基于金刚石氮-空位色心的精密磁测量

磁是一种重要的物理现象,对其进行精密测量推动了许多科技领域的发展.各类测磁技术,包括霍尔传感器、超导量子干涉仪、自旋磁共振等,都致力于提升空间分辨率和灵敏度.近年来,金刚石中的氮-空位色心广受关注.这一固态单自旋体系具有许多优点,例如易于初始化和读出、可操控、具有较长相干时间等,这使得它不仅在量子信息、量子计算等领域崭露头角,而且在量子精密测量上显现出巨大的应用前景.基于氮-空位色心,利用动力学解耦、关联谱等技术,已实现若干高灵敏度、高分辨率的微观磁共振实验,其中包括纳米尺度乃至单分子、单自旋的核磁共振和电子顺磁共振.氮-空位色心也可以用于微波和射频信号的精密测量.本文对围绕上述主题开展的一系列研究工作进行综述.     

我国电子自旋共振波谱领域研究的50年回顾

电子自旋共振(ESR)波谱技术自1944年发现以来, 迄今已在化学、物理学、地矿学、生物学特别是生命科学的许多领域得到广泛应用, 由初期主要是对长寿命和稳定的顺磁粒子的研究, 逐步发展到对短寿命中间体, 反应过程机理和动力学的研究. 在检测技术方面, 日益广泛 地采用自旋标记, 自旋捕捉, 时间分辨ESR, 电子 核双共振, 化学诱导动态电子极化(CIDE P )和自旋回波等技术. 我国从20世纪50年代末开始将ESR技术用于某些研究领域, 80年代以后有了很快的发展. 以下仅就我国几十年来ESR研究领域的几个主要方面予以简单回顾. 有关文献引用只限于国内外核心刊物正式发表的论文和报道.     

用ESR研究缺血再灌注组织和多形核白细胞产生的NO自由基

总结了近年来我们实验室用低温顺磁共振(ESR)技术在生物体系,特别是在组织缺血再灌注和多形核白细胞中研究NO自由基的技术,波谱解析和所得到的结果.     

配合物PdCl_2[(PPh_2)_2CHC1]的合成、结构及反应机理

合成了新配合物PdCl2[(PPh2)CHCl]，用核磁、红外光谱、元素分析等表征了其结构，X－rax衍射确定了单晶结构.应用电子顺磁共振-自旋捕获（EPR－ST）对技术研究了其反应的机理．捕获到PPh2及含碳自由基中间体，提出了反应机理．     

超分子屏蔽效应对富勒烯自由基C59N·稳定性的影响及其诱导的(C59N)2中键接碳笼C-C键的转移重构

富勒烯自由基通常是在空气中短暂存在或不稳定的短寿命物种,超分子屏蔽是近年来被发展用于稳定富勒烯自由基稳定的一种有效策略.本文将共价桥联碳质π电子共轭双嵌N分子碗作为客体C₅₉N·富勒烯自由基的理想宿主体,通过密度泛函理论计算研究了二者之间的主客体相互作用、热力学、自旋电子密度等性质.结果发现C₅₉N·富勒烯自由基嵌螯在该钳形双分子碗的凹穴内而被屏蔽,从而有效避免单电子结构的暴露和C₅₉N·自由基之间的化学二聚,即显著增强其动力学稳定性和寿命,这种策略对富勒烯自由基在自旋电子学、超分子电子器件或光电转换器件等领域的应用具有潜在指导价值.此外,本研究还发现通过超分子屏蔽策略,理论上可以实现对(C₅₉N)₂二聚体分子中键连两个碳笼的C-C进行重构,这也为富勒烯相关体系中C-C键构建的提供了一种新的思路与途径.     

电子自旋共振(ESR)技术在生物和医学中的应用

电子自旋共振(electron spin resonance,ESR)是检测自由基最直接最有效的方法,是自由基生物学和医学不可缺少的重要研究技术. 作者综述了ESR、自旋标记、自旋捕集和ESR 成像技术的最新发展及ESR技术在细胞膜、蛋白质结构和一些重大疾病如心脏病、老年痴呆症、帕金森综合症和中风等疾病研究及辐射损伤和植物疾病研究中的应用.     

配合物PdCl2[(PPh2)2CHCl]的合成、结构及反应机理

合成了新配合物PdCl₂[(PPh₂)₂CHCl],用核磁、红外光谱、元素分析等表征了其结构,X-rax衍射确定了单晶结构.应用电子顺磁共振-自旋捕获(EPR-ST)对技术研究了其反应的机理.捕获到PPh₂及含碳自由基中间体,提出了反应机理.     

