电子顺磁共振技术

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1、电子顺磁共振技术电子顺磁共振技术洪远凯洪远凯Electron Electron ParaParamagnetic Resonance,EPRmagnetic Resonance,EPRElectron Spin Resonance, ESR= eJJe=23) 121(21) 1(=+=+IIe原子核原子核电子电子e e= eme 2C原子核原子核 I=1 ms= -1，0，1B21,2121=smI电子电子B低能态高能态低能态高能态 磁子磁子seBeBmJ=ses emmcme=2Be21Be21 E= eB h = eB电子的塞曼能级分裂电子的塞曼能级分裂h = eB顺磁共振现象顺磁共振现

2、象 =9.5GHzB=0.3400T电子在两种不同自旋状态电子在两种不同自旋状态(顺磁场与 逆磁场顺磁场与 逆磁场)上的分布满足上的分布满足Boltzmann分布的能量最低原理，具有能量较低的 顺磁状态的电子比例较大。二者通过分布的能量最低原理，具有能量较低的 顺磁状态的电子比例较大。二者通过 弛豫弛豫作用维持动态平衡。作用维持动态平衡。驰豫现象驰豫现象 自旋-晶格驰豫（T1）：处于高自旋 能态的电子将能量传递给环境而回 到低能态的现象。自旋-晶格驰豫（T1）：处于高自旋 能态的电子将能量传递给环境而回 到低能态的现象。 自旋-自旋驰豫（T2） ：处于高自 旋能态的电子将能量转移给处于低 自旋

3、能态的电子，不同自旋能态的 电子间交换能量，自旋-自旋驰豫（T2） ：处于高自 旋能态的电子将能量转移给处于低 自旋能态的电子，不同自旋能态的 电子间交换能量，不影响自旋体系 整体的能量。不影响自旋体系 整体的能量。电子在不同自旋能态的寿命t：与驰豫速度 成反比,与驰豫时间成正比。根据量子力学 原理(Heisenberg),t有一定的变化范围t电子在不同自旋能态的寿命t：与驰豫速度 成反比,与驰豫时间成正比。根据量子力学 原理(Heisenberg),t有一定的变化范围t谱线宽度谱线宽度 t E 21ttB1电子两个自旋态之间的能量差有一定的变化范围，能引起共振的磁场自然也就有一定范围（电子两

4、个自旋态之间的能量差有一定的变化范围，能引起共振的磁场自然也就有一定范围（谱线宽度谱线宽度）。驰豫作用越强， t就越小，E就越大，谱线就越宽，因而，驰豫和所得到的谱线宽度有密切关系，凡能使驰豫作用增强的任何因素都将使线宽增加,空间分辨降低。）。驰豫作用越强， t就越小，E就越大，谱线就越宽，因而，驰豫和所得到的谱线宽度有密切关系，凡能使驰豫作用增强的任何因素都将使线宽增加,空间分辨降低。多电子物质的多电子物质的ESR?1 首先占据能量较低的轨道2 每个轨道最多允许2个1 首先占据能量较低的轨道2 每个轨道最多允许2个自旋方向相反自旋方向相反的电子3 在同能量的轨道有多个（不止一个）时，电子要首

5、先分占不同的轨道，且的电子3 在同能量的轨道有多个（不止一个）时，电子要首先分占不同的轨道，且自旋方向相同自旋方向相同电子在原子核外排布规则电子在原子核外排布规则外层价电子决定原子性质外层价电子决定原子性质. .O. .H.H. .N. .O.NOH2O. .O. . .N.自由基自由基free radical顺磁共振的研究对象顺磁共振的研究对象生物自由基生物自由基:含有一个或多个孤电子含有一个或多个孤电子生 物 自 由 基生 物 自 由 基含有过渡金属离子的复合物含有过渡金属离子的复合物能独立存在的，具有孤电子的能独立存在的，具有孤电子的 原子原子、原子团原子团、离子离子、 分子分子双基双基

6、diradical:含有两个孤电子的 分子含有两个孤电子的 分子,无偶合三态分子无偶合三态分子triplet molecules:含有 两个孤电子的分子含有 两个孤电子的分子,偶合很强偶合很强h = eBh =g eB gChemical shift 轨道磁矩轨道磁矩,核磁矩核磁矩,环境环境结构信息结构信息G因子因子自由电子, g=2.0023自由基(大部分), g2过渡金属离子, g偏离较大.超精细分裂 现象和超精 细分裂常数超精细分裂 现象和超精 细分裂常数a16O,99.79%,I=0,17O,0.038%,I=5/212C,98.9%,I=013C,1.11%,I=1/214N,99.

