电子自旋共振

✍ dations ◷ 2025-08-23 06:41:20 #磁共振,磁振造影,俄罗斯发明

电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR),又称电子自旋共振(electron spin resonance,ESR),是属于自旋1/2粒子的电子在静磁场下发生的磁共振现象。因为类似静磁场下自旋1/2原子核核磁共振的现象,又因利用到电子的顺磁性,故曾称作“电子顺磁共振”。

由于分子中的电子多数是成对存在,根据泡利不相容原理,每个电子对中的两个电子必为一个自旋向上,另一个自旋向下,所以磁性互相抵消。因此只有拥有不成对电子存在的粒子(例如过渡元素中重金属原子或自由基),才能表现磁共振。

虽然电子自旋共振的原理与核磁共振的类似,但由于电子的质量远轻于原子核的质量,所以电子有较大的磁矩。以氢原子核(质子)为例,电子磁矩强度是其659.59倍。因此对于电子,磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。但即使如此,拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高(通常是在微波的波段),因此有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题,在进行人体造影时则需要改变方法。举例而言,0.3T的主磁场下,电子共振频率发生在8.41GHz,而对于常用的核磁共振核种——质子而言,在这样强度的磁场下,其共振频率仅为12.77MHz。

EPR应用在多个领域,其中包括:

一般而言,自由基在化学上是具有高度反应力,而在正常生物环境中并不会以高浓度出现。若采用特别设计的不反应自由基分子,将之附着在生物细胞的特定位置,就有可能得到这些所谓“自旋标记”或“自旋探子”分子附近的环境。

电子的自旋为 s = 1 2 {\displaystyle s={\tfrac {1}{2}}} ,自旋投影量子数可以是 m s = + 1 2 {\displaystyle m_{\mathrm {s} }=+{\tfrac {1}{2}}} m s = 1 2 {\displaystyle m_{\mathrm {s} }=-{\tfrac {1}{2}}} 。在外加磁场强度为 B 0 {\displaystyle B_{\mathrm {0} }} 时,电子磁矩会顺向平行( m s = 1 2 {\displaystyle m_{\mathrm {s} }=-{\tfrac {1}{2}}} )或反向平行 ( m s = + 1 2 {\displaystyle m_{\mathrm {s} }=+{\tfrac {1}{2}}} ) 于该磁场,两种情形具有的能量不同(见塞曼效应),与磁场同向的电子能级较低。两个能级的能量相差 Δ E = g e μ B B 0 {\displaystyle \Delta E=g_{\mathrm {e} }\mu _{\mathrm {B} }B_{\mathrm {0} }} g e {\displaystyle g_{\mathrm {e} }} 为电子的“g因子”(朗德g因子)、 μ B {\displaystyle \mu _{\mathrm {B} }} 是玻尔磁子。这个方程显示两能级的差值与磁场强度呈正比,如下图。

未成对的电子可以在吸收或放出电磁波能量 ε = h ν {\displaystyle \varepsilon =h\nu } 后,在两能级间移动。吸收到(或放出)的能量必须与转换能级后能量变化相同,也就是 ε = Δ E {\displaystyle \varepsilon =\Delta E} ,此即共振条件。代入 ε = h ν {\displaystyle \varepsilon =h\nu } Δ E = g e μ B B 0 {\displaystyle \Delta E=g_{\mathrm {e} }\mu _{\mathrm {B} }B_{\mathrm {0} }} ,我们可以得到电子顺磁共振的基础公式: h ν = g e μ B B 0 {\displaystyle h\nu =g_{\mathrm {e} }\mu _{\mathrm {B} }B_{\mathrm {0} }} 。实验上,非常多种频率和磁场的组合都能满足此公式,但大多量测都是用9,000–10,000 MHz(9–10 GHz)范围的微波进行,其对应的磁场大约为3500 G(0.35 T)。

理论上,改变照射在样品上的光子频率而磁场不变,或者相反,都可以得到电子顺磁共振光谱。但实际上通常是固定频率。样品暴露在固定频率的微波中,然后开始增强外加磁场。电子能级相差越来越大,直到能级差值与微波能量相同,如先前的图所示。此时未成对电子能在两能级间移动。电子依麦克斯韦-玻尔兹曼分布而在低能级分布较多,因此整体而言是在净吸收微波能量。实验时即是量测此吸收值,转换得到光谱。

EPR用在造影上,理想上是可以用在定位人体中所具有的自由基,理论上较常出现在发炎病灶;但目前仍处在开发阶段,包括讯杂比等等问题待解决。

相关

  • 祠祭祠祭是在宗族祠堂祭祀祖先,又称族祭。闽南裔台湾人的祭祀时间除了祖先或亲人忌日外(一般“对年”之后就不拜生日,除非视为神明),常在除、清、盂、九等节庆:客家裔台湾人通常在公厅
  • 黄老道家系列条目黄老是早期道家思想的一种,把传统的归隐而居的道家的哲学用于治国以实现富国强兵,因推崇黄帝和老子而得名。黄老道家后来也变为道教的开端。老子之门人,托言黄帝,并
  • 俄属北美俄属北美(俄语:Русская Америка,罗马化:Russkaya Amerika)是俄罗斯帝国在北美洲的殖民地,范围与今日美国的阿拉斯加州大致相同。历史可始于俄国官方在18世纪初叶发
  • 非洲语言非洲语言主要分为五个语系:此外还有许多比较小的语系和孤立语系,以及未分类的语言。原先划分出来的科依桑语系(包含50语言,12万人使用,集中在非洲南部)是一种过时分类,内部没有语系
  • 弗雷戴特詹姆斯·塔夫特·“吉默”弗雷戴特(英语:James Taft "Jimmer" Fredette,1989年2月25日-),美国男子篮球运动员,曾效力于NBA、CBA等职业联赛。他在2011年的NBA选秀中第1轮第10顺位被
  • 古斯塔夫·诺斯克古斯塔夫·诺斯克(Gustav Noske;1868年7月9日-1946年11月30日),德国政治家,曾在1919至20年担任魏玛共和国的首任国防部长。诺斯克是德国社民党成员,在一战期间是德国议会成员,一直积
  • 巴特纳巴特纳(阿拉伯语:باتنة‎)位于阿尔及利亚东北部,是巴特纳省的首府,人口285,800(2004年),是该国第五大城市。
  • 泛亚泛亚,意即泛亚洲区域,多指包含中国、日本、韩国与新加坡等东亚主要国家为首的区域,或是亚洲-环太平洋区域。
  • 蒂普图尔蒂普图尔(Tiptur),是印度卡纳塔克邦Tumkur县的一个城镇。总人口53043(2001年)。该地2001年总人口53043人,其中男性27277人,女性25766人;0—6岁人口5692人,其中男2962人,女2730人;识字率
  • 萨菲东萨菲东(Safidon),是印度哈里亚纳邦Jind县的一个城镇。总人口27542(2001年)。该地2001年总人口27542人,其中男性14799人,女性12743人;0—6岁人口3939人,其中男2215人,女1724人;识字率65.