基于电子顺磁共振的ZnTPP激发态及其TEMPO各向异性的研究

为了研究卟啉类敏化剂的光致激发态能量转移和电子转移问题,本文基于紫外可见光谱仪和电子顺磁共振波谱仪,构建了以锌卟啉为研究对象的"锌卟啉-稳态自由基-二甲苯"实验体系.锌卟啉的紫外可见光谱显示,在可见光谱的B带和Q带出现明显的特征峰,是锌卟啉分子中电子由基态能级跃迁至激发态能级产生的.低温条件下受紫外可见光辐照的实验体系的电子顺磁共振波谱,检测到了稳态自由基四甲基哌啶氧化物的增强吸收电子顺磁共振波谱.根据分子激发态相关理论、光化学物理反应理论和化学诱导电子自旋极化理论对实验结果进行了分析,结果表明,四甲基哌啶氧化物稳态自由基电子顺磁共振波谱的增强吸收对应于锌卟啉光致激发态的能量转移和电子转移;四甲基哌啶氧化物在低温(143 K)下的电子顺磁共振波谱表现出的各向异性特征现象来源于氮氧自由基电子与氮核的各向异性超精细相互作用.     

Fe(Ⅱ)-N_4S_2自旋翻转单分子磁体的电子输运性质（英文）

由于其具有高自旋和低自旋磁性双稳态特性,单分子磁体是构建分子自旋电子器件最有潜力的候选体系.基于第一性原理计算和非平衡格林函数方法,我们研究了Fe(Ⅱ)-N_4S_2自旋翻转单分子磁体在两个金电极之间的电子结构和输运特性.优化的几何结构参数和计算出来的磁性与实验结果吻合,基于翻转能垒,发现该磁体在可见光范围可实现高低自旋之间的翻转.当磁体处于高自旋态时,其电流在小偏压条件下主要由自旋向下的电子贡献,表现出显著的自旋过滤效应.这些理论研究结果表明此类单分子磁体可用设计分子自旋电子学器件.     

Pd(OAc)2与PPh3在氯代甲烷中的反应研究

用Pd(OAc)₂与PPh₃在四氯甲烷中反应,合成了配合物PdCl₂(PPh₃)₂?CCl₄,得到单晶,用X-ray衍射确定了单晶结构.应用电子顺磁共振-自旋捕获(EPR-ST)技术研究了其反应的机理.捕获了含碳自由基中间体,提出了反应机理.     

X-波段电子顺磁共振的微观有序宏观无序谱分析

相关时间和序参量是表征自旋探针标记大分子运动与分布的两个重要参数。用合适的物理模型,通过线型分析同时确定这些参数在电子顺磁共振谱的解析中非常有意义。文章应用微观有序宏观无序(MOMD)模型,在X-波段对具有轴对称磁参量自旋探针的EPR谱进行了模拟计算,测量了波形的实验参数,比较了与经验公式分析的误差。对于MOMD谱,作者提出了分辨标准来筛选实验参数进行线型分析,以此确定了同时解析相关时间及内部序参量的有效区间。     

NdBa2Cu3-xMnxOy体系的结构和声子振动

利用X光衍射、红外光谱、电子顺磁共振等实验手段对多晶样品NdBa2Cu3-xMnxOy(0≤x≤0.3)的结构、声子振动和自旋关联情况进行了研究.结果表明:随着Mn掺杂浓度的增加,样品由四方结构转变为正交结构.红外谱的研究发现:所有样品在580cm-1附近都有一个峰,强度随着掺杂浓度的增加而增强,振动膜逐渐软化这和样品的微结构变化密切有关.ESR研究表明: NdBa2Cu3-xMnxOy体系在不掺杂或低掺杂浓度时只有很弱的自旋共振信号,进一步增加Mn含量,自旋信号增强,线宽降低,显示Mn掺杂浓度增加引起Mn离子的自旋局域化程度增强.本文讨论了掺杂对结构、红外谱和自旋关联的影响.     

