电子顺磁共振(electron paramagnanetic resonance,EPR) |
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电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR),又称电子自旋共振(electron spin resonance,ESR),是属于自旋1/2粒子的电子在静磁场下发生的磁共振现象。因为类似静磁场下自旋1/2原子核核磁共振的现象,又因利用到电子的顺磁性,故曾称作“电子顺磁共振” EPR应用在多个领域,其中包括: 固态物理, 辨识与定量自由基分子(即带有不成对电子的分子)。 化学,用以侦测反应路径。 生物医学领域,用在标记生物性自旋探子。另外在造影方面另有用途,参见下方说明。 晶体学,用来进行晶体内部缺陷的局部结构的研究。一般需要配合测角器(Goniometer)。 数据处理经验分享 一般在测试完以后,得到了一个如下图所示的只有一列数据的txt文档。
这一列数据是样品的共振信号数据。此数据需要经过计算处理得出X轴磁场值,然后通过origin作图。如图所示,我们可以看到,这个样品的有效信号数据长为8192,但实际上有16384行数据。取前8192即可,后面一半是channel2数据。 X轴数据计算如下图:
其中的初始场及扫宽均可在txt文档中找到。如下图:
如图中,DATA HEAD这一栏数据中,x-view min即为初始场数据。 x-view max 减去 x-view min = 80 mT 即为扫宽。 将上两个数据写入公式,i为列中行变量。计算即可得X轴磁场数据。如下图
作图即可得下面这样的图 下面讲一下数据分析: 首先简要引用一下别人讲过的概念,如下图:
物质的顺磁性是由分子的永久磁矩产生的。公式中h是普朗克常数 6.62620*10(-27次),v是所加电磁波的频率9.7749GHZ=9.7749*10(9次)。β是玻尔磁子 9.27410*10-21 根据保里原理: 每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子,因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的,只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩,它在外磁场中呈现顺磁性。 电子自旋产生自旋磁矩 μs=geβ ,β是玻尔磁子;ge是无量纲因子,称为g因子;自由电子的g因子为ge=2.0023 单个电子磁矩在磁场方向分量μ=1/2geβ。 外磁场H 的作用下,只能有两个可能的能量状态: 即 E=±1/2geβH如上图所示。 能量差△E=gβH 这种现象称为塞曼分裂(Zeeman splitting) 如果在垂直于H的方向上施加频率为hυ的电磁波,当满足下面条件hυ=gβH 处于两能级间的电子发生受激跃迁,导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中,于是乎就产生了顺磁共振现象。 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(对应于上图中红色虚线),EPR波谱仪记录的吸收信号一般是一次微分线型,或称: 一次微分谱线(即测试后得到的txt文件中那一列数据,对应于上图中蓝色线)。 g因子和A值是EPR谱图中两个重要的信息,通过测试g因子和A值我们可以判断出单电子的类型,可能得结构信息,然后通过计算及模拟得出准确的结构。 g值计算: 如上图中吸收及微分曲线所示,g值计算公式中H值对应的即为吸收曲线高点,也就是微分曲线中峰顶和峰谷中间对应的磁场H值。由此便可计算出g因子。由g因子可大致判断所测试元素原子所处的化学环境。 A值计算: 由于存在核自旋,电子自旋与核自旋产生耦合作用,因此在一次微分谱图上便表现出来精细分裂峰。如图所示:
因此A值即为不同分裂峰之间的距离。这样计算出来的A值单位为mT。实际文献中许多A值单位为cm-1.换算公式见下图:
注意计算中g值的选取对于A值有直接的影响,所以g值的正确选取很重要。 |
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