Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

 

Использование: в области научного приборостроения и для изучения парамагнитных свойств веществ в химии, молекулярной биологии и медицине. Сущность изобретения: спектрометр содержит электромагнит, в межполюсном зазоре которого расположен резонатор СВЧ-колебаний, связанный с блоком СВЧ-колебаний и последовательно соединенными СВЧ-детектором, приемником, аналого-цифровым преобразователем, накопителем и блоком цифровой обработки спектров ЭПР. При этом полоса пропускания частот приемника обеспечивает пропускание не менее двух любых гармоник частоты модуляции магнитного поля. Спектрометр содержит также задающий генератор, который через первый и второй делители частоты связан соответственно с системой развертки магнитного поля и системой модуляции поля. Коэффициенты деления делителей выбирают так, чтобы на один ход развертки магнитного поля укладывалось целое число периодов модуляции магнитного поля и спектры соседних гармоник модуляции магнитного поля не перекрывались на уровне заданной относительной точности регистрации формы линии спектра. 9 ил.

Изобретение относится к технике научного приборостроения и может быть использовано для изучения парамагнитных свойств веществ в химии, молекулярной биологии и медицине. Существующие в настоящее время спектрометры ЭПР построены по принципу модуляции магнитного поля. Они, как правило, содержат электромагнит с блоком питания, блок развертки магнитного поля, блок высокочастотной модуляции магнитного поля, блок СВЧ, подключенный к рабочему резонатору, с последовательно включенными детектором СВЧ, приемником, работающим на частоте модуляции магнитного поля, и системой цифровой регистрации и накопления. Анализ их чувствительности показывает, что оптимальная чувствительность достигается если амплитуда модуляции ВЧ-поля равна ширине линии наблюдаемого спектра (оптимальная амплитуда модуляции). При этом форма линии зарегистрированного сигнала сильно искажена. Желание регистрировать спектр ЭПР с малыми, наперед заданными искажениями формы линии, накладывает жесткое ограничение на амплитуду модуляции ВЧполя и приводит к заметной потере чувствительности. В типичном случае используется амплитуда модуляции, составляющая 10% от ширины линии, что примерно в 4-5 раз уменьшает отношение сигнал/шум по сравнению с максимально достижимым значением. Зарегистрированный при малой амплитуде модуляции спектр является первой производной сигнала ЭПР. Это противоречие между чувствительностью, и точностью регистрации формы спектральной линии носит принципиальный характер и не может быть разрешено в рамках традиционного модуляционного ЭПР-спектрометра. В качестве аналога предлагаемого устройства, разрешающего это противоречие, рассмотрим безмодуляционный спектрометр ЭПР для точной регистрации формы линии сигнала ЭПР без потери чувствительности, который не использует ВЧ-модуляцию постоянного магнитного поля и позволяет зарегистрировать истинную форму поглощения или дисперсии сигнала ЭПР в отличие от первой производной сигнала, регистрируемой модуляционным способом. Высокая чувствительность безмодуляционного спектрометра ЭПР может быть обеспечена только путем эффективной (не ниже 55 дБ) нейтрализации избыточных шумов источника СВЧ и низким уровнем шумов приемного тракта, для чего необходима переделка СВЧ-тракта традиционного спектрометра с использованием модуляции магнитного поля и применение специального балансного резонатора. Наиболее близким к данному изобретению является традиционный спектрометр ЭПР с модуляцией магнитного поля, который и выбран в качестве прототипа, а именно, одна из последних наиболее совершенных моделей такого спектрометра, выпускаемых фирмой "Брюкер", ESR300. Указанный спектрометр содержит электромагнит, в межполюсном зазоре которого расположен резонатор СВЧ-колебаний, вход которого подключен к блоку СВЧ-колебаний, а выход через детектор СВЧ-колебаний, приемник, цифроаналоговый преобразователь (АЦП) и накопитель соединен с блоком цифровой обработки спектров ЭПР. Спектрометр содержит также систему развертки магнитного поля, систему модуляции постоянного магнитного поля по гармоническому закону и задающий генератор. Ему присущи недостатки, описанные выше. т.е. противоречие между чувствительностью и точностью регистрации формы спектральной линии. Причину искажений формы линии обусловленных модуляцией магнитного поля можно понять, если рассмотреть подробнее процессы модуляции и регистрации сигнала ЭПР Y_т(Н), при тpaдиционном устройстве спектрометра с модуляцией магнитного поля на примере функции Лоренца, фиг.1 (эти результаты получены на ЭВМ). Пусть процесс регистрации происходит в течение времени Т_р (время одного сканирования магнитного поля), а модуляция постоянного магнитного поля осуществляется по гармоническому закону с частотой f_m и амплитудой H_m. В течение времени Т_р магнитное поле изменяется в пределах от Н₁ до Н₂. Введем Н_р H₂ Н₁ и Н_о Н₁ + 0,5(Н₂ Н₁). Если постоянное магнитное поле изменяется линейно H(t) H_р(t-Т_р/2)/Т_р, то общий закон изменения магнитного поля во времени имеет вид: H(t) Н_о + H_p(t - Т_р/2)/Т_р + Н_m, sin(f_mt)и представлен на фиг.2. После детектирования СВЧ-детектором регистрируемый спектр ЭПР как функция времени Y_reg(t) имеет вид приведенный на фиг.3. В реальной регистрации всегда Y_reg(t) Y₁(H(t)) + ШУМ, но для упрощения изложения положим ШУМ равным нулю (поэтому на фигурах шум не отображен). Для дальнейшего изложения введем преобразование Фурье следующим образом: прямое преобразование Фурье, обратное преобразование Фурье, где f линейная частота, f= 1/t, где t - время, Y(t) функция поглощения (дисперсии) сигнала ЭПР от времени текущей развертки. Так как в большинстве случаев сканирующее поле линейно зависит от времени, то каждому значению времени t соответствует определенное значение резонансного поля Н. Фурье-образ или частотное представление функции Y(t). Временное и частотное представление функций связаны между собой парой преобразований Фурье и полностью эквивалентны друг другу. Если функция задана на конечном промежутке [0,Т_р] то интегрирование в (1) производится по этому промежутку, а в (2) интегрирование по f заменяется на суммирование по переменной f, которая дискретна в этом случае. Частотное представление Y_reg(t) или его Фурье-образ в соответствии с формулой (1) Fur{Y_reg(t)} приведен на фиг.4, из которой видно, что частотный спектр промодулированного сигнала ЭПР после СВЧ-детектора спектрометра дискретен с частотой модуляции магнитного поля и сосредоточен в области гармоник частоты модуляции. Можно показать, что частотный спектр сигнала ЭПР на k-гармонике частоты модуляции есть или где G(f-f_mk)=μ_ki^kJ_k(A(f-f_mk) (5) аппаратная функция модуляционного способа регистрации

