電子順磁共振EPR波譜的應用研究進展

由于電子自旋相干、自旋捕捉、自旋標記、飽和轉移等電子順磁共振和順磁成像等實驗新技術和新方法的建立，電子順磁共振EPR 技術很快在物理、化學、自由基生物學、醫藥學、環境科學、考古學和材料科學等領域中獲得廣泛的應用。實現了固體樣品的電子自旋與核自旋退相干時間大幅度延長，以及從常規自由基到短壽命自由基的檢測； 從順磁性物質( 自由基，順磁性金屬離子)到自旋標記的非順磁性物質的檢測； 從體外自由基到細胞、組織和體內自由基的檢測; 開展病理和藥理過程的分子基礎研究； 建立抗氧化劑活性的 電子順磁共振EPR 研究和篩選方法； 進行自旋標記物、靶向自旋捕捉技術和自旋捕捉劑的研究與制造； 在開展科學基礎研究的同時，還注意有很強應用價值的考古年代和香煙自由基的 EPR 測定等等。下面列舉了其中的幾個方面加以說明。

電子順磁共振EPR 在量子操控和量子計算方面的應用

量子計算具備經典計算所無法比擬的優勢和前景。用電子順磁共振 EPR 進行量子操控和量子計算的方法是，將自旋電子材料作成芯片，通過對其施加微波脈沖，實現其原子外層單電子自旋態的操控并對電子自旋態進行編碼，利用電子自旋態編碼進行量子運算。由于自旋的固態量子計算相干時間長，邏輯門操作速度快，單量子比特讀出等優點，成為研究的熱點。杜江峰等使用脈沖電子順磁共振譜儀開展了相關研究，用最多 7 個微波脈沖把一種叫丙二酸的材料里的電子自旋的相干時間從不足二千萬分之一秒提高到了近三萬分之一秒，這個時間已經能夠滿足一些量子計算任務，在國際上首次利用最優動力學解耦技術提高固態體系中電子自旋的相干時間，將電子自旋退相干時間從0.04 μs提高到了30 μs，發表在《Nature》雜志上。他們還首次將動力學解耦技術成功應用到保護兩體糾纏，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。該小組還自主研制 S 波段光探測磁共振譜儀，實現了對單電子自旋態的制備、操控以及讀取，探索了該物理體系進行量子計算的潛力。

自由基中間產物的直接檢測和分析

用電子順磁共振 EPR 檢測自由基是一種快速的、直接有效的方法，實驗中將所得 電子順磁共振EPR 波譜中相應吸收峰的 g 因子計算出來，通過與標準值比較，估算是哪種自由基，再通過化學手段消除自由基以驗證上面的推斷。目前有一些自由基在室溫下比較穩定，可直接應用 電子順磁共振EPR 波譜儀獲取信號，譬如，檢測富勒烯 C80與金屬 Sc 反應形成的負離子自由基 Sc3 C2 包括 C80 的 EPR 信號。結合低溫技術研究了光合作用反應電子傳遞鏈中的自由基中間產物。很有特色的研究是發展電子順磁共振 EPR 專用原位電化學自由基反應池表征電極反應的自由基。對含碳無機化合物輻照形成中間自由基產物的測量是電子順磁共振 EPR 考古年代方法的實質，它可以應用于大型水電站和建筑群選址的參考。

瞬態自由基的電子順磁共振 EPR 檢測方法及應用

自由基捕捉技術與電子順磁共振 EPR 相結合的方法具有檢測靈敏度高、特異選擇性強和分析結果可靠等優點，被廣泛用于壽命短、穩態濃度低的瞬態自由基的檢測，在許多涉及細胞甚至動物體系以及化學反應機制的研究中都得以廣泛應用。瞬態自由基的電子順磁共振 EPR 檢測的實驗方法是: 首先設計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過程中產生的瞬態自由基，然后用 EPR 對捕獲反應加合物的分子結構進行解析，通過逐一鑒定電子順磁共振 EPR 譜線上各峰對應組分結構，推斷并鑒定。劉峻等研究缺血停博 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、巨噬細胞呼吸爆發等病理過程產生的活性氧自由基，認為氧自由基可能來自于線粒體中呼吸鏈上泛醒的氧化還原反應； 研究人員還在細胞和分子水平探索性地研究自由基的調控，論證了胰島素誘導神經細胞釋放一氧化氮信號的過程，活性氧自由基與基因表達的關系；開展針對光、電反應等一系列化學過程中產生的活性自由基中間體的系統研究和環境科學中金屬配合物光化學耦合、光退變的自由基中間過程的研究。針對高等植物光合作用過程產生的活性氧自由基的分子機制與氧化應激損傷作用，為發展并完善該技術方法而設計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。自由基捕捉技術也用于香煙燃燒過程中產生的自由基的檢測，以便于分析吸煙和疾病的關系。

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、藥學應用研究。

電子順磁共振EPR 技術用在物理上，研究某些復雜原子的電子結構、晶體結構、偶極矩及分子結構等問題。EPR 技術用在化學和生物上，能夠探測自由基用來考古、動物細胞體系以及化學反應機制的研究。電子順磁共振EPR 技術用在醫學上，可以通過自旋捕捉來捕捉短壽命的活性氧自由基。