Resonancia paramagnética electrónica

Como se mencionó anteriormente, un espectro EPR generalmente se mide directamente como la primera derivada de la absorción. Esto se logra mediante modulación de campo. Se aplica un pequeño campo magnético oscilante adicional al campo magnético externo a una frecuencia típica de 100  kHz. ^{[ 4 ]} Al detectar la amplitud pico a pico, se mide la primera derivada de la absorción. Mediante detección sensible a la fase, solo  se detectan señales con la misma modulación (100 kHz). Esto resulta en relaciones señal/ruido más altas. Cabe señalar que la modulación de campo es exclusiva de las mediciones EPR de onda continua, y los espectros resultantes de experimentos pulsados ​​se presentan como perfiles de absorción.

La misma idea subyace a la técnica de Pound-Drever-Hall para el bloqueo de frecuencia de láseres a una cavidad óptica de alta finura.

En la práctica, las muestras de EPR consisten en colecciones de muchas especies paramagnéticas, y no en centros paramagnéticos aislados. Si la población de radicales está en equilibrio termodinámico, su distribución estadística se describe mediante la distribución de Boltzmann :

${\displaystyle {\frac {n_{\text{superior}}}{n_{\text{inferior}}}}=\exp {\left(-{\frac {E_{\text{superior}}-E_{\text{inferior}}}{kT}}\right)}=\exp {\left(-{\frac {\Delta E}{kT}}\right)}=\exp {\left(-{\frac {\epsilon }{kT}}\right)}=\exp {\left(-{\frac {h\nu }{kT}}\right)}}$

dónde${\displaystyle n_{\text{superior}}}$es el número de centros paramagnéticos que ocupan el estado de energía superior,${\displaystyle k}$es la constante de Boltzmann y${\displaystyle T}$es la temperatura termodinámica . A 298 K, las frecuencias de microondas de banda X (${\displaystyle \nu }$≈ 9,75  GHz) dan${\displaystyle n_{\text{superior}}/n_{\text{inferior}}}$≈ 0,998, lo que significa que el nivel de energía superior tiene una población ligeramente menor que el inferior. Por lo tanto, las transiciones del nivel inferior al superior son más probables que las inversas, razón por la cual se produce una absorción neta de energía.

La sensibilidad del método EPR (es decir, el número mínimo de espines detectables)${\displaystyle N_{\text{min}}}$) depende de la frecuencia del fotón${\displaystyle \nu }$de acuerdo a

${\displaystyle N_{\text{min}}={\frac {k_{1}V}{Q_{0}k_{f}\nu ^{2}P^{1/2}}},\qquad {\text{(Ec. 2)}}}$

dónde${\displaystyle k_{1}}$es una constante,${\displaystyle V}$es el volumen de la muestra,${\displaystyle Q_{0}}$es el factor de calidad sin carga de la cavidad de microondas (cámara de muestra),${\displaystyle k_{f}}$es el coeficiente de llenado de la cavidad, y${\displaystyle P}$es la potencia de microondas en la cavidad del espectrómetro. Con${\displaystyle k_{f}}$y${\displaystyle P}$siendo constantes,${\displaystyle N_{\text{min}}}$~${\displaystyle (Q_{0}\nu ^{2})^{-1}}$, es decir,${\displaystyle N_{\text{min}}}$~${\displaystyle \nu ^{-\alpha }}$, dónde${\displaystyle \alpha }$≈ 1,5. En la práctica,${\displaystyle \alpha }$Puede variar entre 0,5 y 4,5 dependiendo de las características del espectrómetro, las condiciones de resonancia y el tamaño de la muestra.

Por lo tanto, se obtiene una gran sensibilidad con un bajo límite de detección.${\displaystyle N_{\text{min}}}$y un gran número de espines. Por lo tanto, los parámetros requeridos son:

• Una frecuencia de espectrómetro alta para minimizar la ecuación 2. Las frecuencias comunes se analizan a continuación.
• Una temperatura baja para disminuir el número de espines en el nivel de energía alto como se muestra en la Ec. 1. Esta condición explica por qué los espectros a menudo se registran en muestras en el punto de ebullición del nitrógeno líquido o del helio líquido .

