电子顺磁共振(EPR2011秋-1)
电子行业电子顺磁共振
电子行业电子顺磁共振什么是电子顺磁共振(EPR)电子顺磁共振(EPR)，也被称为电子自旋共振，是一种重要的分析技术，广泛应用于电子行业。
它基于电子自旋与外加磁场之间的相互作用原理，用于研究物质中未成对电子的状态和环境。
EPR技术在电子行业中有着不可或缺的作用，可以用于研究材料的性质、电子结构以及电子之间的相互作用等方面。
EPR技术在电子行业中的应用1. 材料研究EPR技术在电子材料研究中有广泛的应用。
通过对材料中未成对电子的共振吸收谱进行分析，可以得到关于电子态密度、电子磁矩、自旋-晶格相互作用等物理性质的信息。
这对于电子行业中新材料的设计与开发非常重要。
例如，在磁存储材料的研究中，EPR技术可以用来研究材料中电子自旋的变化，从而改善材料的磁性能。
2. 电子器件设计EPR技术也可以应用于电子器件的设计与制造中。
通过研究电子自旋的行为和相互作用，可以对器件的电子结构进行分析，进而优化器件的性能。
例如，在半导体器件中，通过EPR技术可以研究载流子的自旋，从而提高器件的导电性能和稳定性。
3. 电子结构研究EPR技术在研究电子结构时也起到了重要的作用。
通过测量电子自旋共振信号的强度和形状，可以推断材料中未成对电子的结构信息。
这对于了解材料中电子的分布和行为有着重要意义。
例如，在太阳能电池材料的研究中，EPR技术可以用来研究材料中不同能级的电子结构，从而提高太阳能电池的效率和稳定性。
EPR技术的工作原理EPR技术基于电子自旋与外加磁场之间的相互作用原理。
当样品处于外加磁场中时，电子的自旋会在磁场的作用下发生共振吸收，产生EPR信号。
这个信号可以通过调节磁场的强度和频率来测量，进而得到样品中未成对电子的信息。
EPR技术的优势与局限性优势：•非常灵敏：EPR技术可以检测到样品中极微弱的电子共振信号，使其在分析材料中微量元素的作用、电子结构等方面有着重要作用。
•高分辨率：EPR技术在测量中具有很高的分辨率，可以准确地确定样品中未成对电子的状态和环境。
《电子顺磁共振》课件
根据样品的属性和需求，选择合适的测量 参数，如磁场强度、射频频率等。
六、实验步骤
1
样品制备
将样品制备成薄片或粉末，保证样品的纯度和适合的形态。
2
设置仪器参数
根据实验要求设置仪器的磁场强度、射频波功率等参数。
3
获取光谱
使用适当的实验方法获取样品的电子顺磁共振光谱。
4
数据处理
对实验得到的数据进行处理和解析，提取有用的谱学信息。
发掘新在更 多领域发挥重要作用。
九、结语
1 总结
电子顺磁共振是一种重要的谱学技术，为材料科学和生命科学研究提供了关键的实验手 段。
2 感谢
感谢各位的聆听和关注，祝愿大家在电子顺磁共振领域有所收获。
3 参考文献
1. Smith, J. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. Wiley, 2018. 2. Johnson, R. L. Electron Paramagnetic Resonance: Basic Principles and Practical Applications. Springer, 2017.
