磁共振技术
1.磁共振简介
磁共振指的是自旋磁共振(spin magnetic resonance)现象。它是指磁矩不为零的原子或原子核在稳恒磁场作用下对电磁辐射能的共振吸收现象，其意义上较广，包含有核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR)或称电子自旋共振(electron spin resonance, ESR)。用于医学检查的主要是磁共振共像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）。
磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术发展的基础上被发现的。1945年首先在顺磁性Mn盐的水溶液中观测到顺磁共振，第二年，又分别用吸收和感应的方法发现了石蜡和水中质子的核磁共振；用波导谐振腔方法发现了Fe、Co和Ni薄片的铁磁共振。1950年在室温附近观测到固体Cr2O3的反铁磁共振。1953年在半导体硅和锗中观测到电子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后从理论上预言和实验上观测到亚铁磁共振。随后又发现了磁有序系统中高次模式的静磁型共振(1957)和自旋波共振(1958)。1956年开始研究两种磁共振耦合的磁双共振现象。这些磁共振被发现后，便在物理、化学、生物等基础学科和微波技术、量子电子学等新技术中得到了广泛的应用。
2.电子顺磁共振
电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance 简称EPR)，或称电子自旋共振 (Electron Spin Resonance 简称ESR)。它主要研究化合物或矿物中不成对电子状态，用于定性和定量检测物质原子或分子中所含的不成对电子，并探索其周围环境的结构特性。
2.1 电子顺磁共振的发展史
EPR现象首先是由前苏联物理学家 E．K．扎沃伊斯基于1945年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。
1954年美国的B．康芒纳等人首次将EPR技术引入生物学的领域之中，他们在一些植物与动物材料中观察到有自由基存在。
60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，EPR技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。
2.2 基本原理
物质的顺磁性是由分子的永久磁矩引起的，根据保里原理: 每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。
电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动：一是在围绕原子核的轨道上运动，二是通过本身中心轴所做的自旋。由于电子运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。若在垂直外磁场方向加上合适频率的电磁波，能使处于低自旋能级的电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级，从而产生电子的顺磁共振现象。
2.3 产生电子顺磁共振的条件
电子的自旋磁矩μs=geβ，其中β是玻尔磁子ge是无量纲因子，称为g因子，自由电子的g因子为ge=2.0023。单个电子磁矩在磁场方向分量μ=1/2geβ，在外磁场H 的作用下，电子只能有两个可能的能量状态：即 E=±1/2gβH。如下图所示：
图1 电子自旋能级与磁场强度的函数关系
从图中可以看出电子能量差△E＝gβH，如果在垂直于H的方向上施加频率为hυ的电磁波，当 hυ＝gβH时，处于两能级间的电子发生受激跃迁，导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中。
2.4 电子顺磁共振的应用
2.4.1 检测吸烟过程中的产生的自由基
自由基指的是在分子中含有一个未成对电子的物质，电子顺磁共振主要研究自由基和顺磁性金属离子（大多数过渡金属离子和稀土离子）及其化合物。吸烟过程产生的自由基：
1.固相：焦油中的醌，氢醌自由基。
2.气相：烟雾中的烷氧基，活性氧自由基。
3.最新报道：以自由基形式存在的尼古丁导致吸烟上瘾。
600℃以上自由基可以完全燃烧，低于300℃还原过程。EPR可以检测：吸烟过程中产生自由基的种类、自由基的浓度以及清除效果。
2.4.2 在化学上的应用
EPR可以检测分子结构，以及化学反应机理和反应动力学方面的重要信息。如环辛四烯是一个非平面分子，当用碱金属还原，生成环辛四烯负离子自由基。用电子顺磁共振检测，得到了九条等间距，强度比是 1:8:28:56:70:56:28:8:1的EPR谱线，如图2所示：
图2 环辛四烯负离子自由基电子顺磁共振波谱
环辛四烯环上的八个质子是等性的，环辛四烯负离子应该是平面结构分子。环辛四烯经单电子转移反应后，生成负离子基，此时构型也发生了变化，形成了平面分子。