El conocimiento del factor g puede proporcionar información sobre la estructura electrónica de un centro paramagnético. Un electrón desapareado responde no solo al campo magnético aplicado por un espectrómetro.${\displaystyle B_{0}}$pero también a cualquier campo magnético local de átomos o moléculas. El campo efectivo${\displaystyle B_{\text{eff}}}$lo experimentado por un electrón se escribe así

${\displaystyle B_{\text{eff}}=B_{0}(1-\sigma ),}$

dónde${\displaystyle \sigma }$incluye los efectos de los campos locales (${\displaystyle \sigma }$puede ser positivo o negativo). Por lo tanto, el${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{\text{B}}B_{\text{eff}}}$La condición de resonancia (anterior) se reescribe de la siguiente manera:

${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{B}B_{\text{eff}}=g_{e}\mu _{\text{B}}B_{0}(1-\sigma ).}$

La cantidad${\displaystyle g_{e}(1-\sigma )}$se denota${\displaystyle g}$y se denomina simplemente factor g , de modo que la ecuación de resonancia final queda

${\displaystyle h\nu =g\mu _{\text{B}}B_{0}.}$

Esta última ecuación se utiliza para determinar${\displaystyle g}$en un experimento de EPR midiendo el campo y la frecuencia a la que se produce la resonancia. Si${\displaystyle g}$no es igual${\displaystyle g_{e}}$Esto implica que la relación entre el momento magnético de espín del electrón desapareado y su momento angular difiere del valor del electrón libre. Dado que el momento magnético de espín de un electrón es constante (aproximadamente el magnetón de Bohr), el electrón debe haber ganado o perdido momento angular mediante el acoplamiento espín-órbita . Como los mecanismos de acoplamiento espín-órbita se comprenden bien, la magnitud del cambio proporciona información sobre la naturaleza del orbital atómico o molecular que contiene el electrón desapareado.

En general, el factor g no es un número sino una matriz de 3×3 . Los ejes principales de este tensor están determinados por los campos locales, por ejemplo, por la disposición atómica local alrededor del espín desapareado en un sólido o en una molécula. Elegir un sistema de coordenadas apropiado (por ejemplo, x , y , z ) permite "diagonalizar" este tensor, reduciendo así el número máximo de sus componentes de 9 a 3: g _xx , g _yy y g _zz . Para un único espín que experimenta solo la interacción de Zeeman con un campo magnético externo, la posición de la resonancia EPR viene dada por la expresión g _xx B _x + g _yy B _y + g _zz B _z . Aquí B _x , B _y y B _z son las componentes del vector del campo magnético en el sistema de coordenadas ( x , y , z ); sus magnitudes cambian a medida que el campo gira, al igual que la frecuencia de la resonancia. Para un gran conjunto de espines orientados aleatoriamente (como en una solución fluida), el espectro EPR consta de tres picos de forma característica en las frecuencias g _xx B ₀ , g _yy B ₀ y g _zz B ₀ .

En el espectro de primera derivada, el pico de baja frecuencia es positivo, el de alta frecuencia es negativo y el pico central es bipolar. Estas situaciones se observan comúnmente en polvos, por lo que los espectros se denominan "espectros de patrón de polvo". En los cristales, el número de líneas de RPE está determinado por el número de orientaciones cristalográficamente equivalentes del espín de RPE (denominado "centro de RPE").

A temperaturas más elevadas, los tres picos se fusionan en un único valor, correspondiente a g _iso , para isotrópico. La relación entre g _iso y los componentes es:

${\displaystyle (g_{\mathrm {iso} })^{2}=(g_{xx})^{2}+(g_{yy})^{2}+(g_{zz})^{2}}$

Un paso elemental en el análisis de un espectro EPR es comparar g _iso con el factor g para el electrón libre, g _e . Los radicales basados ​​en metales, g _iso suele estar muy por encima de g _e mientras que los radicales orgánicos, g _iso ~ g _e .

