存在于碳基质中的稳定自由基通过海森堡自旋交换与顺磁性氧气发生相互作用。在标准温度和压力（STP）条件下，通过向碳体系中通入抗磁性气体可显著减弱这种相互作用。本文描述了一种表征这些自由基性质的简单方法。
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摘要
摘要
尽管关于氧化对碳自由基结构和稳定性影响的电子顺磁共振（EPR）研究最早可追溯到20世纪80年代初，但这些早期研究主要集中在极端条件（如pH或温度）下结构变化的表征1-3。此外，已知顺磁性分子氧会与稳定自由基发生海森堡自旋交换相互作用，导致EPR信号显著展宽4-6。最近，我们报道了有趣的研究结果：在标准温度和压力（STP）下，仅通过向碳样品中通入抗磁性气体，即可可逆地调控分子氧与现有稳定自由基结构中特定部分的这种相互作用7。由于通入He、CO2和N2均产生类似效果，表明这些相互作用发生在大孔体系的表面区域。
本文重点介绍了针对碳结构中现有稳定自由基性质的实验技术、后处理及分析方法。希望本文能有助于学术界进一步发展和深入理解这些相互作用。
引言
不同碳/氢/氧原子质量百分比（wt%）的底物含有不同类型和浓度的稳定自由基，可通过电子顺磁共振（EPR）检测8这些自由基依赖于大分子的结构，并受到其芳香性特征的显著影响。煤中自由基的电子顺磁共振（EPR）谱图表现为单一的宽共振峰。在此类情况下，仅可获得g值、谱线宽度和自旋浓度。EPR谱图的g值可用于判断自由基是碳中心型还是氧中心型。电子塞曼相互作用的基本方程 
定义g值，其中h为普朗克常数，v为实验中施加的恒定微波频率，B0 是共振磁场，βe 是玻尔磁子。对于自由电子，g 值为 2.00232。g 值偏离 2.00232 的程度与未配对电子的轨道角动量及其化学环境所引起的磁相互作用有关。有机自由基的 g 值通常接近自由电子的 g 值，具体数值取决于该自由基在有机基质中的位置3,8-10碳中心自由基的g值接近自由电子的g值2.0023。具有相邻氧原子的碳中心自由基其g值较高，范围为2.003–2.004，而氧中心自由基的g值则 >2.004. g值为2.0034–2.0039是邻近含氧杂原子的碳中心自由基的特征，此类自由基的g值高于纯碳中心自由基的g值11-15线宽由自旋-晶格弛豫过程决定。因此，相邻自由基之间或自由基与顺磁性氧之间的相互作用会导致自旋-晶格弛豫时间缩短，从而引起线宽增加4-6.
停流结合电子顺磁共振（EPR）检测技术可通过时间扫描采集（动力学显示），在两相相互作用过程中观测特定磁场强度下EPR信号强度随时间的变化。此类测量的结果是获得顺磁性物种生成、衰变或转化的速率常数。该方法类似于已广泛使用的停流结合光学检测技术，后者通过监测特定波长下光吸收随时间的变化来实现。通常，停流实验在液相中进行，因为在液相中自由基的弛豫时间T₂过短，导致无法被EPR检测到。1，作为 例如 羟基（OH×）或超氧阴离子（O₂×）2-无法通过电子顺磁共振-停流技术直接研究这些自由基。然而，可以通过研究这些自由基与硝酮类化合物形成的自旋加合物（即硝基氧化物型自由基，自旋捕获剂），来间接进行分析，因为这些自旋加合物具有电子顺磁共振活性，其动力学过程亦可通过停流电子顺磁共振技术进行监测16-18.