时间分辨ESR与电子自旋极化研究

介绍了近年发展起来的时间分辨TRESR技术，以3个实例介绍了用TRESR研究光解自由基的电子自旋极化的状况，指出研究自旋极化可以得到关于分子激发态和自由基反应动力学等丰富的多方面信息，TRESR技术是研究光与分子相互作用的一种重要手段。     

判明癌症不用刀 一束头发见分晓——电子顺磁共振技术用于临床

中科院贵阳地化所高级工程师唐荣炳、副研究员蔡秀成、贵阳市第一人民医院主治医生石天择、贵阳中医学院讲师董菲洛等运用电子顺磁自旋共振(ESR)对人发进行自由基含量分析,可判明是否癌变。     

pH自旋探针分子的ESR波谱性质和量子化学研究─pH自旋探针应用研究之二

系统研究了咪唑类氮氧自由基作为pH自旋探针的ESR波谱特性．用量子化学方法AM1研究了pH自旋探针分子的几何结构、电子结构及电子自旋密度分布．aN理论值与实验结果基本一致．得到了pka值与电子密度关系曲线．指出了它们在生命科学中的应用前景．     

RCCo_3(CO)_9的电化学和RCCo_3(CO)_9~-的ESR谱研究

本文对三种RCCo_3(CO)_9及相应的自由基进行了电化学和ESR谱研究.电化学研究表明,RCCo_3(CO)_9被还原为自由基的难易与R的性质有关,RCCo_3(CO)_9在室温下可以稳定存在.在对分子轨道对称性分析的基础上对簇合物自由基的ESR谱进行了讨论.确定了超精细偶合常数的符号和未成对电子占据轨道的性质,计算了Co的3d轨道和4s轨道的自旋密度.     

ESR自旋捕集技术的发展和在生物医学研究中的应用

ESR是研究自由基最直接和最有效的技术,但是这些自由基必须是相对稳定的,而且要达到一定浓度才能用ESR技术检测和研究. 而生物体系中产生的自由基大部分是不稳定的,这是常规ESR波谱仪无法检测的. 为了克服ESR技术的这一局限性,发展了自旋捕集技术,这是目前研究生物和医学体系中活泼自由基应用最多也是最成功的方法, 每年都有新的自旋捕集剂合成和大量在生物医学应用的报道,为自由基生物医学的研究和发展做出了巨大贡献.  作者建立和发展了捕捉超氧阴离子自由基、羟基自由基、脂质过氧化产生的脂类自由基、一氧化氮自由基和单线态氧及一氧化氮和氧自由基同时检测技术. 利用这些技术开展了细胞、组织产生自由基机理,天然抗氧化剂的筛选及一些重大疾病如炎症、心脏病、老年痴呆症、帕金森综合症,中风,辐射损伤,蛋白质氧化,植物光合系统中产生活性自由基和植物的发病机理研究中的应用,取得了一系列研究结果.     

封面故事

正磁共振是揭示物质组成、分子结构和动力学信息的基本工具之一,已被广泛应用于基础研究和医学等领域。然而目前通用的磁共振谱仪的研究对象通常为数十亿个分子,成像分辨率仅为毫米量级。基于金刚石氮-空位(NV)的单分子磁共振技术,展现出纳米级高分辨率、单分子高灵敏度的优势。基于此技术,我国科研人员在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该     

晶体NiX2(X=Cl,Br,I)的光谱和电子顺磁共振谱研究

在强场耦合图像中,采用双自旋-轨道耦合(SO)参量模型建立了过渡族3d2(3d8)离子的三角对称下全组态光谱能级和电子顺磁共振(EPR)公式.与经典的晶体场理论(仅考虑中心金属离子的自旋-轨道耦合作用)相比较,该公式还包括了配体离子的自旋-轨道耦合作用的贡献,这一模型在应用于计算共价性较强的晶体光谱和电子顺磁共振谱可得到合理的结果.作为验证,用完全对角化方法研究了品体NiX2(X=Cl,Br,I)的光谱和电子顺磁共振谱,结果表明,理论与实验很好地符合.建立的全组态谱能级和电子顺磁共振公式为更精确地计算光谱和电子顺磁共振谱提供了一条可行方法.     

EPR and DFT Study of the Polycyclic Aromatic Radical Cations from Friedel-Crafts Alkylation Reactions

利用电子顺磁共振和电子核双共振技术在间二甲苯与氯代烷烃和对二甲苯与氯代烷烃进行付-克烷基化反应体系中分别检测到二个多核芳烃正离子自由基信号．研究结果表明,所观察到顺磁共振信号分别来自于2,6-二甲基蒽正离子和1,4,5,8-四甲基蒽自由基的贡献．提出了这二个自由基的生成是在付-克烷基化反应中生成的氯代芳基在AlCl3存在下发生Scholl缩合反应生成多核芳烃,后者发生单电子氧化转变为相应的多核芳烃正离子自由基。利用密度泛函理论计算了这两个自由基的超精细偶合常数,与实验值符合相当满意,从理论上支持了对实验超精细谱线的归属．