，只有Ml＝0； Ms＝ 1才有能级跃迁，即E1 －E4 和E2 －E3有 能级跃迁。
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
6
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
14
现代分析测试技术—电子能谱
X射线与物质作用，会获得一系列 的信息，这包括自由电子（光电子）、
二次电子（俄歇电子）、次级X射线 （荧光X射线）等。
X光的能量较大，它不仅可使结 合能小的价电子电离，也可使结合 能大的内层电子电离。因此，对于 大多数元素XPS都会有几个不同轨 道的能谱峰。
光电子能谱 俄歇电子能谱(AES, Auger Electron Spectrometer) 光电子能谱又分为 X光电子能谱 (XPS,X-ray Power Spectroscopy) 紫外光电子能谱 (UPS, Ultraviolet Power Spectroscopy)
电子顺磁共振(ESR)教程
.
EPR/ESR
EPR is the resonant absorption of microwave radiation by paramagnetic systems in the presence of an applied magnetic field
hn = gbB
n= (gb/h)B = 2.8024 x B MHz
.
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。
.
How does EPR work? DE = gb H
DE
hn
Energy= hn
H1
H0
H2
External magnetic field .
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）
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。
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
EPR/ESR
EPR is the resonant absorption of microwave radiation by paramagnetic systems in the presence of an applied magnetic field
hn = gbB
n= (gb/h)B = 2.8024 x B MHz
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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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How does EPR work? DE = gb H
DE
hn
Energy= hn
H1
H0
H2
External magnetic field .
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）
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。
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
电子顺磁共振实验方法
二. 电子顺磁共振的实验装置
1. EPR波谱仪分类 2. EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程 3. ESR波谱仪的主要指标
三. 电子顺磁共振的新技术方法 1. 自旋标记EPR 2. 自旋捕捉EPR 3. 低温- EPR
四. 时间分辨电子顺磁共振波谱仪 1.短寿命自由基的检测方法 2. 时间分辨ESR 3. E-500 型ESR波谱仪及仪器的主要指标 4. TR-ESR波谱的产生、检测及举例 5. TR-ESR 瞬态时间波谱的数据处理 6. TR-ESR瞬态检测的优点
微环境结构特点。
超精细分裂常数 a ------ hyperfine splitting constant，电子自旋与核自旋相互作用。
H
6. EPR技术的研究对象和主要优缺点
对象：*自由基(Free radical)
电子层的最外层具有单电子的原子、分子或离子并且能独立存在。
例如: 单基：四甲基哌啶 (TEMPO)
电子自旋在磁场中的能级分裂称为Zeeman分裂。
二个能级的能量之差： E= ge .e .H
H
S
N
E上 = +1/2 ge .e .H E= ge .e .H
E下 = -1/2 ge .e .H
H=0 H≠0
3．电子顺磁共振的共振条件
电磁辐射能量 h
刚好满足两个能级之间的能量差E
电子从下能级跃迁到上能级
电 子 顺 磁 共 振 (EPR, ESR) 实验方法
目录
一. 电子顺磁共振的基本概念 1. 电子的运动 2. 电子在直流磁场中的行为 - 能级分裂 3. 电子顺磁共振共振条件 4. 超精细相互作用 溶液自由基波谱的特点、解析及举例 5. EPR波谱的一般参数
1. EPR波谱仪分类 2. EPR波谱仪的主要组成单元和工作过程 3. ESR波谱仪的主要指标
三. 电子顺磁共振的新技术方法 1. 自旋标记EPR 2. 自旋捕捉EPR 3. 低温- EPR
四. 时间分辨电子顺磁共振波谱仪 1.短寿命自由基的检测方法 2. 时间分辨ESR 3. E-500 型ESR波谱仪及仪器的主要指标 4. TR-ESR波谱的产生、检测及举例 5. TR-ESR 瞬态时间波谱的数据处理 6. TR-ESR瞬态检测的优点
微环境结构特点。
超精细分裂常数 a ------ hyperfine splitting constant，电子自旋与核自旋相互作用。
H
6. EPR技术的研究对象和主要优缺点
对象：*自由基(Free radical)
电子层的最外层具有单电子的原子、分子或离子并且能独立存在。
例如: 单基：四甲基哌啶 (TEMPO)
电子自旋在磁场中的能级分裂称为Zeeman分裂。
二个能级的能量之差： E= ge .e .H
H
S
N
E上 = +1/2 ge .e .H E= ge .e .H
E下 = -1/2 ge .e .H
H=0 H≠0
3．电子顺磁共振的共振条件
电磁辐射能量 h
刚好满足两个能级之间的能量差E
电子从下能级跃迁到上能级
电 子 顺 磁 共 振 (EPR, ESR) 实验方法
目录
一. 电子顺磁共振的基本概念 1. 电子的运动 2. 电子在直流磁场中的行为 - 能级分裂 3. 电子顺磁共振共振条件 4. 超精细相互作用 溶液自由基波谱的特点、解析及举例 5. EPR波谱的一般参数
《电子顺磁共振EPR》课件
电子顺磁共振(EPR) PPT课件
contents
目录
• 电子顺磁共振(EPR)简介 • EPR的基本技术 • EPR在来发展与挑战
01
电子顺磁共振(EPR)简介
定义与原理
定义
电子顺磁共振（EPR）是一种研究物质与辐射相互作用的物理方法，通过测量物 质中未成对电子在磁场中的共振吸收来获取物质内部结构和电子状态信息。
数据分析
根据EPR谱图的特征峰位置、形状和 强度，解析物质内部未成对电子的分 布和取向，从而推断出物质的结构和 性质。
03
EPR在科学研究中的应用
分子结构和化学环境研究
总结词
EPR技术可以提供分子结构和化学环境的信息，有助于深入了解分子的电子结 构和化学键的性质。
详细描述
