电子自旋共振_精品文档.ppt

1、电子顺磁共振谱电子顺磁共振谱(EPR,EPR,ESR)ESR)Electron Paramagnetic Resonance,Electron Paramagnetic Resonance,Electron Spin ResonanceElectron Spin Resonance更多NMR，MRI，ESP资料，http:/EnergyMsB=0Magnetic Field(B)DBpp磁诱导电子自旋能级裂分磁诱导电子自旋能级裂分Ms=+Ms=-h Plancks constant 6.626196 x 10-27 erg.secn frequency(GHz or MHz)g g-facto

2、r(approximately 2.0)b Bohr magneton(9.2741 x 10-21 erg.Gauss-1)B magnetic field(Gauss or mT)DE=hn=gbBB 0How does EPR work?EnergyExternal magnetic fieldH1H2H0DEDE=gb Hhnmicrowavesourceg g H H0 0=h=h 电子顺磁共振电子顺磁共振n 在垂直于在垂直于B0的方向上施加频率为的方向上施加频率为h 的电的电磁波，当满足磁波，当满足h =g B0 时，处于两能级时，处于两能级间的电子发生受激跃迁，导致部分处于间的电

3、子发生受激跃迁，导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中，这就是顺磁共振现象。受到高能级中，这就是顺磁共振现象。受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到理可得到EPR吸谱线。吸谱线。（g 因子，因子，g e=2.0023；波尔磁子）波尔磁子）EPR/ESRnEPR is the resonant absorption of microwave radiation by paramagnetic systems in the presence of an applied magnetic fieldhn=gb

4、Bn=(gb/h)B=2.8024 x B MHzfor B=3480 G n=9.75 GHz(X-band)for B=420 G n=1.2 GHz(L-band)for B=110 G n=300 MHzv自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基肼基（肼基（DPPH），三苯甲基，都有一个未成对电子），三苯甲基，都有一个未成对电子v双基（双基（Biradical）或多基（）或多基（Polyradical）：在一个分子）：在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未

5、成对电子相距较远，相互作和较弱。成对电子相距较远，相互作和较弱。v三重态分子（三重态分子（triplet molecule）：这种化合物的分子轨）：这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。电子顺磁共振的研究对象电子顺磁共振的研究对象n 过过渡渡金金属属离离子子和和稀稀土土离离子子：这这类类分分子子在在原原子子轨轨道道中中出出现现未未成成对对电电子子，如如常常见见的的过过渡渡金金属属离离子子有有Ti3+(3d1)，V3+(3d7

6、)等。等。n 固固体体中中的的晶晶格格缺缺陷陷，一一个个或或多多个个电电子子或或空空穴穴陷陷落落在在缺缺陷陷中中或或其其附附近近，形形成成了了一一个个具具有有单单电电子子的的物物质质，如如面面心心、体心等。体心等。n 具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子。具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子。电子顺磁共振的研究对象电子顺磁共振的研究对象n EPR和和NMR是是分分别别研研究究电电子子磁磁矩矩和和核核磁磁矩矩在在外外磁磁场场中中重重新取向所需的能量。新取向所需的能量。n EPR的共振频率在微波波段，的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。共振频率在射频波段。n EPR的的灵灵敏敏

7、度度比比NMR的的灵灵敏敏度度高高，EPR检检出出所所需需自自由由基基的绝对浓度约在的绝对浓度约在10-8M的数量级。的数量级。n EPR和和NMR仪仪器器结结构构上上的的差差别别，前前者者是是恒恒定定频频率率，采采取取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。EPR和和NMR都属磁共都属磁共振谱，主要的区别振谱，主要的区别n 有有机机自自由由基基的的研研究究：不不但但能能证证明明自自由由基基的的存存在在，而而且且能能得得到到分分子子结结构构，化化学学反反应应机机理理和和反反应应动动力力学学方方面面的的重重要要信息。信息。n 催化剂的研究：能获得催化剂表面