7、79%,I=1TEMPOG因子因子的各向异性的各向异性G因子因子不仅与样品的结构不仅与样品的结构,而且与 其而且与 其相状态相状态有关。液相时有关。液相时, G因子因子各向 同性；固体粉末或单晶时，各向 同性；固体粉末或单晶时， G因子因子 各向同性，即与外磁场和单晶间的 相对取向有关各向同性，即与外磁场和单晶间的 相对取向有关 G张量张量电子的轨道磁矩对 分子轴具有固定取向TEMPO(a)多晶粉末多晶粉末EPR谱，谱， (b)被标记的生物大分子在水溶液中的被标记的生物大分子在水溶液中的EPR谱谱 (c)直接溶于水溶液时的直接溶于水溶液时的EPR谱谱各向同性各向同性各 向 异 性各 向 异 性

8、波段波段频率频率 GHz波长波长 cmB（T） （） （g=2）S3.29.40.114X9.53.20.339K251.20.893Q350.861.25各型各型ESR谱仪谱仪ESR在生物医学中的应用在生物医学中的应用1：直接检测研究生物自由基（包括生物 体内的自由基，过渡金属离子复合物）：直接检测研究生物自由基（包括生物 体内的自由基，过渡金属离子复合物） 2：用自旋捕获技术检测研究生物自由基：用自旋捕获技术检测研究生物自由基 3：使用自旋标记技术将自由基探针引入 生物体，通探针的：使用自旋标记技术将自由基探针引入 生物体，通探针的ESR信号研究无顺 磁中心的生物体系信号研究无顺 磁中心的

9、生物体系生物体内自由基的产生：生物体内自由基的产生：生化反应中的中间体生化反应中的中间体生命过程中（如，衰老、病变）生命过程中（如，衰老、病变）外界因素刺激（如，射线、致癌 物质作用）反应活性高 半衰期短外界因素刺激（如，射线、致癌 物质作用）反应活性高 半衰期短低浓度低浓度自由基 捕获技术自由基 捕获技术自由基捕获技术自由基捕获技术 Spin trapping R R-SA + STR-SA自由基加合物（自由基加合物（radical adduct） 较稳定，较长寿命，） 较稳定，较长寿命，ESR谱有特异性谱有特异性NO的自旋捕获技术的自旋捕获技术自旋捕获剂自旋捕获剂:metal comple

10、xFe2+complexN-甲基葡萄糖胺甲基葡萄糖胺-铁复合物铁复合物N-methyl-D-glucosamine,MGD(MGD)2-Fe2+-NO(MGD)2-Fe2+-No大鼠脂多糖引发脓毒性 休克大鼠脂多糖引发脓毒性 休克6小时后皮下注射小时后皮下注射 (MGD)2-Fe2+，2小时后 测小时后 测 EPR 谱谱The efficiency of NO spin trapping can be sharply increased by the exposure of tissue to some exogenous FeS-containing complexesirondinitro

11、syls (DNIC)自旋标记技术自旋标记技术 Spin labeling 无顺磁中心无顺磁中心自旋标记物自旋标记物 spin labelsL-band-ESRTEMPOTEMPOLTEMPONE 1.孤电子被几个甲基基团遮蔽孤电子被几个甲基基团遮蔽,2.ESR谱简单谱简单3.对环境敏感对环境敏感4.小分子小分子,不影响研究体系不影响研究体系水相水相脂相脂相脂相脂相膜的流动性膜的流动性PH=TEMPOESR法测定膜脂相变温度法测定膜脂相变温度T脂肪烃链标记物的插膜情况脂肪烃链标记物的插膜情况CH3-(CH2)m-C-(CH2)n- +CH3-(CH2)m-C-(CH2)n- +各向异性各向同性

12、各向异性各向同性定位定位自旋标记技术自旋标记技术 Site-directed spin labeling,SDSL氮氧 化合物氮氧 化合物CysteineS-S定位定位 自旋标记自旋标记Protein-SH视紫红质 在黑暗视紫红质 在黑暗 (蓝蓝）状 态和光亮）状 态和光亮 (红红）状 态的构象 变化和相 应的）状 态的构象 变化和相 应的ESR 谱谱自旋成像自旋成像血管舒张药物所产生的血管舒张药物所产生的NO在体内的分布在体内的分布思考题思考题1.为什么对称伸缩振动没有相应的红外吸收峰为什么对称伸缩振动没有相应的红外吸收峰?2.偶偶-偶核的自旋量子数为偶核的自旋量子数为0,没有没有NMR谱谱,为什么为什么?3.偶偶-偶核是否没有自旋运动偶核是否没有自旋运动?4.如何指认醋酸乙酯的COSY谱?5.ESR谱有什么用处?CH3CH2OCCH3=O123