电子顺磁共振波谱仪

1　引　　言

电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance,简称EPR),亦称电子自旋共振( Electron Spin Resonance,简称ESR)是直接检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质的现代分析方法。

自从物理学家柴伏依斯基(Zavoisky)于1945年首次提出了检测EPR信号的实验方法,发表了MnCl2、Mn-SO4、CuCl2、CuSO4·5H2O等顺磁性盐类的研究结果以来,电子顺磁共振已有五十多年的历史。在半个多世纪中,EPR的理论、实验技术和仪器结构性能等诸方面都有了很大的发展。尤其是从七十年代以来,随着电子计算机和固体器件等电子技术的发展及其推广使用,使EPR实验技术有了许多重大的突破。利用电子计算机处理EPR数据,不仅可以成数量级地提高EPR波谱仪的灵敏度和分辨率,而且还解决了谱线随时间而变化的三维图像问题。随着科学技术的发展,EPR这一现代分析方法已在物理学、化学、生命科学、环境科学、医学、材料学、地矿学和年代学等许多领域内获得越来越广泛的应用。

2　基本原理

物质组成的基本单位是分子,分子是由原子构成,原子是由原子核和电子组成。在多数情况下,电子在分子(或原子)轨道中是配对的,由于它们处于同一轨道中,且自旋方向相反,所以,这类化合物是逆磁性物质。但是,有许多化合物的分子轨道或原子轨道中存在着未配对的电子。这类含未成对电子的物质就是EPR研究的对象。含有未成对电子的物质,在没有外磁场作用时,这些未成对电子的取向是随机的,它们处于相同的能量状态;当它们受到外磁场作用时,发生能级分裂,称为齐曼(Zee-man)分裂,能级分裂的大小与磁场强度成正比。此时,如果在垂直于磁场B的方向上施加频率为ν的电磁波,当磁场强度和电磁波频率满足下式:

则样品中处于上下两能级的电子发生受激跃迁,其净结果是有一部分低能级中的电子吸收电磁波能量跃迁到高能级中。这就是电子顺磁共振现象。式(1)称为EPR共振条件式,式中h是普朗克常数,g称为g因子,β是波尔磁子。由受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到EPR吸收谱线,EPR谱呈现了谱线及其强度随磁场变化的关系。通常,现代EPR波谱仪记录的是吸收信号的一次微分线形,即一次微分谱线。

3　仪器及技术指标

电子顺磁共振波谱仪主要有微波系统、磁铁系统、信号处理系统以及显示和记录等部件组成。仪器的主要结构框图如图1所示。

①微波系统

根据共振条件式hν=gβB可知,任意一个频率的电磁波ν,都有一个对应的共振磁场B。但实际上,只有采用较高频率的电磁波,才能获得较高的灵敏度。通常,商品波谱仪采用的电磁波频率都在微波范围内。所谓微波是指波长为1mm~1m的电磁波。通常,由于技术上原因,即在技术上较容易做到均匀地、连续地、细微地改变磁场。因此,EPR是采用扫场法来实现电子顺磁共振的,即固定微波频率,改变磁场强度的方式来满足共振条件。微波系统主要是由微波桥和谐振腔等构成。微波桥是产生、控制和检测微波辐射的器件组成。通常用速调管或耿氏(Gunn)二极管震荡器作为产生微波的微波源。微波桥内有波导、隔离器、衰减器、环型器、晶体检波器、参考臂等微波器件,以及自动频率控制(AFC)单元。微波桥的一臂与谐振腔连接。谐振腔是电子顺磁共振谱仪的核心部件。样品置于谐振腔的中心,谐振腔能使微波能量集中于腔内的样品处,使样品在外磁场作用下产生共振吸收。品质因数Q值是谐振腔的一个重要参数,它反映了谐振腔集聚微波功率的本领。谐振腔通常有矩形腔和圆形腔两种类型。一般,典型的矩形腔的Q值为10000左右,圆柱形腔的Q值可达20000。谐振腔的Q值越高,谱仪的灵敏度也越高。

②磁铁系统

目前,在EPR商品仪中,较多的是用电磁铁作为磁场源。但当需要较高的磁场时,如在25KG以上,通常采用超导磁体作磁场源。EPR波谱仪中最常用的是X波段,但现代波谱仪也有配备多种波段的微波系统,可供切换使用。

③信号处理系统

信号处理系统主要由调制、放大、相敏检波等电子学单元组成。其功能主要是把弱的直流EPR吸收信号调制成高频交流信号,经高频放大,相敏检波后得到原吸收线型的一次微分信号,即EPR谱。现代波谱仪都配有微型计算机的数据系统,能把EPR信号进行储存、显示、打印或绘图,以及波谱分析等数据处理。

