EPR和NMR有什么不同

电子顺磁共振谱(EPR,ESR)

Electron Paramagnetic Resonance, Electron Spin Resonance

电子顺磁共振

在垂直于B0的方向上施加频率为h%26#61550的电磁波，当满足h%26#61550=g %26#61538B0 时，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，这就是顺磁共振现象。受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到EPR吸谱线。 （g 因子， g e =2.0023； %26#61538波尔磁子）

EPR/ESR

EPR is the resonant absorption of microwave radiation by paramagnetic systems in the presence of an applied magnetic field

电子顺磁共振的研究对象

自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基肼基（DPPH），三苯甲基，都有一个未成对电子

双基（Biradical）或多基（Polyradical）：在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对电子相距较远，相互作和较弱。

三重态分子（triplet molecule）：这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。

电子顺磁共振的研究对象

过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)，V3+(3d7)等。

固体中的晶格缺陷，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其四周，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。

具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子。

EPR和NMR都属磁共振谱，主要的区别

EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。

EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。

EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级。

EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。

EPR应用

有机自由基的研究：不但能证实自由基的存在，而且能得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要信息。

催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。

生物、医学研究：证实了细胞的代谢过程、酶反应的机理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧自由基的作用。

物理方面：利用EPR对半导体掺杂的研究，可指导采用不同的掺杂技术获取不同性质的半导体。

谱的解释

强度： 理论上在吸收曲线下的积分面积和样品中的不成对电子数成正比，强度近似于吸收曲线的峰值高度，或者近似于在特定条件下测到的一次导数曲线的峰—峰幅度。

g值：自由基g值偏离很少超过±0.5%,非有机自由基，g值可以在很大范围内变化。

谱的解释

电子自旋能级分裂。

线宽度： 吸收线的宽度是电子和它的环境的相互作用的一个量度。自旋—自旋弛豫是引起吸收线展宽的次级过程，它包括电子与四周电子间的偶极相互作用和电子与核之间的偶极相互作用。

超精细分裂： 假如核具有自旋和磁矩，它和不成对电子的轨道的相互作用将引起电子能级发生稍微分裂。

超精细结构 (Hyperfine Coupling)

未成对电子之间偶合

未成对电子与磁核之间偶合

偶极-偶极偶合----各向异性

费米接触----各向同性：s轨道

ESR用于有机自由基的研究： 在紫外光的照射下，含有少量H2O2的甲醇溶液发生光分解反应的ESR谱如下：

上图表明，在该光分解反应中，有·CH2OH自由基产生，CH2的两个等价质子使未配对电子裂分为三条谱线（相对强度为1:2:1, 裂距为17.4 Gs）；OH中的一个质子又使每一条谱线裂分为两条谱线（相对强度为1:1, 裂距为1.15 Gs）。ESR谱证实了·CH2OH自由基的存在，该自由基产生的机理：

H2O2 %26#616142·OH，

CH3OH + ·OH %26#61614·CH2OH + H2O

自旋捕捉剂和自旋标记

亚硝基化合物

自旋捕捉剂和自旋标记

氮氧化合物

稳定自由基谱

应用举例1：初级自由基研究

有机过氧化氢与N,N-二甲胺

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光影响硅电池是因为光致衰减将硅光伏电池的效率降低了约2%，这导致光伏系统在其30到40年的工作寿命的后期电力输出显著下降。由硅制成的光伏电池占全球市场的96%以上，生产这些光伏电池最常用的半导体是由掺硼硅制成的。

而Paul Stradins是NREL硅光伏研究的首席科学家和项目负责人。他表示，有关光致衰减的问题已经研究了几十年，但尚未确定导致衰减的微观性质。研究人员通过间接实验和理论得出结论，当使用较少的硼或硅中存在的氧元素较少时，其问题就会减少。

NREL和科罗拉多矿业学院研究人员采用电子顺磁共振技术来识别导致光致衰减的缺陷。随着光伏电池样品在光照下衰减退化，研究人员通过显微镜首次揭示了明显的缺陷特征。当科学家们通过“再生”过程来修复光致衰减时，缺陷特征消失了。

令他们惊讶的是，还发现了受光照影响的第二个“广泛”EPR特征，涉及的掺杂原子比光致衰减缺陷多得多。他们假设并非所有由光照引起的原子变化都会导致光致衰减。

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