La determinación del valor absoluto del factor g resulta compleja debido a la falta de una estimación precisa del campo magnético local en la ubicación de la muestra. Por lo tanto, normalmente se miden patrones del factor g junto con la muestra de interés. En el espectro común, la línea espectral del patrón del factor g se utiliza como punto de referencia para determinar el factor g de la muestra. Para la calibración inicial de los patrones del factor g , Herb et al. introdujeron un procedimiento preciso mediante técnicas de doble resonancia basadas en el desplazamiento de Overhauser . ^{[ 6 ]}

Dado que el origen de un espectro de RPE es un cambio en el estado de espín de un electrón, el espectro de RPE para un radical (sistema S = 1/2) constaría de una sola línea. La complejidad aumenta debido al acoplamiento del espín con los espines nucleares cercanos. La magnitud del acoplamiento es proporcional al momento magnético de los núcleos acoplados y depende del mecanismo de acoplamiento. Este acoplamiento se produce mediante dos procesos: dipolar (a través del espacio) e isotrópico (a través del enlace).

Este acoplamiento introduce estados de energía adicionales y, a su vez, espectros de múltiples líneas. En tales casos, el espaciado entre las líneas espectrales de RPE indica el grado de interacción entre el electrón desapareado y los núcleos perturbadores. La constante de acoplamiento hiperfino de un núcleo está directamente relacionada con el espaciado de las líneas espectrales y, en los casos más simples, es esencialmente el espaciado mismo. ^{[ 7 ]}

Dos mecanismos comunes por los que interactúan electrones y núcleos son la interacción de contacto de Fermi y la interacción dipolar. El primero se aplica principalmente al caso de interacciones isotrópicas (independientes de la orientación de la muestra en un campo magnético) y el segundo al caso de interacciones anisotrópicas (espectros dependientes de la orientación de la muestra en un campo magnético). La polarización de espín es un tercer mecanismo para las interacciones entre un electrón desapareado y un espín nuclear, siendo especialmente importante para${\displaystyle \pi }$radicales orgánicos de -electrones, como el anión radical benceno. Los símbolos " a " o " A " se utilizan para constantes de acoplamiento hiperfino isotrópicas, mientras que " B " se emplea generalmente para constantes de acoplamiento hiperfino anisotrópicas. ^{[ 8 ]}

En muchos casos, se puede predecir el patrón de desdoblamiento hiperfino isotrópico para un radical que gira libremente en una solución (sistema isotrópico).

Multiplicidad

• Para un radical que tiene M núcleos equivalentes, cada uno con un espín de I , el número de líneas EPR esperadas es 2 MI  +  1. Como ejemplo, el radical metilo, CH ₃ , tiene tres núcleos ^{1 H, cada uno con} I  =  1/2, por lo que el número de líneas esperadas es 2 MI  + 1  = 2(3)(1/2)  + 1  = 4, que es como se observa.
• Para un radical que tiene M ₁ núcleos equivalentes, cada uno con un espín de I ₁ , y un grupo de M ₂ núcleos equivalentes, cada uno con un espín de I ₂ , el número de líneas esperadas es (2 M ₁ I ₁  + 1) (2 M ₂ I ₂  + 1). Como ejemplo, el radical metoximetilo, H₂ C(OCH₃ )tiene dos núcleos 1H equivalentes^,cada uno conI = 1/2 y tres núcleos 1H equivalentes^,cada uno conI = 1/2, por lo que el número de líneas esperadas es (2M₁I₁ + 1) (2M₂I₂ + 1) = [2(2)(1/2) + 1] [2(3)(1/2) + 1] = 3×4 = 12, de nuevo como se observa.
• Lo anterior se puede extender para predecir el número de líneas para cualquier número de núcleos.

Si bien es fácil predecir el número de líneas, el problema inverso, que consiste en desentrañar un espectro EPR complejo de múltiples líneas y asignar los distintos espaciamientos a núcleos específicos, es más difícil.

En el caso frecuente de núcleos I = 1/2 (p. ej., ¹ H, ¹⁹ F, ³¹ P), las intensidades de línea producidas por una población de radicales, cada uno con M núcleos equivalentes, seguirán el triángulo de Pascal . Por ejemplo, el espectro de la derecha muestra que los tres núcleos ¹ H del radical CH ₃ dan lugar a 2 MI + 1 = 2(3)(1/2) + 1 = 4 líneas con una relación 1:3:3:1. El espaciado de las líneas da una constante de acoplamiento hiperfino de _H = 23 G para cada uno de los tres núcleos ¹ H. Nótese de nuevo que las líneas de este espectro son primeras derivadas de absorciones.     

