电子顺磁共振波谱解析课件

Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy 第一章第一章电子顺磁共振波谱法(EPR)Electron Paramagnetic 第一章电子顺磁1第一节 EPR的基本原理1.1 EPR第一节 EPR的基本原理1.1 EPR2EPREPR比如：自比如：自所以说：所以说：窄的窄的EPREPR比如：自所以说：窄的3电子顺磁共振波谱解析课件4又如：蒽又如：蒽5电子顺磁共振波谱解析课件6即：即：:如：氧分子如：氧分子即：:如：氧分子7电子顺磁共振波谱解析课件8电子顺磁共振波谱解析课件9又如：氢、氮、碱的原子。又如：氢、氮、碱的原子。又如：氢、氮、碱的原子。10电子顺磁共振波谱解析课件111.2 EPR1、灵敏度高、灵敏度高如：测如：测DPPH时，下限是时，下限是 mol2、可直接检测不破坏样品、可直接检测不破坏样品1.2 EPR1、灵敏度高121、自由基寿命很短、浓度太低、自由基寿命很短、浓度太低2、波谱解析困难、波谱解析困难所以在物理学、化学、生物学、医学、生命科所以在物理学、化学、生物学、医学、生命科学、材料学、地矿学和年代学等领域有广泛的学、材料学、地矿学和年代学等领域有广泛的应用应用连续流动法、快速冷冻法、自旋捕获技术、连续流动法、快速冷冻法、自旋捕获技术、自旋标记技术、自旋探针技术自旋标记技术、自旋探针技术高速计算机高速计算机1、自由基寿命很短、浓度太低连续流动法、快速冷冻法、自旋捕获131.3 基本原理v1.3.1 物质的磁性物质的磁性1)大多数物质本身不呈现磁性，但由于它内部的电子轨道运动，在外磁场作用 下产生Larmor 进动感应出一个诱导磁矩，磁矩的方向与外磁场相反，表现为一个附加磁场Ho，即：H 和 H0 反向，其磁化强度与外磁场强度成正比，并随着外磁场的消失而消失，这类物质称为 逆磁性 物质。2)有些物质的原子、分子或离子：本身具有永久磁矩无外磁场时，由了热运动，永久磁边的方向是随机的，所以该磁矩的统计值等于零，但处在外磁场中时，一方面物质内部的电子也有上述逆磁性物质那样的 Larmor 进动，磁化方向与外磁场相反；另一方面，永久磁矩会顺着外磁场方向排列其磁化强度与外磁场强度成正比；磁化方向与外磁场相同，因此产生的附加磁场是上述两方面共同作用的总结果，其Ho故称这类物质为 顺磁性 物质。物质在外磁场作用下的磁化现象有物质在外磁场作用下的磁化现象有3种情况：种情况：1.3 基本原理1.3.1 物质的磁性1)大多数物质14 3)还有一类物质，如铁、镍、磁铁矿等，虽然它们也是H 0，但其被磁化的强度与外磁场强度不成正比关系而是随着外磁场强度的增加而急剧增强，当外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失呈现出滞后的现象，这类物质称为 物质。1.3.2 磁场和磁矩磁场和磁矩磁矩：磁矩：轨道磁矩的定义：自旋磁矩的定义：铁磁性 3)还有一类物质，如铁、镍、磁铁矿等，虽然它们也是H15磁矩与磁场相互作用能：磁矩与磁场相互作用能：161.3.3 电子自旋磁矩v电子自旋磁矩与自旋角动量的关系：v电子自旋磁矩在外磁场中的能量：波尔磁子1.3.3 电子自旋磁矩电子自旋磁矩与自旋角动量的关系：17能级差：能级差：1.3.4 共振条件共振条件在理上要满足共振条件，可以用两种方式：（1）固定频率改变场强，即：扫场法；（2）固定场强改变频率，即：扫频法。能级差：1.3.4 共振条件在理上要满足共振条件，可以181.3.5 线宽、线型、弛豫线宽、线型、弛豫v线宽 （1）寿命增宽（Life Broadening）测不准关系：即：根据共振条件知：自旋晶格相互作用1.3.5 线宽、线型、弛豫线宽自旋晶格相互作用19v久期增宽(Secular Broadening)自旋-自旋相互作用影响H的因素：1.动态因素 热起伏 2.