رزونانس اسپین الکترون (ESR): اصول، ابزار، کاربردها

فهرست مطالب نمایش

رزونانس اسپین الکترون (ESR) چیست؟

رزونانس اسپین الکترون (ESR) که با نام‌های رزونانس مغناطیسی الکترون (EMR) یا رزونانس پارامغناطیس الکترون (EPR) نیز شناخته می‌شود، شاخه‌ای از طیف‌سنجی جذبی است که در آن تابش‌های دارای فرکانس در ناحیه مایکروویو (۰.۰۴ تا ۲۵ سانتی‌متر) توسط مواد پارامغناطیس برای القا جذب می‌شوند تا انتقال بین سطوح انرژی مغناطیسی الکترون‌ها با اسپین‌های جفت نشده صورت گیرد.
ESR بر این علم استوار است که اتم‌ها، یون‌ها، مولکول‌ها یا قطعات مولکولی که دارای تعداد فرد الکترون هستند، خواص مغناطیسی مشخصی از خود نشان می‌دهند. یک الکترون دارای اسپین است و در اثر اسپین، گشتاور مغناطیسی وجود دارد.
از زمان کشف آن در سال 1944 توسط K. Zavoisky، طیف‌سنجی EPR به عنوان یک تکنیک بسیار حساس و آموزنده برای بررسی انواع مختلف گونه‌های پارامغناطیس در حالت جامد یا مایع مورد استفاده قرار گرفته است.

اصول رزونانس اسپین الکترون (ESR)

پدیده رزونانس اسپین الکترون (ESR) بر اساس این واقعیت است که یک الکترون در یک ذره، باردار است. حول محور خود می‌چرخد و این چرخش باعث می‌شود که مانند یک آهنربای میله‌ای کوچک عمل کند. هنگامی که یک مولکول یا ترکیب با یک الکترون جفت نشده در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد، اسپین الکترون جفت‌نشده می‌تواند به دو روش مختلف با ایجاد دو حالت اسپینی ms = ± ½ هماهنگ شود.

تراز می‌تواند در امتداد جهت (موازی) میدان مغناطیسی باشد که مربوط به حالت انرژی پایین تر ms = – ½ و همچنین مخالف (ضد موازی) جهت میدان مغناطیسی اعمال شده ms = + ½ است.

این دو هم ترازی، انرژی‌های متفاوتی دارند و این تفاوت در انرژی انحطاط حالت‌های اسپین الکترون را بالا می‌برد. تفاوت انرژی توسط:

∆ E = E+ – E- = hv = gmßB

جایی که،

h = ثابت پلانک (6.626 x 10-34 J s-1)

v = فرکانس تابش

ß = مگنتون بور (9.274 x 10-24 J T-1) B = قدرت میدان مغناطیسی در تسلا

g = ضریب g که یک واحد اندازه‌گیری کمتر از گشتاور مغناطیسی ذاتی الکترون است و مقدار آن برای یک الکترون آزاد 0023/2 است.

یک الکترون جفت نشده می‌تواند با جذب یا گسیل یک فوتون انرژی بین دو سطح انرژی حرکت کند، به طوری که شرط تشدید، hv = ∆ E، رعایت شود. این عمل منجر به معادله اساسی طیف سنجی EPR می‌شود.

کار رزونانس اسپین الکترون (ESR)

اگرچه این معادله ترکیب بزرگی از مقادیر فرکانس و میدان مغناطیسی را مجاز می‌سازد، اکثر اندازه‌گیری‌های EPR با امواج مایکروویو در ناحیه 9000-10000 مگاهرتز (9-10 گیگاهرتز) انجام می‌شوند.
طیف EPR را می‌توان با ثابت نگه داشتن فرکانس فوتون و در عین حال تغییر میدان مغناطیسی وارد شده بر روی نمونه تولید کرد.
مجموعه‌ای از مراکز پارامغناطیس مانند رادیکال‌های آزاد با فرکانس ثابت در معرض امواج مایکروویو قرار می‌گیرند.
با افزایش میدان مغناطیسی خارجی، شکاف بین حالت‌های انرژی و انرژی افزایش می‌یابد اما فقط تا زمانی که با انرژی امواج مایکروویو مطابقت داشته باشد.
در این مرحله الکترون‌های جفت نشده می‌توانند بین دو حالت اسپین خود حرکت کنند. از آنجایی که معمولاً الکترون‌های بیشتری در حالت پایین وجود دارند، به دلیل توزیع ماکسول-بولتزمن، جذب خالص انرژی نیز وجود دارد.
عمل جذب نظارت می‌شود و به یک طیف تبدیل می‌شود.

ابزار دقیق رزونانس اسپین الکترون (ESR)

کلیسترون (Klystron)

لوله کلیسترون به عنوان منبع تابش عمل می‌کند.
در برابر نوسانات دما با غوطه‌ور شدن در حمام روغن یا با خنک کردن هوا تثبیت می‌شود.
فرکانس تابش تک رنگ با ولتاژ اعمال شده به کلیسترون تعیین می‌شود.
این فرکانس توسط یک مدار کنترل خودکار ثابت نگه داشته می‌شود و توان خروجی حدود 300 میلی‌وات را فراهم می‌کند.