Como segundo ejemplo, el radical metoximetilo, H ₃ COCH ₂ ^. el centro OC H ₂ dará un patrón EPR general 1:2:1, cada componente del cual se divide aún más por los tres hidrógenos metoxi en un patrón 1:3:3:1 para dar un total de 3×4  = 12 líneas, un triplete de cuartetos. Se muestra una simulación del espectro EPR observado y concuerda con la predicción de 12 líneas y las intensidades de línea esperadas. Nótese que la constante de acoplamiento más pequeña (espaciado de línea más pequeño) se debe a los tres hidrógenos metoxi, mientras que la constante de acoplamiento más grande (espaciado de línea) es de los dos hidrógenos unidos directamente al átomo de carbono que lleva el electrón desapareado. A menudo es el caso que las constantes de acoplamiento disminuyen en tamaño con la distancia al electrón desapareado de un radical, pero hay algunas excepciones notables, como el radical etilo (CH ₂ CH ₃ ).

Los anchos de línea de resonancia se definen en términos de la inducción magnética B y sus unidades correspondientes, y se miden a lo largo del eje x de un espectro EPR, desde el centro de una línea hasta un punto de referencia elegido de la misma. Estos anchos definidos se denominan semianchos y poseen algunas ventajas: para líneas asimétricas, se pueden dar valores de semiancho izquierdo y derecho. El semiancho${\displaystyle \Delta B_{h}}$es la distancia medida desde el centro de la línea hasta el punto en el que el valor de absorción tiene la mitad del valor de absorción máximo en el centro de la línea de resonancia . Ancho de la primera inclinación${\displaystyle \Delta B_{1/2}}$es una distancia desde el centro de la línea hasta el punto de máxima inclinación de la curva de absorción. En la práctica, se utiliza una definición completa de ancho de línea. Para líneas simétricas, el semiancho${\displaystyle \Delta B_{1/2}=2\Delta B_{h}}$y ancho de inclinación total${\displaystyle \Delta B_{\text{max}}=2\Delta B_{1s}}$.

La EPR es un método sensible y específico para estudiar tanto los radicales formados en reacciones químicas como las reacciones mismas. Por ejemplo, cuando el hielo (H₂O sólido ₎ se descompone por exposición a radiación de alta energía, se producen radicales como H, OH y HO₂ _. Estos radicales pueden identificarse y estudiarse mediante EPR. Los radicales orgánicos e inorgánicos pueden detectarse en sistemas electroquímicos y en materiales expuestos a luz ultravioleta . En muchos casos, interesan las reacciones que generan los radicales y las reacciones posteriores de estos, mientras que en otros casos la EPR se utiliza para obtener información sobre la geometría de un radical y el orbital del electrón desapareado.

La EPR es útil en la investigación de catálisis homogénea para la caracterización de complejos paramagnéticos e intermedios reactivos . ^{[ 10 ]} La espectroscopia EPR es una herramienta particularmente útil para investigar sus estructuras electrónicas , lo cual es fundamental para comprender su reactividad .

La espectroscopia EPR/ESR solo puede aplicarse a sistemas en los que el equilibrio entre la descomposición y la formación de radicales libres mantiene su concentración por encima del límite de detección del espectrómetro utilizado. Esto puede ser un problema particularmente grave al estudiar reacciones en líquidos. Un enfoque alternativo consiste en ralentizar las reacciones estudiando muestras mantenidas a temperaturas criogénicas , como 77 K ( nitrógeno líquido ) o 4,2 K ( helio líquido ). Un ejemplo de este trabajo es el estudio de reacciones de radicales en monocristales de aminoácidos expuestos a rayos X, un trabajo que a veces permite determinar las energías de activación y las constantes de velocidad de dichas reacciones.

