電子順磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)是由不配對電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù),可用于從定性和定量方面檢測物質(zhì)原子或分子中所含的不配對電子,并探索其周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。對自由基而言,軌道磁矩幾乎不起作用,總磁矩的絕大部分(99%以上)的貢獻來自電子自旋,所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振"(ESR)。
歷史進程
電子順磁共振首先是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家 E·K·扎沃伊斯基于1944年從MnCl2、CuCl2等順磁性鹽類發(fā)現(xiàn)的。物理學(xué)家最初用這種技術(shù)研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。以后化學(xué)家根據(jù)電子順磁共振測量結(jié)果,闡明了復(fù)雜的有機化合物中的化學(xué)鍵和電子密度分布以及與反應(yīng)機理有關(guān)的許多問題。美國的B·康芒納等人于1954年將電子順磁共振技術(shù)引入生物學(xué)的領(lǐng)域之中,他們在一些植物與動物材料中觀察到有自由基存在。20世紀60年代以來,由于儀器不斷改進和技術(shù)不斷創(chuàng)新,電子順磁共振技術(shù)已在物理學(xué)、半導(dǎo)體、有機化學(xué)、絡(luò)合物化學(xué)、輻射化學(xué)、化工、海洋化學(xué)、催化劑、生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。
基本原理
子是具有一定質(zhì)量和帶負電荷的一種基本粒子,它能進行兩種運動;一種是在圍繞原子核的軌道上運動,另一種是對通過其中心的軸所作的自旋。由于電子的運動產(chǎn)生力矩,在運動中產(chǎn)生電流和磁矩。在外加恒磁場H中,電子磁矩的作用如同細小的磁棒或磁針,由于電子的自旋量子數(shù)為1/2,故電子在外磁場中只有兩種取向:一與H平行,對應(yīng)于低能級,能量為-1/2gβH;一與H逆平行,對應(yīng)于高能級,能量為+1/2gβH,兩能級之間的能量差為gβH。若在垂直于H的方向,加上頻率為v的電磁波使恰能滿足hv=gβH這一條件時,低能級的電子即吸收電磁波能量而躍遷到高能級,此即所謂電子順磁共振。在上述產(chǎn)生電子順磁共振的基本條件中,h為普朗克常數(shù),g為波譜分裂因子(簡稱g因子或g值),β為電子磁矩的自然單位,稱玻爾磁子。以自由電子的g值=2.00232,β=9.2710×10-21爾格/高斯,h=6.62620×10-27爾格·秒,代入上式,可得電磁波頻率與共振磁場之間的關(guān)系式:(高斯)= 2.8025(兆赫) [1]
①在分子軌道中出現(xiàn)不配對電子(或稱單電子)的物質(zhì)。如自由基(含有一個單電子的分子)、雙基及多基(含有兩個及兩個以上單電子的分子)、三重態(tài)分子(在分子軌道中亦具有兩個單電子,但它們相距很近,彼此間有很強的磁的相互作用,與雙基不同)等。
②在原子軌道中出現(xiàn)單電子的物質(zhì),如堿金屬的原子、過渡金屬離子(包括鐵族、鈀族、鉑族離子,它們依次具有未充滿的3d,4d,5d殼層)、稀土金屬離子(具有未充滿的4f殼層)等。 [1]
絕大多數(shù)儀器工作于微波區(qū),通常采用固定微波頻率v,而改變磁場強度H來達到共振條件。但實際上v若太低,則所用波導(dǎo)答尺寸要加大,變得笨重,加工不便,成本貴;而v又不能太高,否則H必須相應(yīng)提高,這時電磁鐵中的導(dǎo)線匝數(shù)要加多,導(dǎo)線加粗,磁鐵要加大,亦使加工困難。