J_k(A (f f_mk)) функция Бесселя первого рода с индексом k;
F(f f_mk) Fur{Y(t)} частотное представление или Фурье-образ линии поглощения (или дисперсии) смещенный в Фурье плоскости на k гармоник частоты модуляции. Таким образом из фиг.4 и формул (3), (4), (5) видно, что временная реализация спектра ЭПР после СВЧ-детектора спектрометра на любой гармонике частоты модуляции содержит как информацию о точной форме линии в виде ее Фурье-образа F(f f_mk), так и модуляционные искажения в виде Фурьеобраза аппаратной функции G(f f_mk) модуляционного способа регистрации. В модуляционном ЭПР спектрометре осуществляется выделение одной гармоники частоты модуляции (как правило 1-й) и синхронное (фазочувствительное) детектирование на этой гармонике частоты модуляции (перенос спектра сигнала с высокой частоты в низкую, с f_m в ноль частот). На фиг.5 показана временная реализация промодулированного сигнала ЭПР после усилителя настроенного на первую гармонику частоты модуляции. На фиг.6 Фурье (частотный) спектр этого сигнала, который в соответствие с формулой (3) имеет вид:

На фиг.7 приведен результат синхронного детектирования во временной области, а на фиг.8 Фурье (частотный)-спектр этого сигнала, для которого выражение (6) имеет вид:

