电子顺磁共振波谱在生物化学中的应用

电子顺磁共振波谱是一门研究顺磁性物质结构，动力学以及空间分布的谱学方法。自上世纪四十年代发展以来，已在物理、化学、材料科学、生物学、医学、环境科学、工农业等领域发挥巨大作用。近年来，随着技术手段的不断提升，基于NV色心的微观磁共振技术应运而生。这一技术推动了传统的顺磁共振技术向微观尺度的发展，近年来，达到了单分子，单自旋的探测水平。

电子顺磁共振波谱是一门研究顺磁性物质结构，动力学以及空间分布的谱学方法。这类物质通常上有化学活性，包括在不同生化领域中主要以催化剂形式存在的过渡金属离子和有机化学反应或者电子传递过程中的自由基中间体。在天然环境下，过渡金属的催化通常通过金属蛋白酶实现，而自由基中间体在光合作用，呼吸作用的电子传递过程中起到了关键作用。对于顺磁性缺陷，往往会影响这些物质的光学电学性质，以之为探针，往往可以物质固态相变以及固态动力学等。对于稳定的自由基，如氮氧自由基，可以作为自旋标签结合到复杂的生物与化学合成材料中，研究这些本没有顺磁性的物质的相关信息，如现在发展很成熟的定点自旋标记生物蛋白技术，用以研究蛋白质的结构与动力学。

在上述的所有体系中，电子顺磁共振波谱可以提供独特的电子结构信息，因为电子顺磁共振波谱可以得到与电子波函数及其周围非零核自旋环境相关的磁学参数。大多数情况下，电子结构信息又与其几何结构信息有关，电子顺磁共振可以获得长程的结构信息，用以与其他技术互补，当将微波频率增强到几丰GHZ时，我们还能获得纳秒尺度的分子动力学信息。

用ESR解析物质结构、对物质结构的认知，是我们探索认识未知世界的第一步，在宏观上，我们通过视觉等，就能对事物的形貌有很好的认识，我们可以清晰地辨认出那是一棵树还是一本书，然而，到了微观世界，我们就必须借助各种工具的帮助才能做到。电子顺磁共振波谱在研究顺磁性物质周边结构具有得天独厚的优势。