空间因素 两个顺磁粒子间的相互作用顺磁性逆磁性增大 r的方法：固体 同晶形 液体 稀释久期增宽(Secular Broadening)自旋-自旋20v自旋弛豫自旋弛豫21v线 型 :Lorentz 线型判定的判定的线 型 :判22Gauss 线型Gauss 线型23电子顺磁共振波谱解析课件24电子顺磁共振波谱解析课件25电子顺磁共振波谱解析课件26电子顺磁共振波谱解析课件271.3.6 g 因子（1）g因子的概念34002.0023但：但：95001.3.6 g 因子（1）g因子的概念34002.00228电子顺磁共振波谱解析课件29电子顺磁共振波谱解析课件30电子顺磁共振波谱解析课件31电子顺磁共振波谱解析课件32另外：另外：对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即表现为各向异性，从而使表现为各向异性，从而使 g 因子也是各向异性，则因子也是各向异性，则 g 因因子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。子的大小与自旋体系相对于外磁场的方向有关。g 因子因子的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。的各向异性通常用一个二级张量形式来描述。另外：对于大多数分子，激发态的掺入与取向有关，即表现为各向异33由于分子的对称性，往往存在一个主轴系，如果把 x,y,z 坐标旋转到主轴系中，则 g 张量矩阵只有对角元素，即：由于分子的对称性，往往存在一个主轴系，如果把 x,y,z34（2）g因子的测定 （A）绝对法 （B）比较法（2）g因子的测定351.1.7 超精细结构 1.超精细相互作用（1）原子核的磁矩 其中：1.1.7 超精细结构 1.超精细相互作用36电子顺磁共振波谱解析课件37 质量数质量数 原子序数原子序数 自旋量子数自旋量子数I I 偶数偶数 偶数偶数 0 0 偶数偶数 奇数奇数 1 1，2 2，3.3.奇数奇数 奇数或偶数奇数或偶数 1/2 1/2；3/23/2；5/25/2.中子和质子都是费米子，自旋都是h/2；凡是中子数和质子数都是偶数的原子核(称为偶偶核)自旋都为零，凡是中子数和质子数中有一个是奇数的原子核(称为奇偶核)的自旋都是 h的半奇数倍，凡是中子数和质子数都是奇数的原子核(称为奇奇核)的自旋都是h的整数倍 电子顺磁共振波谱解析课件38电子顺磁共振波谱解析课件39电子顺磁共振波谱解析课件40,.而而所以所以,.而所以41从而总的相互作用能：从而总的相互作用能：从而总的相互作用能：423.几种超精细能谱线几种超精细能谱线3.几种超精细能谱线43根据根据根据44电子顺磁共振波谱解析课件45电子顺磁共振波谱解析课件46电子顺磁共振波谱解析课件47电子顺磁共振波谱解析课件481.含有含有两两个个 I=的等性核的等性核 共共8个能级，产生个能级，产生3条谱线条谱线 谱线强度之比：谱线强度之比：1：2：1 含有两个 I=的等性核49电子顺磁共振波谱解析课件502.含有含有三三个个 I=的等性核的等性核 共共16个能级，产生个能级，产生4条谱线，条谱线，谱线强度之比：谱线强度之比：1：3：3：13.含有含有 n 个个 I=的等性核的等性核2.含有三个 I=的等性核51电子顺磁共振波谱解析课件52电子顺磁共振波谱解析课件534.含有含有 两两 个个 I=1 的等性核的等性核比如：两个氮核与一个未成对电子有等同的作用，比如：两个氮核与一个未成对电子有等同的作用，由于由于 核的核的 I=1，所以：，所以：当第一个氮核与末成对电子当第一个氮核与末成对电子 作用而分裂成作用而分裂成 3 个能级在此基础上，个能级在此基础上，第二个氮核进一步发生分裂，第二个氮核进一步发生分裂，由于作用的强弱与第一个氮核相相同，由于作用的强弱与第一个氮核相相同，所以有部分能级发生重合。所以有部分能级发生重合。最终产生 5 条谱线，强度比例为：1：2：3：2：14.