También existen aplicaciones médicas y biológicas de la EPR. Aunque los radicales son muy reactivos, por lo que normalmente no se presentan en altas concentraciones en biología, se han desarrollado reactivos especiales para unir " marcadores de espín ", también llamados "sondas de espín", a moléculas de interés. Moléculas radicales no reactivas especialmente diseñadas pueden unirse a sitios específicos en una célula biológica , y los espectros de EPR proporcionan información sobre el entorno de los marcadores de espín. Los ácidos grasos marcados con espín se han utilizado ampliamente para estudiar la organización dinámica de los lípidos en las membranas biológicas, ^{[ 11 ]} las interacciones lípido-proteína ^{[ 12 ]} y la temperatura de transición de las fases de gel a cristal líquido. ^{[ 13 ]} La inyección de moléculas marcadas con espín permite la obtención de imágenes por resonancia electrónica de organismos vivos.

Se ha diseñado un sistema de dosimetría para estándares de referencia y uso rutinario en medicina, basado en señales EPR de radicales de α- alanina policristalina irradiada (el radical de desaminación de alanina, el radical de abstracción de hidrógeno y el radical (CO ⁻ (OH))=C(CH ₃ )NH + 2 ). Este método es adecuado para medir radiación gamma y rayos X , electrones, protones y radiación de alta transferencia lineal de energía (LET) en dosis comprendidas entre 1 Gy y 100 kGy. ^{[ 14 ]}

La EPR se puede utilizar para medir la microviscosidad y la micropolaridad dentro de los sistemas de administración de fármacos, así como para la caracterización de portadores coloidales de fármacos. ^{[ 15 ]}

El estudio de los radicales libres inducidos por radiación en sustancias biológicas (para la investigación del cáncer) plantea el problema adicional de que el tejido contiene agua, y el agua (debido a su momento dipolar eléctrico ) tiene una fuerte banda de absorción en la región de microondas utilizada en los espectrómetros EPR.

La espectroscopia EPR/ESR se utiliza en geología y arqueología como herramienta de datación . Puede aplicarse a una amplia gama de materiales, como lutitas orgánicas, carbonatos, sulfatos, fosfatos, sílice u otros silicatos. ^{[ 16 ]} Cuando se aplica a lutitas, los datos EPR se correlacionan con la madurez del querógeno en la lutita. ^{[ 17 ]}

La espectroscopia EPR se ha utilizado para medir propiedades del petróleo crudo , como la determinación del contenido de asfaltenos y vanadio . ^{[ 18 ]} El componente de radicales libres de la señal EPR es proporcional a la cantidad de asfaltenos en el petróleo, independientemente de los disolventes o precipitantes que puedan estar presentes en él. ^{[ 19 ]} Sin embargo, cuando el petróleo se somete a un precipitante como hexano , heptano o piridina , gran parte de los asfaltenos pueden extraerse posteriormente del petróleo mediante técnicas gravimétricas. La medición EPR de ese extracto dependerá entonces de la polaridad del precipitante utilizado. ^{[ 20 ]} Por consiguiente, es preferible aplicar la medición EPR directamente al crudo. En el caso de que la medición se realice aguas arriba de un separador (producción de petróleo) , entonces también puede ser necesario determinar la fracción de petróleo dentro del crudo (por ejemplo, si un determinado crudo contiene 80% de petróleo y 20% de agua, entonces la firma EPR será el 80% de la firma aguas abajo del separador).

La EPR ha sido utilizada por arqueólogos para la datación de dientes. El daño por radiación durante largos períodos de tiempo crea radicales libres en el esmalte dental, que luego pueden examinarse mediante EPR y, después de una calibración adecuada, datarse. De manera similar, el material extraído de los dientes de las personas durante procedimientos dentales puede utilizarse para cuantificar su exposición acumulada a la radiación ionizante. Personas (y otros mamíferos ^{[ 21 ]} ) expuestas a la radiación de las bombas atómicas, ^{[ 22 ]} del desastre de Chernóbil , ^{[ 23 ] [ 24 ]} y del accidente de Fukushima han sido examinadas mediante este método. ^{[ 25 ]}

Se han examinado alimentos esterilizados por radiación con espectroscopia EPR, con el objetivo de desarrollar métodos para determinar si una muestra de alimento ha sido irradiada y a qué dosis. ^{[ 26 ]}

Relación con la polarización nuclear dinámica (DNP) ^{[ 27 ]}

La polarización nuclear dinámica (DNP) es una forma de mejora de la señal en la espectroscopia de RMN en la que las microondas también irradian el sistema, transfiriendo la polarización de las especies radicales dentro de las muestras a los núcleos objetivo. Los métodos desarrollados que utilizan radicales que han sido polarizados ópticamente suelen emplear una combinación de EPR transitoria y pulsada para caracterizar la magnitud de su polarización.   ^{[ 28 ]}

