Elektronenspinresonanz (ESR)

Elektronen-Spin-Resonanz Signal.
Elektronen-Spin-Resonanz Signal.

Mit der Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) lassen sich Radikale nachweisen und charakterisieren. Das Verfahren ist auch unter dem Namen EPR (für Electron Paramagnetic Resonance) bekannt. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit lassen sich auch Abklingkurven der Radikaldichte an Materialoberflächen nach einer Plasmabehandlung detektieren. Dieses Verfahren kann auch für größere Flächenbereiche im Abbildungsmodus genutzt werden.

Prinzip

Zeeman-Aufspaltung.
Zeeman-Aufspaltung: Aufspaltung der Energieniveaus des Elektrons im Magnetfeld.

Radikale zeichnen sich durch ungepaarte Elektronen aus und damit durch einen Spin (±1/2), der wiederum mit einem magnetischen Moment verbunden ist. In einem Magnetfeld häng die Energie des Elektrons davon ab, ob es zum Magnetfeld parallel oder antiparallel ausgerichtet ist (so genannte Zeeman-Aufspaltung, s. Diagramm). Wird die Probe einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, deren Quantenenergie der Zeeman-Aufspaltung entspricht, tritt eine resonante Absorption auf.

Das lokale Magnetfeld, in welchem sich ein Radikal befindet, ergibt sich aus einem externen, an die Probe angelegten Feld, und aus dem Magnetfeld der Kerne der benachbarten Atomen, deren Spin nicht gleich 0 ist, wie z. B. N14. Daher läßt sich aus den ESR-Spektren auf die chemische Umgebung der ESR-aktiven Spezies (d. h. der Radikale) zurückschließen: ähnlich wie bei NMR.

Praktisch wird die Probe in einen Mikrowellen-Resonator platziert, der sich in einem gleichmäßigen Magnetfeld befindet. Die MW-Frequenz wird konstant gehalten, und das Magnetfeld über einen bestimmten Bereich gescannt. Dabei wird die MW-Absorption gemessen.

Zu besonderen Vorteilen der Methode gehören deren hohe Empfindlichkeit und die einfache Möglichkeit, die absolute Anzahl von Spins in der Probe zu messen.

Anforderungen an das Untersuchungsmaterial

  • Flüssigkeiten, z. B.:
    Lösungen, Suspensionen, Blut, …
  • Festkörper, z. B.:
    Zellen, Gewebe, Pasten, Pulver, Textilien, (Verpackungs-) Folien, Membrane, Halbleiter-Wafer, ...

Messapparatur

Magnettech Miniscope MS 200.
Magnettech Miniscope MS 200.

Magnettech Miniscope MS 200

Technische Daten / Messmöglichkeiten

  • X-Band (ca. 9,5 GHz)
  • Detektierbare Spezies:
  • freie Radikale
  • paramagnetische Übergangsmetalle
  • Kristalldefekte (Punktdefekte)
  • Temperaturbereich:
  • -196 °C (Flüssigstickstoff)
  • -170 °C .. +200 °C
  • Detektionslimit:
  • ca. 1011 Spins (Absolutwert)

Anwendungen

  • Untersuchungen von Radikalen an plasmabehandelten Oberflächen
  • Nachweis von chemischen Funktionen an Oberflächen mit Hilfe von Spin Labeling
  • Untersuchungen von biologischen Proben