Из фиг.1-8 и формул (6)(7) следует, что информация о точной форме линии содержится в сигнале ЭПР, зарегистрированном модуляционным спектрометром, так как функция есть Фурье представление истинной формы линии сигнала ЭПР. Отсюда же видно, что получить , а следовательно и точную форму линии можно поделив на -2i J₁ (Аf) и сделав обратное преобразование Фурье (2). Однако, такая задача особенно с учетом шума не корректна, так как функция Бесселя 1-го рода при амплитудах модуляции соизмеримых с шириной линии имеет в интересующей области частотного спектра сигнала несколько нулей. Поэтому в рамках традиционного устройства модуляционного ЭПР спектрометра модуляционные искажения не устранимы. Целью изобретения является регистрация формы сигнала ЭПР без искажений, обусловленных модуляцией постоянного магнитного поля при сохранении чувствительности, соответствующей данной амплитуде модуляции. Указанная цель достигается тем, что в спектрометре электронного парамагнитного резонанса, содержащем электромагнит, в межполюсном зазоре которого расположен резонатор СВЧ-колебаний, вход которого подключен к блоку СВЧ-колебаний, а выход через последовательно соединенные детектор СВЧ-колебаний, приемник, цифроаналоговый преобразователь (АЦП) и накопитель соединен с блоком цифровой обработки спектров ЭПР; систему развертки магнитного поля, включающую: последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, соединенный с катушкой развертки магнитного поля; систему модуляции постоянного магнитного поля включающую: схему формирования гармонического сигнала, подключенную к усилителю мощности электрически связанному с катушкой модуляции магнитного поля, расположенной в непосредственной близости от исследуемого образца; задающие генератор; дополнительно введены делитель частоты 1 и делитель частоты 2 причем их входы подключены к выходу задающего генератора, выход делителя 1 соединен с входом цифроаналогового преобразователя системы развертки магнитного поля и с входом запуска аналого-цифрового преобразователя и с входом синхронизации накопителя, а выход делителя 2 подключен к входу схемы формирования гармонического сигнала системы модуляции постоянного магнитного поля, при этом использованы делители 1 и 2, коэффициенты деления которых обеспечивают выполнение соотношения между периодом развертки магнитного поля и периодом модуляции магнитного поля согласно выражению

