自由基檢測儀ESR 返回列表頁

自由基檢測儀ESR

電子自旋共振（ESR）波譜儀能夠檢測樣品中自由基的濃度和成分。

樣品可以是液體、固體或氣體。自由基是具有未成對電子的原子或分子，它們非?；钴S。也有許多穩(wěn)定的自由基，如毛發(fā)里的黑色素或群青色素等。許多過渡金屬和稀土金屬也有未成對電子，會檢測出ESR信號。諸如紫石英、煙晶和螢石等因含有未成對電子而呈現出顏色的礦石，也會有ESR信號。

電子自旋共振（ESR），亦稱電子順磁共振（EPR），它和NMR、MRI都是磁共振波譜技術。NMR和MRI是原子核與電磁輻射（EMR）發(fā)生交互作用，而ESR/EPR則是一個或多個未成對電子與電磁輻射發(fā)生交互作用。盡管NMR無法檢測出所有原子核，但絕大多數物質都會產生NMR信號，

不過，ESR并非這種情況。在各種形式的磁共振中，EMR是其磁分量與原子核或電子的磁矩發(fā)生交互作用。自旋成對電子的凈磁矩為零；因此，不會有ESR信號。典型ESR波譜儀，是將樣品放置于可以緩慢變化的均勻磁場輻照范圍的高頻共振腔中。在微波以固定頻率照射下，未成對電子將在符合等式E=hν=gBH的特征磁場中，在自

旋“向上"和自旋“向下"狀態(tài)之間，發(fā)生共振躍遷。

等式中，h表示普朗克常數，B表示電子的玻爾磁子，ν表示微波頻率，H表示外加磁場，g表示自由基的特征（“g-fac-tor"是一個根據實際經驗確定的數，有機自由基的g-factor接近2）。共振磁場g-factor的函數，共振峰信號強度取決于樣品中的自由基含量。

歷*，自1945年*采用實驗方法對ESR效應進行測量以來，ESR波譜儀的設計一直是使用大型水冷電磁體來產生可變磁場。常規(guī)ESR波譜儀采用與老式核磁共振（NMR）波譜儀相類似的配置。這種設計對于提高便攜性是障礙，因為電磁體裝置的重量在200公斤以上，運行功率達數千瓦。布魯克microESR TM 波譜儀利用小巧的強力稀土磁體和低功率電磁鐵芯，避免了這個問題。樣品裝在高品質因子（Q值）的共振腔內，比之常規(guī)ESR，其“填充率"相對較高。因此，在實現高靈敏度和杰出分辨率的同時，可將整臺設備的外形尺寸縮小100倍。微波橋和接收器的設計也實現了根本性創(chuàng)新，通過采用類似于無線通信設備所使用的現代低成本集成元件，相比于比常規(guī)ESR波譜儀，它們進一步降低了microESR TM 波譜儀的成本和尺寸。我們的創(chuàng)新反映出ESR波譜儀領域的根本性轉變——從大型集中式波譜儀系統(tǒng)，朝著甚至可以在現場使用的小型便攜式多功能設備發(fā)展。

對毛發(fā)、松針、茶葉和藍色化妝品等含有自由基的日常物品進行檢測。毛發(fā)中的黑色素含有自由基。毛發(fā)越黑，自由基含量越高。圖A所示是黑色、橙色和白色貓毛測得的ESR波譜疊加圖。所有樣品的毛發(fā)質量是相同的。理論上，白色貓毛應當不產生信號；然而，白色貓毛并非取自白化變種的貓，而是取自貓身上的白色斑塊，因此仍有少許殘余信號。

過渡金屬和超精細分裂

向學生介紹原子核造成的超精細分裂

在這項實驗中，合成了多種配位化合物，并分析了ESR波譜

學生了解到，不只是過渡金屬原子核會造成這些化合物的

超精細分裂，其他原子核也會導致超精細分裂

還探討了自旋量子數為零（I =0）的原子核

動力學

向學生介紹如何使用ESR來監(jiān)測反應。

這項實驗使用了穩(wěn)定的氮氧自由基——

TEMPOL（2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧-4氧基）——來測定果汁的抗氧化性。

microESR的交互式采集軟件，允許學生進行動力學實驗。學生可以設定每次測定的掃描次數、測定次數和測定間隔時間。波譜儀將在每次掃描后顯示測得的波譜。然后，利用microESR處理和分析軟件，進一步分析ESR波譜儀采集到的數據。所有數據均保存為.csv文件，以便載入任何數據表程序，進行數據處理。

