電子順磁共振(順磁共振成像)

電子順磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）是由不配對電子的磁矩發源的一種磁共振技術，可用於從定性和定量方面檢測物質原子或分子中所含的不配對電子，並探索其周圍環境的結構特性。對自由基而言，軌道磁矩幾乎不起作用，總磁矩的絕大部分（99%以上）的貢獻來自電子自旋，所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振”（ESR）。

基本介紹

• 中文名：電子順磁共振
• 外文名：electron paramagnetic resonance，EPR
• 基本原理：電子的運動產生力矩
• 檢測對象：不配對電子（或稱單電子）的物質
• 作用：探索其周圍環境的結構特性

歷史進程

電子順磁共振首先是由前蘇聯物理學家 E·K·扎沃伊斯基於1944年從MnCl2、CuCl2等順磁性鹽類發現的。物理學家最初用這種技術研究某些複雜原子的電子結構、晶體結構、偶極矩及分子結構等問題。以後化學家根據電子順磁共振測量結果，闡明了複雜的有機化合物中的化學鍵和電子密度分布以及與反應機理有關的許多問題。美國的B·康芒納等人於1954年首次將電子順磁共振技術引入生物學的領域之中，他們在一些植物與動物材料中觀察到有自由基存在。20世紀60年代以來，由於儀器不斷改進和技術不斷創新，電子順磁共振技術已在物理學、半導體、有機化學、絡合物化學、輻射化學、化工、海洋化學、催化劑、生物學、生物化學、醫學、環境科學、地質探礦等許多領域內得到廣泛的套用。

電子順磁共振波普儀

基本原理

電子是具有一定質量和帶負電荷的一種基本粒子，它能進行兩種運動；一種是在圍繞原子核的軌道上運動，另一種是對通過其中心的軸所作的自旋。由於電子的運動產生力矩，在運動中產生電流和磁矩。在外加恆磁場H中，電子磁矩的作用如同細小的磁棒或磁針，由於電子的自旋量子數為1/2，故電子在外磁場中只有兩種取向：一與H平行，對應於低能級，能量為-1/2gβH；一與H逆平行，對應於高能級，能量為+1/2gβH，兩能級之間的能量差為gβH。若在垂直於H的方向，加上頻率為v的電磁波使恰能滿足hv=gβH這一條件時，低能級的電子即吸收電磁波能量而躍遷到高能級，此即所謂電子順磁共振。在上述產生電子順磁共振的基本條件中，h為普朗克常數，g為波譜分裂因子（簡稱g因子或g值），β為電子磁矩的自然單位，稱玻爾磁子。以自由電子的g值=2.00232，β=9.2710×10-21爾格/高斯，h=6.62620×10-27爾格·秒，代入上式，可得電磁波頻率與共振磁場之間的關係式：（高斯）= 2.8025（兆赫）

檢測對象

①在分子軌道中出現不配對電子（或稱單電子）的物質。如自由基（含有一個單電子的分子）、雙基及多基（含有兩個及兩個以上單電子的分子）、三重態分子（在分子軌道中亦具有兩個單電子，但它們相距很近，彼此間有很強的磁的相互作用，與雙基不同）等。

②在原子軌道中出現單電子的物質，如鹼金屬的原子、過渡金屬離子（包括鐵族、鈀族、鉑族離子，它們依次具有未充滿的3d，4d，5d殼層）、稀土金屬離子（具有未充滿的4f殼層）等。

波譜儀

絕大多數儀器工作於微波區，通常採用固定微波頻率v，而改變磁場強度H來達到共振條件。但實際上v若太低，則所用波導答尺寸要加大，變得笨重，加工不便，成本貴；而v又不能太高，否則H必須相應提高，這時電磁鐵中的導線匝數要加多，導線加粗，磁鐵要加大，亦使加工困難。

常用微波頻率

電子順磁共振波譜儀常用的微波頻率有下列3種情況（見表）。

波帶	頻率v（千兆赫）	波長λ（厘米）	相應的共振磁場H（Tesla）
X	9.5	3.16	0.3390
K	24	1.25	0.8560
Q	35	0.86	1.2490

