电子顺磁共振波谱仪的管理与维护

(南京大学 现代分析中心， 南京 210093)

电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)，又叫电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)是未成对电子在直流磁场中吸收电磁辐射，从低能级跃迁到高能级的现象。电子顺磁共振波谱仪正是基于这一原理，是检测顺磁性物质中所含未成对电子的有力工具，既能够无损研究顺磁性物质的结构和空间分布，又能够在不影响反应的前提下研究物理和化学反应中的动力学和反应机理[1-4]。目前，电子顺磁共振波谱仪已广泛应用于物理学[5]、化学[6]、生物学[7]、医学[8]、环境科学[9]和地质科学[10]等众多科学领域。

南京大学现代分析中心创建于1983年，是学校科研测试和交叉学科研究的共享平台，是分析测试方法和技术的研究中心，同时面向全社会开放，积极为地方经济建设提供科技服务。本文以南京大学现代分析中心的电子顺磁共振波谱仪(德国Bruker EMX-10/12)为例，探讨了仪器长期使用过程中的规范管理、日常维护、常见问题及解决方法，有助于保证仪器的正常运转，充分发挥其作用，更好地服务于教学科研，促进科技发展，同时为此类仪器的管理维护及常见问题分析处理提供借鉴与思路。

1 电子顺磁共振波谱仪原理及结构

1.1 电子顺磁共振波谱仪原理

当样品中含有未成对电子时，电子自旋运动会产生自旋磁矩，在外磁场中呈现顺磁性。将这种顺磁性的样品置于外磁场H中，由于电子是自旋的1/2粒子(Ms=±1/2)，所以有两个可能的能量状态：Eα=1/2gβH，Eβ=-1/2gβH。当H=0时，Eα=Eβ=0，两种自旋的电子具有相同的能量，当H≠0时，能级分裂为二，能级差ΔE=Eα-Eβ=1/2gβH-(-1/2gβH)=gβH，这种现象即为塞曼效应(Zeeman Effect)。其中g为一个无量纲数称为g因子，β为玻尔磁子，H为外磁场强度。

如果在垂直于外磁场H的方向上施加频率为ν的电磁波，当满足ΔE=hν=gβH时，低能级Eβ中的未成对电子吸收电磁波能量跃迁到高能级Eα中，就会发生顺磁共振现象。其中h为普朗克常数，v为电磁波频率。一般EPR信号十分微弱，受激跃迁产生的吸收信号经数据采集处理系统可得到其共振的一次微分谱线，即为EPR吸收谱线[2]。

顺磁分子中除了未成对电子外还有许多具有自旋磁矩的磁性核，把未成对电子自旋磁矩与核自旋磁矩间的相互作用称为超精细相互作用，表现为光谱进一步分裂产生许多分裂谱线。对超精细谱线数目、谱线间隔及其相对强度的分析，有助于确定自由基种类及周围环境。

1.2 电子顺磁共振波谱仪结构

电子顺磁共振波谱仪主要包括：微波桥、谐振腔、电磁铁和数据采集处理系统，见图1。

微波桥包括微波发射源和信号处理的电子单元。由速调管或耿氏(Gunn)二极管震荡器作为产生微波的微波源，同时还包括波导、环形器、微波衰减器和自动频率控制器(AFC)等单元。德国Bruker EMX-10/12型波谱仪有两个微波桥，X波段(9～10GHz)为常用波段，Q波段(34GHz)有较大的分辨率，更适合用于表征低介电损耗单晶的磁各向异性。

谐振腔置于电磁铁的气隙中，样品置于谐振腔中心，故谐振腔又称为样品腔。谐振腔能使微波能量集中于腔内的样品处，使样品在外磁场作用下共振吸收。

电磁铁是电子顺磁共振波谱仪的主体，测试中磁场的变化通过磁场控制器来调控。为了保证电磁铁磁场源的均匀、稳定，电磁铁系统需配备稳压、稳流装置。

数据采集处理系统主要包括调制、放大、相敏检波等电子单元以及进行数据处理的计算机系统，主要功能是把弱的直流电子顺磁共振吸收信号调制成高频交流信号，信号经过高频放大，相敏检波后得到原吸收线型的一次微分信号，即EPR波谱。

图1 电子顺磁共振波谱仪主要结构

2 电子顺磁共振波谱仪的管理

2.1 仪器制度化管理

专职人员负责制。高校分析中心的发展需不断加强团队建设和高水平技术人员的培养[11-12]。南京大学现代分析中心实行大型仪器专职人员负责制，不定期组织培训，提高仪器管理人员的技能和水平。管理人员对仪器的日常测试、定期校准和维护保养等工作全面负责。

