[文章導(dǎo)讀] 電子順磁共振EPR 技術(shù)最初是物理學(xué)家用來研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、原子偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。

電子順磁共振（點擊了解詳情）(EPR)波譜技術(shù)是現(xiàn)代高新技術(shù)材料的性能測試手段之一，是一項檢測具有未成對電子樣品的波譜方法。即使是在進行的化學(xué)和物理反應(yīng)中，電子順磁共振也能獲得有意義的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息和動態(tài)信息，且不影響這些反應(yīng)。電子順磁共振目前已在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，電子順磁共振EPR是彌補其他分析手段的理想技術(shù)。

電子順磁共振EPR 技術(shù)最初是物理學(xué)家用來研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、原子偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。后來化學(xué)家和生物學(xué)家把 電子順磁共振EPR 技術(shù)引入化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域，用來闡明復(fù)雜的有機化合物中的化學(xué)鍵和電子密度分布以及動植物中存在自由基等問題。20世紀70年代以來，美國、日本和德國等發(fā)達國家都在不斷進行儀器的改進和技術(shù)創(chuàng)新，已經(jīng)將 電子順磁共振EPR 技術(shù)廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域。20世紀末，世界上電子順磁共振 EPR 技術(shù)發(fā)展更加活躍，進入了脈沖、多頻和活體電子順磁共振 EPR 等技術(shù)發(fā)展的新時代。而且通過學(xué)科交叉，電子順磁共振EPR 與分子學(xué)、NMR以及其他技術(shù)方法結(jié)合，在更加廣泛和深入的層次上開展應(yīng)用研究。與此相比，這段時間我國的電子順磁共振 EPR 波譜技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，研究工作處于不太先進的水平。但是近幾年來，隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對科技方面的投資也越來越多，目前北京大學(xué)、清華大學(xué)、四川大學(xué)、廈門大學(xué)和中國科技大學(xué)等十幾所高校率先投入了電子順磁共振 EPR 應(yīng)用方面的科學(xué)研究。為了促進我國電子順磁共振EPR 技術(shù)的發(fā)展和整體學(xué)術(shù)水平的提高，中國科技大學(xué)先后于2011年4月和2012年4月組織召開“中國電子順磁共振波譜學(xué)學(xué)術(shù)研討會”。研討會的目的是：通過學(xué)術(shù)交流，了解并分析我國 電子順磁共振EPR 波譜學(xué)應(yīng)用研究和譜儀研制在國內(nèi)外的現(xiàn)狀，剖析當(dāng)前電子順磁共振 EPR 波譜學(xué)研究存在的瓶頸問題；探討和凝煉我國未來物理、化學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科在此領(lǐng)域中的發(fā)展方向；探討 EPR 領(lǐng)域高水平人才培養(yǎng)等問題。

電子順磁共振EPR 技術(shù)的原理

電子順磁共振EPR 的基本概念，物質(zhì)的順磁性是由分子的永久磁矩產(chǎn)生的。根據(jù)保里原理：每個分子軌道上不能存在 2 個自旋態(tài)相同的電子，因而各個軌道上已成對的電子自旋運動產(chǎn)生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成對電子的物質(zhì)才具有永久磁矩，它在外磁場中呈現(xiàn)順磁性。電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩： μ = ge β，其中 β 是玻爾磁子； ge 是無量綱因子，稱為 g 因子； 自由電子的 g 因子為 ge = 2.0023，單個電子磁矩在磁場方向分量 μ = ( 1 /2) ge β。當(dāng)電子自旋處于外磁場H的作用下時，有2個可能的能量狀態(tài)：即 E =± 1/2( ge βH) ，能量差 ΔE = ge β H。這種現(xiàn)象稱為塞曼分裂( Zeeman splitting) 。如果在垂直于H 的方向上施加頻率為 hυ 的電磁波，當(dāng)滿足下面條件：hυ = ge β H，處于兩能級間的電子發(fā)生受激躍遷，導(dǎo)致部分處于低能級中的電子吸收電磁波的能量躍遷到高能級中，于是就產(chǎn)生了順磁共振現(xiàn)象。受激躍遷產(chǎn)生的吸收信號經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)處理可得到電子順磁共振 EPR 吸收譜線，電子順磁共振EPR波譜儀記錄的吸收信號一般是一次微分線型，或稱一次微分譜線。

g值可由下式計算得出，式中，H值對應(yīng)的即為吸收曲線最高點，也就是微分曲線中峰頂和峰谷中間對應(yīng)的磁場 H 值。由此便可計算出 g 因子。由 g 因子可大致判斷所測試元素原子所處的化學(xué)環(huán)境及電子的狀態(tài)。

電子順磁共振 EPR 的應(yīng)用研究進展

由于電子自旋相干、自旋捕捉、自旋標記、飽和轉(zhuǎn)移等電子順磁共振和順磁成像等實驗新技術(shù)和新方法的建立，電子順磁共振EPR 技術(shù)很快在物理、化學(xué)、自由基生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)了固體樣品的電子自旋與核自旋退相干時間大幅度延長，以及從常規(guī)自由基到短壽命自由基的檢測； 從順磁性物質(zhì)( 自由基，順磁性金屬離子)到自旋標記的非順磁性物質(zhì)的檢測； 從體外自由基到細胞、組織和體內(nèi)自由基的檢測; 開展病理和藥理過程的分子基礎(chǔ)研究； 建立抗氧化劑活性的 電子順磁共振EPR 研究和篩選方法； 進行自旋標記物、靶向自旋捕捉技術(shù)和自旋捕捉劑的研究與制造； 在開展科學(xué)基礎(chǔ)研究的同時，還注意有很強應(yīng)用價值的考古年代和香煙自由基的 EPR 測定等等。下面列舉了其中的幾個方面加以說明。