利用快速流动气体技术结合电子顺磁共振（EPR）检测来测量化学反应速率的方法此前已有报道19-22。该方法本质上依赖于通过EPR测量反应物在流动管中与反应性气体接触一定距离（从而在恒定流速下对应一定时间）后其浓度的变化。通常采用反应性气体浓度近似恒定的条件，以便所测得的衰减过程符合拟一级动力学。
在本研究中，搭建了一套简单的气体流动装置，并向固体碳基底表面持续通入恒定气流。
通过本研究中详述的方法，我们成功获得了有趣的结果：在标准温度和压力条件下，仅通过向碳样品中通入抗磁性气体，即可可逆地影响分子氧与现有稳定自由基结构特定部分之间的相互作用。该方法的结果表明，去除相互作用的顺磁性气体后，暴露出一种新的自由基表面，其g值更接近于自由电子的g值。
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方案
1. 准备碳样品
- 将碳样品研磨至所需粒径范围（此处，煤样被研磨至74–250 mm的粒径范围）。
- 研磨过程中，应将研磨机置于受控环境中（空调调节至20 °C）。此外，在研磨前用氮气流吹扫研磨腔，以最大限度减少此阶段的氧化。
- 将碳样品转移至可密封的容器中，并用氮气置换其中的空气。将样品保存在温度受控的房间内（空调调节至20 °C）。
- 在真空烘箱中，于惰性气氛下加热碳样品，以制备用于电子顺磁共振（EPR）测量的样品（以去除体系中吸附的水分）。
- 将每个样品放入真空烘箱内的敞口玻璃小瓶中（图1A）。
- 关闭真空烘箱门，用氮气或氩气置换腔体内的气氛，然后加热至60 ºC。
- 维持该条件24小时。
- 关闭烘箱，待温度降至室温后，打开烘箱并取出样品小瓶。
- 用橡胶隔垫和铝盖密封样品小瓶（图1B）。
- 使用真空系统（图1C）去除所有残留的氧气。
- 将小瓶连接至系统，并关闭阀门1–5。
- 开启真空泵和压力计。
- 打开阀门1，等待监测器显示真空度达到约0.1 mbar。
- 关闭阀门1并计数至30，以确认泄漏最小。若压力上升不超过3 mbar，则系统密封性足够。
- 打开阀门2，抽除小瓶中的气氛——等待压力恢复至步骤1.14中确定的初始压力值，并再次检测泄漏。
- 若同时处理多个小瓶（阀门2–4），则对每个阀门重复步骤1.15。
- 在达到真空并有效清除小瓶中残留气氛后，用所需气体置换气氛。
- 关闭阀门1，立即打开阀门5，使压力升至0.5 atm。
- 关闭阀门5，打开阀门1以去除气体，等待压力恢复至初始真空值（第一次吹扫）。
- 关闭阀门1，立即打开阀门5，使压力升至0.5 atm。
- 关闭阀门5，打开阀门1以去除气体，等待压力恢复至初始真空值（第二次吹扫）。
- 关闭阀门1，立即打开阀门5，使压力升至1.0 atm，然后关闭阀门5。
- 关闭阀门2，轻轻向下拉出并拔出针头，取下小瓶。
- 取下小瓶后，打开阀门1，将气体从真空系统中吹扫排出。
- 关闭真空泵前，打开阀门2使空气进入系统，同时关闭泵（以防止油倒流）。
2. 装填EPR 3 mm石英管
- 用乙醇冲洗EPR管，并用N2吹干。
- 取下目标煤样瓶上的铝制密封盖。
- 将EPR管开口端轻轻插入装有碳样品的小瓶中。
- 下压并旋转EPR管，然后轻轻敲击，直至样品均匀分散在管底。
- 以这种方式装样，使样品在管内高度至少达到1.5 cm。
- 用长约0.5–1.0 cm的橡胶聚四氟乙烯腻子密封管口（图2A）。
3. 设置流动系统
- 将石英管插入EPR谐振腔中，确保装有煤样的EPR管段完全填充整个谐振腔。
- 本文报道的EPR测量在室温下进行，温度范围为292–297 K。
- 准备一个装有所需流动气体（N2、CO2、He）的气罐，并确保配备两个操作阀门以控制气体流量（图2B）。
- 将一段橡胶管连接至气罐，确保其长度足以延伸至EPR石英管的尖端，同时留有适当余量，避免对石英管造成应力。
- 在橡胶管上连接一个流量控制器，用于监测气体流速。
- 使用细规格针头将导管穿过橡胶聚四氟乙烯密封胶泥。
- 插入针头，使其靠近样品（距煤样表面约3–4 cm），但又保持足够距离，以免干扰磁场（图2C）。
- 保持气体关闭 （仅在完成调谐后才开启气流）。
- 在橡胶密封胶泥上戳一个小孔，以释放出口气体。
4. EPR 测量
- 开启电子顺磁共振（EPR）波谱仪。
- 在无气体流动条件下进行调谐。打开微波调谐面板，找到33.0 dB功率下的谐振谷值，并使用自动调谐功能以获得最佳调谐状态。
- 将微波功率设置为2.0 mW，在此功率下不会发生饱和。
- 启动二维实验，作为磁场和时间的函数。
- 将实验参数设置如下：
微波功率 = 2.0 mW
调制幅度 = 1.0 G
时间常数 = 60 毫秒
扫描范围 = 100 G
延迟时间 = 120 秒
每次磁场扫描的采样点数 = 1024
作为时间函数的采样点数 = 50 - 开始测量循环。
- 开启气体流动。
- 当样品达到平衡状态且EPR谱线形状不再发生变化时（在上述参数下，通常在间隔120秒连续采集约25次连续波EPR谱图后），停止气体流动。将样品暴露于空气环境中，并继续测量，直至获得50次谱图或达到新的平衡状态。停止气体流动后无需重新调谐。测量将自动持续进行，每次连续波EPR谱图之间间隔120秒。
- 如果平衡过程较慢，可增加作为时间函数的采样点数 。
- 如果平衡过程显著加快，可缩短每次扫描之间的延迟时间。
5. 数据分析
- 使用 MATLAB 中实现的 easyspin 工具箱模拟每条 EPR 磁场扫描谱23考虑两种物种，针对每种物种，通过编写如下程序文件来拟合其g值、谱线宽度以及对EPR谱的贡献程度：