含有 两 个 I=1 的等性核比如：两个氮核与一个54 如含有：如含有：n1 个核自旋为个核自旋为 I1，n2 个核自旋为个核自旋为 I2，：nk 个核自旋为个核自旋为 Ik。则产生最多则产生最多(2n1*I1+1)(2n2*I2+1)(2nk*Ik+1)条谱线条谱线 如含有：n1 个核自旋为 I1，551.1.8 自旋浓度自旋浓度即：单位重量或单位体积中所含未成对电子的数目(白旋数)。谱线的面积与自旋数的关系自旋自旋浓度射频场振幅射频场频率温度1.1.8 自旋浓度自旋浓度即：谱线的面积与自旋数的关系56电子顺磁共振波谱仪主要由电子顺磁共振波谱仪主要由微波系统微波系统、磁铁系统磁铁系统、谐振腔谐振腔和和信号检测系统信号检测系统等部分组成。等部分组成。第三节 仪器和方法EPR原理图电子顺磁共振波谱仪主要由微波系统、磁铁系统、第三节 仪器57一、微波系统一、微波系统 1、微波及其特点、微波及其特点一、微波系统582微波器件微波器件(1)速调管速调管反射式速调管的结构反射式速调管的结构2微波器件(1)速调管反射式速调管的结构59(2)波导波导管结构示意图波导管结构示意图(2)波导波导管结构示意图60(3)衰减器衰减器衰减器刻度范围为衰减器刻度范围为 0-60 dB(3)衰减器衰减器刻度范围为 0-60 dB61(4)调配器调配器(5)隔离器隔离器(6)环行器环行器(4)调配器62(7)晶体检波器晶体检波器(8)自动频率控制系统（自动频率控制系统（AFC）二、磁铁系统二、磁铁系统1、电、电 磁磁 铁铁通常能够提供磁场的磁体有通常能够提供磁场的磁体有3种：种：永磁铁、电磁铁和超导磁体。永磁铁、电磁铁和超导磁体。(7)晶体检波器二、磁铁系统1、电 磁 铁通常能够提供磁场的632磁场的选择磁场的选择2磁场的选择643磁场的技术要求磁场的技术要求（1）磁场的均匀性）磁场的均匀性（2）磁场的稳定性）磁场的稳定性4磁铁电源磁铁电源3磁场的技术要求（1）磁场的均匀性（2）磁场的稳定性4磁655磁场测量磁场测量三、谐三、谐 振振 腔腔5磁场测量三、谐 振 腔66电子顺磁共振波谱解析课件67电子顺磁共振波谱解析课件68双样品谐振腔：双样品谐振腔：1、测定一系列相似的未知样品中不成对、测定一系列相似的未知样品中不成对 电子的相对数目；电子的相对数目；2、通过与一个定标的标准样品进行比较、通过与一个定标的标准样品进行比较 来测定未知样品中所包含的不成对电来测定未知样品中所包含的不成对电 子数目；子数目；3、精确测定、精确测定 g 值。值。双样品谐振腔：69四、场调制和信号检测系统四、场调制和信号检测系统五、波谱仪的主要技术指标五、波谱仪的主要技术指标1、灵、灵 敏敏 度度2、分、分 辨辨 率率3、稳、稳 定定 性性四、场调制和信号检测系统五、波谱仪的主要技术指标1、灵 敏70六、实验技术六、实验技术1样品制备样品制备(1)气体样品气体样品(2)液体样品液体样品(3)固体样品固体样品(4)样品管样品管六、实验技术1样品制备(1)气体样品(2)液体样品(3)固712仪器工作参数的选择仪器工作参数的选择(1)微波频率微波频率(2)微波功率微波功率(3)磁场设置磁场设置(4)调制幅度和调制频率调制幅度和调制频率(5)时间常数和扫场时间时间常数和扫场时间2仪器工作参数的选择(1)微波频率(2)微波功率(3)磁场72第四节第四节 应应 用用一、稳定性顺磁物质的直接检测一、稳定性顺磁物质的直接检测1有机自由基的研究有机自由基的研究(1)环辛四烯负离子自由基第四节 应 用一、稳定性顺磁物质的直接检测1有机自73强度比为：强度比为：1：8：28：56：70：56：28：8：1 的的 9 条谱线组成条谱线组成强度比为：74(2)萘负离子自由基1：4：6：4：4：16：1：24：6：16：24：4：36：4：24；16：6：24：1：16；4：4：6：4：11、4、5、8等性，2、3、6、7等性；共产生25条谱线，强度比为：(2)萘负离子自由基1：4：6：4：4：16：1：24：6：75电子顺磁共振波谱解析课件76(3)DPPH等含氮自由基1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(3)DPPH等含氮自由基1，1-二苯基-2-三硝基苯肼 77电子顺磁共振波谱解析课件78PAC七重谱线 1：1：2：1：2：1：1PAC七重谱线 1：1：2：1：2：1：179DDPHDDPH80总结：1)3种分子内的两个氮核与未成对电子均有相互作用。