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EPR/ESR测试介

发表时间:2016-03-05 11:35

一、测试

电子顺磁共振electronparamagneticresonanceEPR)是由不配对电子的矩发源的一种磁共振技术可用于从定性和量方面检测物质子或分子中所含不配对电子,并探索其周围环的结构特性。对由基而言,轨道矩几乎不起作用总磁矩的绝大部99%以上)的献来自旋所以磁共亦称自旋”(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



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