清除、清除图形窗口、清除命令行窗口
% 加载实验文件
expdata = load('t0s.txt');
%定义物种一的自旋系统
SysC.g = 2.004；
SysC.lwpp = 0.62；
%定义物种一的实验参数
Exp.mwFreq = 9.85764; % 单位：GHz
Exp.Range=[347 357]； %单位：mT
Exp.Harmonic=1;
%计算物种一的连续波电子顺磁共振谱
[Bx, specX] = pepper(SysC, Exp);
%定义物种二的自旋系统
SysC2.g = 2.0028；
SysC2.lwpp = 0.145;
%定义物种二的实验参数
Exp2.mwFreq = 9.85764;
Exp2.Range=[347 357];
Exp2.谐波=1;
%计算物种二的连续波电子顺磁共振（CW EPR）谱
[Bx2, specX2] = pepper(SysC2, Exp2);
x=0:0.1:1;
% 合并两个物种的光谱。
spectot = 1.0 × specX + 0.0 × specX2；
%绘制实验光谱与模拟光谱。
Bx*10, spectot, expdata(:,1), expdata(:,2)
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结果
在对各种煤样进行电子顺磁共振（EPR）实验时，随着煤样暴露于抗磁性气体气流中的时间变化，观察到在气体流动过程中，出现了另一个g值约为2.0028的顺磁物种。该g值接近自由电子的g值，符合未取代的脂肪族碳中心自由基的特征。然而，每个样品的总自旋浓度在实验误差范围内（±10%）保持恒定。图3A展示了两个扫描结果：煤样暴露于CO2气体（HA）后0秒和1,900秒的EPR谱图。1,900秒时的EPR谱图显示出两个物种：一个位于g=2.004，线宽为5.5 G；另一个物种更窄，位于g=2.0028，线宽为2.0 G。对于HA样品，该第二物种的形成速率约为500秒（图3B）。然而，不同煤样中该第二自由基物种的形成速率各不相同，测定范围在100至5,000秒之间。有趣的是，在达到稳定状态后，所有煤样中该第二物种的形成程度相似，相对于初始自旋浓度评估为约4–5%。其余的自旋信号则对应于g值约为2.003–2.0032的碳中心自由基（BA、SA），或g值约为2.004的含邻位氧原子的碳中心自由基。每个样品中主要自由基物种的不同g值取决于煤的性质，这与先前报道的结果一...
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讨论
碳材料的表面氧化在工业和学术领域均具有重要意义。碳基底氧化的影响已通过多种分析技术（包括电子顺磁共振，EPR）进行了表征。在研究分子氧与易发生氧化反应的碳基底（如煤，其主要用途即作为能源资源）之间的相互作用时，样品的制备与储存极为重要。
我们的样品是用于能源行业的海运煤炭基质。尽管样品在运输过程中会发生一定程度的氧化，但我们仍通过将其后续储存在氮气（N2）环境中并置于冷藏区域，以尽量防止进一步氧化。由于样品在测量前会从空气中吸附水分，因此必须在60 °C下真空干燥24小时。
尽管测量方法本身较为直接，但在我们的工作之前，相关的测量条件和测量类型尚未见报道7。为准确估算动力学参数，必须确保样品充分干燥，并对气固界面处的气体流速和压力进行校准。在这方面，可借鉴以往气体流动实验中使用过的更复杂的装置，以优化我们的实验结果19-22。
为了确保确实达到平衡，还必须检测在真空或氮气环境中装有碳样品的密封EPR管，以确...
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致谢
SR 感谢以色列科学基金会的支持，资助编号 280/12。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| EPR 波谱仪 | Bruker | Elexsys E500 | |
| EPR 石英管 | Wilmad-Lab Glass | ||
| 真空烘箱 | Heraeus | VT6060 | |
| 天平 | Denver Instrument | 100A | |
| 高真空硅脂 | VWR International | 59344-055 | |
| 聚四氟乙烯腻子 | |||
| 实验室（橡胶）塞子 | Sigma-Aldrich | Z114111 | |
| 铝制压接密封圈 | Sigma-Aldrich | Z114146 | |
| 手动压接钳 | Sigma-Aldrich | Z114243 | |
| 硼硅酸盐小瓶 | Sigma-Aldrich | Z11938 | |
| 橡胶管 | |||
| 铝制软管夹 | |||
| 螺丝刀 | |||
| 定制真空系统 | |||
| 玻璃储存筒 | |||
| BD 普通斜面针头 | BD | 305122 | |
| 氦气 | Oxar Ltd | ||
| 氩气 | Oxar Ltd | ||
| CO2 99.99% | Maxima | ||
| N2 99.999% | Oxar Ltd | ||
| O2 | Maxima | ||
| 空气 | Maxima |
参考文献
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