电子顺磁共振ESR教程
电子顺磁共振谱ESR
谱图解析方法
直接解析法
数据库比对法
通过观察谱线的位置、形状和强度， 结合已知的物质性质和结构信息，直 接解析出被测物质的磁性参数和结构 特征。
将实验谱图与已知的ESR谱图数据库 进行比对，通过相似度匹配来确定被 测物质的类型和结构。
计算机模拟法
利用计算机模拟ESR谱图，通过比较 模拟结果与实验谱图，可以更准确地 解析出被测物质的磁性参数和结构特 征。
应用领域拓展
随着ESR技术的不断发展，其应用领域也在不断拓展，从最初的自由 基研究逐渐拓展到生物医学、环境科学、能源科学等多个领域。
ESR技术面临的挑战
样品制备难度大
由于ESR对样品的纯度和均匀度 要求较高，因此样品制备难度较 大，需要较高的实验技巧和经验。
谱图解析难度高
由于ESR谱图较为复杂，不同组分 的信号容易相互干扰，因此谱图解 析难度较高，需要较高的专业知识 和技术水平。
电子顺磁共振谱（ESR
目录
CONTENTS
• 电子顺磁共振谱（ESR）概述 • ESR实验技术 • ESR谱图解析 • ESR在科学研究中的应用 • ESR技术展望与挑战
01 电子顺磁共振谱（ESR）概述
CHAPTER
ESR定义与原理
定义
电子顺磁共振谱（ESR）是一种研究物质中未成对电子的共振谱技术，通过测量物质在磁场中的电子磁矩变化来 获取物质内部结构和电子状态信息。
选择合适的微波频率，以 避免信号损失和干扰，提 高分辨率。
功率与时间
调整微波功率和曝光时间， 以获得最佳的信号强度和 信噪比。
实验数据处理与分析
数据预处理
对采集到的数据进行滤波、去噪等处理，以提高 信噪比。
参数拟合
ESR数据处理软件操作演示解析
ESR数据处理软件操作演示解析ESR数据处理软件是一款专门用于处理电子顺磁共振（ESR）数据的软件工具。
ESR是一种用于研究自由基，亚稳态离子和其他未成对电子系统的技术。
ESR数据处理软件可以帮助用户分析和解释ESR数据，以及提取有关样品中电子状态的信息。
本文将演示和解析ESR数据处理软件的操作步骤。
第一步：导入数据第一次打开ESR数据处理软件后，首先需要导入ESR测量得到的数据文件。
在软件的菜单栏中选择“文件”>“导入”>“导入数据”，然后选择ESR数据文件并点击“打开”按钮。
第二步：选择数据处理方法在导入数据后，软件会显示数据的图形和表格。
用户可以根据需要选择合适的处理方法来分析数据。
在菜单栏中选择“分析”>“数据处理方法”>“选择方法”，然后选择适当的数据处理方法。
常用的方法包括积分强度法、二次导数法和矢量法等。
第三步：参数设置选择数据处理方法后，用户需要设置相应的参数。
在菜单栏中选择“分析”>“参数设置”，然后根据实际情况输入相关参数，例如谱线形参数、积分窗口范围等。
第四步：数据处理设置参数后，用户可以开始进行数据处理。
在菜单栏中选择“分析”>“数据处理”>“开始处理”，软件将根据用户设置的参数对数据进行处理，并显示处理后的结果图形和表格。
第五步：数据解析数据处理完成后，用户可以对处理结果进行解析。
软件提供了多种数据解析工具，包括谱线形拟合、g因子测量和双积分法等。
用户可以根据需要选择合适的工具进行数据解析。
第六步：结果输出在数据解析完成后，用户可以将结果输出为文件或图像。
在菜单栏中选择“文件”>“导出”，然后选择输出格式和保存路径，点击“保存”按钮即可将结果保存为文件或图像。
除了以上演示的基本操作步骤，ESR数据处理软件还提供了其他功能，例如数据修正、峰值查找和数据比较等。
用户可以根据实际需求选择相应的功能进行操作。
总结起来，ESR数据处理软件是一款功能强大的工具，能够帮助用户对ESR数据进行分析和解释。
电子自旋共振波谱仪ESR
5、阻抗调配器
吸收曲线 色散曲线
它的主要作用是改变微波系统的负载状态。在本实验中主要作 用是观察吸收、色散信号。
6、谐振腔：
A
谐振腔耦合膜片
B 可变短路调节器
样品
通过调节可变短路调节器的位置，使微波在谐振腔内形成 驻波，得到最强的电子顺磁共振信号。
电子顺磁共振仪
直流调节 扫描调节 on 电源 直流输出 扫描输出 扫频开关 off 信号
将扭波导与环型器中的（II）端相接
将环型器中的（III）端与检波器相接 将扭波导的另一端与直波导的一端连接 将直波导的另一端与短路活塞相接
微波系统装配图
1－微波源 5－直波导
2－隔离器 6—样品
3－环型器 7—短路活塞
4 －扭波导 8—检波器
连线方法：
1. 通过连接线将主机上的扫描输出端接到磁铁的一端 2. 将主机上的直流输出端连接在磁铁的另一端 3. 通过Q9连接线将检波器的输出连到示波器上 4. 将微波源与主机相连
二、实验目的
了解电子顺磁共振的原理。 掌握FD-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调 节和使用方法。 利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。
J g
B
PJ PJ
三、实验原理
