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什么是 EPR?

EPR(电子顺磁共振)是一种可检测含有未成对电子的物质的波谱学技术。该技术又称为 ESR(电子自旋共振)技术。含有未成对电子的材料多得惊人。这些材料内部存在自由基、多种过渡金属离子,或者缺陷。自由电子的寿命通常很短,但它们在许多过程中仍然发挥着至关重要的作用,比如光合作用、氧化作用、催化作用、聚合反应等等。因此,EPR 是一种跨越多个学科的技术,包括化学、物理学、生物学、材料科学、医学等。

EPR 可以提供哪些信息?

目前,只有 EPR 技术可以明确检测未成对电子。荧光检测等其它技术只能提供有关自由基的间接证据,只有 EPR 才能确切地证明自由基的存在。此外,EPR 还拥有检出并鉴定顺磁物质的独特能力。EPR 样品对局部环境非常敏感。因此,该技术可提供有关未成对电子附近的分子结构的信息。EPR 谱有时还会呈现剧烈的谱线形状变化,这有利于分析人员深入研究分子运动或流动性等动态过程。EPR 自旋捕获技术可检测短寿命的活泼自由基,是利用 EPR 技术检测和鉴定自由基的一个范例。该技术在生物医学领域一直以来都至关重要,被广泛用于研究自由基的病理学和毒理学作用。EPR 自旋标记是生物化学家常用的一项技术,它使用顺磁分子(即自旋标记)来“标记”特定区域的大分子。根据自旋标记物的 EPR 谱,生物化学家可确定自旋标记处于怎样的环境下(疏水性、酸碱度、流动性等)。

ESEEM 和 ENDOR 是两种 EPR 方法,可测定电子与附近核之间的相互作用。它们都是用于探查金属蛋白中“活性位点”结构的强大技术。定量 EPR 的另一项非常重要的应用是辐射剂量测定法。其用途包括医疗用品和食品的灭菌剂量测定、辐照食品的分析检测,以及早期人类器物的年代测定等等。

EPR 的工作原理是什么?

EPR 是一种磁共振技术,与 NMR(核磁共振)非常相似。但是,该技术不测量样品中的核跃迁,而是检测未成对电子在外加磁场中的跃迁。电子和质子一样会有“自旋”,所以拥有“磁矩”这种磁属性。磁矩会使电子形成类似小磁条的排布,就像您贴在冰箱上冰箱贴那样。当我们施加外部磁场时,顺磁性电子会按照与磁场平行或反平行的方向排布。这会使未成对电子产生两种能量不同的能级,而当电子被分为两个能级时,我们便可以对其进行测量。

起初,处于低能量能级的(即与磁场平行的)电子更多,而高能量能级的(反平行)电子较少。我们使用固定频率的微波辐射来激发部分低能量能级的电子,使其跃迁到高能量能级。为了使跃迁发生,我们还必须让外部磁场保持特定的强度,使得低能级和高能级之间的能级间隔完全匹配我们的微波频率。为了创造上述条件,需要在样品暴露于固定频率微波辐射的同时,扫描外部磁场。如果磁场和微波频率“完全匹配”,则可产生 EPR 共振(或吸收),此条件称为共振条件,上图中的方程式对此进行了说明。下方是典型 EPR 波谱仪的图解。

 

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