電子順磁共振（EPR）是一種源于非配對(duì)電子磁矩的磁共振技術(shù)。它可以定性、定量地探測(cè)物質(zhì)原子或分子中所含的未配對(duì)電子，探索其周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于自由基，軌道磁矩的影響很小，總磁矩的99%以上來(lái)自電子自旋。因此，電子順磁共振也被稱為“電子自旋共振”（ESR測(cè)試）。

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基本原理

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電子是具有一定質(zhì)量和帶負(fù)電荷的一種基本粒子，它能進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng)；一種是在圍繞原子核的軌道上運(yùn)動(dòng)，另一種是對(duì)通過其中心的軸所作的自旋。由于電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力矩，在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電流和磁矩。在外加恒磁場(chǎng)H中，電子磁矩的作用如同細(xì)小的磁棒或磁針，由于電子的自旋量子數(shù)為1/2，故電子在外磁場(chǎng)中只有兩種取向：一與H平行，對(duì)應(yīng)于低能級(jí)，能量為-1/2gβH；一與H逆平行，對(duì)應(yīng)于高能級(jí)，能量為+1/2gβH，兩能級(jí)之間的能量差為gβH。若在垂直于H的方向，加上頻率為v的電磁波使恰能滿足hv=gβH這一條件時(shí)，低能級(jí)的電子即吸收電磁波能量而躍遷到高能級(jí)，此即所謂電子順磁共振。在上述產(chǎn)生電子順磁共振的基本條件中，h為普朗克常數(shù)，g為波譜分裂因子（簡(jiǎn)稱g因子或g值），β為電子磁矩的自然單位，稱玻爾磁子。以自由電子的g值=2.00232，β=9.2710×10-21爾格/高斯，h=6.62620×10-27爾格·秒，代入上式，可得電磁波頻率與共振磁場(chǎng)之間的關(guān)系式：（高斯）= 2.8025（兆赫）。

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檢測(cè)對(duì)象

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1. 在分子軌道中出現(xiàn)不配對(duì)電子（或稱單電子）的物質(zhì)。如自由基（含有一個(gè)單電子的分子）、雙基及多基（含有兩個(gè)及兩個(gè)以上單電子的分子）、三重態(tài)分子（在分子軌道中亦具有兩個(gè)單電子，但它們相距很近，彼此間有很強(qiáng)的磁的相互作用，與雙基不同）等。2. 在原子軌道中出現(xiàn)單電子的物質(zhì)，如堿金屬的原子、過渡金屬離子（包括鐵族、鈀族、鉑族離子，它們依次具有未充滿的3d，4d，5d殼層）、稀土金屬離子（具有未充滿的4f殼層）等。

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應(yīng)用研究進(jìn)展

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電子順磁共振波譜儀是一項(xiàng)檢測(cè)具有未成對(duì)電子樣品的波譜方法。即使是在正在進(jìn)行的化學(xué)和物理反應(yīng)中，它也能獲得有意義的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息和動(dòng)態(tài)信息，且不影響這些反應(yīng)。在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，電子順磁共振波譜儀彌補(bǔ)其它分析手段的理想技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域包括生物與醫(yī)學(xué)、材料研究、化學(xué)領(lǐng)域、物理領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用等等。

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臺(tái)式電子順磁共振波譜儀可快速準(zhǔn)確分析；緊湊、符合人體工學(xué)的設(shè)計(jì)，占地面積小，不需要復(fù)雜耗時(shí)的樣品制備過程；即插即用；功能強(qiáng)大的常規(guī)程序；PC控制、全自動(dòng)操作、優(yōu)化軟件包；集成定制的批量實(shí)驗(yàn)協(xié)議功能為用戶提供定制的場(chǎng)景，節(jié)約時(shí)間；服務(wù)友好的遠(yuǎn)程技術(shù)支持；可升級(jí)。

