ESR测试简介

一、测试简介

电子顺磁共振（electronparamagneticresonance，EPR）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99%以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR）。

二、基本原理

电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动；一种是在围绕原子核的轨道上运动，另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中，电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针，由于电子的自旋量子数为1/2，故电子在外磁场中只有两种取向：一与H平行，对应于低能级，能量为-1/2gβH；一与H逆平行，对应于高能级，能量为+1/2gβH，两能级之间的能量差为gβH。若在垂直于H的方向，加上频率为v的电磁波使恰能满足hv=gβH这一条件时，低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振。在上述产生电子顺磁共振的基本条件中，h为普朗克常数，g为波谱分裂因子（简称g因子或g值），β为电子磁矩的自然单位，称玻尔磁子。以自由电子的g值=2.00232，β=9.2710×10-21尔格/高斯，h=6.62620×10-27尔格·秒，代入上式，可得电磁波频率与共振磁场之间的关系式：（兆赫）=2.8025H（高斯）

三、检测对象

可分为两大类：

①在分子轨道中出现不配对电子（或称单电子）的物质。如自由基（含有一个单电子的分子）、双基及多基（含有两个及两个以上单电子的分子）、三重态分子（在分子轨道中亦具有两个单电子，但它们相距很近，彼此间有很强的磁的相互作用，与双基不同）等。

②在原子轨道中出现单电子的物质，如碱金属的原子、过渡金属离子（包括铁族、钯族、铂族离子，它们依次具有未充满的3d，4d，5d壳层）、稀土金属离子（具有未充满的4f壳层）等。

四、测试举例说明

单线态氧检测：薄膜样品加入到溶液（客户指定）中，加入一定浓度捕获剂（TEMP），首先测试光照前样品信号（由于TEMP很容易被氧化成TEMPO，通常会有比较明显的TEMPO信号），然后进行光照一定时间后立刻测试样品信号，对比两次信号强弱来推测是否有单线态氧生成（单线态氧可以被TEMP捕获得到单线态氧加和物TEMPO，实际检测得到的谱图是TEMPO的信号，如样品可以敏化氧气产生单线态氧，光照后信号会比光照前信号增强）。

超氧检测：薄膜样品加入到溶液（客户指定）中，加入一定浓度捕获剂（DMPO），首先测试光照前样品信号（理论上不会有信号产生，如有信号说明样品本身有顺磁信号），然后进行光照一定时间后立刻测试样品信号，可以对比两次信号变化来推测是否有新自由基生成生成，如产生新的自由基，则根据谱图推测自由基种类。

五、顺磁测试结果说明与处理

1. 关于命名

磁测试结果按照样品编号命名，1，2，3...；如果做变温测试会提供对应温度，比如1-298K，代表1号样品在298K的温度下测试结果；如果是样品需要光照或者其它处理也会有相应标注，比如1-450nm-3min代表1号样品使用450nm波长的光源进行光照3分钟的测试结果；得到的数据一般会给出对应的g因子，对应的数据为名称后添加“-g”，比如1-450nm-3min-g代表1号样品使用450nm波长的光源进行光照3分钟对应测试结果的g因子数据。

2. 关于数据格式

顺磁测试数据通常会有多个文件，比如图片中1号样品290k测试结果有七个文件，带后缀的文件（.DSC，.DTA，.XGF）为原始文件，需要使用仪器自带软件打开，一般测试仪器会留有备份。客户能够打开的文件则为不带后缀的部分（1-290k和1-290k-g），原始数据发给客户是方便客户自己查看一些仪器设置参数，客户可以自己试着打开查询需要的参数，通常不需要。

3. 关于测试数据的处理

早期的测试结果需要客户自己安装winepr将数据导出txt格式文件后画图，近几年安装的仪器一般都可以输出txt格式数据，因此数据处理更加方便。这里客户仅需要使用写字板将对应没有后缀的文件打开即可作图，打开后的数据如下图所示，画图工具客户可以选择自己熟悉的软件进行后续处理（Origin，Excel等均可）。

4. 关于作图

画图软件可以根据自己习惯画图，此处选取数据1-w，使用Origin举例作图并简单描述数据

打开“1-w”谱图文件和“1-w-g”g因子文件，选取后两列作图得到下图所示图谱

1-w图谱                           1-w-g图谱

通过作图可以直接从图中读出不同位置对应的g因子，比如图谱1-w中，最高点位置纵坐标为3.11，而1-w-g图谱中最高点纵坐标也是3.11，那么对应图谱1-w中，3514高斯处的g因子则为1-w-g图谱中对应横坐标的数值2.00357。

5. 仪器介绍及测试参数

仪器型号：BrukerE500

主要指标：

灵敏度：可检测最小绝对自选旋数低于1*109spins/G

微波源：X波段

测试样品要求：

块体样品：块体要求最大尺寸两个维度小于2毫米；

粉末样品：样品量50毫克；

可测试变量：可以改变温度90K-室温，光照条件

测试参数（实际测试为了达到更好的测试结果会有一定调整）

Instrument settings were modulationfrequency：100.00KHz；modulation amplitude：2.00G；sweep width：100.00G；time constant：40.960ms；conversion：40.000ms；sweeptime：80.720s；receiver gain,5.02x103。The microwave power was 10.03mW，and the frequencywas 9.857GHz。

附：以DMPO为捕获剂捕获的常见自由基谱图

 http://www.yu17.com/nd.jsp?id=9