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电子顺磁共振谱学技术是当代重要的物质科学研究手段

点击次数:37 发布时间:2020-10-20

  电子顺磁共振谱学技术是当代重要的物质科学研究手段,常用来获取分子的动力学、结构等信息。该技术一个主要的发展方向是从尽可能少的样品中获取尽可能精确的信息,这需要同时提升空间分辨率和谱线分辨率。近几十年来,得益于新的探测技术的出现,空间分辨率不断提升,甚至实现了纳米尺度下单个自旋的顺磁共振检测。然而受制于不可控的外界噪声的干扰,其谱线分辨率却停留在兆赫兹(MHz)量级,这阻碍了进一步在单分子层面解析结构、局域环境等信息。要想突破当前的谱线分辨率限制,需寻求克服环境噪声的新方法。
  电子顺磁共振波谱仪EPR的基本概念是物质的顺磁性是由分子的永久磁矩产生的。根据保里原理:每个分子轨道上不能存在2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:μ=geβ,其中β是玻尔磁子;g是无量纲因子,称为g因子;自由电子的g因子为g=2.0023,单个电子磁矩在磁场方向分量μ=(1/2)gβ。当电子自旋处于外磁场H的作用下时,有2个可能的能量状态:即E=±1/2(gβH),如图1所示,能量差ΔE=gβH。这种现象称为塞曼分裂(Zeemansplitting)。
  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,于是就产生了顺磁共振现象。
  受激跃迁产生的吸收信号经电子顺磁共振波谱仪处理可得到EPR吸收谱线,电子顺磁共振波谱仪EPR记录的吸收信号一般是一次微分线型,或称一次微分谱线(即电子顺磁共振波谱仪测试后得到数据曲线。

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