EPR是一種非破壞性分析技術(shù)，是可用于直接檢測(cè)順磁性物質(zhì)的方法。自由基和過渡金屬離子可以在固體，液體，氣體，細(xì)胞和體內(nèi)進(jìn)行鑒定和定量。從化學(xué)結(jié)構(gòu)到分子間相互作用的結(jié)構(gòu)見解來自CW和脈沖 EPR技術(shù)（ESEEM，ENDOR，DEER，Relaxation和Simulation）。

 

EPR的眾多應(yīng)用

從細(xì)胞膜到納米金剛石，EPR應(yīng)用在很多領(lǐng)域廣泛傳播：  化學(xué)，  材料研究，  生命科學(xué)，  量子物理學(xué)和  質(zhì)量控制。

 

在電化學(xué)，氧化還原化學(xué)，光化學(xué)和催化中，EPR可用于研究化學(xué)過程中涉及的金屬中心和自由基。在材料科學(xué)的眾多領(lǐng)域中，應(yīng)用包括聚合物合成，測(cè)試太陽能電池中硅的純度以及納米金剛石和鉆石分級(jí)的表征。在工業(yè)環(huán)境中，EPR用于監(jiān)控產(chǎn)品穩(wěn)定性，雜質(zhì)分布，降解，風(fēng)味穩(wěn)定性和保質(zhì)期，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和過程控制。

 

在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中，EPR提供了對(duì)酶，膜蛋白，RNA和DNA的結(jié)構(gòu)，功能和反應(yīng)機(jī)制的深入了解。生物醫(yī)學(xué)EPR應(yīng)用包括檢測(cè)ROS和RNS等自由基，以觀察和評(píng)估氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷。

 

什么是 EPR？

EPR（電子順磁共振）是一種可檢測(cè)含有未成對(duì)電子的物質(zhì)的波譜學(xué)技術(shù)。該技術(shù)又稱為 ESR（電子自旋共振）技術(shù)。含有未成對(duì)電子的材料多得驚人。這些材料內(nèi)部存在自由基、多種過渡金屬離子，或者缺陷。自由電子的壽命通常很短，但它們?cè)谠S多過程中仍然發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，比如光合作用、氧化作用、催化作用、聚合反應(yīng)等等。因此，EPR 是一種跨越多個(gè)學(xué)科的技術(shù)，包括化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等。

 

EPR 可以提供哪些信息？

目前，只有 EPR 技術(shù)可以明確檢測(cè)未成對(duì)電子。熒光檢測(cè)等其它技術(shù)只能提供有關(guān)自由基的間接證據(jù)，只有 EPR 才能確切地證明自由基的存在。此外，EPR 還擁有檢出并鑒定順磁物質(zhì)的獨(dú)特能力。EPR 樣品對(duì)局部環(huán)境非常敏感。因此，該技術(shù)可提供有關(guān)未成對(duì)電子附近的分子結(jié)構(gòu)的信息。EPR 譜有時(shí)還會(huì)呈現(xiàn)劇烈的譜線形狀變化，這有利于分析人員深入研究分子運(yùn)動(dòng)或流動(dòng)性等動(dòng)態(tài)過程。EPR 自旋捕獲技術(shù)可檢測(cè)短壽命的活潑自由基，是利用 EPR 技術(shù)檢測(cè)和鑒定自由基的一個(gè)范例。該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一直以來都至關(guān)重要，被廣泛用于研究自由基的病理學(xué)和毒理學(xué)作用。EPR 自旋標(biāo)記是生物化學(xué)家常用的一項(xiàng)技術(shù)，它使用順磁分子（即自旋標(biāo)記）來“標(biāo)記”特定區(qū)域的大分子。根據(jù)自旋標(biāo)記物的 EPR 譜，生物化學(xué)家可確定自旋標(biāo)記處于怎樣的環(huán)境下（疏水性、酸堿度、流動(dòng)性等）。

 

ESEEM 和 ENDOR 是兩種 EPR 方法，可測(cè)定電子與附近核之間的相互作用。它們都是用于探查金屬蛋白中“活性位點(diǎn)”結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大技術(shù)。定量 EPR 的另一項(xiàng)非常重要的應(yīng)用是輻射劑量測(cè)定法。其用途包括醫(yī)療用品和食品的滅菌劑量測(cè)定、輻照食品的分析檢測(cè)，以及早期人類器物的年代測(cè)定等等。

 

EPR 的工作原理是什么？

EPR 是一種磁共振技術(shù)，與 NMR（核磁共振）非常相似。但是，該技術(shù)不測(cè)量樣品中的核躍遷，而是檢測(cè)未成對(duì)電子在外加磁場(chǎng)中的躍遷。電子和質(zhì)子一樣會(huì)有“自旋”，所以擁有“磁矩”這種磁屬性。磁矩會(huì)使電子形成類似小磁條的排布，就像您貼在冰箱上冰箱貼那樣。當(dāng)我們施加外部磁場(chǎng)時(shí)，順磁性電子會(huì)按照與磁場(chǎng)平行或反平行的方向排布。這會(huì)使未成對(duì)電子產(chǎn)生兩種能量不同的能級(jí)，而當(dāng)電子被分為兩個(gè)能級(jí)時(shí)，我們便可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

 

起初，處于低能量能級(jí)的（即與磁場(chǎng)平行的）電子更多，而高能量能級(jí)的（反平行）電子較少。我們使用固定頻率的微波輻射來激發(fā)部分低能量能級(jí)的電子，使其躍遷到高能量能級(jí)。為了使躍遷發(fā)生，我們還必須讓外部磁場(chǎng)保持特定的強(qiáng)度，使得低能級(jí)和高能級(jí)之間的能級(jí)間隔完全匹配我們的微波頻率。為了創(chuàng)造上述條件，需要在樣品暴露于固定頻率微波輻射的同時(shí)，掃描外部磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)和微波頻率“完全匹配”，則可產(chǎn)生 EPR 共振（或吸收），此條件稱為共振條件，上圖中的方程式對(duì)此進(jìn)行了說明。下方是典型 EPR 波譜儀的圖解。