電子順磁共振EPR 在量子操控和量子計算方面的應(yīng)用

量子計算具備經(jīng)典計算所無法比擬的優(yōu)勢和前景。用電子順磁共振 EPR 進行量子操控和量子計算的方法是，將自旋電子材料作成芯片，通過對其施加微波脈沖，實現(xiàn)其原子外層單電子自旋態(tài)的操控并對電子自旋態(tài)進行編碼，利用電子自旋態(tài)編碼進行量子運算。由于自旋的固態(tài)量子計算相干時間長，邏輯門操作速度快，單量子比特讀出等優(yōu)點，成為研究的熱點。杜江峰等使用脈沖電子順磁共振譜儀開展了相關(guān)研究，用最多 7 個微波脈沖把一種叫丙二酸的材料里的電子自旋的相干時間從不足二千萬分之一秒提高到了近三萬分之一秒，這個時間已經(jīng)能夠滿足一些量子計算任務(wù)，在國際上首次利用最優(yōu)動力學(xué)解耦技術(shù)提高固態(tài)體系中電子自旋的相干時間，將電子自旋退相干時間從0.04 μs提高到了30 μs，發(fā)表在《Nature》雜志上。他們還首次將動力學(xué)解耦技術(shù)成功應(yīng)用到保護兩體糾纏，在摻雜磷原子的單晶硅樣品中，將贗糾纏壽命從0.4 μs 提高到了30 μs。該小組還自主研制 S 波段光探測磁共振譜儀，實現(xiàn)了對單電子自旋態(tài)的制備、操控以及讀取，探索了該物理體系進行量子計算的潛力。

自由基中間產(chǎn)物的直接檢測和分析

用電子順磁共振 EPR 檢測自由基是一種快速的、直接有效的方法，實驗中將所得 電子順磁共振EPR 波譜中相應(yīng)吸收峰的 g 因子計算出來，通過與標準值比較，估算是哪種自由基，再通過化學(xué)手段消除自由基以驗證上面的推斷。目前有一些自由基在室溫下比較穩(wěn)定，可直接應(yīng)用 電子順磁共振EPR 波譜儀獲取信號，譬如，檢測富勒烯 C80與金屬 Sc 反應(yīng)形成的負離子自由基 Sc3 C2 包括 C80 的 EPR 信號。結(jié)合低溫技術(shù)研究了光合作用反應(yīng)電子傳遞鏈中的自由基中間產(chǎn)物。很有特色的研究是發(fā)展電子順磁共振 EPR 專用原位電化學(xué)自由基反應(yīng)池表征電極反應(yīng)的自由基。對含碳無機化合物輻照形成中間自由基產(chǎn)物的測量是電子順磁共振 EPR 考古年代方法的實質(zhì)，它可以應(yīng)用于大型水電站和建筑群選址的參考。

瞬態(tài)自由基的電子順磁共振 EPR 檢測方法及應(yīng)用

自由基捕捉技術(shù)與電子順磁共振 EPR 相結(jié)合的方法具有檢測靈敏度高、特異選擇性強和分析結(jié)果可靠等優(yōu)點，被廣泛用于壽命短、穩(wěn)態(tài)濃度低的瞬態(tài)自由基的檢測，在許多涉及細胞甚至動物體系以及化學(xué)反應(yīng)機制的研究中都得以廣泛應(yīng)用。瞬態(tài)自由基的電子順磁共振 EPR 檢測的實驗方法是: 首先設(shè)計并合成一種能夠捕獲自由基的探針分子，這種探針分子必須能夠快速捕獲反應(yīng)過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)自由基，然后用 EPR 對捕獲反應(yīng)加合物的分子結(jié)構(gòu)進行解析，通過逐一鑒定電子順磁共振 EPR 譜線上各峰對應(yīng)組分結(jié)構(gòu)，推斷并鑒定。劉峻等研究缺血停博 150 min后的兔心臟，在低溫下的電子順磁共振 EPR 譜圖，分析心肌缺血、巨噬細胞呼吸爆發(fā)等病理過程產(chǎn)生的活性氧自由基，認為氧自由基可能來自于線粒體中呼吸鏈上泛醒的氧化還原反應(yīng)； 研究人員還在細胞和分子水平探索性地研究自由基的調(diào)控，論證了胰島素誘導(dǎo)神經(jīng)細胞釋放一氧化氮信號的過程，活性氧自由基與基因表達的關(guān)系；開展針對光、電反應(yīng)等一系列化學(xué)過程中產(chǎn)生的活性自由基中間體的系統(tǒng)研究和環(huán)境科學(xué)中金屬配合物光化學(xué)耦合、光退變的自由基中間過程的研究。針對高等植物光合作用過程產(chǎn)生的活性氧自由基的分子機制與氧化應(yīng)激損傷作用，為發(fā)展并完善該技術(shù)方法而設(shè)計并制備了一系列具有高自由基捕獲效率，有一定生物靶向性功能的新型自由基捕獲探針。自由基捕捉技術(shù)也用于香煙燃燒過程中產(chǎn)生的自由基的檢測，以便于分析吸煙和疾病的關(guān)系。

除此之外，還有順磁離子配合物的電子順磁共振 EPR 譜研究和 EPR 的醫(yī)、藥學(xué)應(yīng)用研究。

電子順磁共振EPR 技術(shù)用在物理上，研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、偶極矩及分子結(jié)構(gòu)等問題。EPR 技術(shù)用在化學(xué)和生物上，能夠探測自由基用來考古、動物細胞體系以及化學(xué)反應(yīng)機制的研究。電子順磁共振EPR 技術(shù)用在醫(yī)學(xué)上，可以通過自旋捕捉來捕捉短壽命的活性氧自由基。

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