راهنمای موج یا موج سنج (Waveguide or Wavemeter)

موج سنج بین نوسانگر و تضعیف کننده قرار می‌گیرد.
برای دانستن فرکانس امواج مایکروویو تولید شده توسط نوسانگر کلیسترون استفاده می‌شود.
موج سنج معمولاً به جای طول موج در واحد فرکانس (مگاهرتز) کالیبره می‌شود.
راهنمای موج یک لوله برنجی توخالی و مستطیلی است. برای انتقال تابش موج به نمونه و کریستال استفاده می‌شود.

تضعیف کننده‌ها (Attenuators)

توان منتشر شده در راهنمای موج ممکن است به طور مداوم با قرار دادن یک قطعه از ماده مقاوم در راهنمای موج کاهش یابد. به این قطعه تضعیف کننده متغیر می‌گویند.
این در تغییر توان نمونه از توان کامل کلیسترون به توان ضعیف شده توسط نیروی 100 یا بیشتر استفاده می‌شود.

جداسازها (Isolators)

جداساز دستگاهی است که ارتعاشات فرکانس امواج مایکروویو تولید شده توسط نوسانگر کلیسترون را به حداقل می‌رساند.
جداسازها برای جلوگیری از انعکاس توان مایکروویو به منبع تابش استفاده می‌شوند.
شامل نواری از مواد فریت است که امواج میکرو را تنها در یک جهت مجاز می‌کند.
فرکانس کلیسترون را تثبیت می‌کند.

حفره‌های نمونه (SAMPLE CAVITIES)

مرکز طیف سنج ESR حفره تشدید حاوی نمونه است.
از حفره مستطیلی TE120 و حفره استوانه‌ای TE011 به طور گسترده‌ای استفاده شده است.
در اکثر طیف‌سنج‌های ESR، معمولاً از حفره‌های نمونه دوگانه استفاده می‌شود و برای مشاهده همزمان یک نمونه و یک ماده مرجع انجام می‌شود.
از آنجایی که میدان مغناطیسی با نمونه برهمکنش می‌کند تا رزونانس اسپینی ایجاد کند، نمونه در جایی قرار می‌گیرد که شدت میدان مغناطیسی بیشتر باشد.

اتصال دهنده‌ها و پیچ‌های منطبق

اجزای مختلف مجموعه امواج میکرو با استفاده از عنبیه‌ها یا شکاف‌هایی با اندازه‌های مختلف به هم متصل می‌شوند.

ردیاب‌های کریستال

از آشکارسازهای کریستال سیلیکون، که تشعشعات را در C تبدیل می‌کنند، به طور گسترده‌ای به عنوان آشکارساز تشعشعات مایکروویو استفاده می‌شود.

سیستم مگنت

حفره تشدید بین قطعات قطب یک آهنربای الکتریکی قرار می‌گیرد.
میدان باید نسبت به حجم نمونه پایدار و یکنواخت باشد.
پایداری میدان با انرژی دادن به آهنربا با منبع تغذیه تنظیم شده به دست می‌آید.
طیف ESR با تغییر آهسته میدان مغناطیسی از طریق چگالش رزونانس با جارو کردن جریانی که توسط منبع تغذیه به آهنربا عرضه می‌شود، ثبت می‌شود.

کویل مدولاسیون

مدولاسیون سیگنال در یک فرکانس سازگار، با نسبت نویز سیگنال خوب در آشکارساز کریستال توسط یک تغییر متناوب کوچک میدان مغناطیسی انجام می‌شود.
این تغییرات با ارائه یک سیگنال C به سیم پیچ مدولاسیون با جهت میدان مغناطیسی یکسان، ایجاد می‌شود.
اگر مدولاسیون فرکانس پایین باشد (400 سیکل در ثانیه یا کمتر)، سیم پیچ‌ها را می‌توان در خارج از حفره و حتی روی قطعات قطب آهنربا نصب کرد.
برای فرکانس‌های مدولاسیون بالاتر، سیم‌پیچ‌های مدولاسیون باید در داخل حفره تشدید یا حفره‌های ساخته شده از مواد غیرفلزی مانند کوارتز با روکش نقره‌ای قلع نصب شوند.

دستگاه نمایش

به منظور مشاهده سیگنال به یک سیستم متصل است.

کاربردهای رزونانس اسپین الکترون (ESR)

طیف سنجی ESR یکی از روش‌های اصلی برای مطالعه فلزات واسطه حاوی متالوپروتئین‌ها است.
برای تعیین سرعت کاتالیزور
برای اطلاع از هندسه سایت فعال
برای مطالعه دناتوراسیون و تاخوردگی پروتئین
در مطالعات مربوط به تعامل آنزیم-لیگاند
در سیستم‌های بیولوژیکی
مطالعه رادیکال‌های آزاد
برچسب‌های چرخشی
مطالعه ترکیبات معدنی
سرعت و مکانیسم واکنش
مطالعه مواد طبیعی مانند مواد معدنی دارای عناصر انتقالی، مواد معدنی دارای نقص (مانند کوارتز)، هموگلوبین (Fe)، نفت، زغال سنگ، لاستیک و غیره.
الکترون‌های رسانا