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自由基检测仪——布鲁克电子顺磁共振波谱仪EPR

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自由基检测仪——布鲁克电子顺磁共振波谱仪EPR

EPR专业知识

揭示自由基

电子顺磁共振(EPR)波谱,也称为电子自旋共振(ESR),通过探测含有不成对电子的原子和分子(即顺磁性),提供对其它不可见现象的洞察。它区别于其它波谱技术,即只有EPR明确检测这些物种,从而消除误报。

EPR是一种高度敏感和特别的技术,能够对材料、化学试样和生物系统进行静态和动态研究。

人们使用EPR波谱从事检测、识别并量化自由基;研究分子的结构、几何学和动力学特性;观察生物系统中的原位标记物种;了解氧化还原过程、反应动力学特性等。

EPR可以利用顺磁电子检测任何物种,包括有机和无机自由基、过渡金属配合物、金属蛋白和双自由基等。

由于单电子转移反应,自由基在自然界中频繁出现。过渡金属离子通常是顺磁性的。 

日常生活中经常遇到的顺磁物质EPR波谱


自由基检测仪——布鲁克电子顺磁共振波谱仪EPR


EPR的优势

EPR波谱可直接测量与不成对电子耦合的原子核的数目和类型,是对NMR的一个极好补充,它能为所有分析实验室带来独特的能力:

灵敏度:比NMR灵敏度高1000倍

特异性:只检测包含不成对电子的分子区域

快速的时间分辨率:监测寿命甚短的物种

无损检测:留下完整的试样可供进一步分析之用

定量分析

在20世纪50年代首次实现商业化,EPR已变得更易获得,这要部分归功于现代雷达技术的发展。台式EPR系统现在能提供大大增强的易用性和大大降低的拥有成本,并能在一个最小化的占用空间内提供高级功能。


Bruker MICRO ESR 台式波谱仪

关于EPR

EPR波谱类似于NMR波谱,具有中心差分。EPR通过探测不成对电子的磁性质来生成检测结果,而不是像NMR那样是探测原子核。(参见NMR 101。)


作为运动中的带电粒子,每一个电子都有磁矩。放置在磁场中时,试样中的不成对电子依据磁场校准其磁矩。将试样暴露于一定频率的微波照射下时,外部磁场已受线性扫描。磁场和微波频率恰好产生EPR共振(或吸收)的状态称为共振状态,其中电子磁矩的方向依据磁场而改变。


特定顺磁性物种会吸收特征共振频率的能量,这些频率随磁场强度而变化。电磁体使其具备可以较容易地横扫一整列的优势,所以大多数EPR实验在测量与磁场强度呈函数关系的能量吸收时,会保持频率不变。所得的吸收波谱可揭示出试样中自由电子的存在及其环境的细节。

一个测量频率上升的氮氧自由基的EPR波谱变化。(图片来自Mikhail Ryazanov [公共资源],经由维基共享资源。)


关于这一过程的简要概述


试样的导入

完成最小量的制备后,将试样置于探头内,通常也称为腔体或谐振腔,依次安放在电磁体内。EPR通常在低温下进行,使用液氦或液氮作为冷却剂,捕捉稍纵即逝的反应。


数据的采集

谐振腔是一种物理结构,它在微波的波长上产生共振(储存并集中微波能量),就像风琴管与声波共振一样。在适当的微波频率和磁场的作用下,试样吸收微波时,微波从腔体反射回来,我们的EPR信号就会被检测到。

数据的解读

与许多波谱技术不同,微波吸收表现为一阶导数波谱。这是因为EPR使用场调制和锁定检测技术,以获取最佳的检测灵敏度并提供优异的信号分辨率。

理想的吸收度数据(上),通过一阶导数(下)转换成EPR波谱。(来自Mikhail Ryazanov [公共资源],经由维基共享资源。)


如果试样中的自由电子只有两种可能的状态,例如“受激”(吸收光子后)和“弛豫”,那么EPR波谱就会显示出一个单一的零交叉点,就像上面的理想化例子一样。事实上,多重电磁影响可以产生各种可能的能量状态,对应EPR波谱上的相应谱线。其模式揭示出目前物种的详细情况。在最重要的EPR参数中,“g因子”反映了电子轨道与自旋角动量之间的相互作用。电子与磁核的相互作用,被称为超精细相互作用,可提供有价值的分子类型和结构信息。


自由基检测仪——布鲁克电子顺磁共振波谱仪EPR

EPR的应用


EPR对顺磁物种的独特检测结果使其在各个领域和行业的研究、开发和质量控制方面都极具价值。例如:

生物学和医学

研究金属蛋白的代谢功能

监测活性氧(自由基)的形成和反应性

利用自旋标记研究膜蛋白和蛋白质-脂质相互作用的动力学特性

材料与物理科学

查明金属氧化物中的晶体缺陷

开发并测试半导体

化工和石化工业

研究反应动力学、催化和光化学等。

对原油中含沥青质的自由基进行实时监测

食品与饮料质量

追踪产品质保期

评估氧化、温度和光稳定性

鉴别辐照食品中的自由基

 典型案例:南京大学、江苏大学

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