8、的性质及反应机理。催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。n 生生物物、医医学学研研究究：证证明明了了细细胞胞的的代代谢谢过过程程、酶酶反反应应的的机机理理都都离离不不开开自自由由基基。除除此此之之外外，许许多多病病理理的的过过程程如如衰衰老老、癌癌变变过过程程也也都都离离不不开开自自由由基基。其其中中很很重重要要的的原原因因就就是是氧氧自由基的作用。自由基的作用。n物物理理方方面面：利利用用EPR对对半半导导体体掺掺杂杂的的研研究究，可可指指导导采采用用不同的掺杂技术获取不同性质的半导体。不同的掺杂技术获取不同性质的半导体。EPR应用应用谱的解释n强度：理论上在吸收曲线下的积分面积和

9、样品中的不成对电子数成正比，强度近似于吸收曲线的峰值高度，或者近似于在特定条件下测到的一次导数曲线的峰峰幅度。ng值：自由基g值偏离很少超过0.5%,非有机自由基，g值可以在很大范围内变化。谱的解释n电子自旋能级分裂。n线宽度：吸收线的宽度是电子和它的环境的相互作用的一个量度。自旋自旋弛豫是引起吸收线展宽的次级过程，它包括电子与周围电子间的偶极相互作用和电子与核之间的偶极相互作用。n超精细分裂：如果核具有自旋和磁矩，它和不成对电子的轨道的相互作用将引起电子能级发生轻微分裂。超精细结构(Hyperfine Coupling)n未成对电子之间偶合n未成对电子与磁核之间偶合u偶极-偶极偶合-各向异性

10、u费米接触-各向同性：s轨道MS=ElectronS()NucleusI()Selection RuleDMS=1(electron)DMI=0(nuclear)B“doublet”aHyperfine CouplingE=gbBSz+(hA0)SzIzE=gbBSz+(a)SzIz(hA0(Hz)-a(G)via g-factor)+-+MIDE1=gbB+a/2DE2=gbB-a/2DE1 DE2=aDE1DE2-+MsMS=ElectronS()NucleusI(1)Selection RuleDMS=1(electron)DMI=0(nuclear)B“triplet”aHyperfi

11、ne CouplingE=gbBSz+(hA0)SzIzE=gbBSz+(a)SzIz(hA0(Hz)-a(G)via g-factor)-+MsDE1DE2DE3+1-1-1+1MI+0+0DE1=gbB+aDE2=gbBDE3=gbB-aESR用于有机自由基的研究：用于有机自由基的研究：在紫外光的照射下，含有少量在紫外光的照射下，含有少量H2O2的甲醇溶液发生的甲醇溶液发生光分解反应的光分解反应的ESR谱如下：谱如下：上上图图表表明明，在在该该光光分分解解反反应应中中，有有CH2OH自自由由基基产产生生，CH2的的两两个个等等价价质质子子使使未未配配对对电电子子裂裂分分为为三三条条谱谱线线

12、（相相对对强强度度为为1:2:1,裂裂距距为为17.4 Gs）；OH中中的的一一个个质质子子又又使使每每一一条条谱谱线线裂裂分分为为两两条条谱谱线线（相相对对强强度度为为1:1,裂裂距距为为1.15 Gs）。ESR谱谱证证明明了了CH2OH自由基的存在，该自由基产生的机理：自由基的存在，该自由基产生的机理：H2O2 2OH，CH3OH+OH CH2OH+H2O自旋捕捉剂和自旋标记n亚硝基化合物自旋捕捉剂和自旋标记n氮氧化合物稳定自由基谱应用举例1：初级自由基研究n有机过氧化氢与N,N-二甲胺应用举例2：初级自由基研究n过硫酸铵(NH4)2S2O8和脂肪环叔胺N-甲基吗啡啉/脂肪环仲胺吗啡啉过硫酸铵(NH4)2S2O8和脂肪环叔胺N-甲基吗啡啉/脂肪环仲胺吗啡啉应用举例3：聚合物链结构6条谱线9条谱线