电子顺磁共振技术应用及进展
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
epr超氧自由基定量的原理
epr超氧自由基定量的原理一、EPR技术原理电子顺磁共振（EPR）技术是一种研究物质中未成对电子的共振方法，通过测量未成对电子在磁场中的信号来确定物质的状态和结构。
在EPR实验中，被测物质被置于外加磁场中，吸收的微波辐射频率与磁感应强度的微分相同，从而使得被测物质中的未成对电子发生共振，产生信号。
EPR技术广泛应用于自由基和过渡金属离子等物质的检测。
在EPR实验中，通过调整实验参数，如磁场强度、微波频率和功率等，可以优化实验效果。
EPR 信号的强弱与未成对电子的数量和状态有关，因此可以用来定量分析自由基等物质的浓度和反应历程。
二、自由基捕获剂的使用在EPR超氧自由基定量中，通常需要使用自由基捕获剂来标记和捕捉超氧自由基。
常用的自由基捕获剂包括硝基四氮唑蓝（NBT）、羟乙基哌嗪乙硫磺酸（DHE）等。
这些捕获剂可以在超氧自由基的作用下发生氧化反应，生成具有未成对电子的产物，从而在EPR实验中被检测出来。
三、信号检测与数据处理在EPR实验中，信号的检测通常采用连续波扫描或单一谐振频率扫描模式。
对于超氧自由基的检测，可以采用时间分辨技术，即在超氧自由基与捕获剂反应后的不同时间点进行EPR信号的测量，以获得反应的动力学信息。
数据处理主要包括信号的提取、背景扣除、信噪比提高等方面。
对于超氧自由基的定量分析，需要依据捕获剂与超氧自由基反应的动力学方程进行数据处理和计算，从而得出超氧自由基的浓度和生成速率等参数。
四、实验条件控制在EPR超氧自由基定量实验中，实验条件的选择和控制在保证实验结果的准确性和可靠性方面起着重要作用。
首先，应保证外加磁场和微波频率的一致性和稳定性，以保证共振实验的效果。
其次，应控制好实验的温度、pH值、离子强度等环境因素，以适应超氧自由基反应的要求。
最后，应对捕获剂的选择、反应液的配制、样品的制备等进行质量控制，确保实验结果的真实性和可靠性。
五、结果解读与标准曲线制作在获得EPR实验数据后，需要进行结果解读和标准曲线的制作。
顺磁共振原理
顺磁共振原理顺磁共振（MRI）是一种利用核磁共振现象对人体进行成像的技术。
它是一种无创的检查方法，具有较高的分辨率和对软组织的良好显示效果，因此在临床诊断中得到了广泛的应用。
顺磁共振成像的原理是基于核磁共振现象，通过对人体组织中的氢原子进行激发和检测，得到组织的信号强度和分布情况，从而形成图像。
核磁共振现象是指在外加磁场的作用下，原子核在吸收或发射特定频率的电磁波时会发生共振现象。
在MRI中，主要利用水分子中的氢原子核进行成像。
当人体置于强磁场中时，水分子中的氢原子核会受到外加磁场的影响，从而产生共振现象。
通过改变外加磁场的方向和大小，可以对氢原子核进行激发和检测，得到组织的信号。
顺磁共振成像的过程主要包括激发和检测两个步骤。
在激发步骤中，利用射频脉冲对样品中的氢原子核进行激发，使其处于高能级状态。
在检测步骤中，利用梯度磁场对激发后的氢原子核进行检测，得到信号并进行处理，最终形成图像。
这一过程需要精密的控制和调节，以确保成像的准确性和清晰度。
顺磁共振成像的原理基础是核磁共振现象，而其成像效果受到多种因素的影响。
首先是外加磁场的强度和均匀性，强磁场的均匀性对成像的空间分辨率和信噪比有重要影响。
其次是射频脉冲的频率和幅度，这直接影响了激发和检测的效果。
此外，梯度磁场的强度和方向也对成像的分辨率和对比度有影响。
因此，顺磁共振成像需要精密的仪器设备和严格的操作流程，以确保成像的质量和准确性。
顺磁共振成像技术的发展为临床诊断提供了重要的工具，特别是在神经科学、心血管疾病和肿瘤诊断方面具有重要应用。
通过对组织器官的高清成像，可以及早发现疾病的变化，为临床诊断和治疗提供重要信息。