电子的自旋运动产生自旋磁矩。自旋磁矩与自旋 角动量之间的关系为：
g
B
P P
g ：朗德因子。
9.37G微波辐射
扫场法检测共振信号
B=B0+B’sinωt
通过调节励磁线圈的直流电流，改变恒定磁场的大小，当恒定 磁场B0＝2 ν/γ时，共振吸收信号等间距排列。此时对应的恒定 磁感应强度即为共振条件方程中所对应的磁场强度。利用特斯 拉计测量该磁感应强度代入共振方程可得g因子的值。
电子自旋共振ESR实验
电子自旋共振(ESR)实验泡利(Pauli)在1924年提出电子自旋的概念，可以解释某些光谱的精细结构。
1944年，原苏联学者扎沃依斯基(E ．K ．ЗАБОИСКИИ)首先观察到电子自旋共振现象。
电子自旋共振(ESR)的研究对象是含有未偶电子(或称未配对电子)的物质。
通过对这些物质ESR 谱的研究，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态及其周围环境的信息，从而获得物质结构方面的知识。
这一方法具有很高的灵敏度和分辨力，而且在测量过程中不破坏样品的物质结构，因此，在物理、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。
此外，ESR 也是精确测量磁场的重要方法之一。
一、实验原理ESR 的基本原理与NMR 相似，下面作简要说明。
按照量子力学，电子自旋角动量 )1(||+=s s P s ，其中，s 为电子自旋量子数，h h s ,2/,21π== 为普朗克常数。
电子自旋磁矩s μ 与电子自旋角动量s P 的关系式为 s e s P m ge2-=μ (1) 式中，e 为电子电荷，e m 为电子质量，g 称为朗德因子，对自由电子来说，0023.2=g 。
当电子处于稳恒磁场中时，原来的单个能级将劈裂为两个能级，如图1所示。
相邻能级的间隔为B g E B μ∆= (2)式中T J m he eB /102741.9224-⨯=-=μ，称为玻尔磁子，B 是稳恒磁场的磁感应强度。
图1 电子能级分裂示意图 根据磁共振原理，如果在与B 垂直的平面内，施加一个频率为v 的交流磁场1B ，当满足条件B g E hv B μ∆== (3)电子就会吸收磁场1B 的能量．从下能级跃迁到上能级。
这就是电子自旋共振现象。
因角频率v πω2=,上式可改定为 B h g B μω=(4) 或 gBm e e ω2= (5) 由电子自旋共振测出ω和g B ,为常数，就可求得电子荷质比。
因玻尔磁子约为核磁子的1836倍，即电子自旋磁矩比核磁矩大三个数量级，在同样磁场作用下，电子塞曼能级之间的间距比核塞曼能级间距大得多。
电子自旋(顺磁)共振波谱仪(ESR)设备安全操作规程
电子自旋(顺磁)共振波谱仪(ESR)设备安全操作规程前言电子自旋(顺磁)共振波谱仪(ESR)是一种用于研究物质的结构和性质的仪器。
本规程的目的是保证ESR设备的安全操作，防止发生意外事故并保护实验人员的安全。
本文档适用于所有ESR设备的操作人员。
ESR仪器使用前需要了解的安全事项在使用ESR仪器之前，请务必清楚以下几点：1. 电源和冷却水ESR设备需要稳定的电源和充分的冷却水才能正常运转。
操作人员在启用仪器之前，必须确保设备连通的电源和冷却水处于正常状态。
并且在设备使用过程中需要经常检查电源和冷却水的状态，以确保设备正常使用。
2. 辐射ESR仪器使用的辐射会对人体产生影响，因此操作人员必须严格遵守操作规程，避免对人体造成辐射危害。
使用ESR设备时，必须佩戴合适的防辐射服或手套等防护措施。
3. 液氮ESR设备需要液氮来降温，以辅助样品测试。
使用液氮时，需要遵守相关的使用规程；在液氮不足时，需要及时添加。
4. 操作规程操作人员在启用ESR仪器前必须已经掌握本设备的操作规程，并严格按照规程操作。
同时，在使用ESR设备时，需要注意设备的使用环境，确保室内通风良好、照明充足。
安全操作规程1. 设备开机前的准备1.1.检查电源和冷却水处于正常状态，并启用设备。
1.2.检查设备的连接和接线是否正常。
1.3.检查设备的保护装置是否完好。
1.4.佩戴防护装备，在操作设备时，必须佩戴适合的防辐射服、手套等器材。
2. 设备运行时的操作2.1.操作人员必须在ESR设备旁边，夜以继日不间断的盯看仪器的运行状态。
2.2.不得随意更改设备的任何设置，避免设备过载或发生其它安全问题。
2.3.严禁在运行时强行关闭设备。
2.4.在使用液氮时，严禁将设备外部的液氮接口与其他设备接触，否则将可能导致设备的损坏。
2.5.在设备运行期间，不得将其他设备带入实验室，以便保持通风良好，防止环境污染和安全事故的发生。
3. 设备操作后的工作3.1.设备运行结束后，应关闭仪器，切断电源和冷却水。
电 子 顺 磁 共 振 ESR-chemstry-1
20世纪未期，ESR技术又有较大的发展。主要归结为四个方面： ①从频率域进入时间域，建立了脉冲ESR技术； ②从单一频率进入多频共振检测； ③从一维波谱进入二维显示及三维成象； ④强大的计算机软，硬件功能、改进谱仪管理和数据处理能力。
分离系数f = H/(H+P)