控制系统
用于控制脉冲导引磁铁和检 测器，调节样品参数和记录 实验数据。
四、实验方法与技术
简介
电子顺磁共振实验方法包括X波段和Q波段等多 种光谱法。
与核磁共振的比较
电子顺磁共振与核磁共振是两种不同的谱学技术， 具有不同的原理和应用领域。
五、样品制备和测量参数的选择
1 样品制备方法
2 选择测量参数
样品制备是电子顺磁共振实验的关键步骤， 包括样品纯化、制备成薄片或粉末等。
电子顺磁共振(EPR2011秋-2)
EPR—基本原理
EPR谱仪常使用的微波频率
EPR—基本原理
L波段: 有机体、小动物等大生物和水溶液样品;
(波长： ~30cm)
S波段: 生物，水溶液和过渡金属络合物样品; X波段: 一般的液、固态样品，是最常用的微波频率； (波长：~3 cm) K波段: 过渡金属络合物和多频率工作； Q波段: 小样品高灵敏度的测量和多频率的研究； (波长：~8 mm) W波段: 极小样品和多频率样品的测量。
常温下，高低能级自旋数差仅千分之一; 但这对ESR具有重要
意义，否则，当na= nb时，ESR共振现象观测在理论上就不可 能。
EPR—基本原理
若温度降低至77K即液氮温度时:
(na /nb) = 0.994 ~994/1000
若温度降低至4K即液氦温度区:
(na /nb) = 0.892 ~892/1000
ΔE = Eα- Eβ = g bH
EPR—基本原理
若在垂直于磁场H的方向上施加频率为的
电磁波，根据磁能级跃迁的选择定律Δms =±1， 当满足下面条件（Planck’s law）：
h = gbH
…… EPR共振条件
电子发生受激跃迁，即低能级电子吸收电磁波能量而跃 迁到高能级中。
EPR—基本原理
铁磁性
反铁磁性 亚铁磁性
参考书《凝聚态磁性物理》
EPR—基本原理
2、共振条件(Resonant Condition)
顺磁性物质的分子（或原子、离子） = S(S+1) h /2 = S(S+1) h
其中，S是电子总自旋量子数，其值取决于未成对电子的数目n (S= n/2 )，式 中ћ =h/2π（Planck’s constant h = 6.626×10-34J.s）
《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。
电子顺磁共振(EPR2007-1)
EPR—研究对象三
——其它无机纳米材料新体系ESR研究
包括各种纳米线、管、棒、球等形状可控材料 的ESR研究；无机/有机复合材料的ESR研究；稀土高 效催化材料的ESR研究等。
Teeth, Bone Shell, Coral
Quartz, Aging
Radiation defects
Coal, Oil Erosion
SOD activity Aging, Cancer
Spin label Fluidity
Co-enzyme Vitamin C, E, K
Immunoassay Drug detection
因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家
1944年 I.S. Rabi
1955年 1966年 1981年 1989年 2002年
W.E. Lamb, P. Kusch A. Kastler N. Bloembergen N.F. Ramsey K. Wüthrich
1952年 F. Bloch, E.M. Purcell
孤立的金属粒子响应十分敏感，表现为不同金属配位环
境下其g(^)与g(II)的较大变化。大多数过渡金属的表现行
为与此类似，因此，用ESR作为表征过渡金属离子的氧 化态及周围配位情况是简单易行且可靠的方法。
EPR—研究对象三
——无机掺杂材料的ESR研究
Mn掺杂II-IV族化合物是典型的稀磁半导体（DMS） 材料， DMS的磁学性质归于顺磁性如:Mn离子，而光、 电性质则主要来自半导体晶格。DMS的制备是通过常规 半导体材料掺杂各种磁性或顺磁性粒子而得到的，其掺杂 质量的高低直接影响材料的特性。如何判定掺杂结果与掺 杂质量，可以很方便地利用ESR来检测和判定。
电子顺磁共振波谱解析
Lorentz 线型
Y
a 1 bX
2
Gauss 线型 Y aebX 2
1.3.6 g 因子 3400
（1）g因子的概念
但：
9500 2.0023
另外：对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即 表现为各向异性，从而使 g 因子也是各向异性，则 g 因 子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。g 因子 的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。
磁矩与磁场相互作用能：
E ˆ Hˆ H cos z H
1.3.3 电子自旋磁矩
❖ 电子自旋磁矩与自旋角动量的关系：
ge 2.0023
e 波尔磁子
2mc
z gM S
其中：M S
1 2
❖ 电子自旋磁矩在外磁场中的能量：
E z H (gM S )H
能级差： E gH
1.3.4 共振条件
第二个氮核进一步发生分裂，
由于作用的强弱与第一个氮核相相同，
所以有部分能级发生重合。
最终产生 5 条谱线，强度比例为： 1：2：3：2：1
如含有：n1 个核自旋为 I1， n2 个核自旋为 I2， ： nk 个核自旋为 Ik。
则产生最多(2n1*I1+1) (2n2*I2+1)…(2nk*Ik+1) 条谱线
❖ 久期增宽(Secular Broadening)
Hr H H'
影响H‘的因素：
自旋--自旋相互作用
1. 动态因素 热起伏
2. 空间因素
两个顺磁粒子间的相互作用
~
1 r3
(1
3 c os2
)
增大 r的方法：固体 同晶形 逆磁性 ZnSO4 顺磁性 CuSO4
电子顺磁共振-实验报告
电子顺磁共振实验报告一、实验目的1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；；2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用；3.测定DMPO-OH的EPR 信号。
二、实验原理1.电子顺磁共振（电子自旋共振）电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。