仪器使用规范制。南京大学现代分析中心制定了仪器日常使用规范，包括测试前需检查仪器状态，做好测试登记工作；测试时，需严格按照电子顺磁共振波谱仪操作规程进行；测试结束后做好仪器设备运行日志的记录，尤其是发现异常和故障，要随时记录。

仪器定期校准制。南京大学现代分析中心1993年通过国家计量认证，本仪器严格按照JJG (教委) 005-1996《电子顺磁共振谱仪检定规程》和JY/T 005-1996《电子顺磁共振谱方法通则》接受国家认监委定期复审，并定期进行内部校准。

2.2 仪器信息化及开放化管理

信息化管理是应对错综复杂的仪器管理的有效手段[13]。为了实现大型仪器有效开放和资源共享，提高仪器使用率，更好地为教学、科研和社会服务，南京大学现代分析中心实行仪器信息化管理，成立了大型仪器网络平台。该平台能够提供中心所有仪器型号、仪器状态、使用情况等信息，用户均能借助该平台申请样品委托检测、上机预约或培训预约等服务。

此外，南京大学现代分析中心在实行专职人员负责制的基础上对学生开放，特别是鼓励研究生进入实验室参与测试。以电子顺磁共振波谱仪为例，由于自由基具有反应性强和寿命较短的特点，对于自由基捕获类反应的检测，能够满足研究生现场开放化测试的需求。既能让他们直观了解电子顺磁共振波谱仪的结构原理以及工作流程，又能及时对测试条件和谱图进行优化和探讨，寓科研于教学。

3 电子顺磁共振波谱仪的维护

提高大型仪器的使用寿命，确保各项功能正常，需不断积累仪器维修经验，总结合理的维护方法[14-15]。

3.1 工作环境

电子顺磁共振波谱仪工作环境要求温度在15～30℃，相对湿度<80%，所用电源电压波动<10%，不能发生剧烈的温度、湿度变化以及空气流通，以保证谱图基线的相对平稳。因此，实验室需安装必要的空调和除湿装置。

3.2 防尘防锈

实验室灰尘、铁锈等如果落入谐振腔会对谐振腔造成污染，影响样品信号，故需做好实验室的防尘防锈工作。通常可用蘸有机油的抹布(待机油渗入均匀后再使用)擦拭仪器外表面，不仅可以清除仪器表面灰尘，而且对防止仪器生锈也有很好的作用。此外，在每天测试任务结束后可用干净的纸巾将样品腔遮盖，以避免杂质落入样品腔。

3.3 磁铁及微波源系统维护

磁铁和微波源是电子顺磁共振波谱仪的主要部件，对磁铁和微波源的日常维护关键要做好对冷却系统的维护，主要有：(1)为避免热交换器冷却水结垢堵塞管路，可以使用高纯去离子水防止冷却水结垢堵塞冷却管路；(2)定期巡视，检查冷却管路是否有漏液现象，检查冷却水量，及时补充冷却水。

3.4 性能核查

定期检查各部件功能，对仪器灵敏度、分辨率等定期进行内部核查校准，确保仪器各项功能正常。

3.5 其它日常维护

仪器的使用严格按照操作规程进行，并将仪器正常运转时各部件运行图片及信号指示灯情况拍照留存，测试过程对异常声响、气味保持警惕，发现异常现象时可对照图片逐一排查，对发现的异常和故障做好登记，并详细记录解决方法，为以后的维修提供参考依据。

4 电子顺磁共振波谱仪常见问题及解决方法

一般的顺磁共振实验操作包括取放样品、微波桥与谐振腔调谐、设置参数和获得图谱四个主要步骤。在此，将测试过程中的注意事项、常见问题及解决方法进行了总结，希望与同行互相探讨。

4.1 取放样品

样品置于谐振腔时，为使样品信号最大、仪器灵敏度最高，应将样品置于微波磁场最强而电场最弱的位置。样品放在EPR样品管中后，为保证谐振腔Q值一致，每次测量时需使样品管在谐振腔内的深度一致，并且保证样品管竖直。此外，取放样品时要注意保持样品管内外壁清洁，防止样品之间交叉污染及样品对谐振腔的污染。

4.2 仪器硬件故障

4.2.1微波桥控制器自动从操作状态切换到备用状态

出现此现象多是因为微波源或磁铁温度过高，没得到有足够的冷却。如果微波源和磁铁温度过高，保护电路将关闭微波源，此时可以通过查看微波源及磁铁部分是否发热初步判断冷却系统是否故障。如果是冷却系统故障，可以通过检查热交换器是否已开启、冷却管路阀门是否已打开、热交换器中是否有足够的冷却水和热交换器管路是否结垢堵塞等逐一排查。

