电子顺磁共振谱

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 刘和文刘和文 Energy Ms B = 0Magnetic Field (B) DBppMs = + Ms = - h Plancks constant 6.626196 x 10-27 erg.sec n frequency (GHz or MHz) g g-factor (approximately

2、2.0) b Bohr magneton (9.2741 x 10-21 erg.Gauss-1) B magnetic field (Gauss or mT) DE=hn=gbB B 0 How does EPR work? Energy External magnetic field H1H2H0 DE DE = gb H hn microwave source 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hn n的电的电 磁波，当满足磁波，当满足hn n =g b b 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子

3、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； b b波尔磁子）波尔磁子） EPR/ESR nEPR is the resonant absorption of microwave radiation by paramagnetic systems in the presence of an applied magneti

4、c field hn = gbB n= (gb/h)B = 2.8024 x B MHz for 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 MHz v 自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基苦基 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

5、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 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 过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现

6、 未成对电子，如常见的过渡金属离子有未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)， V3+(3d7)等。等。 n 固体中的晶格缺陷，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷固体中的晶格缺陷，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷 中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、 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是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重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。新取向所需

7、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的灵敏度比 的灵敏度比NMR的灵敏度高，的灵敏度高，EPR检出所需自由基检出所需自由基 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仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取仪器结构上的差别，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。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 有机自由基的研究：不但能证明自由基的存在，而且能有机自由基的研究：不但能证

8、明自由基的存在，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。信息。 n 催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。 n 生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、酶反应的机生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、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、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。自由基的作用。 n 物理方面：利用物理方面：利

9、用EPR对半导体掺杂的研究，可指导采用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。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

10、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 u费米接触-各向同性：s轨道 MS= Electron S () Nucleus I () Selection Rule DMS = 1 (electron) DMI = 0 (nuclear) B “doublet” a Hyperfine Coupling E = gbBSz + (hA0)SzIz E = gbBSz + (a)SzI

11、z (hA0 (Hz) - a (G) via g-factor) + - - + MI DE1 = gbB + a/2 DE2 = gbB - a/2 DE1 DE2 = a DE1 DE2 - + Ms MS= Electron S () Nucleus I (1) Selection Rule DMS = 1 (electron) DMI = 0 (nuclear) B “triplet” a Hyperfine Coupling E = gbBSz + (hA0)SzIz E = gbBSz + (a)SzIz (hA0 (Hz) - a (G) via g-factor) - + M

12、s DE1DE2DE3 +1 -1 -1 +1 MI +0 +0 DE1 = gbB + a DE2 = gbB DE3 = gbB - a ESR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的甲醇溶液发的甲醇溶液发 生光分解反应的生光分解反应的ESR谱如下：谱如下： 上图表明，在该光分解反应中，有上图表明，在该光分解反应中，有CH2OH自由自由 基产生，基产生，CH2的两个等价质子使未配对电子裂分为的两个等价质子使未配对电子裂分为 三条谱线（相对强度为三条谱线（相对强度为1:2:1, 裂距为裂距为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（相对强度为1:1, 裂距为裂距为1.15 Gs）。）。ESR谱证明谱证明 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