电子自旋共振（ESR） - 原理，仪器，应用

• 电子旋转共振（ESR）也称为电子磁共振（EMR）或电子顺磁共振（EPR）是吸收光谱的分支，其中在微波区（0.04-25cm）中具有频率的辐射被诱导的顺磁性物质吸收用未配对旋转的电子磁能水平的转变。
• ESR基于具有奇数电子的原子，离子，分子或分子片段表现出特征磁性。电子具有旋转，并且由于旋转而存在磁矩。
• 自1944年被e.k.的发现以来Zavoisky，EPR光谱已被利用为一种非常敏感和信息性的技术，用于调查固体或液态的不同种类的顺磁性。

电子自旋共振原理（ESR）

电子自旋共振（ESR）的现象基于电子是带电粒子的事实。它围绕其轴旋转，这导致它像微小的棒磁铁一样。当用未配对电子的分子或化合物置于强磁场中时，未配对的电子的旋转可以以两种不同的方式对齐，产生两个旋转状态Ms =±1/2。

对准可以沿着磁场沿着方向（镶嵌），其对应于较低能量状态Ms = - ½相反（反平行）到施加的磁场Ms的方向= +½

两个对准具有不同的能量，并且能量的这种差异提升了电子旋转状态的退化。能量差异由：

ΔE= e + - e- = HV =GMßB

在哪里，

H = Planck的常数（6.626 x 10-34 J S-1）

v =辐射的频率

ß= Bohr Margeon（9.274 x 10-24J T-1）B =特斯拉磁场的强度

G =作为单位测量电子的固有磁矩的单位的G型，其对游离电子的值为2.0023。

未配对的电子可以通过吸收或发射能量的光子{\ displaystyle h \ nu} hv，使得谐振条件Hv =δe，遵循两个能量水平。这导致EPR光谱的基本方程。

电子自旋共振（ESR）的工作

• 虽然这个方程允许大量的频率和磁场值的组合，但是绝大多数的EPR测量是在9000-10000 MHz (9-10 GHz)范围内进行的。
• 可以通过将光子频率保持在改变在样本上的磁场的同时保持光子频率来产生EPR光谱。
• 一组顺磁中心，如自由基，暴露在固定频率的微波中。
• 通过增加外部磁场，在与微波的能量匹配之前，加宽和能量状态之间的间隙。
• 此时，未配对的电子可以在其两个旋转状态之间移动。由于通常在较低状态下的电子，因此由于Maxwell-Boltzmann分布，因此能量净吸收。
• 正是这种吸收被监测并转化为光谱。

电子自旋共振仪器（ESR）

Klystrons.

• Klystron管充当辐射源。
• 通过浸入油浴或强制空气冷却来稳定温度波动。
• 单色辐射的频率由施加到klystron的电压确定。
• 它通过自动控制电路保持固定频率，提供约300毫瓦的功率输出。

波导或波形

• 波形仪表放入振荡器和衰减器之间。
• 了解Klystron振荡器产生的微波的频率。
• 波计的校准通常用频率单位(兆赫)而不是波长。
• 波导是一个空心的矩形黄铜管。它用于将波辐射传送到样品和晶体。

衰减器

• 通过将一块电阻材料插入波导中，可以连续地减小向下传播波导的功率。这片被称为可变衰减器。
• 它用于改变样品从klystron的全部功率到由力100或更衰减的速度的功率。

隔离器

• 这是一种将速调管振荡器产生的微波频率振动降到最低的装置。
• 隔离器用于防止微波功率反射回辐射源。
• 它是一种铁氧体材料，允许仅在一个方向上的微波。
• 它还稳定了klystron的频率。

样品腔

• ESR光谱仪的核心是包含样品的谐振腔。
• 广泛使用矩形TE120腔和圆柱形TE011腔。
• 在大多数ESR光谱仪中，通常使用双样品腔，这样做是为了同时观察样品和参考物质。
• 由于磁场与样品相互作用以使旋转共振使得样品放置在磁场强度最大的情况下。

耦合器和匹配螺钉

• 微波组件的各种部件通过利用各种尺寸的虹膜或槽来耦合在一起。

水晶探测器

• 转换D.C的辐射的硅晶体探测器广泛地被用作微波辐射的检测器。

磁铁系统

• 谐振腔被放置在电磁铁的杆块之间。
• 该领域应在样品体积上稳定和均匀。
• 通过具有高压电源的磁体激励磁体来实现场的稳定性。
• 通过通过电源扫描所提供给磁体的电流缓慢变化磁场通过谐振电压缓慢变化磁场来记录ESR频谱。

调制线圈

• 通过磁场的小交替变化来实现以晶体检测器中的良好信噪比一致的频率的信号的调制。
• 通过供应A.C.以与磁场相同的方向相对于样品的调制线圈向取向的调制线圈产生变化。
• 如果调制为低频（400个循环/秒或更低），则线圈可以安装在腔外部，甚至在磁极杆上。
• 对于更高的调制频率，调制线圈必须安装在由非金属材料构造的谐振腔或空腔内，例如，具有锡镀银电镀的石英。

显示设备

• 为了观察信号，系统是连接的不同设备。

电子自旋共振的应用（ESR）

• ESR光谱是研究含金属金属蛋白的过渡金属的主要方法之一。
• 确定催化率
• 要了解活动网站几何
• 研究变性和蛋白质折叠
• 在与酶 - 配体相互作用有关的研究
• 在生物系统中
• 自由基的研究
• 旋转标签
• 无机化合物的研究
• 反应速度和机制
• 研究天然存在的物质，如矿物质，过渡元素，缺陷缺损（例如;石英），血红蛋白（Fe），石油，煤，橡胶等。
• 导电电子

参考文献

1. https://www.scribd.com/doc/175906208/electron-pin-resonance-s-principles-and-applications.
2. https://www.slideshare.net/mariyaraju/electron-spin-resonance-pectroscopy-76805305
3. https://en.wikipedia.org/wiki/electron_paramagnetic_resonance.
4. https://www.jeol.co.jp/en/products/esr/basics.html.
5. https://www.slideshare.net/kamleshpatade7/>Selectron-spin-resonance-pectromicry.
6. http://www.life.illinois.edu/crofts/pdf_files/dikanov_crofts_epr_review_chapter-3-2006.pdf.