其中尤以X波帶最為常用。

組成部分

電子順磁共振波譜儀由4個部件組成：①微波發生與傳導系統；②諧振腔系統；③電磁鐵系統；④調製和檢測系統。

主要特性

由於通常採用高頻調場以提高儀器靈敏度，記錄儀上記出的不是微波吸收曲線（由吸收係數X''對磁場強度H作圖）本身，而是它對H的一次微分曲線。後者的兩個極值對應於吸收曲線上斜率最大的兩點，而它與基線的交點對應於吸收曲線的頂點。

電子順磁共振譜儀

g值從共振條件hv=gβH看來，h、β為常數，在微波頻率固定後，v亦為常數，餘下的g與H二者成反比關係，因此g足以表明共振磁場的位置。g值在本質上反映出一種物質分子內局部磁場的特徵，這種局部磁場主要來自軌道磁矩。自旋運動與軌道運動的偶合作用越強，則g值對ge（自由電子的g值）的增值越大，因此g值能提供分子結構的信息。對於只含C、H、N和O的自由基，g值非常接近ge，其增值只有千分之幾。

當單電子定域在硫原子時，g值為2.02-2.06。多數過渡金屬離子及其化合物的g值就遠離ge，原因就是它們原子中軌道磁矩的貢獻很大。例如在一種Fe3+絡合物中，g值高達9.7。

線寬通常用一次微分曲線上兩極值之間的距離表示（以高斯為單位），稱“峰對峰寬度”，記作ΔHpp。線寬可作為對電子自旋與其環境所起磁的相互作用的一種檢測，理論上的線寬應為無限小，但實際上由於多種原因它被大大的增寬了。

超精細結構來源於磁性原子核與電子的自旋磁矩互動作用。具體來說，當核子為非磁性核時，將會觀測到一個單一的共振吸收譜線，當核子為磁性核時，將會觀測到多個線寬較窄的吸收譜線，它們被稱為波譜的超精細結構。這種互動作用的能量來自於兩部分：

為電子軌道量子數，為電子自旋量子數，為核子自旋量子數。

該能量最終可以表達為：

此處，,

J為電子的總角動量，F為整個原子（所有電子與核子）的總角動量（以約化普朗克常數ћ做單位）。

為精細結構間距，A為超精細結構間距，亦稱為超精細耦合常數。

設n為磁性核的個數，I為它的核自旋量子數，原來的單峰波譜便分裂成（2nI+1）條譜線，相對強度服從於一定規律。在化學和生物學中最常見的磁性核為1H及14N，它們的I各為1/2及1。如有n個1H原子存在，即得（n+1）條譜線，相對強度服從於（1+x）n中的二項式分配係數。如有n個14N原子存在，即得（2n+1）條譜線，相對強度服從於（1+x+X2）n中的3項式分配係數。超精細結構對於自由基的鑑定具有重要價值。

吸收曲線下所包的面積可從一次微分曲線進行兩次積分算出，與含已知數的單電子的標準樣品作比較，可測出試樣中單電子的含量，即自旋濃度。

自旋標記法

由美國的 H·M·麥康奈爾於1965年創立，系指將一種穩定的自由基（最常用者為氮氧自由基）結合到單個分子或處於較複雜系統內的分子上的特定部位，而從電子順磁共振波譜取得有關標記物環境的信息。在進行自旋標記時，應注意到儘量保持專一性和減少對天然系統的生物特性和分子特性引起的擾動。

自旋標記物有4個優點：①對溶劑的極性敏感，因此得以探究標記物周圍環境的疏水性或親水性；②對分子轉動速率極為敏感，因此能計測標記物的環境內所容許的活動程度，特別是計測由某種生化過程引起生物分子構象的改變；③EPR波譜較簡單，易於分析，由14N引起的三峰波譜能提供許多有價值的信息；④不存在來自抗磁性環境的干擾信號。

自旋標記物可通過共價鍵或通過象酶與輔酶、酶與底物、抗體與半抗原，以及膜與甾體的相互作用中所包含的那些非共價的引力被連線到目的物。自旋標記法現已被廣泛套用於研究生物高分子的構象、酶的活性部位的結構、脂質體和生物膜的結構及套用於免疫分析。