如何检测短寿命自由基？ 自旋捕获电子顺磁共振方法介绍（一）

自旋捕获电子顺磁共振方法是将自旋捕获技术与电子顺磁共振技术相结合，从而检测短寿命自由基的一种方法。

图片来源：摄图网

自由基，是指化合物分子在光热等外界条件下，共价键发生均裂而形成的具有不成对电子的原子或基团，其广泛存在于自然界中。

随着生物、化学、医学等交叉学科的发展，科学家们发现，许多疾病都与自由基相关。但由于其性质活泼、反应性强，反应中产生的自由基在常温下往往不稳定，很难使用常规电子顺磁共振波谱方法进行直接检测。

虽然通过时间分辨EPR技术或者低温快速冷冻技术可研究短寿命自由基，但对大多数生物体系中的自由基而言，其较低的浓度限制了上述技术的实施。而自旋捕获技术，可通过间接方法，在常温下实现短寿命自由基的检测。

在自旋捕获实验中，需要在体系中加入自旋捕获剂（spin trap，能够捕获自由基的不饱和抗磁性物质）。加入自旋捕获剂后，原本不稳定的自由基与捕获剂会形成较稳定或寿命较长的自旋加合物（spin adduct），通过检测自旋加合物的EPR谱图，并对数据进行处理和分析，可反推出自由基的种类，从而间接检测不稳定的自由基。

图1 自旋捕获技术的原理（以DMPO为例）

目前应用最广泛的自旋捕获剂主要是硝酮或亚硝基化合物，典型捕获剂有MNP（2-甲基-2-亚硝基丙烷二聚物）、PBN（N-叔丁基α苯基硝酮）、DMPO（5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物），结构如图2所示。而一个优良的自旋捕获剂需要满足三个条件：

1.自旋捕获剂与不稳定自由基形成的自旋加合物应性质稳定，寿命较长；

2.自旋捕获剂与各种不稳定自由基形成的自旋加合物的EPR谱图应易于区分和识别；

3.自旋捕获剂易与多种自由基发生特异性反应，且无副反应。基于上述条件，目前广泛应用于各行业的自旋捕获剂为DMPO。

图2 MNP、PBN、DMPO的化学结构示意图

在自旋捕获实验中，最常见的为O-和N-中心自由基，如活性氧物种（ROS）、活性氮物种（RNS），但并非所有的ROS、RNS都是自由基，如图3所示。除此之外，S-中心自由基，如硫酸根自由基等，也是较为常见的可用自旋捕获方法研究的自由基。

图3 常见的ROS与RNS

对于自旋捕获实验，捕获剂加入的时间、捕获剂浓度、体系的溶剂种类、体系pH等诸多因素均会影响实验结果。因此针对不同的自由基，需合理选择捕获剂种类和浓度、合理设计实验方案，最后通过EPR谱图判断自由基种类，还可利用化学手段消除自由基来对结果进行验证。

图4 DMPO捕获的O-(a)、N-(b)、S-(c)中心自由基的EPR谱图。

（数据由国仪量子EPR系列产品测试）

国仪量子电子顺磁共振波谱仪搭配原位光照系统、高/低温系统、电化学系统，可用于研究各类顺磁性分子，比如有机自由基、金属配合物、掺杂材料、缺陷材料、金属蛋白等，可满足多场景自由基检测需求。

X波段连续波电子顺磁共振波谱仪EPR200-Plus

台式电子顺磁共振波谱仪EPR200M

X波段脉冲式电子顺磁共振波谱仪EPR100