2 . 自旋捕捉（Spin trapping）-----短寿命自由基
自由基（短）+自旋捕捉剂 →自旋加合物 （稍长）
* 捕捉剂 DMPO, POBN tNB.等，不同的捕捉剂所具有的捕捉效率和所
提供的信息不完全相同。同一种捕捉剂对不同的自由基的波谱不同。例如:
•OH DMPO +·OH DMPO-OO(H)
H H=0
Hyperfine helps us determine molecular structure
No hyperfine interaction I=0
Simple hyperfine interaction
I1=1/2, 1 I2=1, 1
Multiple hyperfine interactions
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
自旋标记是将某些稳定的自由基按照共价或非共价的方式 加到被研究的体系上，然后借助于这些自由基的ESR波谱来分析 该体系微观的结构、运动状态和理化特性，实现了非顺磁性物质 的电子顺磁共振研究。
【精品】电子顺磁共振实验讲义
近代物理实验讲义电子顺磁共振南京理工大学物理实验中心2009.1.20电子顺磁共振实验电子自旋共振(ElectronSpinResonance,ESR)又称电子顺磁共振(ElectronParamagneticResonance,EPR)。
由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。
一.1924年，泡利（Pauli）首先提出了电子自旋的概念。
1944年，前苏联的柴伏依斯基首次观察到了电子顺磁共振现象。
1954年开始，电子自旋共振逐渐发展成为一项新技术。
电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。
通过共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、生物、医学等领域有广泛的应用。
二.实验目的1．了解电子顺磁共振的原理。
2．掌握FD-TX-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法。
三.3．利用电子顺磁共振谱仪测量DPPH的g因子。
四.实验原理A、测量原理原子的磁性来源于原子磁矩，由于原子核的磁矩很小，可以略去不计，所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。
原子的总磁矩μJ 与总角动量P J 之间满足如下关系： B J J J g P P μμγ=-=(1)式中μB 为玻尔磁子，为约化普朗克常量。
由上式可知，回磁比B g μγ=-(2)其中g 为朗德因子。
对于原子序数较小（满足L －S 耦合）的原子的朗德因子可用下式计算，(1)(1)(1)12(1)J J S S L L g J J +++-+=++(3) 由此可见，若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献（L=0，J=S ），则g=2。
电子自旋共振波谱仪安全操作及保养规程
电子自旋共振波谱仪安全操作及保养规程前言电子自旋共振波谱仪（Electron Spin Resonance Spectrometer，简称ESR）是一种常用于研究物质中电子自旋状态的实验设备。
它可以用于研究物质的物理、化学等性质，并在许多领域上发挥重要作用，如医学、生物化学、无机化学、物理等。
在ESR实验中，我们需要严格遵守安全操作、维护保养等规程。
本文档介绍的就是ESR的安全操作及保养规程，目的在于让使用ESR的研究人员们更好地了解ESR的操作流程，提高实验效率，减少安全事故的发生。
安全操作规程1. 实验前准备在进行ESR实验前，需要进行充分的物品清点、操作说明阅读、安全了解等准备工作。
•物品清点：核对实验所需的物品是否齐全，如液氮、样品、滤纸、清洗剂、手套、警示牌、紫外线灯等。
•操作说明阅读：仔细阅读ESR的使用说明书，掌握设备的操作方式、维护保养方法。
•安全了解：研究人员需了解ESR实验过程中可能涉及的安全问题，如液氮的温度过低可能导致冻伤，紫外线的辐射可能危及眼睛等。
2. 实验操作流程在进行ESR实验时，研究人员应按照规定的操作流程进行操作。
•样品制备：准备好所需的样品，将其放置于石英玻璃管中，再加入适量的清洗剂，并使用超声波清洗器将样品洗净。
•爆破管装填：将样品输送至爆破管中，紧固好爆破管以防止溢出。
•操作流程：打开ESR机箱，开始ESR的设置，调整ESR的参数。
待操作完成后数据记录进ESR。
3. 安全注意事项在操作ESR时，研究人员还需注意下列事项。
•操作人员必须按照相应安排进行操作，且必须佩戴手套、护目镜等安全用品，并注意防寒。
•搬运液氮时，要将液氮小心地倒入大容量的容器中，并严格遵循液氮的操作规程。
•紫外线有辐射危险，使用时应戴上防护眼镜并注意防晒。