где N целое число;
S_can амплитуда развертки магнитного поля [Гс]
d ширина наиболее узкой линии в наблюдаемом спектре [Гс]
a заданная относительная точность регистрации формы линии спектра,
а в качестве приемника использован усилитель с полосой пропускания частот, обеспечивающей пропускание не менее двух любых гармоник частоты модуляции магнитного поля. На фиг. 9 представлена блок-схема ЭПРспектрометра, реализующего предлагаемый способ. Предлагаемый ЭПР-спектрометр, блок-схема которого представлена на фиг.9, содержит электромагнит 1, в межполюсном зазоре которого расположен резонатор СВЧ-колебаний 2, вход которого подключен к блоку СВЧ-колебаний 3, а выход через детектор СВЧ-колебаний 4 к входу приемника 5. Приемник имеет полосу пропускания, которая обеспечивает прохождение не менее двух любых гармоник частоты модуляции. Выход приемника соединен с блоком аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, выход которого соединен с входом накопителя 7. Выход накопителя, в свою очередь, подсоединен к входу блока цифровой обработки сигналов 8. Спектрометр содержит также систему развертки магнитного поля, включающую цифроаналоговый преобразователь 9, усилитель мощности 10, катушку развертки магнитного поля 11; систему модуляции постоянного магнитного поля по гармоническому закону, включающую схему формирования гармонического сигнала 12, усилитель мощности 13, катушку модуляции магнитного поля 14, расположенную в непосредственной близости от исследуемого образца и задающий генератор 15. Выход задающего генератора через первый делитель 16 подключен к цифроаналоговому преобразователю 9 системы развертки магнитного поля, а через второй делитель частоты 17 к схеме формирования гармонического сигнала (sin) 12 системы модуляции магнитного поля. Одновременно выход первого делителя 16 соединен с АЦП 6 и накопителем 7. Введение в блок-схему прибора делителей частоты 16 и 17, подключенных к одному задающему генератору 15, позволяет синхронизовать во времени (по фазе) модуляцию и развертку магнитного поля. Коэффициенты деления делителей 16 и 17 выбирают так, чтобы, во-первых, на один ход развертки магнитного поля укладывалось целое число периодов модуляции магнитного поля, а во-вторых спектры соседних гармоник модуляции магнитного поля в частотном представлении, не перекрывались на уровне a (заданная относительная точность регистрации формы линии спектра). Эти требования выражаются формулой (8), в которой сделано предположение, что Фурье-спектр сигнала спадает не медленнее, чем спектр функции Лоренца, спадание которого пропорционально exp(-2πfδ/S_can).. Спектрометр работает следующим образом. Исследуемое вещество помещают в кювету резонатора 2, включают СВЧ-блок 3, электромагнит 1 и соответствующим выбором величины постоянного магнитного поля и настройкой СВЧ-тракта создают условия для возникновения резонансного поглощения образцом СВЧ-мощности в рабочей кювете резонатора. Включают задающий генератор 15, с выхода которого импульсное напряжение через делители частоты 16 и 17 поступает на системы развертки и модуляции магнитного поля. Одновременно импульсное напряжение с выхода делителя 16 синхронно переключает каналы накопителя 7 и управляет АЦП 6. С помощью системы развертки магнитного поля и катушки 11 устанавливают амплитуду развертки магнитного поля, соответствующую ширине для наблюдаемого спектра исследуемого образца. С помощью системы модуляции магнитного поля и катушки 14 устанавливают амплитуду модуляции магнитного поля, обеспечивающую максимальную чувствительность при регистрации наблюдаемого спектра (соизмеримую с полушириной линии - оптимальная модуляция). На каждом периоде развертки магнитного поля сигнал резонансного поглощения образцом СВЧмощности детектируют СВЧ-детектором 4, усиливают приемником 5 в полосе частот пропускающей не менее двух гармоник частоты модуляции магнитного поля, преобразуют с помощью АЦП 6 в цифровой код и записывают в память накопителя 7. Далее зарегистрированный сигнал из накопителя 7 поступает на блок цифровой обработки спектров ЭПР 8. В этом блоке выполняются численные операции, которые преобразуют зарегистрированный сигнал в частотное представление с помощью Фурье-преобразования в соответствии с

осуществляют перенос спектров всех регистрируемых гармоник частоты модуляции в ноль частоты в соответствии с

фильтруют полученные спектры фильтром α:

пропускающим частоты от 0 до f_m/2,
F^α_k (f)=F_k(f)α, (11)
определяют форму линии по формуле:

где Y_reg(t) Y_т(H(H_o + H_p(t Т_р/2)/Т_р + H_msin(f_mt))) регистрируемый сигнал;
f_m частота модуляции;
Н_о магнитное поле соответствующее условию магнитного резонанса;
H_p амплитуда развертки магнитного поля;
Т_р время сканирования; Н_m амплитуда модулирующего ВЧ-поля;

- Фурье-преобразование зарегистрированного сигнала;
f частота;
индекс k номер гармоники частоты модуляции;
F^α_k(f) спектр k-гармоники частоты модуляции, сдвинутый в ноль частоты и отфильтрованный фильтром α;
μ_ki^-kJ_k(A·f) комплексно-сопряженная аппаратная функция модуляционного способа регистрации на k-гармонике частоты модуляции;
J_k(Af)- функция Бесселя 1-го рода с индексом k;

Yt(t) функция истинной формы линии сигнала ЭПР. Тем самым Y_т(t), полученная на выходе блока цифровой обработки спектров ЭПР 8, представляет собой неискаженный спектр резонансного поглощения образцом СВЧ -мощности, зарегистрированный при оптимальной амплитуде модуляции магнитного поля. Справедливость формулы (12) можно показать подстановкой в нее выражения (7) для k-ой гармоники вместо F^α_k(f), получим:

нанося F(f) за знак суммы, так как F(f) не зависит от k имеем

так как суммы вверху и внизу одинаковы (суммы квадратов функций Бесселя)то:

