Wat is een elektronenspinresonantie?
Elektronenspinresonantie (ESR) is een vorm van spectroscopie die wordt gebruikt op paramagnetische materialen - materialen die magnetisch worden wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld. ESR wordt ook wel elektronenparamagnetische resonantie of EPR genoemd. Elektronenspinresonantie heeft een verscheidenheid aan toepassingen in chemie en biologie en heeft zelfs gebruik in velden zoals Quantum Computing.
Een elektron heeft een lading en spins. Het induceert daarom een magnetisch moment. Als het in een extern magnetisch veld wordt geplaatst, zal het magnetische moment van het elektron overeenkomen met de richting van het magnetische veld. Het is ook mogelijk voor het elektron om in de tegenovergestelde richting van het magnetische veld uit te lijnen, maar dit vereist meer energie en is niet de natuurlijke toestand van het elektron. Dit is de wetenschappelijke basis voor elektronenspinresonantie.
Met ESR wordt een stof met moleculen met extra of ongepaarde elektronen in een magnetisch veld geplaatst en energie, meestal in de vorm van microgolven, erop toegepast.De ongepaarde elektronen zullen de elektromagnetische energie absorberen en naar een hogere energietoestand gaan door hun magnetische momenten opnieuw uit te lichten om tegengesteld te zijn aan het extern aangebrachte magnetische veld. De frequentie van energie die door de elektronen wordt geabsorbeerd, geeft de chemische structuur aan van het molecuul waaraan ze zijn bevestigd. Op deze manier kan elektronenspinresonantie worden gebruikt om de chemische samenstelling van verschillende materialen te bepalen.
Het is van cruciaal belang dat de stof niet -gepaarde elektronen heeft. Dit komt omdat gepaarde elektronen, volgens het Pauli -uitsluitingsprincipe, spins zullen hebben in tegengestelde richtingen en daarom geen netto magnetisch moment. Deze materialen staan bekend als diamagnetisch en zijn niet geschikt voor ESR.
Net als bij andere resonantiespectroscopietechnieken, moeten de elektronen die worden gebruikt in elektronenspin -resonantie worden toegestaan om te ontspannen en terug te keren naar hun lagere energietoestanden. Zo niet, dan zijn alle elektronen exgeciteerd en geen verdere absorptie zal mogelijk zijn. In dit geval zal er niets te meten zijn en bijgevolg zal er geen signaal worden geproduceerd. Spin-roosterontspanning, waarbij een elektron energie geeft aan zijn omgeving en spin-spin-ontspanning, waarbij een elektron energie geeft aan een ander elektron, zijn de twee methoden waarbij ontspanning kan optreden.
ESR is vooral goed geschikt voor de detectie van vrije radicalen, een reeks zeer reactieve moleculen met ongepaarde elektronen. Het is bekend dat vrije radicalen de oorzaak zijn van verschillende ziekten, vergiftigingen en zelfs kankers. Ze veroorzaken ook het verval van tandglazuur met een bekende snelheid, wat betekent dat elektronenspinresonantie kan worden gebruikt om tanden te daten en, bij uitbreiding, mensen. Overtollige vrije radicalen zijn ook aanwezig in bier en wijn die voorbij hun houdbaarheid zijn.
ESR is ook een toonaangevende kandidaat in verschillende geavanceerde technologieën. Deze omvatten kunstmatige fotosynthese en kwantum computing. In het laatste, door ESR te verfijnen naar WorK Op een enkel elektron in plaats van een groep elektronen kan een logische poort worden gemaakt die overeenkomt met de energietoestanden van het magnetische moment van het elektron.