EPR是一種非破壞性分析技術(shù)，是可用于直接檢測順磁性物質(zhì)的方法。自由基和過渡金屬離子可以在固體，液體，氣體，細胞和體內(nèi)進行鑒定和定量。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，測試太陽能電池中硅的純度以及納米金剛石和鉆石分級的表征。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提供了對酶，膜蛋白，RNA和DNA的結(jié)構(gòu)，功能和反應(yīng)機制的深入了解。生物醫(yī)學(xué)EPR應(yīng)用包括檢測ROS和RNS等自由基，以觀察和評估氧化應(yīng)激和細胞損傷。

 

什么是 EPR？

EPR（電子順磁共振）是一種可檢測含有未成對電子的物質(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，但它們在許多過程中仍然發(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)可以明確檢測未成對電子。熒光檢測等其它技術(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)的獨特能力。EPR 樣品對局部環(huán)境非常敏感。因此，該技術(shù)可提供有關(guān)未成對電子附近的分子結(jié)構(gòu)的信息。EPR 譜有時還會呈現(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動或流動性等動態(tài)過程。EPR 自旋捕獲技術(shù)可檢測短壽命的活潑自由基，是利用 EPR 技術(shù)檢測和鑒定自由基的一個范例。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、流動性等）。

 

ESEEM 和 ENDOR 是兩種 EPR 方法，可測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”結(jié)構(gòu)的強大技術(shù)。定量 EPR 的另一項非常重要的應(yīng)用是輻射劑量測定法。其用途包括醫(yī)療用品和食品的滅菌劑量測定、輻照食品的分析檢測，以及早期人類器物的年代測定等等。

 

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)不測量樣品中的核躍遷，而是檢測未成對電子在外加磁場中的躍遷。電子和質(zhì)子一樣會有“自旋”，所以擁有“磁矩”這種磁屬性。磁矩會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)我們施加外部磁場時，順磁性電子會按照與磁場平行或反平行的方向排布。這會使未成對電子產(chǎn)生兩種能量不同的能級，而當(dāng)電子被分為兩個能級時，我們便可以對其進行測量。

 

起初，處于低能量能級的（即與磁場平行的）電子更多，而高能量能級的（反平行）電子較少。我們使用固定頻率的微波輻射來激發(fā)部分低能量能級的電子，使其躍遷到高能量能級。為了使躍遷發(fā)生，我們還必須讓外部磁場保持特定的強度，使得低能級和高能級之間的能級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，掃描外部磁場。如果磁場和微波頻率“完全匹配”，則可產(chǎn)生 EPR 共振（或吸收），此條件稱為共振條件，上圖中的方程式對此進行了說明。下方是典型 EPR 波譜儀的圖解。