EPR transitorio

La EPR transitoria (también conocida como EPR resuelta en el tiempo o trEPR) es un método de espectroscopia EPR utilizado para estudiar especies paramagnéticas fotoinducidas en tiempo real, con una resolución temporal de nanosegundos a microsegundos. A diferencia de la EPR de onda continua, en la EPR transitoria, las moléculas se colocan en un estado excitado mediante un láser mientras se recopilan datos simultáneamente en una escala de tiempo de nanosegundos. En un experimento estándar de traza temporal de EPR transitoria unidimensional, la intensidad del campo magnético B0 y la frecuencia de microondas se mantienen constantes. Para construir un perfil de traza temporal de EPR, se deben recopilar suficientes datos para poder modificar el parámetro del campo magnético. Este proceso se repite hasta que se hayan registrado todas las resonancias. El conjunto de datos primario registrado es bidimensional: la amplitud de la señal de EPR transitoria en función del tiempo y del campo magnético. La EPR transitoria se utiliza para caracterizar la polarización de agentes polarizantes bombeados ópticamente en desarrollo que tienen aplicaciones potenciales en DNP. ^{[ 29 ]}

La EPR es una técnica muy importante en el campo electroquímico porque opera para detectar especies paramagnéticas y electrones desapareados. La técnica tiene una larga historia de acoplamiento al campo, comenzando con un informe de 1958 que utilizó la EPR para detectar radicales libres generados por electroquímica. En un experimento realizado por Austen, Given, Ingram y Peover, se electrolizaron soluciones de aromáticos y se colocaron en un instrumento de EPR, lo que resultó en una amplia respuesta de señal. ^{[ 30 ]} Si bien este resultado no pudo utilizarse para ninguna identificación específica, la presencia de una señal de EPR validó la teoría de que las especies de radicales libres estaban involucradas en reacciones de transferencia de electrones como un estado intermedio. Poco después, otros grupos descubrieron la posibilidad de acoplar la electrólisis in situ con la EPR, produciendo los primeros espectros resueltos del radical anión nitrobenceno a partir de un electrodo de mercurio sellado dentro de la cavidad del instrumento. ^{[ 31 ]} Desde entonces, el impacto de la EPR en el campo de la electroquímica no ha hecho más que expandirse, sirviendo como una forma de monitorear radicales libres producidos por otras reacciones de electrólisis.

En los últimos años, la EPR también se ha utilizado en el contexto de la electroquímica para estudiar reacciones de flujo redox y baterías. Gracias a las posibilidades in situ, es posible construir una celda electroquímica dentro del instrumento EPR y capturar los intermedios de corta duración involucrados a concentraciones más bajas que las necesarias para la RMN . A menudo, los experimentos de RMN y EPR se acoplan para obtener una imagen completa de la reacción electroquímica a lo largo del tiempo. También es posible determinar la concentración de una especie radical específica mediante EPR, ya que es proporcional a la integral doble de la señal EPR con respecto a un patrón de calibración. Un ejemplo de aplicación específico se puede observar en las baterías de iones de litio , específicamente en el estudio de la formación de iones sulfato en baterías Li-S o en la formación de radicales oxígeno en baterías Li-O2 mediante la conversión de 4-oxo-TEMP a 4-oxo-TEMPO . ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Otras aplicaciones electroquímicas de la EPR se encuentran en el contexto de las reacciones de purificación de agua y de reducción de oxígeno. En las reacciones de purificación de agua, especies radicales reactivas como el oxígeno singlete y los radicales hidroxilo, oxígeno e hidrógeno están presentes de forma constante, generados electroquímicamente durante la descomposición de los contaminantes del agua. Estos intermediarios son altamente reactivos e inestables, lo que hace necesaria una técnica como la EPR que permita identificar especies radicales de forma específica. ^{[ 34 ]}

En el campo de la computación cuántica , la resonancia paramagnética electrónica pulsada (EPR) se utiliza para controlar el estado de los cúbits de espín electrónico en materiales como el diamante, el silicio y el arseniuro de galio.

