电子顺磁共振ESR测试

电子顺磁共振（EPR）是一种源于非配对电子磁矩的磁共振技术。它可以定性、定量地探测物质原子或分子中所含的未配对电子，探索其周围环境的结构特征。对于自由基，轨道磁矩的影响很小，总磁矩的99%以上来自电子自旋。因此，电子顺磁共振也被称为“电子自旋共振”（ESR测试）。

基本原理

电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动；一种是在围绕原子核的轨道上运动，另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中，电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针，由于电子的自旋量子数为1/2，故电子在外磁场中只有两种取向：一与H平行，对应于低能级，能量为-1/2gβH；一与H逆平行，对应于高能级，能量为+1/2gβH，两能级之间的能量差为gβH。若在垂直于H的方向，加上频率为v的电磁波使恰能满足hv=gβH这一条件时，低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振。在上述产生电子顺磁共振的基本条件中，h为普朗克常数，g为波谱分裂因子（简称g因子或g值），β为电子磁矩的自然单位，称玻尔磁子。以自由电子的g值=2.00232，β=9.2710×10-21尔格/高斯，h=6.62620×10-27尔格·秒，代入上式，可得电磁波频率与共振磁场之间的关系式：（高斯）= 2.8025（兆赫）。

检测对象

应用研究进展

电子顺磁共振波谱仪是一项检测具有未成对电子样品的波谱方法。即使是在正在进行的化学和物理反应中，它也能获得有意义的物质结构信息和动态信息，且不影响这些反应。在广泛的应用领域中，电子顺磁共振波谱仪弥补其它分析手段的理想技术，应用领域包括生物与医学、材料研究、化学领域、物理领域、工业领域应用等等。

台式电子顺磁共振波谱仪可快速准确分析；紧凑、符合人体工学的设计，占地面积小，不需要复杂耗时的样品制备过程；即插即用；功能强大的常规程序；PC控制、全自动操作、优化软件包；集成定制的批量实验协议功能为用户提供定制的场景，节约时间；服务友好的远程技术支持；可升级。

由于电子自旋相干、自旋捕捉、自旋标记、饱和转移等电子顺磁共振和顺磁成像等实验新技术和新方法的建立，电子顺磁共振EPR 技术很快在物理、化学、自由基生物学、医药学、环境科学、考古学和材料科学等领域中获得广泛的应用。实现了固体样品的电子自旋与核自旋退相干时间大幅度延长，以及从常规自由基到短寿命自由基的检测；从顺磁性物质( 自由基，顺磁性金属离子)到自旋标记的非顺磁性物质的检测；从体外自由基到细胞、组织和体内自由基的检测; 开展病理和药理过程的分子基础研究；建立抗氧化剂活性的 电子顺磁共振EPR 研究和筛选方法；进行自旋标记物、靶向自旋捕捉技术和自旋捕捉剂的研究与制造；在开展科学基础研究的同时，还注意有很强应用价值的考古年代和香烟自由基的 EPR 测定等等。

电子顺磁共振EPR 在量子操控和量子计算方面的应用

量子计算具备经典计算所无法比拟的优势和前景。用电子顺磁共振 EPR 进行量子操控和量子计算的方法是，将自旋电子材料作成芯片，通过对其施加微波脉冲，实现其原子外层单电子自旋态的操控并对电子自旋态进行编码，利用电子自旋态编码进行量子运算。

由于自旋的固态量子计算相干时间长，逻辑门操作速度快，单量子比特读出等优点，成为研究的热点。使用脉冲电子顺磁共振谱仪开展了相关研究，用最多 7 个微波脉冲把一种叫丙二酸的材料里的电子自旋的相干时间从不足二千万分之一秒提高到了近三万分之一秒，这个时间已经能够满足一些量子计算任务，在国际上首次利用最优动力学解耦技术提高固态体系中电子自旋的相干时间，将电子自旋退相干时间从0.04 μs提高到了30 μs。还首次将动力学解耦技术成功应用到保护两体纠缠，在掺杂磷原子的单晶硅样品中，将赝纠缠寿命从0.4 μs 提高到了30 μs。还自主研制 S 波段光探测磁共振谱仪，实现了对单电子自旋态的制备、操控以及读取，探索了该物理体系进行量子计算的潜力。

自由基中间产物的直接检测和分析

用电子顺磁共振 EPR 检测自由基是一种快速的、直接有效的方法，实验中将所得 电子顺磁共振EPR 波谱中相应吸收峰的 g 因子计算出来，通过与标准值比较，估算是哪种自由基，再通过化学手段消除自由基以验证上面的推断。目前有一些自由基在室温下比较稳定，可直接应用 电子顺磁共振EPR 波谱仪获取信号，譬如，检测富勒烯 C80与金属 Sc 反应形成的负离子自由基 Sc3 C2 包括 C80 的 EPR 信号。结合低温技术研究了光合作用反应电子传递链中的自由基中间产物。很有特色的研究是发展电子顺磁共振 EPR 专用原位电化学自由基反应池表征电极反应的自由基。对含碳无机化合物辐照形成中间自由基产物的测量是电子顺磁共振 EPR 考古年代方法的实质，它可以应用于大型水电站和建筑群选址的参考。

瞬态自由基的电子顺磁共振 EPR 检测方法及应用

自由基捕获技术与EPR结合具有灵敏度高、特异性强、分析结果可靠等优点。它广泛应用于短寿命、低稳态浓度的瞬态自由基的检测，在许多涉及细胞甚至动物体系以及化学反应机制的研究中都得以广泛应用。瞬态自由基的电子顺磁共振 EPR 检测的实验方法是: 首先设计并合成一种能够捕获自由基的探针分子，这种探针分子必须能够快速捕获反应过程中产生的瞬态自由基，然后用 EPR 对捕获反应加合物的分子结构进行解析，通过逐一鉴定电子顺磁共振 EPR 谱线上各峰对应组分结构，推断并鉴定。研究缺血停博 150 min后的兔心脏，在低温下的电子顺磁共振 EPR 谱图，分析心肌缺血、巨噬细胞呼吸爆发等病理过程产生的活性氧自由基，认为氧自由基可能来自于线粒体中呼吸链上泛醒的氧化还原反应；研究人员还在细胞和分子水平探索性地研究自由基的调控，论证了胰岛素诱导神经细胞释放一氧化氮信号的过程，活性氧自由基与基因表达的关系；开展针对光、电反应等一系列化学过程中产生的活性自由基中间体的系统研究和环境科学中金属配合物光化学耦合、光退变的自由基中间过程的研究。针对高等植物光合作用过程产生的活性氧自由基的分子机制与氧化应激损伤作用，为发展并完善该技术方法而设计并制备了一系列具有高自由基捕获效率，有一定生物靶向性功能的新型自由基捕获探针。自由基捕捉技术也用于香烟燃烧过程中产生的自由基的检测，以便于分析吸烟和疾病的关系。

除此之外，还有顺磁离子配合物的电子顺磁共振 EPR 谱研究和 EPR 的医、药学应用研究。

电子顺磁共振（EPR）技术在物理学中用于研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩和分子结构。EPR 技术用在化学和生物上，能够探测自由基用来考古、动物细胞体系以及化学反应机制的研究。电子顺磁共振EPR技术应用于医学，它可以通过自旋捕获来捕获短寿命的活性氧自由基。

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