Elektronenspinresonanz (ESR)

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© Fraunhofer IGB

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

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, ...

Messapparaturen#

© Fraunhofer IGB
MS-5000
Magnettech Miniscope MS 200.
Magnettech Miniscope MS 200

MS-5000 (früher Fa. Magnettech, jetzt Firma Bruker)

Magnettech Miniscope MS 200

 

Technische Daten/Messmöglichkeiten

  • Arbeitsfrequenz: X-band (ca. 9,5 GHz)
  • Empfindlichkeit: 5x1010 spins/mT (5x109 spins/G)
  • Mikrowellenleistung: 1 μW – 100 mW
  • Temperaturbereich: - 170 °C bis + 200 °C

Anwendungen#

(Auszug)

  • Untersuchungen von Radikalen in Polymeren, beispielsweise an plasmabehandelten Oberflächen
  • Nachweis von chemischen Funktionen an Oberflächen mit Hilfe von Spin-Labeling
  • Untersuchungen von biologischen Proben
  • Kristalldefekte (Punktdefekte)
  • paramagnetische Übergangsmetalle

 

Life Sciences
Reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies
(RONS), oxidativer Stress, Fotodynamik

Umwelttoxikologie

Erzeugung von Radikalen durch Schadstoffe

Lebensmittelchemie und Pharmazie

Antioxidative Eigenschaften von Lebensmitteln, strahleninduzierte
Radikale, Alanin-Dosimetrie

Polymere
Radikalische Polymerisation, UV-Stabilität, Temperaturstabilität

Kosmetika

Radikalschutz-Wirksamkeit, z. B. UV-Absorbern in Sonnencrème etc.