同时，顺磁共振成像也在科学研究和医学教育中发挥了重要作用，为人们对人体结构和功能的认识提供了新的途径。
总之，顺磁共振成像是一种基于核磁共振现象的成像技术，具有高分辨率和对软组织的良好显示效果。
其原理基础是核磁共振现象，通过对氢原子核的激发和检测，得到组织的信号并形成图像。
磁共振技术在物理实验中的多功能应用
磁共振技术在物理实验中的多功能应用磁共振技术是一项在物理学领域中应用广泛的技术，它不仅在医学影像诊断中扮演着重要的角色，也在物理实验中具有多功能的应用。
本文将介绍磁共振技术在物理实验中的不同应用，并探讨其在实验数据分析与材料科学研究中的重要性。
在物理实验中，磁共振技术广泛用于核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(ESR)实验中。
核磁共振主要用于研究原子核、分子和晶体的结构和性质，而电子顺磁共振则用于研究材料中的电子自旋态和磁性行为。
这两种技术的原理相似，都是通过外加磁场作用下的能级跃迁来实现谱线的观测和分析。
首先，磁共振技术在材料科学研究中的应用非常广泛。
磁共振技术可以提供材料的结构和动力学信息，帮助科学家们了解材料的物理性质。
例如，在材料的磁性研究中，通过测量样品在磁场中的磁化率和磁滞回线等参数，可以确定材料的磁性行为和相变温度。
此外，磁共振技术还可以用于研究材料中的电子能级和电子自旋之间的相互作用，为材料设计和制备提供理论依据。
其次，磁共振技术在实验数据分析中起着重要的作用。
在物理实验中，获取准确的数据是非常关键的，而磁共振技术可以提供高精度的测量结果。
通过磁共振技术，科学家们可以准确测量样品中不同核素的含量、化学位移和耦合常数等参数。
这些参数对于解析实验数据、研究物理现象的本质和制定进一步实验方案都非常重要。
另外，磁共振技术还被应用于研究生物物理学和生物化学领域。
生物分子中的原子和核磁共振技术可以通过测量核磁共振谱来研究蛋白质的构象和结构。
这对于了解生物活性分子的功能和作用机制至关重要。
此外，核磁共振成像技术在医学影像诊断中的应用，已经成为了临床医学的重要工具，大大提高了诊断的准确性和可靠性。
最后，磁共振技术在纳米科学和纳米材料研究中也具有重要的应用。
纳米材料的磁性行为和磁性性质对于研究其物理和化学性质至关重要。
通过磁共振技术，科学家们可以准确测量纳米材料中的自旋磁矩和表征材料的磁性行为。
这对于研究纳米材料的性质和应用具有重要的意义。
电子自旋共振(ESR)
Aliyoshi
直到 1975 年，Ikeya （中文译为：池谷元伺）
在Nature上发表了对日
本 Aliyoshi 洞（秋芳 洞）次生碳酸盐进行的 ESR 测年结果，这是 ESR 测年的首次应用成 功范例，也是首次被用 于地球科学。
随后，这种方法才逐步地应用于地质学、地貌学以及考 古学等各个领域中不同材料的年代测定。在80年代取得 了迅速的发展。
ESE测年基本原理 ——以石英为例
为什么ESR能适用于前面提到的各种材料？
四种不同的“零化”过程：
ESE测年基本原理 ——以石英为例
（1）附加剂量法
采用60Co γ 放射源，对处理好 的样品进行不同附加剂量的辐照 （不用晒退）。用 ESR 谱仪测 量未辐照和辐照后的样品，然后 以辐照剂量为横坐标，以 ESR 信号强度为纵坐标作图，获得剂 量响应曲线。
空穴的形成：类质同象体中离子的置换或晶体生长、相变 和形变过程中由于外界压力、温度及介质成分等外界因素 的影响形成的氧空穴( 空位) 等点缺陷或位错缺陷。
杂质的出现：石英中主要是由于Al3+或Li+、Na+、K+等代 替Si4+进入晶格引起的。。因为Si4+ 的离子半径不大 ( 0. 042 nm) 并且离子化合价较高, 目前为止只发现了Al3+ ( 0. 051 nm) 、Ga3+ ( 0. 062 nm) 、Fe3+ ( 0. 064 nm ) 、Ge4+ ( 0. 053 nm ) 、Ti4+( 0. 064 nm) 和P5+ ( 0. 035 nm) 等离子与 Si4+ 离子发生类质同象替换。其中有些是异价类质同象, 为了保持晶格中电价平衡, 其它的离子如H+ , Li+ , Na+ , K+ , Cu+ 和Ag + 同时进入到石英晶格间成为间隙离子