EPR通过测量电子自旋共振信号的频率和强度，可以推断出分子中电子的分布 和跃迁情况，从而揭示分子的结构和化学环境。这对于理解化学反应机理、分 子识别和分子设计等领域具有重要意义。
医学研究
EPR用于研究生物组织中的 自由基、血红蛋白、肌红蛋 白等生物分子的结构和功能 ，以及与疾病相关的变化。
环境科学
EPR用于研究环境污染物的 电子结构和环境因素对其影 响。
02
EPR的基本技术
实验设置与设备
实验原理
电子顺磁共振是研究物质中未成 对电子的共振现象，通过测量样 品在特定频率电磁辐射下的吸收 和发射，可以获得关于物质内部
固体材料中的缺陷和掺杂研究
总结词
EPR技术可以用于研究固体材料中的缺陷和掺杂情况，有助于深入了解材料的物理和化学性质。
详细描述
EPR可以检测固体材料中的自由电子和缺陷态电子，通过测量这些电子的自旋共振信号，可以推断出 固体材料的结构和性质。这对于研究材料的物理和化学性质、新型材料的设计和开发等领域具有重要 意义。
contents
目录
• 电子顺磁共振(EPR)简介 • EPR的基本技术 • EPR在来发展与挑战
01
电子顺磁共振(EPR)简介
定义与原理
定义
电子顺磁共振（EPR）是一种研究物质与辐射相互作用的物理方法，通过测量物 质中未成对电子在磁场中的共振吸收来获取物质内部结构和电子状态信息。
数据分析
根据EPR谱图的特征峰位置、形状和 强度，解析物质内部未成对电子的分 布和取向，从而推断出物质的结构和 性质。
03
EPR在科学研究中的应用
分子结构和化学环境研究
总结词
EPR技术可以提供分子结构和化学环境的信息，有助于深入了解分子的电子结 构和化学键的性质。
详细描述
EPR通过测量电子自旋共振信号的频率和强度，可以推断出分子中电子的分布 和跃迁情况，从而揭示分子的结构和化学环境。这对于理解化学反应机理、分 子识别和分子设计等领域具有重要意义。
医学研究
EPR用于研究生物组织中的 自由基、血红蛋白、肌红蛋 白等生物分子的结构和功能 ，以及与疾病相关的变化。
环境科学
EPR用于研究环境污染物的 电子结构和环境因素对其影 响。
02
EPR的基本技术
实验设置与设备
实验原理
电子顺磁共振是研究物质中未成 对电子的共振现象，通过测量样 品在特定频率电磁辐射下的吸收 和发射，可以获得关于物质内部
固体材料中的缺陷和掺杂研究
总结词
EPR技术可以用于研究固体材料中的缺陷和掺杂情况，有助于深入了解材料的物理和化学性质。
详细描述
EPR可以检测固体材料中的自由电子和缺陷态电子，通过测量这些电子的自旋共振信号，可以推断出 固体材料的结构和性质。这对于研究材料的物理和化学性质、新型材料的设计和开发等领域具有重要 意义。
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)ppt课件
s= -gS g 因子（值为2.0023) 为玻尔磁子，S为
自旋角动量。 对单电子 S = 1/2;电子自旋状态有2S＋1个 即：Ms ＝1/2
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
在外磁场H中，能量E为：
E= - s H ＝gMs H
Ms =+1/2 E= 1/2 g H Ms =－1/2 E = - 1/2 g H E = E - E = g H E = g H = h 一般在微波区（9.5-35千兆）
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱 2）、一组等价磁性核的超精细耦合作用
当未成对电子同时受到几个相同的磁性核作用时，谱线的裂分数为： 2nI+1， 其强度比符合二项式展开。 例如，甲基自由基H3C,因受到3个等价氢的作用而呈现4条裂分谱线。 苯自由基阴离子则为7条谱线。
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
现代分析测试技术—电子能谱
X 射线与物质作用，会获得一系列 的信息，这包括自由电子（光电子）、 二次电子（ 俄歇电子）、次级 X 射线
（荧光X射线）等。 X光的能量较大，它不仅可使结 合能小的价电子电离，也可使结合 能大的内层电子电离。因此，对于 大多数元素 XPS 都会有几个不同轨 道的能谱峰。 一般入射光的能量与电子的结合 能越接近，其电离的概率越大，谱 峰越强。
只有未成对的电子才有电子顺磁共振。 同样电子也存在自旋－晶格 弛豫和自旋－自旋弛豫现象
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
波谱特性
对于分子中的未成对电子， 除自旋运动外，还有轨道运动。 因此，在外磁场作用下，轨道运动也会产生一个内磁场H’，这样 未成对电子所处的磁场应为： Hr = H + H’
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
第八章 电子顺磁共振波谱 (EPR)
精选2021版课件
11
现代分析测试技术—电子能谱
第九章 电子能谱 (ES)
Electron Spectroscopy
精选2021版课件
12
现代分析测试技术—电子能谱
一定能量的电子、X射线或紫外光作用样品，把样品 表面原子中不同能级的电子激发成自由电子，研究这些自 由电子的能量分布就是电子能谱分析。 电子能谱包括两大类：
精选2021版课件
14
现代分析测试技术—电子能谱
X射线与物质作用，会获得一系列 的信息，这包括自由电子（光电子）、
二次电子（俄歇电子）、次级X射线 （荧光X射线）等。
X光的能量较大，它不仅可使结 合能小的价电子电离，也可使结合 能大的内层电子电离。因此，对于 大 多 数 元 素 XPS 都 会 有 几 个 不 同 轨 道的能谱峰。
一般入射光的能量与电子的结
合能越接近，其电离的概率越大， 谱峰越强。
精选2021版课件
15
现代分析测试技术—电子能谱
特征：
XPS采用能量为 1000－1500 eV的射线源，能激发内层电子。 各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因此可以用来鉴别化 学元素。
UPS采用He I(21.2eV)或He II(40.8eV)作激发源。 与X射线相比能 量较低，只能使原子的价电子电离，用于研究价电子和能带结构 的特征。
一般在微波区（9.5-35千兆） 只有未成对的电子才有电子顺磁共振。 同样电子也存在自旋－晶格 弛豫和自旋－自旋弛豫现象
精选2021版课件
4
现代分析测试技术—电子顺磁共振波谱
波谱特性
1. g因子
对于分子中的未成对电子， 除自旋运动外，还有轨道运动。 因此，在外磁场作用下，轨道运动也会产生一个内磁场H’，这样 未成对电子所处的磁场应为：
电子顺磁共振操作流程
电子顺磁共振操作流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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在进行电子顺磁共振实验之前，需要进行充分的准备工作。
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Nobody loves Raymond (Damadian)