El puente de microondas contiene tanto la fuente de microondas como el detector. ^{[ 37 ]} Los espectrómetros antiguos utilizaban un tubo de vacío llamado klistrón para generar microondas, pero los espectrómetros modernos utilizan un diodo Gunn . Inmediatamente después de la fuente de microondas hay un aislador que sirve para atenuar cualquier reflexión hacia la fuente que resultaría en fluctuaciones en la frecuencia de microondas. ^{[ 4 ]} La potencia de microondas de la fuente pasa luego a través de un acoplador direccional que divide la potencia de microondas en dos trayectorias, una dirigida hacia la cavidad y la otra hacia el brazo de referencia. A lo largo de ambas trayectorias hay un atenuador variable que facilita el control preciso del flujo de potencia de microondas. Esto a su vez permite un control preciso sobre la intensidad de las microondas aplicadas a la muestra. En el brazo de referencia, después del atenuador variable hay un desfasador que establece una relación de fase definida entre la señal de referencia y la reflejada, lo que permite la detección sensible a la fase.

La mayoría de los espectrómetros EPR son de reflexión, lo que significa que el detector solo debe estar expuesto a la radiación de microondas que regresa de la cavidad. Esto se logra mediante un dispositivo llamado circulador , que dirige la radiación de microondas (desde la rama que se dirige hacia la cavidad) hacia el interior de la misma. La radiación de microondas reflejada (tras ser absorbida por la muestra) pasa a través del circulador hacia el detector, asegurando que no regrese a la fuente de microondas. La señal de referencia y la señal reflejada se combinan y se envían al diodo detector, que convierte la potencia de microondas en corriente eléctrica.

En un espectrómetro EPR, el conjunto magnético incluye el imán con una fuente de alimentación dedicada, así como un sensor o regulador de campo, como una sonda Hall . Los espectrómetros EPR utilizan uno de dos tipos de imán, que se determina según la frecuencia de microondas de operación (que determina el rango de intensidades de campo magnético requeridas). El primero es un electroimán, que generalmente puede generar intensidades de campo de hasta 1,5 T, lo que los hace adecuados para mediciones en la banda Q. Para generar intensidades de campo apropiadas para la banda W y frecuencias más altas, se emplean imanes superconductores. El campo magnético es homogéneo en todo el volumen de la muestra y presenta una alta estabilidad en campo estático.

El resonador de microondas está diseñado para intensificar el campo magnético de microondas en la muestra con el fin de inducir transiciones EPR. Se trata de una caja metálica de forma rectangular o cilíndrica que resuena con las microondas (como un tubo de órgano con las ondas sonoras). A la frecuencia de resonancia de la cavidad, las microondas permanecen dentro de ella y no se reflejan. La resonancia implica que la cavidad almacena energía de microondas, y su capacidad para hacerlo viene dada por el factor de calidad Q , definido por la siguiente ecuación:

${\displaystyle Q={\frac {2\pi ({\text{energy stored}})}{({\text{energy dissipated}})}}}$

Cuanto mayor sea el valor de Q, mayor será la sensibilidad del espectrómetro. La energía disipada es la energía perdida en un período de microondas. La energía puede perderse en las paredes laterales de la cavidad, ya que las microondas pueden generar corrientes que, a su vez, generan calor. Una consecuencia de la resonancia es la creación de una onda estacionaria dentro de la cavidad. Las ondas estacionarias electromagnéticas tienen sus componentes de campo eléctrico y magnético exactamente desfasadas. Esto proporciona una ventaja, ya que el campo eléctrico proporciona una absorción no resonante de las microondas, lo que a su vez aumenta la energía disipada y reduce Q. Para lograr las señales más grandes y, por lo tanto, la sensibilidad, la muestra se coloca de manera que se encuentre dentro del máximo del campo magnético y el mínimo del campo eléctrico. Cuando la intensidad del campo magnético es tal que ocurre un evento de absorción, el valor de Q se reducirá debido a la pérdida de energía adicional. Esto resulta en un cambio de impedancia que sirve para evitar que la cavidad se acople críticamente. Esto significa que las microondas ahora se reflejarán de vuelta al detector (en el puente de microondas) donde se detecta una señal EPR. ^{[ 38 ]}