1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoisky)首次从CuCl2、MnCl2等顺磁性盐类发现。
电子自旋共振（顺磁共振）研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测（测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。
由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。
近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。
电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。
基本原理EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）的物质，才适合作EPR 的研究。
不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。
经典电磁学可知，将磁矩为μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为：E＝-μ· H = -μH cosθ这里θ为μ与H之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。
epr测氧空位的具体操作流程
epr测氧空位的具体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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Biology & Medicine 46 (2009) 1076–1088
EPR—研究对象
EPR—研究对象
烟草：清除烟草烟气自由基—某些有害成分。
如何提香、降害？—烟草制品的改进方向。
EPR—研究对象
—— 双基或多基
这类化合物含有两个或两个以上未成对电
子，且它们相距甚远，相互作用也很弱。
H3C CH3 CH3 CH3 N O
历史：1945年，前苏联物理学家，柴伏依斯基/或称扎伏伊斯
基 (Zavoisky, N.K.) 观察发现的(J. Phys. USSR 1945, 9, 245.)
2011研究生课程— EPR
电子顺磁共振:
Electron Paramagnetic Resonance, EPR, is a
spectroscopic technique, which detects species that have unpaired electrons.
2011研究生课程— EPR
2011研究生课程— EPR
关于自旋电子的一些为什么
——浅谈与超导电性对抗的磁性元素Fe, Co, Ni
为什么形成化合物就超导了?
张裕恒
《物理》 40 卷( 2011 年) 3 期������
2011研究生课程— EPR
Twinkle twinkle little Spin Are you single or are you twin? Are you real or are you false? How I crave your resonant pulse
Oxygen
Peroxide Metal UV Radiation
Brain Damage Heart Disease Lung Disease Gastral Disease Skin Disorder
Stress
Shock Ischemia Active Oxygen
Aging
Cancer Inflammation
1944年 I.S. Rabi 1952年 F. Bloch, E.M.
Purcell
1955年 1966年 1981年 1989年 W.E. Lamb, P. Kusch A. Kastler N. Bloembergen N.F. Ramsey 1964年 1977年 1983年 1991年 C.H. Townes J.H. Van Vleck H. Taube R.R. Ernst
它是直接检测和研究含有未成对电子顺磁
性物质的一种波谱学技术 。
It is also often called ESR, Electron Spin Resonance, ESR.
2011研究生课程— EPR
EPR: Electron paramagnetic resonance ESR: Electron spin resonance EMR: Electron magnetic resonance
2002年
K. Wü thrich
2003年
P.C. Lauterbur,
S. P. Mansfield （到今年为止）
2011研究生课程— EPR
1944年诺贝尔物理学奖授予: 美国拉比, 以表彰他用共振方法纪录原子核磁 特性。
1951年诺贝尔物理学奖授予: 美国布洛赫和美国马萨诸塞州哈佛大学的珀 塞尔, 以表彰他们有关核磁精密测量的新方法及由此所做的发现。 1955年诺贝尔物理学奖一半授予: 美国的库什(P. Kusech), 以表彰他对电子 矩阵所作的精密测定（电子磁矩）。 1966年诺贝尔物理学奖授予: 法国卡斯特勒，发明并发展用于研究原子内 光、磁共振的双共振方法 。 1977年诺贝尔物理学奖授予: 安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国） 对磁性和无序体系电子结构的基础性研究(J. Van Vleck 研究了抗磁性和顺磁 性的量子力学理论 )。 1989年诺贝尔物理学奖授予: 拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在 原子钟中的应用(原子束的振荡场) ; 德默尔特（美国）、保尔（德国）发展 原子精确光谱学和开发离子陷阱技术(精确测量出正、负电子的g因子 )。 2007年诺贝尔物理学奖授予：法国科学家艾尔伯· 费尔和德国科学家皮 特· 克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献（在磁场作用下，磁性金属 内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应）。
…… ! ! !