电子顺磁共振波谱仪EPR的基本原理和基本应用
含有一个或一个以上未成对电子的磁性物质
自由基 金属原子或团簇 过渡金属和稀土离子 掺杂或缺陷 扩展的研究中有自旋标记、自旋捕获等
……
特色：原位、无损的电子/原子核尺度测量
自由基
各种活性物质：
(a)
(b) (c)
Oxygen-Centered Radicals (Reactive oxygen species, ROS): O2-•, •OH, H2O2, LO• , LOO• , LOOH… Sulfur-Centered Radicals: •SH, LS• , … Nitrogen-Centered Radicals (Reactive nitrogen species, RNS): NO, ONOO/ ONOOH (过氧亚硝酸), … Carbon-Centered Radicals: R•, … ……
电磁波谱法（以下简称波谱学）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 量的变化而进行的。在此过程中，物质吸收外加电磁波的能量，从低能级跃 迁到较低高的能级。被吸收的电磁波频率（或者波长）取决于高低两能级间 的能级差。
电子、原子和分子等对电磁波不同区域的吸收和分类
波源
传统微波波段的频带宽度以及g＝2的磁场
波段 L S C X K Q V W 频率范围/GHz 0.390～1.550 1.550～3.900 3.900～6.200 6.200～10.900 10.900～36.000 36.000～46.000 46.000～56.000 56.000～100.000 代表性频率/GHz 1.5 3.0 6.0 9.5 23 36 50 95 代表性磁场/mT 54 110 220 340 820 1300 1800 3400
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
15电子(顺磁)自旋共振实验
电子自旋共振实验指导电子自旋共振(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CuCl 2 、MnCl 2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。
实验目的1.了解电子自旋共振波谱仪的工作原理，熟微波器件的使用方法2.通过对DPPH 自由基的电子自旋共振谱线的观察，了解电子自旋共振现象及共振特征。
3.学会测量DPPH 自由基的g 因子、谱线线宽和弛豫时间。
实验原理1．电子顺磁共振（电子自旋共振）原子中的电子既有轨道运动，又有自旋运动。
原子总磁矩与总角动量之间有如下的数值关系：2j j j ee g P m μ=⋅ （1） 其中朗德因子g 因耦合方式而不同。
磁矩与外磁场之间的磁相互作用能为：00,1,...,z B z E B gM B M J J Jμμ=-⋅=-=-- （2） 对于单个电子自旋，磁量子数M z 只能取二个值，即M z =±1/2 ，对应的能级分别是： 012B E g B μ= B≠0时，原来的能级劈裂成两个能级，这两个能级之间的差值与外恒磁场成正比： 0B E g B μ∆= （3）如果在单电子原子或自由基分子所在的稳恒磁场区加一个同稳恒磁场相垂直的微波场，调节它的频率ν ，使一个光子的能量h ν 正好等于上述能级差ΔE ， 即00B hv E B g B γμ=∆== （4） 那么，电子在相邻的能级之间将发生磁偶极共振跃迁，这就是电子自旋共振现象。