EPR和NMR有什么不同

Electron Paramagnetic Resonance, Electron Spin Resonance

电子顺磁共振

在垂直于B0的方向上施加频率为h%26#61550的电磁波，当满足h%26#61550=g %26#61538B0 时，处于两能级间的电子发生受激跃迁，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理可得到EPR吸谱线。 （g 因子， g e =2.0023； %26#61538波尔磁子）

EPR/ESR

EPR is the resonant absorption of microwave radiation by paramagnetic systems in the presence of an applied magnetic field

电子顺磁共振的研究对象

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（DPPH），三苯甲基，都有一个未成对电子

双基（Biradical）或多基（Polyradical）：在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对电子相距较远，相互作和较弱。

三重态分子（triplet molecule）：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

过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)，V3+(3d7)等。

固体中的晶格缺陷，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其四周，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。

具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子。

EPR和NMR都属磁共振谱，主要的区别

EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。

EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。

EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级。

EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。

EPR应用

有机自由基的研究：不但能证实自由基的存在，而且能得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要信息。

催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。

生物、医学研究：证实了细胞的代谢过程、酶反应的机理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧自由基的作用。

物理方面：利用EPR对半导体掺杂的研究，可指导采用不同的掺杂技术获取不同性质的半导体。

谱的解释

强度： 理论上在吸收曲线下的积分面积和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。

g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

电子自旋能级分裂。

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，它包括电子与四周电子间的偶极相互作用和电子与核之间的偶极相互作用。

超精细分裂： 假如核具有自旋和磁矩，它和不成对电子的轨道的相互作用将引起电子能级发生稍微分裂。

超精细结构 (Hyperfine Coupling)

未成对电子之间偶合

未成对电子与磁核之间偶合

偶极-偶极偶合----各向异性

费米接触----各向同性：s轨道

ESR用于有机自由基的研究： 在紫外光的照射下，含有少量H2O2的甲醇溶液发生光分解反应的ESR谱如下：

上图表明，在该光分解反应中，有·CH2OH自由基产生，CH2的两个等价质子使未配对电子裂分为三条谱线（相对强度为1:2:1, 裂距为17.4 Gs）；OH中的一个质子又使每一条谱线裂分为两条谱线（相对强度为1:1, 裂距为1.15 Gs）。ESR谱证实了·CH2OH自由基的存在，该自由基产生的机理：

H2O2 %26#616142·OH，

CH3OH + ·OH %26#61614·CH2OH + H2O

自旋捕捉剂和自旋标记

亚硝基化合物

自旋捕捉剂和自旋标记

氮氧化合物

稳定自由基谱

应用举例1：初级自由基研究

有机过氧化氢与N,N-二甲胺

...............

=Electron Paramagnetic Resonance 电子顺磁共振

电子顺磁共振（EPR）是一种检测样品中不成对电子的波谱学方法。在测量样品时，不会破坏研究对象的结构，也不会影响正在进行的化学、物理过程，从而得到有意义的物质结构和动态信息。它在化学、物理、材料、环境、生命科学和医学等领域的应用十分广泛。除了用于基础理论研究外，近来在啤酒、食品油、烟草以及化妆品等行业的质量控制和检测方面也得到了很好的应用。

布鲁克EPR发展历史：

1944 前苏联喀山大学Ye.K.Zavoisky教授首次发现EPR现象

1960 物理学家G.Laukien et al教授创建了德国布鲁克公司

1966 首次把布鲁克EPR波谱仪推入市场，并于1967年建立起EPR波谱仪生产线

1975 开发出供科学研究使用的ER420波谱仪，同年推出CW-ENDOR（1976年，在原中科院院长卢嘉锡教授的领导下，中科院福建物构所订购并安装了我国首台顺共振波谱仪ER420。该系统不仅在科学研究上硕果累累，而且为我国培养出许多顺磁方面人才。仪器至今仍在使用之中。）