實驗在水中進行，因此，學生實驗可以使用放置在5mm石英管內的熔點毛細管。5mm石英管可以重復使用多次

ESR譜圖的線型和線寬

本實驗旨在分析影響到ESR波譜線型和線寬的多種現

象。

探究黏性對TEMPOL波譜的影響。這是測定旋轉相關

時間的直接應用。

自旋捕捉劑和自旋加合物

盡管有許多自由基十分穩(wěn)定，足以直接用ESR進行測定，但一些非常重要的自由基，如羥基和超氧化物，卻因壽命極短而無法直接測定。有機反應中許多重要的中間產物也屬于此類。

利用名為“自旋捕獲"的技術，ESR可以檢測出壽命極短的自由基。

自旋捕獲劑通常是硝酮類或亞硝基類，這種化合物很容易與活性自由基發(fā)生反應，形成更加穩(wěn)定的自由基，以便用ESR進行測定。這種產物被稱為“自旋加合物"。

從自旋加合物測得的ESR波譜特征，僅提供關于所捕集自由基的隱含信息。

氮原子超精細分裂、其他磁性雜原子分裂，以及α氫原子等，都可提供關于所捕獲自由基的結構的信息。

選擇自旋捕獲劑時，必須小心謹慎。理解所涉及的化學現象，包括溶劑所起作用，非常重要。副反應可能形成意想不到的、穩(wěn)定的自旋加合物，這是自旋捕獲技術的弊端之一。

圖A. TEMPOL在水中測得的波譜 圖B. TEMPOL在25%水和75%丙三醇混合液中測得的波譜

在這項實驗中，學生將使用PBN（叔丁基-α-苯基硝酮）來捕獲短壽命自由基。學生將能觀察到初始自旋加合物變成第二自旋加合物，然后還會出現第三自旋加合物。第三自旋加合物相當長壽，可進行通宵檢測。第三自旋加合物會加劇副反應，這凸顯出其弊端。這個反應也涉及到溶劑。

羥基或超氧化物的自旋捕獲劑是BMPO（5-叔丁氧羰基-5-甲基-1-吡咯啉-N-氧化物）。不幸的是，這種自旋捕獲劑成本高昂，用于大學生化學實驗是不切實際的。PBN-OH自旋捕捉劑的半衰期僅為7秒鐘，因此，也無法利用ESR直接觀察到。這項實驗中使用的反應略微復雜。然而，其化學現象很容易理解，這項實驗有力地展示了自旋捕獲技術。

自由基檢測儀ESR

利用ESR測定濃度

借助microESR的處理和分析軟件，學生可以比較測定濃

度所采用的峰峰信號強度和二重積分值。哪種方法更為精確？

進行定量ESR測定時，樣品旋轉方向和取向起到了重要作用。盡管這項實驗所分析的樣品是液體，仍要求學生分別使用放置在5mm石英管內的硼硅酸鹽毛細管、和2mm石英管進行測量，并比較測定結果。

學生使用ESR來測定過渡金屬配合物的濃度

這項實驗非常適用于分析化學，特別是較之于諸如UV/VIS、滴定法和重量分析法等其他測定濃度的方法。

這項實驗要求學生繪制校正曲線。

電子密度

ESR是用于理解電子密度的優(yōu)秀工具，電子密度是一個非直觀概念。

學生將制取多種半醌自由基陰離子，并分析其各自的ESR波譜。學生還將分析穩(wěn)定的氮氧自由基TEMPOL的ESR波譜。

盡管所有化合物都是環(huán)狀化合物，但是，氮氧化物的未成對電子局域在氧原子和氮原子上；而半醌自由基陰離子則具備一個離域π電子。在半醌自由基陰離子中觀察到的質子超精細分裂，表明了未成對電子所在的位置。雖然TEMPOL環(huán)上有2個等價質子，但我們并未觀察到它們發(fā)生任何超精細分裂。