2011研究生课程— EPR
Joseph John Thomson （英国）
The Nobel Prize in Physics 1906 • In 1891, the Irish physicist, George Stoney, believed that electricity should have a fundamental unit. He called this unit the electron. • The electron was discovered by J.J. Thomson in 1897. • The electron was the first sub-atomic particle ever found. It was also the first fundamental particle discovered. • The concept of electron spin was discovered by S.A. Goudsmit and George Uhlenbeck in 1925. • The electron has three basic properties: electric charge, mass and spin.
古德斯密特、乌伦贝克：荷兰-美国物理学家
2011研究生课程— EPR
What Is the Electron Spin?
The electron spin is the electron’s electromagnetic field angular momentum.
电子自旋即电子的电磁角动量
电子内禀运动或电子内禀运动量子数的简称。 电子具有电荷，同时电子像陀螺一样绕一个 固定轴旋转，形成有南北极的自旋磁矩。
EPR—研究对象
EPR—研究对象
EPR—研究对象
EPR—研究对象
EPR—研究对象
酒类：啤酒主要性能指标之一，lag time
Beer-Flavor Stability
EPR—研究对象
PBN-OH加合物的ESR谱线：
活性氧：Activated Oxygen
EPR—研究对象
EPR—研究对象
O
.
N H3C
.
C
.
C
.
CH3
H3C CH3
都是典型的双基，可以用EPR研究它。
??
Glass-fiber
Ionomer Conducting polymer Degradation Polymerization
Quartz, Aging
Liquid crystal LB membrane Combustion Spin label Fluidity Spin trap Active oxygen Enzyme Organomagnetic Conducting materials
早期的研究认为跃迁过程只有电子自旋磁矩的贡献， 所以采用ESR这个术语。后面发现仅用电子自旋跃迁 是无法完全解释许多实验结果，尤其是来自过渡金属 离子的现象，也就是电子轨道磁矩对于跃迁也是有所 贡献的。所以逐渐使用EPR取代ESR。
2011研究生课程— EPR
因磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家
EPR—研究对象
??
Metal complex Teeth, Bone Shell, Coral Radiation defects Coal, Oil Erosion
Magnetic substance photo-translation Transition metal ion Catalyst
—— JOHN A. WEIL
2011研究生课程— EPR
本课程主要内容：
一、 电子顺磁共振的研究对象 二、 电子顺磁共振的基本原理 三、 电子顺磁共振波谱
四、 电子顺磁共振仪
EPR—研究对象
一、 电子顺磁共振的研究对象
Application Fields of ESR Spectroscopy
2011研究生课程— EPR
电子顺磁共振波谱导论 （EPR/ESR）
陈 家 富
合肥微尺度物质科学国家实验室 理化科学中心顺磁室 二0一一年十一月
阅读参考书：
2011研究生课程— EPR
1、John A. Weil and James R. Bolton，Electron Paramagnetic Resonance—Elementary Theory and Practical Applications , 2nd Edition, JohnWiley, 2007
2006
陈慧兰著，高等无机化学，高等教育出版社，2005
2011研究生课程— EPR
参阅相关网站： 1、 国际EPR/ESR协会 2、 布鲁克公司 3、 www.jeol.co.jp 日本电子 ……
2011研究生课程— EPR
电子顺磁共振 (EPR/ESR)
EPR—研究对象
SOD v.s. Potential Lifetime
EPR—研究对象
SOD 超氧歧化酶， 用于清除超氧阴离 子自由基的 ESR 波 谱。
EPR—研究对象
抗氧化剂：茶多酚，各种酒类
EPR—研究对象
DMSO溶液中，各种氧化的茶 多酚ESR谱图。
J. Ferreira Severino et al. Free Radical