保养规程为了延长ESR的使用寿命，减少不必要的维修和更换成本，以及保证实验精度，需要对ESR进行定期的维护保养。
1. 日常清洗ESR设备日常使用后需进行清洗、维护。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。
EPR应用
? 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。 ? 生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、酶反应的机
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。
4、温度的作用
? 温度对信号的影响较大，主要来源于两 个方面，一个是热扰动的影响，另一个 是在高温下，信号的各向异性不明显， 同时某一些信号在高温下存活时间较短 ，无法在测试时间里看到信号，需要放 在较低的温度下对其进行采集。
液，粉，晶态Cu2+的信号
固体表面超氧负离子及空穴一般都需要放置在低温77K条件下测试
How does EPR work? DE = g b H
Energy
DE
hn
Hale Waihona Puke microwave source
g bH0 = h n
H1
H0
H2
External magnetic field
电子顺磁共振
? 在垂直于B 0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）
电子顺磁共振谱(EPR,ESR)
Electron Paramagnetic Resonance, Electron Spin Resonance
磁诱导电子自旋能级裂分
Ms
Energy
±?
Ms = +?
DE= hn=gbB
DBpp
B=0
Ms = -?
B>0
Magnetic Field (B)
h Planck's constant 6.626196 x 10-27 erg.sec n frequency (GHz or MHz) g g-factor (approximately 2.0) b Bohr magneton (9.2741 x 10-21 erg.Gauss-1) B magnetic field (Gauss or mT)
for B = 3480 G n for B = 420 G n for B = 110 G n
= 9.75 GHz (X-band) = 1.2 GHz (L-band) = 300 MHz
g值和A值得标定
? g因子和A值是EPR谱图中两个最重要的 信息，通过测试g因子和A值我们可以判 断出单电子的类型，可能得结构信息， 然后通过计算及模拟得出准确的结构。 下面是g值和A值的标注。
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
? 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。
未除氧 除氧
浓度的影响
溶液运动的影响
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。
? 三重态分子（triplet molecule ）：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。
电子顺磁共振的研究对象
? 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 Ti 3+ (3d 1) ， V3+ (3d 7)等。
? 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。
? 具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子。
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
g值和A值的标定
g//和A//的标示
ESR样品的制备
? ESR 测试的样品可以是气体、液体、固体。
? 样品制备的过程对于能够得到完美精确的ESR 信号至为重 要。
气体样品的制备
? 在测试过程中，常见的气体样品如测试香烟中的自由 基含量，主要是将烟气吸收富集，对烟气进行测试的 方法，另有就是对一氧化氮气体的测试（一氧化氮气 体是常见的气体自由基之一）。
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。
半导体材料表面缺陷及超氧负离子信号 某一些过渡金属的不稳定价态也常常需要放在低温下进行测试，如Ti3+，Zr3+等 都需要放在液氮中才能较好地采集到信号。
电子顺磁共振的研究对象
? 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
? 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，相互作和较弱。