2)各个分子中两个氮核的超精细偶合常数的关系为：（A）（B）（C）总结：各个分子中两个氮核的超精细偶合常数的关系为：812催化剂的研究 (1)催化剂表面的性质催化剂:表面吸附二萘嵌苯三个酸性中心：酸性中心酸性中心酸性中心水化铝2催化剂的研究催化剂:表面吸附二萘嵌苯三个酸性中心：酸性中82当二萘嵌苯溶液浓度较低时9条等间距的超精细谱线当二萘嵌苯溶液浓度较低时9条等间距的超精细谱线831:6:15:20:15:6:1在 催化剂 的表面 苯1:6:15:20:15:6:1在 84(2)催化剂表面的反应机理经处理的高纯MgO在真空下粉碎5小时后吸附甲醇气体(2)催化剂表面的反应机理经处理的高纯MgO在真空下粉碎585甲醛经机械粉碎形成的新鲜表面上具有电子俘获中心和空穴俘获中心甲醛经机械粉碎形成的新鲜表面上86电子顺磁共振波谱解析课件87电子顺磁共振波谱解析课件88二、自旋捕获法高活性自由基的检测1原理和方法一种检测短寿命自由基的技术方法：用一种逆磁性的不饱和化台物(即：自旋捕获剂)和反应中产生的不稳定自由基 起加成反应，生成另一种较稳定的自由基产物(即：自旋加合物）二、自旋捕获法高活性自由基的检测1原理和方法一种检测短89MNPNDDMPOTNBPBNMNPNDDMPOTNBPBN902.自旋捕获技术的应用1)在有机化学反应中的应用2.自旋捕获技术的应用1)在有机化学反应中的应用91电子顺磁共振波谱解析课件922)在生物体系中的应用2)在生物体系中的应用93三、自旋标记法和自旋探针法 逆磁性物质的EPR研究1自旋标记法自旋标记法是将一种稳定的顺磁性分子用共价结合的方式引入被研究体系分子的特定部位利用其 EPR 波谱特性来反映该顺磁分子所处相关环境的物理、化学性质三、自旋标记法和自旋探针法 1自旋标记法自旋标记法是94 1)该物质应是足够稳定的顺磁性化合物 2)它能与被研究体系的分子在某些专一的位 置上以一定的方式结合，但对体系扰动甚微 3)标记后产生的EPR谱应能灵敏地反映环境的信息，且谱图较简单并易于解析 4)标记化合物还应在所用的溶剂中有良好的溶解性，便于制备实验所需的样品用作自旋标记的化合物应只备以下的性质：1)该物质应是足够稳定的顺磁性化合物用作自旋标记的化合物95氮氧化合物自由基氮氧化合物自由基962自旋探针法将顺磁性的探针分子以非价键结合方式引入被研究的逆磁性体系中1）氮氧自由基自旋探针2）金属离子自旋探针3）氮氧化合物自旋探针2自旋探针法将顺磁性的探针分子以非价键结合方式1）氮氧自由97第五节 EPR 研究新进展一、电子-核双共振（ENDOR）ENDOR是在垂直干H的方向上加上两个辐射电磁场，其中一个是微波场，用来激发电子自旋跃迁，该微波场要足够强使EPR 跃迁出现部分饱和现象；另一个是射频辐射场，用来激发核自旋跃迁使处于饱和状态的电子自旋能级的布居数重新分布，此时观察到的是在发生核磁共振时的 EPR 信号的增强即电子-核双共振信号第五节 EPR 研究新进展一、电子-核双共振（ENDOR98电子顺磁共振波谱解析课件99电子顺磁共振波谱解析课件100电子顺磁共振波谱解析课件101同样：同样：102可见，ENDOR谱线并不是直接观察对射频功率的吸收。而是观察因各能级布居数重新分布所产生的RPR谱线中某些跃迁强度的增强，它反映了核跃迁的信息可见，ENDOR谱线并不是直接观察对1031)超精细偶合常数的测定2)值的测定1)超精细偶合常数的测定2)值的测定104萘自由基 EPRENDOR萘自由基105