1976 推出ER10系列的EPR小型波谱仪

1978 第一台，台式ER200ff波谱仪问世

1979 推出模块式结构的ER100系列波谱仪

1980 推出模块式计算机控制的ER200系列波谱仪，同年还推出高温谐振腔（八十年代初，全国重点院校，如：北大、清华、复旦、南大、中科大等引进十多台该系列EPR波谱仪）

1986 推出微处理控制的ESP300波谱仪（1987年，中科院等研究单位安装3台ESP300波谱仪。）

1987 世界上第一台ESP380傅立叶变换波谱仪进入市场

1988 推出功能齐全ESP300E和结构紧凑的ECS106波谱仪（中科院等单位安装有这两个系列仪器）

1992 推出台式EMS104丙氨酸/剂量测定的波谱仪

1994 推出PC机控制、数字化、使用方便的EMX系列（国内安装多台）

1995 推出DICE ENDOR系列ESP3601996 新一代ELEXSYS系列，先进的E500CW和E580CW/FT，94GHz的E600CW和E680FT的问世，ELEXSYS进入了网络化

回顾历史，多项的"第一"，显示出布鲁克EPR部门在开发和研制新仪器方面，速度之快，令人吃惊。它也反映出布鲁克公司员工高超的技术，科学素质和敬业精神。这些优秀品质的结合，使布鲁克公司始终处于分析仪器领域的领先地位。

布鲁克顺磁共振波谱仪产品三大系列 ：

1. ELEXSYS 系列

ELEXSYS是最新最完善的EPR波谱仪系列。它有连续波和脉冲傅立叶变换两种工作方式，工作频率 从1GHz到94GHz，代表了EPR仪器的最新发展。 至今为止，EPR波谱仪都是计算机辅助波谱仪。只有ELEXSYS系列提供的是软件辅助波谱仪。这种 新概念要求有一个卓越的软件战略思想和最新的硬件实施技术。ELEXSYS已具有能适应未来发展完善的网络功能。它的UNIX工作站具有前端处理器，采集服务器 和超高速的TRANSPUTER网络功能，执行各种应用程序。单用户和位于不同地方的多用户，可使用 这个系统。客户/服务器的结构，一方面解决了多用户/多任务之间的矛盾，另一方面又解决了实 时工作的矛盾。

表一：ELEXSYS波谱仪系列

E500

E540

E560

E580

E600

E660

E680 连续波CW波谱仪

L波段，成像波谱仪

电子核双共振（ENDOR）/ 三共振（TRIPLE）系统

傅立叶变换FT/连续波CW波谱仪

连续波CW， W波段（94 GHz）波谱仪

W 波段，DICE* 双共振（ENDOR）系统

傅立叶变换/连续波CW波谱仪

〈* DICE数字化计算机控制激励〉

2． EMX系列

EMX波谱仪是用PC机控制的。整洁、直观的窗口式综合软件大大提高了工作效率。从设置参数到 获得测试的结果，只需单击鼠标和键盘中少数几个键，即可完成。这是个理想的常规测试仪器。

3． E-SCAN系列

E-SCAN是最近推出的台式EPR分析仪。它是一台用EPR方法，全自动常规辐射剂量计。即使没有 EPR知识的用户，1小时内也可在仪器上测得400个以上的辐射剂量。精度优于 ±2% 。

在E-SCAN安装上啤酒自动进样器等附件和特制的软件后，可批量测试啤酒中的"滞后时间"。它 是啤酒厂质量控制的有力帮手。

EPR（ESR）的构成：电子顺磁共振波谱仪主要由微波发生与传导系统、谐振腔系统、电磁铁系统以及调制和检测系统四个部分组成。它是利用ESR原理工作的。

EPR（ESR）测试原理：其基本原理为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:一是在围绕原子核的轨道上运动,二是通过本身中心轴所做的自旋.由于电子运动产生力矩,在运动中产生电流和磁矩,在外加磁场中,简并的电子自旋能级将产生分裂.若在垂直外磁场方向加上合适频率的电磁波,能使处于低自旋能级的电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级,从而产生电子的顺磁共振吸收现象。