и, помня, что

получим Yт(t)= Yт(t). То есть формула (12) представляет тождество. Таким образом использование двух или более гармоник частоты модуляции магнитного поля при регистрации сигнала ЭПР снимает некорректность в вычислении неискаженного сигнала ЭПР, так как функция стоящая в знаменателе (12), не имеет нулей, а следовательно, выражение в фигурных скобках определено при всех значениях f. Поэтому проблема деления на ноль отсутствует. При этом отношение сигнал/шум в спектре на выходе блока цифровой обработки спектров ЭПР соответствует отношению сигнал /шум в спектре, зарегистрированном традиционным модуляционным способом, при оптимальной амплитуде модуляции на этом же образце и одинаковом времени регистрации сигнала. Были получены спектры ЭПР для дифенилпикрилгидрозила (ДФПГ=в растворе диоксана в концентрации 10^-3 м/л. Изобретение позволяет получить не только информацию о точной форме линии в виде линии поглощения (или дисперсии), но и производную линии поглощения, получаемую традиционным модуляционным спектрометром ЭПР с чувствительностью и с модуляционными искажениями формы линии присущими этому спектрометру. Для этого в частотном представлении зарегистрированного сигнала необходимо первую гармонику частоты модуляции перенести в ноль частот, отфильтровать фильтром подавляющим частоты выше f_m/2 и выполнить обратное преобразование Фурье. Данное устройство позволяет устранить недостаток устройства-прототипа, а именно, устранить противоречие между чувствительностью и точностью регистрации. То есть оно позволяет регистрировать с максимально возможной чувствительностью неискаженные спектры ЭПР. Возможность регистрации неискаженных спектров повышает информативность метода ЭПР. Например, при наблюдении ЭПР-резонанса от образцов в водных растворах по форме линии можно выяснить механизмы спиновой релаксации, наличие недоразрешенной и скрытой сверхтонкой структуры. В модуляционном спектрометре это возможно лишь при малых амплитудах модуляции, т.е. с потерей чувствительности. К примеру во многих экспериментах отношение сигнал/шум бывает порядка 30 (при оптимальной амплитуде модуляции). Если уменьшить амплитуду модуляции в 4-5 раз, то искажения формы линии будут порядка 10% а отношение сигнал/шум порядка 6-8. Тогда вычисление всех параметров, зависящих от формы линии, будут с точностью порядка 20-30% В предлагаемом спектрометре эту информацию можно получить и при больших амплитудах модуляции, т.к. данный спектрометр позволяет регистрировать неискаженную форму линии сигнала ЭПР при отсутствии ограничений на амплитуду модуляции. Использование предлагаемого спектрометра в медицине, биологии позволит уменьшить концентрацию исследуемого образца или время регистрации при прочих равных условиях. 2 4

Формула изобретения

Спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий электромагнит, в межполюсном зазоре которого расположен резонатор СВЧ-колебаний, вход которого подключен к блоку СВЧ-колебаний, а выход через последовательно соединенные детектор СВЧ-колебаний, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель соединен с блоком цифровой обработки спектров ЭПР, систему развертки магнитного поля, включающую последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и первый усилитель мощности, соединенный с катушкой развертки магнитного поля, систему модуляции постоянного магнитного поля, включающую схему формирования гармонического сигнала, подключенную к второму усилителю мощности, электрически соединенному с катушкой модуляции магнитного поля, задающий генератор, отличающийся тем, что, с целью регистрации формы сигнала без искажений, обусловленных модуляцией постоянного магнитного поля, при сохранении чувствительности, соответствующей данной амплитуде модуляции, в устройство дополнительно введены два делителя частоты, причем их входы подключены к выходу задающего генератора, выход первого делителя соединен с входом цифроаналогового преобразователя системы развертки магнитного поля, входом запуска аналого-цифрового преобразователя и входом синхронизации накопителя, а выход второго делителя подключен к входу схемы формирования гармонического сигнала системы модуляции постоянного магнитного поля, при этом использованы делители, коэффициенты деления которых обеспечивают выполнение соотношения между периодом развертки Т_разв магнитного поля и периодом модуляции Т_мод магнитного поля согласно выражению

где N целое число;
S_can амплитуда развертки магнитного поля, Гс;
d минимальная ширина линии в наблюдаемом спектре, Гс;
a заданная относительная точность регистрации формы линии спектра,
а в качестве приемника использован усилитель с полосой пропускания частот, обеспечивающей пропускание не менее двух любых гармоник частоты модуляции магнитного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9