4.2.2 谐振腔无法临界耦合

当谐振腔腔体与波导的阻抗适当匹配时，最大功率被传输到波导之间即临界耦合。如果样品介电损耗过大则会过多的吸收微波能量，无法严格地达到耦合状态。可适当减少样品量，调整样品位置直到耦合变得更好。另外，如果微波参考相位及虹膜运动极限设置不正确也将无法严格地达到耦合状态，可将虹膜调至最高位置再慢慢往下调，直至谐振腔达到临界耦合状态。

4.2.3 磁铁电源关闭

当磁铁电源上的Temp.或Ext.指示灯亮时，说明磁铁冷却能力不足，此时检查冷却系统热交换器是否开启并正常运行，检查是否有足够的冷却水流过。另外，霍尔探针插入错误的磁极或者霍尔探头从磁铁的极片脱落均会导致磁场或电流达到最大值，此时磁铁电源会因自动保护而关闭。

4.3 图谱结果不理想

4.3.1 灵敏度低

造成灵敏度低的原因一般有：(1)参数设置不当。微波功率、接受增益、调制幅度、时间常数、转换时间、采集点数等参数设置不合理会导致灵敏度降低，可通过记录不同参数的光谱来优化样品的参数。需要指出的是正常情况下信号强度与微波功率的平方根成正比，但当微波功率设定得太高时会导致样品信号饱和，此时随微波功率增大会出现样品信号减小的现象；(2)样品与谐振腔不匹配或谐振腔校准文件选择不正确。此现象往往出现在更换谐振腔时，可重新选择、校对谐振腔及匹配文件；(3)谐振腔Q值低，腔体未临界耦合。当使用有损耗的样品(如水溶液或导电样品)时，往往会发生未临界耦合现象，降低谐振腔Q值。可通过使用毛细管或扁平管减少样品量的方式解决。值得注意的是在进行低温实验时，空气中的水会在低温杜瓦外壁凝结，如果低温杜瓦上的橡皮圈松动，水会流入谐振腔，吸收腔内微波能量使Q值降低。因此低温实验要特别检查杜瓦橡皮圈是否正确安装。

4.3.2 分辨率差

当超精细耦合常数很小时，若线宽增宽往往出现分辨率差、无法显示超精细分裂的现象。(1)调制幅度过大，特别是当调制幅度接近线宽时会使共振线变宽，此时可降低调制幅度，以确保波谱独立于调制幅度；(2)相对于扫描时间来说时间常数过大时，波谱会出现失真和变宽。为了避免这个问题，要确保扫描一次所需的时间至少是时间常数的10倍；(3)微波功率饱和会使共振线宽增宽，分辨率变差，此时可适当降低微波功率；(4)对样品进行必要处理也可减小线宽，如固体样品可通过低温降低自旋-轨道相互作用或加入逆磁性物质降低自旋-自旋相互作用，而溶液样品可通过加入逆磁性溶剂进行稀释。

4.3.3 线形不对称

EPR波谱一般是对称的，出现以下情况时可能会出现线形不对称的现象：(1)背景信号影响。如果谐振腔被具有顺磁性质的杂质污染，背景信号会扭曲样品的波谱。因此取放样品时要注意保持样品管内外壁清洁，防止样品之间交叉污染及样品对谐振腔的污染；(2)样品本身具有各向异性的g因子，得到的谱线一般是不对称的；(3)高电导率或高介电损耗的样品且样品量较多时也会导致线形的不对称。

4.3.4 信噪比差

如果样品本身信号较弱时，信噪比较差，此时可采用多次扫描的方法提高信噪比。一般样品信号强度与扫描次数成正比，而噪音由于随机性只与扫描次数的平方根成正比，因此信噪比与扫描次数的平方根成正比。例如扫描N次时，信号增大为扫描1次的N倍，噪音增大为扫描1次的N1/2倍，信噪比增大为扫描1次的N1/2倍。

5 总结

电子顺磁共振波谱仪近些年来在多学科领域中的使用越来越广泛，做好电子顺磁共振波谱仪的管理与维护工作显得尤为重要。本文以南京大学现代分析中心的Bruker EMX-10/12型电子顺磁共振波谱仪为例，介绍了该类仪器的原理、结构、管理、维护和常见问题及解决办法。作为仪器管理人员，应努力学习和探索分析测试仪器的管理和维护方法，使其处于良好的运行状态，保证仪器寿命及测试结果的准确性，这样才能够更好地服务于教学科研，促进科技发展。