The Nobel Prize in Medicine did NOT go to Raymond Damadian, and he is mad as hell. Mad enough to take out advertisements in the NY Times and the Washington Post. ……. (the way it is still done today). Raymond wasn't detoured he thinks outside the box. So he did some experimentation gathered up a set of data and published a nice bit of original work. He still didn't have a machine that we would call a modern MRI. The data his machine produced was not a pretty picture, nor could his results and conclusions be verified. But he did publish that paper. It got others thinking and involved with MRI. Other people who actually produced practical working MRI devices. Our boy Ray couldn't get his machine to work very well, for years he couldn't. He did however get a patent. With that patent he spent years chasing GE Medical Systems through the courts. He and his lawyers got over $100 million dollars from them in the end. His company eventually did produce an MRI device that could be sold on the market. My title is misleading there is a group of individuals who love Raymond. It is the Creation Science community.
Raymond snubbed by Nobel Commoved by God? Godless science shits on a saint.
I don't know. Perhaps Raymond deserves the prize. MRI was first attempted by him but his results were pretty much useless. His original paper has been discredited by follow up research. I personally see no conflict between science and spiritualism, but putting a Christian God as the head of the universe is tacky in my opinion. Teaching that there has been no evolution, that Genesis contains a literal cosmology, well that isn't science in any sense I understand.
Now the controversy is Was
I'll let God decide whether Raymond gets his Nobel or not…..
The Nobel Prize in Medicine did NOT go to Raymond Damadian, and he is mad as hell. Mad enough to take out advertisements in the NY Times and the Washington Post. ……. (the way it is still done today). Raymond wasn't detoured he thinks outside the box. So he did some experimentation gathered up a set of data and published a nice bit of original work. He still didn't have a machine that we would call a modern MRI. The data his machine produced was not a pretty picture, nor could his results and conclusions be verified. But he did publish that paper. It got others thinking and involved with MRI. Other people who actually produced practical working MRI devices. Our boy Ray couldn't get his machine to work very well, for years he couldn't. He did however get a patent. With that patent he spent years chasing GE Medical Systems through the courts. He and his lawyers got over $100 million dollars from them in the end. His company eventually did produce an MRI device that could be sold on the market. My title is misleading there is a group of individuals who love Raymond. It is the Creation Science community.
Raymond snubbed by Nobel Commoved by God? Godless science shits on a saint.
I don't know. Perhaps Raymond deserves the prize. MRI was first attempted by him but his results were pretty much useless. His original paper has been discredited by follow up research. I personally see no conflict between science and spiritualism, but putting a Christian God as the head of the universe is tacky in my opinion. Teaching that there has been no evolution, that Genesis contains a literal cosmology, well that isn't science in any sense I understand.
Now the controversy is Was
I'll let God decide whether Raymond gets his Nobel or not…..