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由于電子自旋相干、自旋捕捉、自旋標(biāo)記、飽和轉(zhuǎn)移等電子順磁共振和順磁成像等實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了固體樣品的電子自旋與核自旋退相干時(shí)間大幅度延長(zhǎng)，以及從常規(guī)自由基到短壽命自由基的檢測(cè)；從順磁性物質(zhì)( 自由基，順磁性金屬離子)到自旋標(biāo)記的非順磁性物質(zhì)的檢測(cè)；從體外自由基到細(xì)胞、組織和體內(nèi)自由基的檢測(cè); 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(jìn)行自旋標(biāo)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(shí)，還注意有很強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的考古年代和香煙自由基的 EPR 測(cè)定等等。

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電子順磁共振EPR 在量子操控和量子計(jì)算方面的應(yīng)用

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量子計(jì)算具備經(jīng)典計(jì)算所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)和前景。用電子順磁共振 EPR 進(jìn)行量子操控和量子計(jì)算的方法是，將自旋電子材料作成芯片，通過對(duì)其施加微波脈沖，實(shí)現(xiàn)其原子外層單電子自旋態(tài)的操控并對(duì)電子自旋態(tài)進(jìn)行編碼，利用電子自旋態(tài)編碼進(jìn)行量子運(yùn)算。

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由于自旋的固態(tài)量子計(jì)算相干時(shí)間長(zhǎng)，邏輯門操作速度快，單量子比特讀出等優(yōu)點(diǎn)，成為研究的熱點(diǎn)。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(gè)微波脈沖把一種叫丙二酸的材料里的電子自旋的相干時(shí)間從不足二千萬(wàn)分之一秒提高到了近三萬(wàn)分之一秒，這個(gè)時(shí)間已經(jīng)能夠滿足一些量子計(jì)算任務(wù)，在國(guó)際上首次利用最優(yōu)動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)提高固態(tài)體系中電子自旋的相干時(shí)間，將電子自旋退相干時(shí)間從0.04 μs提高到了30 μs。還首次將動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)成功應(yīng)用到保護(hù)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。還自主研制 S 波段光探測(cè)磁共振譜儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jìn)行量子計(jì)算的潛力。

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自由基中間產(chǎn)物的直接檢測(cè)和分析

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用電子順磁共振 EPR 檢測(cè)自由基是一種快速的、直接有效的方法，實(shí)驗(yàn)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(jì)算出來(lái)，通過與標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(hào)，譬如，檢測(cè)富勒烯 C80與金屬 Sc 反應(yīng)形成的負(fù)離子自由基 Sc3 C2 包括 C80 的 EPR 信號(hào)。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(duì)含碳無(wú)機(jī)化合物輻照形成中間自由基產(chǎn)物的測(cè)量是電子順磁共振 EPR 考古年代方法的實(shí)質(zhì)，它可以應(yīng)用于大型水電站和建筑群選址的參考。

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瞬態(tài)自由基的電子順磁共振 EPR 檢測(cè)方法及應(yīng)用

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自由基捕獲技術(shù)與EPR結(jié)合具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、分析結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于短壽命、低穩(wěn)態(tài)濃度的瞬態(tài)自由基的檢測(cè)，在許多涉及細(xì)胞甚至動(dòng)物體系以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(cè)的實(shí)驗(yàn)方法是: 首先設(shè)計(jì)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(duì)捕獲反應(yīng)加合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，通過逐一鑒定電子順磁共振 EPR 譜線上各峰對(duì)應(yīng)組分結(jié)構(gòu)，推斷并鑒定。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(xì)胞呼吸爆發(fā)等病理過程產(chǎn)生的活性氧自由基，認(rèn)為氧自由基可能來(lái)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(xì)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(xì)胞釋放一氧化氮信號(hào)的過程，活性氧自由基與基因表達(dá)的關(guān)系；開展針對(duì)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(duì)高等植物光合作用過程產(chǎn)生的活性氧自由基的分子機(jī)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(jì)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(cè)，以便于分析吸煙和疾病的關(guān)系。

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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。

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電子順磁共振（EPR）技術(shù)在物理學(xué)中用于研究某些復(fù)雜原子的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、偶極矩和分子結(jié)構(gòu)。EPR 技術(shù)用在化學(xué)和生物上，能夠探測(cè)自由基用來(lái)考古、動(dòng)物細(xì)胞體系以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的研究。電子順磁共振EPR技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，它可以通過自旋捕獲來(lái)捕獲短壽命的活性氧自由基。

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