根据教育部制定的教育行业法定技术标准《现代分析仪器分析方法通则及计量检定规程》规定EPR仪器的主要性能和环境条件应符合JJG(教委)005-1996电子顺磁共振谱仪的检定规程要求,仪器的技术指标见表1;EPR分析方法可参阅JY /T 005-1996电子顺磁共振谱方法通则。

4　研究对象和方法

EPR主要用于研究以下几类含有未成对电子的物质:①自由基:自由基是指在分子中含有一个未成对电子的物质,如二苯基苦基肼基(DPPH)和三苯甲基自由基。②双基或多基: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,相互作用较弱。③三重态分子:这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子,但与双基不同的是,两个未成对电子相距很近,彼此之间有很强的相互作用,如氧分子。④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Ti3+,V3+,Mn2+,Fe2+和Cu2+等。⑤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,形成一个有单电子的物质。⑥具有奇数电子的原子和含有单电子的分子等。

电子顺磁共振是直接研究和检测顺磁性物质的最灵敏和有效的方法。由于顺磁性物质含有未成对电子,所以大多数都呈现相当活泼的化学性质。但因其结构的不同,其活泼性也很不一样。有的能稳定数天、或数月,有的甚至能稳定数年。对于性质稳定的顺磁性物质,不管其是固体、液体,还是气体,都可以直接进行检测。电子顺磁共振分析方法的特点是制样简单,通常不用对样品进行特别处理,直接取样即可;它的检测方便、快捷;其灵敏度很高,如在测量稳定的顺磁性标准样品DPPH时,检测下限达10-14mol。

但是,有些自由基的化学活性非常高、其寿命极短,如溶液中羟基自由基(OH的寿命大约是微秒级的。对于这类物质,要用专门研究短寿命自由基的自旋捕获(spintrapping)技术等特殊方法,将其转变为较稳定的顺磁性物质,再用EPR检测。该技术已广泛用于各种领域的反应过程中低浓度、短寿命自由基的检测和结构研究。另外,对有些原来不能直接用EPR测量的非顺磁性物质,如高分子化合物、生物细胞膜等,通过用自旋标记(spin label)法和自旋探针(spin probe)法把一种稳定的顺磁性基团以共价结合或非价键结合的方式引入逆磁性的被研究体系,利用顺磁性物质的EPR信号及其变化来研究逆磁性物质的物理和化学性质。自旋标记和自旋探针的方法为EPR波谱技术应用开拓了新的天地,扩展了EPR的研究范围。

EPR技术可以鉴定样品中是否有顺磁性物质的存在,并根据对EPR实验谱图的线宽、线型、g因子、超精细偶合和自旋浓度等波谱参数的分析,可获得样品中未成对电子以及分子结构信息。例如,根据样品的线宽和微波功率的饱和特性的检测,可以了解样品的驰豫性质;由测得的g因子,能了解顺磁分子内部结构的局部磁场特性,可以判断其自旋角动量和轨道角动量对电子磁矩的贡献大小;通过EPR谱线强度的测量,可求得顺磁物质的自旋浓度;经过对EPR谱的超精细结构分析,由谱线的数目及相对强度,可以判断未成对电子周围磁性核的类型、数量,以及相互作用的强弱;由超精细偶合常数的大小,可获悉未成对电子在磁性核处的电子云分布情况等。同时,EPR技术在考察化学反应机理和反应动力学等方面也有极重要的价值。

5　发展趋势

自从电子顺磁共振现象被发现以来,EPR理论在不断发展,仪器技术日益完善,实验方法时有创新。特别是在电子技术和计算机技术突飞猛进的今天,EPR波谱仪的结构和性能都得到了很大的发展。最新的EPR谱仪往往是具有高灵敏度、高分辨率和性能稳定的多功能波谱仪。虽然仪器结构复杂性在增加,功能在不断增多,但是,其操作却更简单、更方便,甚至能在计算机控制下进行自动操作。

为适应实际发展的需要,目前EPR仪器发展的趋势是朝着低频或高频方向发展。在研究含水丰富的生物样品时,如果采用X波段的仪器,由于样品具有高介电常数,则微波损耗大,影响谐振腔的Q值,使仪器灵敏度下降,甚至无法检测。如果用低微波频率如S波段和L波段的仪器,就有利于生物样品的测量。为了获得更高的灵敏度和分辨率,EPR仪器采用高频高场条件,并结合脉冲技术,使波谱仪的性能有了很大提高。近年来,由于新技术的采用,在高频EPR、双共振技术、时间分辨EPR、脉冲傅里叶变换EPR和EPR成像等方面取得了令人瞩目的新进展。